王 穎,寧浩然,孫 穎,楊志行

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150028; 2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)院研究院,哈爾濱 150030)

0 引 言

中國的能源結(jié)構(gòu)正在轉(zhuǎn)型,未來煤碳不再是主要能源,可再生能源占比不斷增加。隨著經(jīng)濟發(fā)展和電力需求不斷增大,國家對節(jié)能環(huán)保問題更加重視。根據(jù)國家發(fā)改委能源局編制的《2010年熱電聯(lián)供發(fā)展規(guī)劃及2020年遠景發(fā)展目標》,到2020年全國熱電聯(lián)供裝機容量將近2億kW。在有條件的地方,要積極發(fā)展熱電聯(lián)供、冷熱電及冷熱電氣多聯(lián)供。冷熱電聯(lián)供是指從相同一次能源系統(tǒng)中,得到電能(或機械能)、有效熱量和有效冷量,并將這幾種能源提供用戶使用。冷熱電聯(lián)供不僅實現(xiàn)能源梯級利用,完成冷熱與電負荷同時供應(yīng),還能減少污染氣體的排放,具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益[1-6]。

黑龍江省屬于嚴寒地區(qū),冬季供暖周期長,室內(nèi)的供暖溫度對人體舒適性有影響[7],要求供暖平穩(wěn)高效。研究表明,現(xiàn)階段中國北方采暖地區(qū)300 MW熱電聯(lián)供機組發(fā)電煤耗基本與超超臨界機組相當(dāng),約275 g/(kW·h)或更低,熱電供熱煤耗優(yōu)于集中鍋爐,因此熱負荷較大的地區(qū),應(yīng)該大力建設(shè)300 MW及以上熱電聯(lián)供機組[8]。350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組能在保證供暖的基礎(chǔ)上,為周邊的工業(yè)園區(qū)或制冷需求系統(tǒng)配套供冷的可能,以滿足需求。

1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型的搭建

受氣候影響,黑龍江省熱電聯(lián)產(chǎn)機組比重較大,采暖期供熱機組按照以熱定電的方式運行,調(diào)峰能力有限,對機組進行旁路及低壓缸少蒸汽等不同技術(shù)的改造,可以實現(xiàn)靈活性調(diào)峰[9]。文中以嚴寒地區(qū)某現(xiàn)運行的靈活性調(diào)峰350 MW超臨界機組的抽汽凝汽式汽輪機為基礎(chǔ),抽取合適參數(shù)的蒸汽作為熱源,驅(qū)動溴化鋰雙效吸收式制冷機組,實現(xiàn)冷熱電聯(lián)供。

此冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)分為熱電聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)和制冷子系統(tǒng),其搭建系統(tǒng)原理圖如圖1所示。從圖中可以看出,熱電聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)是一種傳統(tǒng)的最常見方式,燃煤在鍋爐中燃燒產(chǎn)生的熱能,在汽輪機中實現(xiàn)高品位熱能的第一次利用,完成發(fā)電;利用汽輪機五段抽汽,將低品位蒸汽熱能用于供熱和制冷,最大限度地節(jié)約能量。制冷子系統(tǒng)為更好地利用低品位蒸汽,采用蒸汽熱源驅(qū)動的溴化鋰雙效吸收式制冷機組,其熱力系數(shù)[10]為1.1～1.3,具有運行平穩(wěn)、噪聲低、能量調(diào)節(jié)范圍廣、維護操作簡單、可利用低品位熱能等一系列優(yōu)點。

圖1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)原理圖

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)實現(xiàn)了能源梯級利用及面向用戶需求,保證了靈活穩(wěn)定供熱,又可以實現(xiàn)供冷,大大提高了一次能源的利用率。

2 系統(tǒng)分析與計算

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的評價,可基于熱力學(xué)第一定律分析法,主要運用熱平衡原理,以熱效率為基本準則,對用能設(shè)備和系統(tǒng)的能量有效利用情況進行分析和評價,目前常用的是一次能源利用率(primary energy rate,PER),也稱系統(tǒng)熱效率,是系統(tǒng)輸出能量與輸入能量的比值,并且把功、熱、冷等同看待,可以進行換算,能較好地描述系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換利用的有效性與優(yōu)劣,簡單易懂,一次能源利用率越高,系統(tǒng)的熱力性能越好。

對于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),一次能源利用率計算式如下:

式中:Qh1即Qheat-load,為CCHP的供熱量,kJ;Qc1即Qcool-load,為CCHP的制冷量,kJ;Wel為CCHP的發(fā)電量,kW·h;Ein為CCHP的輸入能量,kJ。

此CCHP可以實現(xiàn)平穩(wěn)的冷熱電聯(lián)供,其計算結(jié)果見表1。

表1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)計算結(jié)果

表1中,工況1為低壓缸少蒸汽和低旁供汽聯(lián)合運行,工況2為低壓缸少蒸汽運行,工況3為五抽正常供汽運行,三種工況是當(dāng)前嚴寒地區(qū)供熱的主要形式,通過“熱電解耦”技術(shù)滿足電網(wǎng)和熱用戶峰谷差的要求,靈活調(diào)配,提高了機組靈活性。

擬從熱電聯(lián)產(chǎn)機組的汽輪機五段抽汽抽取蒸汽,蒸汽參數(shù)滿足雙效吸收式制冷機組驅(qū)動熱源要求,三種工況的蒸汽壓力分別為0.29 MPa、0.26 MPa和0.31 MPa,每個工況擬抽取蒸汽流量20 t/h。從表1中結(jié)果可以看出,冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的一次能源利用率分別為96.27%、86.08%和76.27%,說明此系統(tǒng)的能源利用率較高,熱力性能較好。

從圖2中可以看出,雖然冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電功率變化,但機組的熱網(wǎng)供熱量變化曲線較為平緩,維持在760 GJ/h左右。當(dāng)熱用戶所需要的蒸汽負荷降低時,根據(jù)調(diào)控中心的要求,靈活調(diào)整機組負荷,在較大的范圍內(nèi)同時滿足熱負荷和電負荷的需求。此系統(tǒng)在供電變負荷情況下,可以保持平穩(wěn)的供熱量,實現(xiàn)熱電解耦。對于嚴寒地區(qū)冬季長期供暖來說,穩(wěn)定高效供熱是十分必要的。

圖2 機組熱網(wǎng)供熱量變化曲線

從圖3可知,隨著不同運行方式和負荷工況變化,發(fā)電功率由106 MW變化到192 MW, 系統(tǒng)供電煤耗隨之變化,從177.57 g/(kW·h)增加到252.03 g/(kW·h)。這是因為隨著發(fā)電功率的增加,蒸汽動力裝置的朗肯循環(huán)存在的冷凝熱損失在能源梯級利用中變?yōu)榭捎媚芰康谋壤絹碓叫?供熱量也是可用能量)。

圖3 供電煤耗變化

如圖4所示,隨著不同工況發(fā)電功率的變化,熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱效率和冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的一次能源利用率均隨之發(fā)生變化,且變化趨勢相同。熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不同工況發(fā)電功率減少,供熱量變化不大,且供熱實現(xiàn)了冷凝熱損失的回收利用,而系統(tǒng)輸入能量變小,故其熱效率提高。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),同樣對低品位的蒸汽熱能加以利用產(chǎn)生冷量,實現(xiàn)能源梯級利用,且其熱力系數(shù)大于1,故同基礎(chǔ)的一次能源利用率較發(fā)電效率提高。

圖4 效率隨發(fā)電功率變化

此冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)為了研究供冷的可能,擬抽取蒸汽量相對較小,對整個系統(tǒng)的影響較小,實際工程可以根據(jù)需要進行相應(yīng)的調(diào)整。由于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),進一步利用低品質(zhì)的熱能,使系統(tǒng)的一次能源利用率進一步提高,系統(tǒng)方便可行,經(jīng)濟性較好。

3 結(jié) 語

1) 基于嚴寒地區(qū)350 MW超臨界機組,結(jié)合溴化鋰雙效吸收式制冷技術(shù),完成冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),對系統(tǒng)的供電煤耗、供熱量、發(fā)電效率及一次能源利用率進行計算分析,為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

2)從經(jīng)濟和工程實際兩個角度考慮,冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),是抽取低品位的蒸汽進行利用,既可以實現(xiàn)靈活平穩(wěn)供熱,又提供供冷的可能,具有較高的一次能源利用率,是未來系統(tǒng)高效可行的方式。