热电冷三联供的供冷方式的可行性分析与评价

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1、热电冷三联供的供冷方式的可行性分析与评价山东建筑大学 戎卫国 孟繁晋摘要 依据热力学第二定律的火用分析方法，从能量利用的全过程出发，考虑输送能耗的影响，利用能源火用效率代替设备的能量利用效率对热电冷三联供的集中供冷和常规的电供冷方式进行了比较，从而得出了更客观、合理的结论。为合理采用热电冷三联供的集中供冷方式提供了判断依据。关键词 集中供冷 火用分析 能源火用效率 1 引言近几年来，国内一些城市开始酝酿建设热电冷联供系统，通常是在原有热电联供系统基础上增设吸收式制冷机装置，利用供热汽轮机组的抽汽或背压排汽耗热制冷，实现夏季向用户集中供冷。由于热电冷联供系统规模和投资大，系统复杂；运行期间能源消

2、耗多，对空调系统的节能和经济运行有着举足轻重的影响，因此如何对集中供冷方式进行全面、科学的评价，做出合理的选择，更显示出其紧迫性和重要性1。但是以往对热电冷联供的供冷方式的分析与评价中存在着以下不足2： （1）确定热电厂输出的蒸汽和电能各自所消耗的能量时，通常依据输出蒸汽和电能所占的能量数量比例来分配消耗的能量，没有考虑两种能量质量上的差别，存在着明显的不合理性。（2）对输送能耗的影响重视不够。即使考虑也是仅考虑了输送过程中的热量损失，却对阻力损失考虑较少；只反映了能量利用过程中的外部损失，没有反映能量利用过程中的内部损失。而后者的损失的机械能却是比前者损失的热能更高级的高品质能量。（3）只反

3、映局部设备的能量利用效率，而未反映从一次能源投入到用户的全面过程的能源利用效率，以偏盖全。随着供冷规模的扩大，输送能耗将越来越大，因此不反映输送能耗和全部过程影响的评价与分析也显的越来越不科学、不合理。为弥补以上不足，本文利用热力学第二定律的火用分析方法，在考虑能量质量上的差别和输送能耗影响的情况下，对常采用蒸汽溴化锂吸收式制冷机的热电冷三联供的供冷方式与分散的电压缩式冷水机组供冷方式进行了分析与比较，提出了对热电冷三联供的供冷方式进行分析与合理评价的理论依据。2 供冷方式分析模型的建立随着技术的不断更新，供冷方式也越来越多，供冷方式的能量传递、转换和利用过程的组成和方式各有不同。为便于分析与

4、比较，依据热力学分析方法，可以建立一个概括性的供冷热力学系统分析模型34，见图1所示。对照图中所示，概括性的供冷热力学系统由以下子系统组成：能量发生系统（A）即指消耗一次能源的功源和热源系统。例如热电厂、锅炉、燃气轮机等设备；能量输送系统（B）即指电能或热能的输送系统。例如输送电路或热水、蒸汽的供热管网；能量转换系统（C）即指制冷、制热系统，例如制冷和热泵装置；能量分配系统（D）即指配热量或冷量的分配系统，例如冷、热水的二次管网；能量利用系统（E）即指冷、热量用户系统，例如空调房间。在图1中，未加括号的表示输入、输出的蒸汽火用值，带括号内的表示输入、输出电能 火用值。对于耗热制冷方式虽然以消耗

5、热能为主，但也有电能的消耗，因此既有蒸汽火用的输入，也有电能火用的输入。对于电压缩式则全部是电能火用的输入。由图1可以看出：概括性的供冷热力学系统从一次能源投入到用户由A、B、C、D、E五个子系统组成，对供冷方式的分析应从各个子系统入手，进行全面分析与评价。当然，根据供冷方式的组成和运行方式的特点，分析时可以对上述一般概括性系统进行简化。3 热电冷三联供的集中供冷和分散电供冷方式的分析与比较目前常用的热电冷三联供的集中供冷方式和分散的电供冷方式，能量发生系统（A）即指热电厂系统，能量输送系统（B）为蒸汽输送管网和输送电网，能量转换设备（C）为蒸汽溴化锂吸收式制冷机组和电压缩式制冷机组，能量分配

6、系统（D）为小区和室内的冷冻水管网，能量利用系统（E）即为空调用户系统。对照图1所示，每个子系统的分析与比较如下56。3.1 热电厂系统的分析与比较依据热力学第二定律分析方法，若以目前常用的抽汽式机组为例，热电厂能量发生系统的火用平衡方程为: （1）式中，EX,F为一次能源燃料的火用值，kj/h；EN，A-B为输出电能火用值，kj/h； EX,A-B为输出蒸汽火用值，kj/h；EX,L,A为由于散热等原因引起的外部火用损失，kj/h；EX,L,A为内部火用损失，kj/h。对于一次能源燃料的火用值可按以下公式计算： （2） 式中，qm,f为锅炉的燃煤量，kg/h；qe,f为燃料的发热值，kj/k

7、g。蒸汽管网输入蒸汽的火用值由焓火用确定： （3）式中，HA-B和H0分别表示输入蒸汽和环境状态的焓值，kj/h； SA-B和S0分别表示输入蒸汽和环境状态的熵值，kj/h；T0为环境温度，。对于输出电能则全部为火用。可以看出燃料属于高品质能量，几乎全部为火用。而就目前普遍采用的通过燃饶方式利用燃料的化学能的热电厂而言，热电厂的火用效率还较低，应该研究和发展燃料电池，直接由燃料化学能转变为电能。对于抽汽式机组，确定其输出蒸汽和电能各自所消耗的能量时，需要首先确定分配方法。以往常采用的是热量法和实际焓降法，这两种方法都是依据输出蒸汽和电能所占的能量数量比例来分配消耗的能量，没有考虑两种能量质量上

8、的差别，存在着明显的不合理性。为了合理确定蒸汽和电能各自消耗的能量，反映能量质量的差别，本文采用将内外总的火用损失按各自输出火用 的比例分摊5，故引入输出蒸汽火用的分摊系数： （4）根据分摊系数，可以建立热电厂系统输出蒸汽和电能的火用 损失和火用效率的计算公式，汇总见下表1。表1 热电厂输出蒸汽和电能的火用损失和火用效率计算公式输出蒸汽火用所产生的火用损失输出蒸汽火用 所消耗的燃料火用 输出蒸汽火用的火用效率输出电能火用所产的火用损失输出电能火用所消耗的燃料火用 输出电能火用的火用效率利用火用参数表示的分摊系数AB，不仅可以反映能量的数量也能反映能量的质量。例如为克服蒸汽管网阻力损失提高抽汽蒸

9、汽压力，尽管可能输出蒸汽的能量的数量不变，但输出蒸汽的火用值提高，分摊系数AB随之增大，消耗的能量火用也就随之增加。利用火用来表示消耗的能量，也会使对耗热的溴化锂制冷与耗电的压缩式制冷的比较变的更为合理。3.2 蒸汽输送管网和输送电网的分析3.2.1 蒸汽管网的分析由于目前蒸汽经过溴化锂吸收式机组发生器后的凝结水通常不利用，所以蒸汽管网的输出火用也即收益火用为蒸汽在溴化锂吸收式机组发生器内放热输出的热量火用： （5）式中，TS为进入发生器的蒸汽温度，；QS为进入发生器的蒸汽提供的热量，kj/h。蒸汽管网的火用 损失： （6）因此有： （7）以往对于蒸汽输送管网的分析，人们主要看重的是跑、冒、滴

10、、漏造成的热量损失，却忽略了由于沿途压降和温降所造成的能量质量损失火用损失，岂不知这是造成集中供冷火用效率较低的一个重要影响因素，例如如果抽汽压力为0.75Mpa，温度为285，管网末端压力为0.45Mpa，管网末端温度为145，则蒸汽管网的火用效率只有50%左右。 3.2.2 输送电网的分析电网的火用损失： （8） 火用 效率为： （9）式中，5为电网的输电损失率。由于电能本身就是火用，并且电网的输电损失率较低，所以电网的火用效率将高于蒸汽输送管网的火用效率，也是分散式电压缩式制冷的优势所在。3.3 蒸汽溴化锂吸收式机组和电压缩式冷水机组的分析3.3.1 蒸汽溴化锂吸收式机组蒸汽溴化锂吸收式

11、机组所消耗的火用，除了蒸汽输入的热量火用外，还应包括冷剂泵、溶液泵和冷却水泵以及冷却塔风机消耗的电能 ，因此蒸汽溴化锂吸收式机组消耗的火用为： （10）式中，EN,C为蒸汽溴化锂吸收式机组的冷剂泵、溶液泵和冷却水泵以及冷却塔风机消耗的总电能，kj/h。蒸汽溴化锂吸收式机组输出的火用也即收益火用为机组输出的冷冻水所获得的冷量火用： （11）式中，Qe为制冷机组的制冷量，kj/h；TE 为冷冻水温度，。因而火用损失为： （12）火用效率为： （13）3.3.2 电压缩式冷水机组以常用的电压缩式水冷冷水机组为例，其所消耗的代价火用为压缩机、冷却水泵和冷却塔风机所耗的电能的和，即： （14）式中，EN

12、,C为电压缩式冷水机组、冷却水泵和冷却塔风机所耗的电能，kj/h。电压缩式水冷冷水机组的收益火用、火用损失和火用效率则同蒸汽溴化锂吸收式机组的表示与分析。由于蒸汽溴化锂吸收式机组所消耗的是热能，电压缩式水冷冷水机组所消耗的是电能，因此在传统的分析方法中两者是不具备可比性的，但是利用火用分析方法，将不同形式的能量折合成相同形式的能量，便使其具备了可比性。另外，因为在分析中将冷冻水泵的耗能记入了冷水管网系统，因此其相关表示式未出现。3.4 冷冻水管网系统的分析蒸汽溴化锂吸收式机组和电压缩式冷水机组供冷方式都是利用冷冻水管网将冷量输送到空气处理装置，冷冻水管网系统提供给空气处理装置的火用为： (15

13、)冷冻水管网系统的火用损失为： （16）式中，Qh为用户的冷负荷，kj/h；Tf为空气处理装置送风温度，； EN,D为冷冻水泵所消耗的电能，kj/h。火用效率为： （17） 随着空调系统规模的不断扩大，冷冻水系统的输送能耗所占的比例也越来越大，减少输送能耗已引起了人们的关注，例如变频水泵技术的应用、多联式变频空调系统的制冷剂直接循环，这些都是减少输送能耗的措施。3.5 空调用户系统的分析对于空调用户的分析，热电冷三联供集中供冷和分散式电压缩式供冷都是一样的。空调用户所消耗的火用为： （18）空调用户所获得的利益火用为： （19）因而火用损失为： （20）火用效率为： （21）式中，TH为用户室

14、内平均温度，；EN,E为各种末端空气处理设备所消耗的总能量，kj/h。提高空调房间的火用效率，在于降低送风温差和减小空调末端设备的耗功量。目前提出的大流量和小温差的置换通风方式、独立新风系统和毛细管顶板辐射供冷系统恰恰是迎合了这一方面的要求，是提高火用效率的积极尝试。3.6 供冷方式的能源火用效率综合以上分析，可以得到两种供冷方式的能源火用效率表示式。3.6.1 热电冷三联供集中供冷方式热电冷三联供集中供冷方式的系统能源火用效率为: （22）式中，xi为各能量传递和转换环节的火用损失系数。3.6.2 分散电压缩式供冷方式分散电压缩式供冷方式的系统能源火用 效率为： （23）4 计算举例与分析为

15、了对热电冷三联供的集中供冷方式和常规的电供冷方式的能源火用效率进行分析和比较，针对一个实际供冷系统进行了火用分析和计算。4.1 计算与分析依据本分析实例热源为济南某热电厂75t/h循环硫化床锅炉，根据实测锅炉实际蒸发量为60t/h；汽轮机为12Mw抽凝式机组，抽汽量为30t/h；输出蒸汽压力为0.75Mpa，蒸汽温度为28578。热用户为济南市某公司办公大楼，建筑面积19800m2，管网输送长度为3500km，冷负荷为660kw。制冷机组选取Carrier 16DE-428型蒸汽双效溴化锂吸收式制冷机组和Carrier 30HXC200A型螺杆式冷水机组进行比较。空调室外计算温度33，室内平均

16、温度26，送风温度18。4.2 计算结果与分析根据上述给出的计算理论依据，蒸汽溴化锂吸收式制冷和电压缩式冷水机组两种供冷方式的计算结果列于表2。表2 蒸汽溴化锂吸收式制冷和电压缩式冷水机组两种供冷方式的计算结果蒸汽溴化锂吸收式供冷方式电压缩式冷水机组供冷方式热电厂系统所消耗的燃料火用（kj/h）热电厂系统所产生的火用损失（kj/h）热电厂系统的火用效率(%)蒸汽管网和电网的输出火用（kj/h）蒸汽管网和电网的火用损失（kj/h）蒸汽管网或电网的火用 效率(%)制冷机组的代价火用（kj/h）制冷机组的冷量火用（kj/h）制冷机组的火用损失（kj/h）制冷机组的火用效率(%)冷冻水系统的火用 损失

17、（kj/h）冷冻水系统的火用效率(%)用户的火用损失（kj/h）用户的冷量火用（kj/h）用户的火用效率系统能源火用效率(%)注：蒸汽溴化锂吸收式机组供冷方式除消耗热能以外，其辅助设备（例如冷却水泵、冷冻水泵等）也消耗一定电能，因此在计算过程中也应予以考虑。括号内的数值前一部分为消耗的蒸汽的火用值，后一部分为消耗的电能的火用值。5 结论 利用热力学第二定律的分析方法对于供冷方式的能源分析,考虑了能量质量的差别和全过程的各个环节影响,更为全面合理,由以上分析可以得出以下结论:5.1 热电厂系统是造成供冷方式效率较低的主要薄弱环节,其原因在于通过燃烧方式将燃料的化学能转变成热能的转换方式的不合理,

18、造成了较大的损失.,要提高供冷方式的效率就要改变这种转换方式,例如：燃料电池的研究与应用。5.2 热电冷三联供集中供冷不同于热电联供的集中供热，热电冷三联供集中供冷方式较之分散电压缩式供冷无优势而言，其劣势在于蒸汽输送环节由于温降和压降造成的损失。特别是在蒸汽凝水不回收、管理水平较低、又无废热可利用的情况下，要慎重考虑采用。5.3 影响供冷方式选择的因素很多,例如能源供应、经济、环保因素等。要全面的评价供冷方式，还应该进行综合分析与考虑。参考文献1 付林，江亿. 热电冷联供系统经济性的影响因素分析J.区域供热，1999，3：362 朱明善，林兆庄，刘颖，彭晓峰工程热力学M.北京：清华大学出版社，19953 付林，江亿从第二定律看热电冷联供系统的能耗J能源技术，2000，9：1421474 傅秦生.能量系统的热力学分析方法M.西安：西安交通大学出版社，20055 吴存真，张诗针，孙志坚.热力过程火用分析基础M.浙江：浙江大学出版社， 20046 赵冠春，钱立伦. 火用分析及应用M.北京：高等教育出版社， 19847 国俊杰，孙强，高斌.75T循环硫化床锅炉运行规程M.济南：济南明湖热电厂，20038 李学涛，师蕴慧.3汽轮机运行规程M.济南：济南明湖热电厂，2000