燃气冷热电联产系统节能特性研究讲解.docx
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燃气冷热电联产系统节能特性研究讲解
第8卷第3期2008年2月16711819（2008）3062905
科学技术与工程
ScienceTechnologyandEngineering
2008Sc.iTech.Engng.
Vo.l8No.3Feb.2008
动力技术
燃气冷热电联产系统节能特性研究
谢诺琳孙志高
*
（中山大学工学院,广州510275）
摘要以冷热电联产系统的节能率为评价指标,分析了影响燃气冷热电系统在热电联产、冷电联产、冷热电联产模式运行下的能量利用的因素,指出了联产系统的节能条件,为冷热电联产系统的设计和运行提供参照。
关键词冷热电联产系统节能效率燃气中图法分类号TK011
TB651;文献标志码B
随着经济的快速发展,能源需求不断上升,能源供应的压力日益增大,节能越来越受到重视。
冷热电联产系统,以其排放低、能量传输损耗低,能源利用率高等优点,受到广泛关注
[1,2]
1冷热电联产系统节能模型
图1为燃气冷热电联产系统能量流程示意图。
燃气Qfuel驱动原动机,对外供电w,原动机的余热排放热量为q。
q与补充燃料Qa,经过余热回收装置后,提供热量为qu。
qu可根据需要分成两股,Xqu进入吸收式制冷机组提供冷量Qc;（1-X）qu经换热器提供热量Qh
。
。
但是冷热电
[37]
联产系统是否节能,以及节能的条件是什么,一直是争论的焦点,影响了冷热电联产技术的推广
。
目前大部分文献将燃气的冷热电联产系统与燃煤为基础的分产系统相比较,引起人们对不同能源选择方式的争论
[26]
。
正确选择联产系统与分产
系统比较的基础是分析联产系统节能的前提,否则有可能得出错误的结论。
煤与天然气的能量品质不同,并且大型的、以燃气为燃料电厂的发电效率要高于目前燃煤电厂的发电效率,因此燃气联产系统与燃煤分产系统比较得出的是否节能的结论,是无法判断该节能是由采用燃气为燃料引起的,还是由系统配置引起的。
本文将燃气冷热电联产系统的能量利用与燃气分产系统进行比较,从而消除了燃料上的差异。
在建立冷热电联产系统节能模型的基础上,对影响冷热电联产能量利用的因素进行了分析,得到了联产系统的节能条件。
r=
2007年10月26日收到
第一作者简介:
谢诺琳（1982）,女,硕士研究生,研究方向:
冷热电等方面的研究。
Emai:
lxienl426@。
*
图1冷热电联产系统能量流程示意图
冷热电联产系统的原动机发电效率为co.e,有:
co.e=
Qfuel
th
（1）
w+qu
补燃率
Qfuel+Qa
令联产系统总效率co.=
Qa
则回收可利用热量为:
Qfuel
qu=[co.th（1+r）-co.e]Qfuel
联产系统制冷量Qc和供热量Qh分别为:
Qc=[co.th（1+r）-co.e]QfuelXCOPq.cQ[.）-co.e1（3）
（2）
通信作者简介:
孙志高（1967）,男,博士,副教授,研究方向:
能
源利用技术和气体水合物研究。
Emai:
lszg.yzu@。
630科学技术与工程8卷
（3）式中:
COPq.c为吸收式制冷机组的制冷系数。
相应的分产系统在产生同样冷量、热量和电量的状况下,所消耗的燃料Q为:
QcQhw
Q=++
teteCOPe.cb
（5）
节能率为冷热电联产系统相对于分产系统的一次能源节约率,定义为:
FESR=
Q-（Qfuel+Qa）
Q
（6）
由方程
（1）式~（6）式可获得冷热电联产系统节能率的表达式:
（5）式中:
te为燃气电厂供电效率,COPe.c为电压缩式制冷机组的制冷系数,b为燃气锅炉的供热效率。
FESR=1-co.ete
[co.th（1+r）-co.e]XCOPq.c[co.th（1+r）-co.e]（1-X）++
teCOPe.cb
（7）
FESR>0时,表示冷热电联产系统相对于分产系统节能,否则不节能。
2联产系统能源利用分析
冷热电联产系统根据用户的能量需求有单独供电和联产供能运行方式,单独供电与常规发电机运行方式相同,联产运行方式又分为热电联产、冷电联产和冷热电联产三种方式。
本文主要分析三种联产运行方式的能源利用特性及影响因素。
制冷采用余热吸收式制冷,供热通过余热回收,制冷、供热部分不足由燃料补燃方式解决。
与常规分产系统比较时,考虑到目前国内燃气蒸汽联合循环的发电效率,供电效率te=45%;燃气锅炉的供热效率b为85%;常规制冷系统采用电压缩式制冷机组,制冷系数COPe.c为4.5。
2.1热电联产
冷热电联产系统在热电联产方式运行时,即在X=0的情况下,此时系统没有冷量输出,只提供电和热量。
图2是在补燃率为0的条件下,热电联产系统的节能率与原动机发电效率的关系。
随着原动机发电效率co.e的提高,联产系统节能率随之增加,并且联产系统总效率co.th增加时,节能率明显增大。
这表明原动机效率和余热回收对热电联产
系统节能率影响很大。
图2热电联产系统发电效率与节能率的关系
无补燃时,随着分产系统发电效率的提高,热电联产系统节能所需的边界发电效率（联产系统要节能的最小发电效率）也随之增加。
下面以联产系统总效率co.th为80%进行分析,若燃气电厂供电效率te只有30%,原动机发电效率co.e仅需2.73%,联产系统就能节能;若以目前燃气电厂te为45%计,co.e为5.62%时就可以节能。
而目前中小型的燃气轮机,内燃机的发电效率大部分都能达到,甚至高于这个数值。
很显然,无补燃时,热电联产只要系统总效率达到一定值,总能节能。
补燃是联产系统能量调节的有效方式,但补燃对热电联产系统的节能有影响。
随着补燃率的增加,热电联产系统节能所需的最小发电效率也随之提高。
补燃率取0.5,联产系统总效率co.th为80%时,原动机发电效率co.e要达到8.44%就能节能;当补燃率为1.2,co.e要达到12.37%,联产系统才.40%,co.th为%
3期谢诺琳,等:
燃气冷热电联产系统节能特性研究631
时,补燃率r超过6.12时,联产系统较分产系统不节能。
在原动机发电效率一定的情况下,加大补燃率虽然可以满足热量需求,但若超过系统节能的最大补燃率,将导致系统不节能。
因此在系统设计和运行时,要确定最大补燃率,以保证联产系统节能。
2.2冷电联产
冷热电联产系统在冷电联产方式运行时,不提供热量,只输出电和冷量。
图3为无补燃时,冷电联产系统原动机发电效率与节能率的关系,其中单效吸收式制冷机组的性能系数COP为0.6,双效吸收式制冷机组的性能系数COP为1.2。
随着原动机发电效率的增加,节能率是逐渐上升的,但增加的幅度逐渐减少。
冷电联产系统在无补燃的条件下,系统是否节能除了与原动机发电效率有很大关系外,也与所采用的制冷方式有关。
但即使在联产系统总效率较高的情况下,采用双效吸收式制冷,联
产系统的节能率仍不高。
加,达到节能所需的边界发电效率也将增大。
以采用双效吸收制冷为例,补燃率取0.5,联产系统总效率co.
th
为80%时,原动机发电效率co.e要达到
48.41%才能节能。
如补燃率进一步增加,联产系统节能对co.e的要求将更高。
以co.e为40%进行分析,补燃率r只要超过0.24,较分产系统就不节能了。
因此,对于冷电联产系统来说,要实现节能,补燃率是相当有限的。
这对于冷负荷较大的场合,系统设计时要考虑其他冷量供应与余热制冷相结合的方式,在确保冷量供应的同时实现节能的目的。
2.3冷热电联产
冷热电联产系统除了以上两种运行方式外,另一种方式就是在输出电量的同时提供冷量和热量。
由于这种方式在能量的分配上较前面两种复杂,分析时假定余热用于制冷的热量与供热热量之间的比值为0.4,采用双效吸收式制冷方式供冷,制冷系数COP为1.2。
图4是在无补燃时冷热电联产系统原动机发电效率与节能率的关系。
联产系统的节能率随原动机发电效率的增加而增加,但节能率的增幅逐渐减少。
联产系统总效率co.th越高,节能所需的原动机发电效率co.e越低。
图3冷电联产系统发电效率与节能率的关系
以燃气电厂的te为45%进行分析,无补燃时,采用双效吸收式制冷方式,冷电联产系统的原动机发电效率co.e至少要达到32.27%才节能;而单效吸收式制冷方式联产系统的co.e至少要达到39.62%才节能。
目前中小型的燃气轮机或内燃机的效率普遍在20%~40%左右,要真正实现冷电联产系统的节能,对于原动机的发电效率提出了更高的要求。
图4冷热电联产系统发电效率与节能率的关系
由图5可见,无补燃时冷热电联产系统较分产系统节能的边界发电效率是随着燃气电厂的供电效率提高而提高的。
燃气电厂的供电效率te为45%,冷热电联产系统总效率co.th为80%时,原动e%
632科学技术与工程8卷
在co.th为60%时,co.e要达到33.1%,才能节能。
可见,提高联产系统总效率co.th,可明显降低联产
系统原动机的边界发电效率。
热吸收式制冷这种利用方式较分产电制冷所耗的一次燃料要多。
图7表明如果联产系统总效率较低,用于制冷系统的余热又较大,联产系统将不节能,这在系统的设计和运行时应加以注意。
图5冷热电联产系统与分产系统供电效率对应关系
图6反映了补燃对冷热电联产系统节能要求的原动机边界发电效率的影响。
冷热电联产系统的在补燃率增加的情况下,节能所需的边界发电效率也增加。
冷热电联产系统总效率co.th为80%,补燃率取0.5时,原动机发电效率co.e至少要28.4%才能节能;当补燃率为1.2,co.e要达到42.24%才能节能。
如果co.th进一步减少,系统节能将要求co.产更为苛刻,
补燃率对系统节能的影响较大。
e
图7冷热电联产系统节能率与X的关系
3结论
（1）没有补燃时,热电、冷电和冷热电联产三种能量供应方式的节能率均随着原动机发电效率的增大而增大,但增幅逐渐减少。
（2）随着补燃率的增加,热电、冷电和冷热电联产系统的节能率下降。
在确保联产系统节能的前提下,热电联产允许的补燃率最大,冷热电联产次之,冷电联产最小。
（3）冷热电联产系统的节能率随着用于制冷的余热量的增大而减小。
在系统设计时要注意余热量的合理分配,而对冷量需求大的场合,可考虑采用电制冷补充,从而有效调节补燃量和余热量的分配。
参考文献
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更高。
可见,冷热电联产系统节能的条件比热电联
图6冷热电联产系统边界发电效率随补燃率的变化
321335
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图7是在补燃率为0时余热利用方式对联供系统节能率的影响。
余热中用于吸收式制冷的热量
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[Keywords]2Dwovenopenholespecimendebondingdamagefailuremechanism
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