工業園區天然氣冷熱電聯產系統性能分析

伊若璇 胡雪姣 饒政華 廖勝明

中南大學能源科學與工程學院

工業園區天然氣冷熱電聯產系統性能分析

伊若璇 胡雪姣 饒政華 廖勝明

中南大學能源科學與工程學院

本文建立了基于燃氣-蒸汽聯合循環的天然氣冷熱電聯產（CCHP）系統數學模型，分析了應用于工業園區的CCHP系統的系統性能，研究吸收式制冷機供冷量、蒸汽輪機供熱量及制冷機能效比等因素的影響。研究結果表明，一次能源利用率和相對節能率隨吸收式制冷機供冷量的提高和蒸汽輪機供熱量的降低而下降；吸收式制冷機能效比對相對節能率的影響不大；補燃提高了系統的一次能源利用率，補燃后增加的蒸汽用于供電比用于供冷更有利于提高系統性能。本研究對區域型冷熱電聯產系統的推廣與應用具有指導意義。

燃氣-蒸汽聯合循環 冷熱電聯產 相對節能率

0 引言

天然氣冷熱電聯產系統（CCHP）是一種直接面向用戶，按照用戶需求供應冷、熱、電的能源系統，具有節能、環保等特點，在國內外已得到了廣泛重視[1]。合理分配系統的冷、熱、電三種供能形式，實現聯產系統性能最優化是目前研究的熱點。Mago等[2]指出設計合理的三聯產系統可顯著提高能源利用率，降低運行費用。Cardona等[3]提出了CCHP系統設備選型的一般方法：原動機最佳容量應按用戶熱負荷峰值的48%選取，吸收式制冷機容量按照制冷峰值負荷的70%確定。安青松等[4]以（火用）經濟系數最小、成本最低和收益最高為目標函數，計算了系統所需要的燃機負荷、購電量和補燃負荷。上述研究多以微型燃氣輪機、內燃機為核心的小型冷熱電聯供系統為對象。

本文對基于燃氣-蒸汽聯合循環的CCHP區域能源系統進行了性能分析，研究了吸收式制冷機供冷量、蒸汽輪機供熱量及制冷機能效比等因素對系統能源利用率和節能性的影響。本文結果對CCHP區域能源系統的設計與推廣應用具有參考價值。

1 數學方法

圖1為燃氣-蒸汽聯合循環CCHP系統圖。空氣在壓氣機中壓縮升壓后進入燃燒室，與天然氣混合燃燒生成高溫高壓煙氣，推動燃氣透平做功發電。采用雙壓無再熱余熱鍋爐回收利用燃氣輪機高溫煙氣余熱，產生的蒸汽推動抽凝式蒸汽輪機發電，在蒸汽輪機中間級抽取蒸汽用于供熱或用作溴化鋰吸收式制冷機的驅動熱源。吸收式制冷不能滿足用戶冷負荷要求時，開啟機械壓縮式制冷機。系統發電量不能滿足用電負荷時，則從城市電網購電補充。

圖1 燃氣-蒸汽聯合循環CCHP系統圖

1.1 燃氣-蒸汽聯合循環的熱力學模型

1）燃氣輪機簡單循環數學模型

壓氣機耗功wc及出口溫度T2：

燃燒室燃燒過程：

燃氣透平做功wt及排氣溫度T4：

聯合循環燃氣輪機部分的發電量Pgt為：

式中：ε為壓氣機的壓縮比，ε=P1/P2；qa、qf、qg分別為空氣、天然氣和燃氣的質量流量，kg/s；cpa、cpg為空氣和燃氣的定壓比熱容，kJ/(kg·K)；ka、kg為空氣和燃氣的氣體常數；LHV為天然氣的低位發熱量，kJ/kg；v為燃氣透平的壓損系數；ηAC為壓氣機的等熵壓縮效率，ηr為燃燒室的燃燒效率；ηt為燃氣透平的等熵膨脹效率；ηMgt、ηTgt分別為燃氣輪機的機械效率和發電機效率。

2）雙壓無再熱余熱鍋爐模型[5]

產生的高壓蒸汽流量q為：

高壓蒸發器進口燃氣溫度為：

高壓省煤器出口溫度Tw2為：

低壓蒸汽流量ql為：

低壓蒸發器進口燃氣溫度Tδl為：

低壓省煤器出口溫度Tw1為：

式中：h表示焓值，kJ/kg；T和Tl為余熱鍋爐高、低壓蒸汽溫度，K；Tδh和Tδl為高、低壓蒸發器入口燃氣溫度，K；Tsh和Tsl為高、低壓蒸汽壓力對應的飽和溫度，K；δh和δl為高、低壓蒸發器進口燃氣的節點溫差；△Tah和△Tal為高、低壓省煤器出口設定的接近點溫差，K。

3）蒸汽輪機膨脹過程的簡化模型[6]

假定蒸汽在汽輪機內的膨脹過程線為一斜線，并可通過由經驗選定的汽機相對內效率計算得出。

式中：△hr和△hs分別是蒸汽在汽輪機內的實際焓降和等熵膨脹焓降，kJ/kg。

4）制冷機模型

假設用于吸收式制冷的供熱量為qa，則吸收式制冷機制冷量Qa為：

機械壓縮式制冷機制冷量Qe為：

式中：Pe為制冷機耗電量；COPa、COPe為吸收式和機械壓縮式制冷機的能效比。

1.2 CCHP系統性能評價指標

采用一次能源利用率η和相對節能率η'[7、8]作為CCHP系統性能的評價指標。

一次能源利用率表示聯產系統能量輸出量與輸入量的比值，可由下式計算：

式中：P、C、H分別為聯產系統輸出電量、供冷量與供熱量。該指標在一定程度上反映了評價對象的熱力學性能，但不能直觀反映其節能性。

相對節能率用于比較CCHP系統和常規分產系統在能源消耗數量上的差異，可由下式計算：

式中：qre表示在與聯產系統產出等量能量產品的情況下，分產系統的燃料耗量。相對節能率為正值表示CCHP系統是節能的，反之表示系統不節能。相對節能率與參考分產系統有關，本文采用“電網+燃氣鍋爐+機械壓縮式制冷機”作為參考分產系統。我國電網平均發電效率33.3%，輸變電損失8.1%[9]；考慮熱網損失后的燃氣鍋爐效率87.3%；機械壓縮式制冷機COP為5.0。

2 結果與討論

以長沙地區某工業園區的CCHP區域能源系統為研究對象。該園區內需要集中供冷的建筑包括工業、辦公、賓館和商場等多種類型，總面積100.8萬m2，根據不同建筑類型選取冷指標，確定園區的總冷負荷為80MW。園區熱負荷主要是生物醫藥產業等的生產工藝用汽，蒸汽需求量50t/h，蒸汽壓力1.0MPa，溫度210℃，園區總電力負荷約為140MW。根據上述冷、熱、電負荷需求，設計2×60MW級的基于燃氣—蒸汽聯合循環的CCHP系統。系統滿足園區全部冷負荷需求，雙效溴化鋰吸收式制冷機的設計供冷量為20MW；系統總供熱量28MW，由蒸汽輪機抽汽和燃氣鍋爐共同承擔。聯合循環機組發電一部分用于機械壓縮式制冷機供冷，其余部分上網。

表1 主要計算參數

驅動溴化鋰吸收式制冷機制冷的蒸汽壓力為0.8MPa；余熱鍋爐高壓蒸汽壓力5.0MPa，低壓蒸汽壓力0.6MPa；從余熱鍋爐到蒸汽輪機高、低壓缸進口的蒸汽壓損系數為3%，高壓蒸汽溫降3℃，低壓蒸汽溫降2℃；蒸汽輪機機械發電效率0.97，排氣壓力8kPa；按照ISO條件選取環境參數。天然氣成分和物性參數按照西氣東輸氣源品質考慮；水和水蒸氣物性參數計算模型為IAPWS-IF97[10]，燃氣物性計算參考文獻[11]。其他計算參數取值見表1。

2.1 吸收式制冷機供冷量、抽汽供熱量的影響

CCHP系統通過從蒸汽輪機抽取蒸汽驅動溴化鋰吸收式制冷機制冷或供應熱用戶，實現冷熱電聯供。吸收式制冷機供冷量和抽汽供熱量決定了蒸汽輪機的總抽汽量，是影響系統性能的關鍵因素。

表2顯示了吸收式制冷機供冷量對CCHP系統性能的影響。若吸收式制冷機供冷量增加，則電壓縮式制冷機供冷量相應減少，η和η'線性下降。上述結論與基于燃氣輪機循環的CCHP系統[12、13]不同。基于燃氣輪機循環的CCHP系統發電余熱用于供冷或供熱，所以增加供冷量即可回收更多的余熱，系統性能相應提高。而基于燃氣——蒸汽聯合循環的CCHP系統配置了蒸汽輪機發電機組，燃氣輪機發電余熱除了可用于供冷、供熱外，還可以用于發電。由于余熱總量不變，當供冷、熱量增加時，蒸汽輪機發電量必然減少。從表2可以看出，燃氣輪機發電余熱用于發電有利于系統節能。

表2 吸收式制冷機供冷量對系統性能的影響

表3顯示了蒸汽輪機的抽汽供熱量對系統性能的影響。當CCHP系統抽汽供熱量不能滿足用戶需求的28MW時，需要開啟燃氣鍋爐輔助供熱。隨著抽汽供熱量H的增加，所需的燃氣鍋爐輔助供熱量減少，η，η'有所增加，說明從蒸汽輪機抽汽供熱有利于系統節能。本文選定的燃氣鍋爐的供熱效率為90%，參考供熱系統的能耗較低，導致H增加時，η'的提高幅度不大。如果參考供熱系統的效率降低，CCHP系統的節能優勢將更加明顯。

表3 抽汽供熱量對系統性能的影響

2.2 制冷機能效比的影響

圖2顯示了吸收式制冷機和機械壓縮式制冷機的能效比對系統性能的影響。由于環境、負荷和熱源參數等條件的變化，制冷機無法運行在設計工況下，使得在實際運行時的能效比將發生改變。COPa的提高可增加吸收式制冷機的供冷量，即減少了由供冷引起的能量損耗，一定程度上可提高CCHP系統相對節能率η'。COPa從0.7提高到1.4，但是η'也只增加了1.7%左右，這是因為吸收式制冷機能效水平較低，即使有所變化，其能耗變化也不大；另外，吸收式制冷機僅承擔用戶部分冷負荷，其能耗在CCHP系統總能耗中所占的比例較小。CCHP系統的η'隨著COPe的增大而有所增加。機械壓縮式制冷機的耗電量隨著COPe的提高而減少，上網電量增加，同時園區從電網的購電量減少。電網的發電效率較聯合循環機組的發電效率低，所以CCHP系統的能耗降低。

圖2 制冷機能效對系統性能的影響

2.3 補燃的影響

CCHP系統的最大抽汽量小于用戶的需求蒸汽量時，可在余熱鍋爐中補充燃燒一定量的燃料，以增加余熱鍋爐的蒸汽產量。

圖3 補燃對系統性能的影響

圖3顯示了補燃對系統性能的影響，△qf為補燃天然氣的流量，計算方法參考文獻[14]。當用戶的需求冷負荷超過了系統的設計供冷量80MW，供冷量不足的部分（△qa）將由吸收式制冷機提供，并通過補燃獲得驅動蒸汽，即此時補燃用于供冷。如圖所示，補燃提高了一次能源節能率η，說明通過補燃來增大系統的吸收式供冷容量的方式有利于改善系統性能。若補燃獲得的蒸汽用于供電，即用于增加蒸汽輪機發電量，增大聯合循環的單機功率，同時使系統輸出的冷量、熱量與用于供冷時相等。如圖所示，η隨補燃的增加而提高，且η的增長率高于補燃用于供冷時的值。這是因為此時系統的輸出冷量、熱量與用于供冷的情況相等，但輸出電量增加，即消耗等量天然氣補燃用于供電時系統輸出的總能量更多。因此，補燃后增加的蒸汽用于供電比用于供冷更有利于提高系統性能。

3 結論

本文建立了基于燃氣-蒸汽聯合循環的冷熱電聯產系統的數學模型，研究了吸收式制冷機供冷量、蒸汽輪機供熱量和制冷機能效比等因素對系統性能的影響。結果表明：

1）對給定的用戶負荷，相對節能率隨著吸收式制冷機供冷量的增加而降低；增加蒸汽輪機供熱量有利于改善系統的節能性，尤其是在鍋爐供熱效率較低時，從蒸汽輪機抽汽供熱的節能優勢更加明顯。

2）制冷機的能效比的提高一定程度上可以提高系統相對節能率。

3）在CCHP系統中補燃提高了一次能源利用率，且補燃后增加的蒸汽用于供電比用于供冷更有利于提高系統性能。

[1] Xu J Z.Research,development and the prospect of combined cooling,heating,and power systems[J].Energy,2010,35:4361-4367

[2] Mago P J,Chamra L M.Analysis and optimization of CCHP systems based on energy,economical,and environmental considerations[J].Energy and Buildings,2009,41(10):1099-1106

[3] Cardona E,piaeentino A.A methodology for sizing tri-generation plant.Applied Thermal Engineering,2003,23(13):1665-1680

[4] 安青松.基于燃氣輪機的冷熱電三聯供系統優化模擬[C].天津:天津大學,2004

[5] 焦樹建.燃氣-蒸汽聯合循環的理論基礎[M].北京:清華大學出版社,2003

[6] 王亞茹,陸亞俊.熱電冷聯產系統的能耗分析[J].哈爾濱建筑大學學報,2000,33(5):90-95

[7] 馮志兵,金紅光.冷熱電聯產系統的評價準則[J].工程熱物理學報,2005,26(5):725-728

[8] Fumo N,Mago P J,Chamra L M.Cooling,heating,and power energy performance for system feasibility[J].Journal of Power and Energy,2008,222(4):347-354

[9] 周鳳起,王慶一.中國能源50年[M].北京:中國電力出版社, 2002

[10]王培紅,賈俊穎,程懋華.水和水蒸汽性質的IAPWS-IF97計算模型[J].動力工程,2000,20(6):988-991

[11]張世錚.燃氣熱力性質的數學公式表示法[J].工程熱物理學報, 1980,1(1):10-16

[12]周大漢,柳建華,王瑾,等.吸收式制冷應用于冷熱電三聯產系統的能耗特性分析[J].上海理工大學學報,26(1):98-102

[13]馮志兵,金紅光.冷熱電系統特性探討[J].工程熱物理學報,2004, 25(S1):21-24

[14]吳仲華.燃氣的熱力性質表[M].北京:科學出版社,1959

Performance Evaluation of Combined Cooling, Heating and Power System for an Industry Park

YI Ruo-xuan,HU Xue-jiao,RAO Zheng-hua,LIAO Sheng-ming
School of Energy Science and Engineering,Central South University

A mathematical model of Combined Cooling,Heating and Power(CCHP)system based on the gas-steam combined cycle is established to evaluate the CCHP system performance for an industry park.The effects of variables such as absorption chiller capacity,steam turbine heating capacity and Coefficient Of Performance(COP)of chillers are discussed.It is found that fuel utilization efficiency and fuel energy saving ratio decrease as the absorption chiller capacity increase and steam turbine heating capacity decrease.The chiller COP has limited impact on system performance.Supplemental combustion leads to the increase in fuel utilization efficiency,and the system performance is higher as the steam obtained from supplement combustion is used for electricity generation as compared to cold supply. The results are of significance for CCHP application and generalization in zones.

gas-steam combined cycle,combined cooling,heating and power,fuel energy saving ratio

1003-0344（2015）04-040-4

2014-3-31

伊若璇（1989～），女，碩士研究生；湖南省長沙市中南大學校本部能源科學與工程學院207室（410083）；E-mail:ruoxuanyi@163.com

中南大學中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(72150050395)