武漢市某園區(qū)冷熱電三聯(lián)供方案的能效分析

熊 瑤 符永正

武漢市某園區(qū)冷熱電三聯(lián)供方案的能效分析

熊 瑤 符永正

武漢科技大學城市建設學院

本文以武漢某園區(qū)為例，針對常見的幾種冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行能效計算和分析。結果表明，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能效明顯高于分產(chǎn)系統(tǒng)，節(jié)能率在7%到39%之間。結合幾種聯(lián)產(chǎn)方案的特點、能效以及初投資，針對該園區(qū)給出了推薦方案，并分析了提高聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能效的途徑。

聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分產(chǎn)系統(tǒng)一次能源利用率火用效率

0 引言

冷熱電三聯(lián)產(chǎn)（CCHP）系統(tǒng)是以天然氣為一次能源，在發(fā)電的同時將發(fā)電余熱進行充分利用的冷熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)能源的梯級、循環(huán)、高效利用并且避免能量在傳輸過程中的多次轉換和傳輸損失。本文以武漢市某園區(qū)為例，用一次能源利用率和火用效率作為能效指標，對目前常見的幾種聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行能效計算和對比分析。

1 能效計算方法

針對能源需求側相同的總供電量Qe、總供冷量Qc、總供熱量Qh，以一次能源利用率和火用效率為評價標準，對冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和三分產(chǎn)系統(tǒng)進行能效計算和對比分析。

1.1 一次能源利用率的計算方法

一次能源效率是將輸入能量追溯到一次能源之后，系統(tǒng)終端得到的能量與一次能源消耗量之比，應當說是將能量的生產(chǎn)和輸送環(huán)節(jié)包括在內(nèi)，對熱力學第一定律的應用。

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用燃氣輪機或內(nèi)燃機發(fā)電，并利用余熱裝置進行供熱和制冷，其一次能源利用率為：

式中：Qe為項目所需供電量、Qc為所需制冷量、Qh為所需供熱量，Ql為冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)一次能源消耗量。

傳統(tǒng)的冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)由電網(wǎng)供電，電制冷，鍋爐或者熱泵供熱，一次能源消耗量為：

冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)的一次能源利用率為：

式中：ηf為電廠的發(fā)電效率；ηw為電網(wǎng)的輸送效率；COP為電制冷系統(tǒng)性能系數(shù)；PERfh為制熱性能系數(shù)。

1.2 火用效率的計算方法

火用效率則是系統(tǒng)中作為收益的火用與作為代價的火用之比，是基于熱力學第二定律的能夠反應過程或系統(tǒng)熱力學完善性的指標。

式中：ηe為火用效率；Ee為系統(tǒng)總供電量；Ec為系統(tǒng)輸出的冷量所含火用值；Eh為系統(tǒng)輸出的熱量所含火用值；Ez為燃料的總火用值。

式中：Tc為冷源溫度；Th為高溫熱源溫度；T0為制冷季節(jié)環(huán)境溫度；T0'為制熱季節(jié)環(huán)境溫度。

冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)的火用效率：

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的火用效率：

1.3 節(jié)能率的計算方法

節(jié)能率ζ定義為在生產(chǎn)相同的電量、冷量和熱量的情況下的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對于分產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能量與分產(chǎn)系統(tǒng)一次能源消耗量的比值。

當ζ大于0時，說明冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對于分產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能，反之則不節(jié)能。ζ的大小反映出聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能效果。

2 武漢市某園區(qū)的冷熱電三聯(lián)供的能效計算與分析

2.1 項目介紹

該園區(qū)總建筑面積31.3萬m2（不含地下車庫），工程凈用地面積為19.4萬m2，總占地面積23.2萬m2，包括酒店、劇場、商業(yè)中心、藝術交流中心以及高層辦公樓等。項目設計冷負荷為24.5MW，設計熱負荷為19.6MW，設計電力負荷16.77MW。

武漢的夏季空調(diào)室外計算溫度T0=35.3℃，冬季空調(diào)室外計算溫度T0'=-2.4℃，室內(nèi)設計溫度t=18℃。

2.2 聯(lián)產(chǎn)方案和分產(chǎn)方案

對于聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，本文選取四種常見方案。方案一、二、三采取“以電定熱”的原則選取設備，所選發(fā)電機組排氣量均能滿足溴化鋰機組要求。方案四采取“以熱定電”的原則選取設備，所選發(fā)電設備不能滿足設計電

荷要求，不足部分通過城市電網(wǎng)獲得。

方案一：小型燃氣輪機+余熱/直燃溴化鋰機組。選擇5臺Solar-Centaur 40燃氣輪機，發(fā)電功率3.52MW，效率27.3%，排氣量65.8t/h[1]；12臺遠大ZE600煙氣溴化鋰直燃機，制冷量6978kW，制熱量85kW，煙氣消耗量13.807t/h（單獨采用煙氣作為能，制冷量、制熱量為額定的30%）。

方案二：燃氣輪機+余熱鍋爐+蒸汽溴化鋰機組制冷+板式換熱器制熱。選擇5臺Solar-Centaur 50燃氣輪機，發(fā)電功率4.23MW，效率28.7%，排氣量7.2t/h[1]；3臺10.6t/h的余熱鍋爐，余熱利用率72.5%；臺遠大BS600蒸汽溴化鋰直燃機，制冷量6978kW，汽消耗量7.743t/h。

方案三：內(nèi)燃機+余熱/直燃溴化鋰機組。選擇五臺GE-JMS624內(nèi)燃機，發(fā)電功率3.832MW，效率6.1%，排氣量53.4t/h；12臺遠大BZE600煙氣溴化鋰直燃機。

方案四：城市電網(wǎng)+小型燃氣輪機+余熱/直燃溴化鋰機組。4臺Solar-Centaur 40燃氣輪機，發(fā)電功率3.52MW，效率27.3%，排氣量65.8t/h[1]；12臺遠大BZE600煙氣溴化鋰直燃機。

表1 各方案系統(tǒng)形式

對于分產(chǎn)系統(tǒng)，電力均來自城市電網(wǎng)，方案五采用螺桿式冷水機組+燃氣鍋爐作為冷熱源，方案六采用地源熱泵系統(tǒng)，方案七采用分體空調(diào)。電廠發(fā)電效率為0.35，輸配電效率為0.92[2]。螺桿式冷水機組性能系數(shù)為4.6，燃氣鍋爐效率89%，地源熱泵機組制冷性能系數(shù)為5.0，制熱COP為4.5，分體空調(diào)制冷能效系數(shù)為3.2，制熱COP為2.4[3]。

各方案系統(tǒng)形式如表1所示。

2.3 各方案的能效及聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能率

根據(jù)機組性能參數(shù)，計算出各方案的制冷和供暖工況下一次能源利用率以及火用效率，結果如表2所示。

表2 各方案能源利用率

根據(jù)上述結果，對四種聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)制冷和供暖工況的節(jié)能率進行了計算，結果如表3所示。

表3 各聯(lián)產(chǎn)方案相對于分產(chǎn)方案的節(jié)能率

表2及表3數(shù)據(jù)說明，對于相同的冷熱電負荷，無論是一次能源利用率還是火用效率，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)都明顯高于分產(chǎn)系統(tǒng)，節(jié)能率在7%到39%之間。節(jié)能比例與聯(lián)產(chǎn)具體方案以及分產(chǎn)系統(tǒng)冷熱源設備能效系數(shù)有關，當分產(chǎn)系統(tǒng)冷熱源能效系數(shù)提高，節(jié)能的比例呈下降趨勢。

方案一是最普通的聯(lián)產(chǎn)方案。使用燃氣輪機發(fā)電，然后將發(fā)電余熱利用溴化鋰吸收式空調(diào)機組制冷供暖，減少了分產(chǎn)系統(tǒng)中能量的多次轉換以及傳輸損失，并且實現(xiàn)了能量的梯級利用。

方案二與方案一相比，選擇了機組容量較大的燃氣輪機，發(fā)電效率較高，但兩種方案能效值相差不大。因為方案二系統(tǒng)較為復雜，在余熱鍋爐及換熱器等環(huán)節(jié)有較大熱損失。此方案適合于蒸汽需求量比較大，蒸汽品質(zhì)要求比較高的項目，例如醫(yī)院、藥廠等，還特別適合已經(jīng)購買蒸汽鍋爐和蒸汽溴化鋰吸收式空調(diào)機的單位進行技術改造。

方案三與方案一類似，不同的是選擇了效率更高的內(nèi)燃機發(fā)電，能效值也遠高于方案一。

方案四與方案一相比，采用“以熱定電”的原則選取機組，將城市電網(wǎng)與聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)匹配使用，系統(tǒng)能效值比方案一更高。一方面是因為城市電網(wǎng)發(fā)電效率高于方案一燃氣輪機的發(fā)電效率，另一方面是因為方案一沒有對發(fā)電余熱進行充分利用，浪費了部分發(fā)電余熱。

2.4 各方案的初投資比較

經(jīng)濟性是能源系統(tǒng)的一個重要指標，初投資是經(jīng)濟性的一個重要方面。聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的初投資包含發(fā)電機組和冷熱源系統(tǒng)，分產(chǎn)系統(tǒng)的初投資則主要是冷熱源系統(tǒng)。按照Solar-Centaur燃氣輪機2700元/kW，余熱鍋爐300元/kW，電制冷機970元/kW，換熱器200元/ kW[4]，吸收式制冷機組價格根據(jù)產(chǎn)品樣本確定，來計算各方案的初投資，結果如表4所示。

表4 各系統(tǒng)方案初投資

2.5 結果分析

方案一在聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中能效最低，初投資又較高，不建議采用。方案二能效較高，初投資最低，但方案二燃氣輪機不運行時，蒸汽溴化鋰機組沒有能量來源，無法運行，此方案只適用于有大量蒸汽需求的項目。方案三能效最高，初投資也遠高于其他方案。方案四能效高于方案一，初投資又較小。結合各方案特點、能效及初投資，推薦該園區(qū)采用方案四。

3 提高聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能效的途徑

方案一、二、三、四的余熱利用率分別為50.4%，60%，62.1%，62.9%，溴化鋰機組只利用了部分發(fā)電余熱。而發(fā)電余熱利用率可以達到70%[5]，這說明有一部分余熱被浪費了，如果充分利用這部分余熱，將能很大程度地提高聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能效。

多余的余熱通過余熱鍋爐轉化成蒸汽，然后通過蒸汽輪機發(fā)電，這樣不僅可以充分利用發(fā)電余熱，而且將多余電量上網(wǎng)，對緩解用電高峰也有一定作用。也可以將多出部分的余熱用于制冷、制熱外銷，在將能源充分利用的同時也可以提高收益。以本項目為例，在滿足項目所需冷熱負荷后，多出部分余熱通過煙氣溴化鋰直燃機制冷供熱外銷，可以得到各聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能效，結果見表5。

表5 各聯(lián)產(chǎn)方案優(yōu)化后能源利用率

對比表2和表5中聯(lián)產(chǎn)方案的能效值，可以看出充分利用余熱能很大程度地提高系統(tǒng)的一次能源利用率。但是火用效率卻增幅不大，仍然不高，這說明聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)仍然有很大的優(yōu)化空間，對系統(tǒng)每一個環(huán)節(jié)進行火用分析，找出火用損最大的部分進行優(yōu)化，可以進一步提高聯(lián)產(chǎn)的能效。

4 結論

1）對于相同的冷熱電負荷，無論是一次能源利用率還是火用效率，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)都明顯高于分產(chǎn)系統(tǒng)，節(jié)能率在7%到39%之間。

2）相比于最普通的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案一，方案二系統(tǒng)更為復雜，適用于有蒸汽需求的項目；方案三能效更高，同時初投資也非常高；方案四能效高于方案一，初投資又遠低于方案一。通過對能效和初投資的比較，對于該園區(qū)，推薦使用城市電網(wǎng)+小型燃氣輪機+余熱/直燃溴化鋰機組的系統(tǒng)形式。

3）充分利用發(fā)電余熱，可以大幅度提高聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能源的利用效率，但是火用效率仍然不高，只有40%左右。計算系統(tǒng)每一個環(huán)節(jié)的火用效率，找出火用損最大的部分進行優(yōu)化，可以進一步提高聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能效。

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Ene rgy-e ffic ie nc y Ana lys is of CCHP Sc he m e s for a Pa rk in Wuha n

XIONG Yao,FU Yong-zheng
College of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology

The energy efficiency of several common CCHP systems for a park in Wuhan were calculated and analyzed in this paper.The results show that the energy efficiency of CCHP systems are significantly higher than the Separate Cooling,Heating and Power systems,and its energy-saving rate is between 7%and 39%.Combined with the characteristics,energy efficiency,as well as initial investment of some CCHP schemes,recommended scheme is given to the park,and the ways to improve the energy efficiency of CCHP are analyzed.

CCHP,SCHP,PER,exergy-efficiency

1003-0344（2014）04-100-4

2013-5-10

熊瑤（1988～），男，碩士研究生；湖北省武漢市洪山區(qū)雄楚大道199號武漢科技大學洪山校區(qū)（430070）；E-mail:bearyaoyao@163.com