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热电冷联产系统的探讨

太原市热力公司   吕晋梁

摘要:介绍了热电联产的发展,论述了热电联产系统的特点,分析了外燃烧式热电冷联产系统节能条件,计算表明内燃烧式系统具有节能优势和潜力。

关键词:热电冷联产,供热供冷,节能

  

       从广义上讲,热电联产是表示同时生产电能或机械能和有用热能(通常从热液体或气体的形式)的任何一种形式。联产系统包括具有双重目标的发电厂,废热利用系统,某些形式的区域供热系统和总体能量系统。由热电联产发展而来的是热电联产技术与制冷技术(吸收式或压缩式)的结合。

       热电冷联产装置的选择范围很大。就动力装置而言,可选择外燃烧式蒸汽动力装置和内燃烧式燃气动力装置;就制冷而言,可选择压缩式、吸收式或其它热驱动制冷方式,还可以根据用户性质、条件选择大规模热电冷联产生产装置和设在用户现场的三联产装置。热电冷联产系统流程有许多优选的余地。

1  热电联产的发展及其特点

        过去几十年,热电联产被认为是一种节省能源的手段,但对热电联产介绍得很少,廉价能源供应的必然结果就是随意浪费能量。20世纪80年代,常规的能源供应不可靠了,价格也贵多了。结果,热电联产在美国开始受到重视。节省燃料、降低支出、保护环境、确保可靠的能源供应,已成为重要的目标,而这个目标只有热电联产才能有效地达到。

       热电联产有以下的优点:

    1)效率:由于废弃能量的减少或消除,国家能源的自给率得以提高。

    2)费用优势:使用较少燃料达到多种目的,热电联产既节省了能源,也节省了资金。

    3)环境改善:热电联产系统只需较少的燃料产生额定的热量,这意味着相应的燃料燃烧释放污染物的减少。

    4)节约资源:以较少燃料获得更多的热量,热电联产节省非再生燃料资源以及开采和运送这些资源的能耗。

2  外燃烧式热电冷联产和内燃烧式热电冷联产

       外燃烧式热电冷联产系统是由锅炉产生高压高温蒸汽,利用汽轮机将蒸汽的热能转变为机械能,并带动交流发电机发电;汽轮机的抽汽或排汽对外供热和驱动吸收式制冷机制冷。此外,该系统还可作如下变化:用制冷压缩机取代交流发电机,或在抽汽式汽轮机的抽汽处装第二台带动制冷压缩机的汽轮机。

       热电冷联产对于热电厂来说夏天要供冷从而全年可以多发电,提高了设备利用率。但是与凝汽式发电相比,供热汽轮机组电效率降低,所以说,外燃烧式热电联合生产热能是以发电量的减少为代价的。

       估算利用汽轮机抽汽或排汽对外供热和驱动吸收式制冷机制冷情况下的供热、供冷一次能耗率,方法是在消耗同等数量燃料热的条件下,热电机组因供热而比用凝汽机组所减少的发电量,折合成一次燃料热,作为联产供热消耗的能量。因这种方法固定了发电能耗率,故可只根据供热和供冷一次能耗率来估计哪一类热电冷联产系统是节能的。而且用该法也便于其它单纯供热和供冷的系统比较。这种方法还能区别汽轮机型式、进汽参数及供热参数等不同因素的影响。这一点对于供冷能耗估算是至关重要的。

      估算结果表明,利用联产热供暖供冷与用锅炉或直燃热相比总是节能的。

       至于联产热供暖与电动热泵供暖相比,以及利用联产热驱动制冷系统供冷和电动制冷相比的结果,则不能一概而论。由于汽轮机型式和进、排汽压力有高有低,制冷机和热泵的特性系数COP也有高有低,还有电厂效率和实际运行情况等等,所以必须全面考虑有关因素具体分析。

       总体上,利用外燃烧式热电联产的热能供冷制冷,需要汽轮机有较高的进汽压力和热驱动制冷机有较高的性能系数,才能与具有较高性能系数的电动制冷机和热泵相竞争。

       汽轮机直接拖动的压缩式制冷一次能耗率取决于制冷机的COP,与电动制冷类似。

       在内燃烧式热电冷联产系统中,内燃机或燃气轮机通过一个或两个轴,向交流发电机和制冷压缩机提供机械能。由一自动调节系统调节交流发电机和制冷压缩机提供能量的比例。内燃机或燃气轮机的排气余热可以直接或间接(通过余热锅炉)用于供热及吸收式制冷机组制冷。回收排气余热所得蒸汽也可先带动汽轮机发电或产生机械功,构成燃气——蒸汽联合循环,进一步提高热能动力装置的效率,然后再由汽轮机的抽汽或排汽供热及由吸收式制冷机组制冷。

       内燃烧式热电联产热能是从回收燃气轮机或内燃机排出的烟气或冷却汽缸的余热所得,若未采用燃气——蒸汽联合循环,则不影响发电量却提高了热能利用率。

       所以可视为废热利用,从能源的有效利用来看比外燃烧式热电联产更为有利。

       20世纪90年代初,美国专为区域供能开发了热电冷三联产机械。其特性是:与原动机(燃气轮机)在同一根轴上连接着发电机、电动机和制冷压缩机;天然气和点的任意组合都可用于驱动螺杆压缩机,而原动机产生的轴功可用于在任意比例下生产冷媒水和发电;用原动机的排气生产出热。

       从来自区域供能装置运行的实际数据得出,单位冷量的天然气消耗量换算成供冷一次能耗率为:带热回收的三联产0.137,三联产0.667

       三联产装置的年满负荷运行时数达到5000h~7000h

3  结束语

       利用外燃烧式热电联产的热能供热制冷,与利用直燃、锅炉热相比是节能的,但与性能系数较高的电动制冷和热泵相比,则需要汽轮机有较高的进汽压力和热驱动制冷机有较高的性能系数。所以说,外燃烧式热电冷联产的节能是有条件和局限性的。

       内燃烧式热电联产热能是从回收燃烧产物或冷却汽缸余热所得,不影响发电量,故具有节能优势。

       复合式联产系统,与分产相比系统节能率达40%。可见,通过优化设备配置和系统流程,内燃烧式热电冷联产还有很大的节能潜力。

       在区域供热的供冷应用中有条件地以内燃烧式或燃气——蒸汽联合循环联产装置取代外燃烧式联产装置是一种趋势。当然还需针对不同供能对象和负荷条件进行设计,解决好能量利用的合理性与用户条件的实现性的矛盾,才能收到预期的节能效果。

       近来,微型燃气轮发电技术在美国和日本兴起,设备发电容量30kW~80kW,发电效率达26%~28.5%。这种小型化、高效率和分散型的发电装置,有可能成为21世纪能源技术的主流,并将掀起“电源小型分散化”的技术革新热。可以预见,小型分散化热电冷联产系统将会与之伴随发展。

作者简介:

吕晋梁,男,1967—,工程师,主要从事集中供热技术工作

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