冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

1、冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀0 引言 冷熱電聯(lián)產(chǎn)( Combined Cooling Heating and Power ， CCHP )是一種建立在能量梯級利用概念基礎(chǔ)上， 將制冷、制熱(包括供暖和供熱水)及發(fā)電過程一體化的總 能系統(tǒng)。其最大的特點就是對不同品質(zhì)的能量進行梯級利用， 溫度比較高的、具有較大可用能的熱能用來被發(fā)電，而溫度 比較低的低品位熱能則被用來供熱或是制冷。這樣做不僅提 高了能源的利用效率， 而且減少了碳化物和有害氣體的排放， 具有良好的 經(jīng)濟 效益和 社會 效益。具體的經(jīng)濟性、節(jié)能 性 分析 請參見 文獻 1、2. 由于冷熱電聯(lián)產(chǎn)承擔了制冷、 制熱和發(fā)電等多項

2、功能，故系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)量較多、功能復 雜。因冷熱電聯(lián)產(chǎn)是由熱電聯(lián)產(chǎn) 發(fā)展 而來，是熱電聯(lián)產(chǎn)技 術(shù)與制冷技術(shù)的結(jié)合，故以下從熱電聯(lián)產(chǎn)和制冷兩個方面來 對冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的主要設(shè)備進行評價。 1 熱電聯(lián)產(chǎn)的主 要設(shè)備評價 與熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)有關(guān)的選擇主要有蒸汽輪機驅(qū) 動的外燃燒式方案和燃氣輪機驅(qū)動的內(nèi)燃燒式方案。此外， 現(xiàn)代 科學 技術(shù)的發(fā)展， 特別是微型燃氣輪機、 燃氣外燃機 和燃料電池以及其他新能源技術(shù)的發(fā)展，也賦予了冷熱電聯(lián)產(chǎn)新的內(nèi)涵。 1.1 蒸汽輪機原理是由高溫高壓蒸汽帶動汽輪 發(fā)電機組發(fā)電，做功后的低品位的汽輪機抽汽或背壓排汽用 于供熱或制冷。由此機組也一般有兩種， 一種是背壓式機組， 另

3、一種是抽汽式機組。背壓式機組不設(shè)冷凝器，用汽輪機尾 部的余熱作為熱源，需要穩(wěn)定的熱負荷才能正常發(fā)電，其優(yōu) 點是熱效率高。而抽汽式機組設(shè)置冷凝器，在汽輪機的中段 抽取一定壓力（一般在 1.0MPa 左右）蒸汽作為熱源，其優(yōu) 點是熱負荷可靈活調(diào)節(jié)，但熱效率比背壓式機組低。機組充 分利用了汽輪發(fā)電機梯級做功的原理，能夠提高發(fā)電機組的 熱效率，純凝汽式發(fā)電機組的熱效率一般為25%30%，而熱電聯(lián)產(chǎn)機組總熱效率則在 45%以上。由于蒸汽輪機機組需 要用到鍋爐提供高溫高壓蒸汽，所以一般在煤改氣的熱電聯(lián) 產(chǎn)中得以 應(yīng)用 。 1.2 燃氣輪機燃氣輪機機主要由壓氣機、 燃燒室和汽輪機組成。壓氣機將空氣壓縮進入燃

4、燒室，在燃 燒室內(nèi)與噴入的燃氣（如天然氣）混合燃燒，之后在汽輪機 里膨脹，驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動，使其驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。燃氣輪機的 尾氣溫度很高（一般在 500 C以上），是很好的驅(qū)動熱源，可 以用來制冷，也可以進余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽再供熱或制冷。另 外，煙氣也可以不全部用來發(fā)電，而是部分用于工藝，這樣 它的總熱效率可達 80%或更高。某焦化廠以富余的焦爐煤氣 為燃料進行熱電聯(lián)產(chǎn)，對燃氣輪機和蒸汽輪機這兩套方案進 行了比較，我們可以看出燃氣輪機具有以下的優(yōu)點： 效率高。富余的焦爐煤氣可帶動 2 臺 2000kW 的燃氣輪機，其尾 氣又可帶動 2 臺 6.5t/h 的余熱鍋爐。燃氣發(fā)電效率 21% ，余 熱鍋爐

5、熱效率 44% ，總熱效率 65%. 相應(yīng)的蒸汽輪機方案發(fā) 電熱電轉(zhuǎn)換率只有 28% 左右，裝機容量也只有 3500kW. 投 資小，占地少，投資回收期短。 2000 年的單位投資為 3492 元/kW ,而蒸汽輪機發(fā)電的單位投資為 5500元/kW.啟動迅 速，運行穩(wěn)定，故障率低，維修工作量小，結(jié)構(gòu)簡單，自動 化程度高，燃料適應(yīng)范圍廣。此外，燃氣輪機的容量范圍也 很寬，小有幾十到數(shù)百 kW 的微型燃氣輪機，大到 300MW 以上的大型燃氣輪機。因而燃氣輪機正日益取代汽輪機在熱 電聯(lián)產(chǎn)中的地位。 1.3 燃氣 -蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置除了燃氣 輪機的簡單循環(huán)形式外，還有一種聯(lián)合循環(huán)的形式，即燃氣

6、 - 蒸汽聯(lián)合循環(huán)。燃氣 -蒸汽聯(lián)合循環(huán)把具有較高平均吸熱溫度 的燃氣輪機與具有較低平均放熱溫度的蒸汽輪機結(jié)合起來， 使燃氣輪機的高溫尾氣進入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，并使蒸汽在 汽輪機中繼續(xù)作功發(fā)電， 其抽汽或背壓排汽用于供熱和制冷， 達到揚長避短、相互彌補的目的，使整個聯(lián)合循環(huán)的熱能利 用水平較簡單循環(huán)有了明顯提高。從城市天然氣工程中 可以看到，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的凈效率已達48%58%，并且正向著 60% 的目標邁進。燃氣輪機的這兩種循環(huán)形式都有各自 的特點和適用范圍。聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)初投資較高，占地面積較 大，但具有較強的靈活性，熱電產(chǎn)出比可通過控制抽汽量方便地調(diào)節(jié)，故適用于大型的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。簡單循環(huán)系統(tǒng)

7、初投資 低，占地面積小，熱電聯(lián)產(chǎn)可調(diào)性差，則適用于負荷相對穩(wěn) 定、小型的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。 1.4 燃氣內(nèi)燃機內(nèi)燃機將燃料(如天 然氣)與空氣注入汽缸混合，點火引發(fā)其爆炸作功，推動活 塞運動，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，回收燃燒后的煙氣和各部件的冷 卻水的熱量用于熱電聯(lián)產(chǎn)。當其規(guī)模較小時，發(fā)電效率明顯 比燃氣輪機高，一般在 30 以上，并且初投資較低，因而在 一些小型的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中往往采用這種形式。但是，由于 余熱回收復雜而品質(zhì)又不高，因此不適于供熱溫度要求高的 場合。 1.5 燃氣外燃機外燃機是一種外燃的閉式循環(huán)往復活 塞式熱力發(fā)動機，又名斯特林發(fā)動機( Stirling engine )新型 的外燃機使用氫

8、氣作為工質(zhì)，在四封閉的氣缸內(nèi)充有一定容 積的工質(zhì)。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質(zhì)在低溫冷 腔中壓縮，然后流到高溫熱腔中迅速加熱，膨脹作功。燃料 在氣缸外的燃燒室內(nèi)連續(xù)燃燒，通過加熱器傳給工質(zhì)，工質(zhì) 不直接參與燃燒，也不更換。外燃機的主要特點在于： 發(fā)電效率高，部分負荷性能優(yōu)越。 目前 外燃機的發(fā)電效率可 達 40% ，并有望提高到 50%. 對于微型的外燃機聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)來 說，發(fā)電效率可達到30%35%.出力和效率不受海拔高度 影響 ，是一般高原地區(qū)柴油機效率的 150%. 可選擇的燃料 范圍十分廣泛，包括各種氣體、液體和固體燃料。 燃料在 汽缸外過氧連續(xù)燃燒，運行平穩(wěn)，振動小，排氣中有害成分

9、較少，噪聲較低。 余熱易于回收，熱電聯(lián)產(chǎn)綜合效率可達 65%85%，熱電比在1.21.7的范圍。零部件少，活動 部件少，潤滑油耗量少，無需維護保養(yǎng)而且保證長期運行。 外燃機尚存在的主要 問題 和缺點是制造成本較高，工質(zhì)密 封技術(shù)較難，密封件的可靠性和壽命還存在問題。1.6 燃料電池燃料電池是把氫和氧反應(yīng)生成水放出的化學能轉(zhuǎn)換成電 能的裝置，其基本原理相當于電解反應(yīng)的逆向反應(yīng)。其具有 無污染、高效率、適用廣、無噪聲和能連續(xù)運轉(zhuǎn)等優(yōu)點，發(fā) 電效率達 40 以上，熱電聯(lián)產(chǎn)的效率達到 80以上。目前， 多數(shù)燃料電池正處于開發(fā)研制中。 2 制冷的主要設(shè)備評價 與 制冷技術(shù)有關(guān)的選擇有壓縮式、吸收式和其他

10、制冷方式。壓 縮式制冷機的主要設(shè)備有壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流機 構(gòu)，通過消耗外功并傳遞給壓縮機進行制冷，可通過機械能 的分配來調(diào)節(jié)電量和冷量的比例。吸收式制冷機則是用發(fā)生 器、溶液泵、吸收器和節(jié)流閥取代了壓縮機，通過消耗低品 位熱能來制冷，把來自熱電聯(lián)產(chǎn)的一部分或全部熱能用于驅(qū) 動制冷系統(tǒng)。 2.1 溴化鋰吸收式制冷機溴化鋰吸收式制冷機 以水 -溴化鋰為工質(zhì)對，其工作原理為：溴化鋰稀溶液在發(fā)生 器中被加熱，產(chǎn)生制冷劑（沸點較低） 水蒸汽，水蒸汽 在冷凝器中被冷卻，并凝結(jié)成液態(tài)水。液態(tài)水經(jīng)節(jié)流機構(gòu)減 壓后進入蒸發(fā)器并在其中吸熱蒸發(fā)，進行制冷，液態(tài)水重新 汽化為水蒸汽。而發(fā)生器中發(fā)生了水蒸汽的

11、溴化鋰濃溶液是 吸收劑（沸點較高） ，經(jīng)節(jié)流閥減壓后，進入吸收器吸收蒸發(fā) 器來的水蒸汽。而后，吸收了水蒸汽的溴化鋰稀溶液由溶液 泵提高壓力送回發(fā)生器，完成吸收制冷循環(huán)。由于溴化鋰吸 收式制冷機對熱源參數(shù)要求低、 適應(yīng)性強， 而且消耗電能少， 所以在我國現(xiàn)階段的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中最為常見。根據(jù)驅(qū)動 熱源的不同，可分為蒸汽型、直燃型、熱水型、余熱型和復 合熱源型， 可視熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)物選取不同機型。 盡管如此， 溴化鋰溶液易結(jié)晶的特性和機組能效比偏低的缺點卻在一定 程度上制約了溴化鋰吸收式機組的 發(fā)展 。 2.2 氨吸收式制 冷機氨吸收式制冷機以氨 -水作為工質(zhì)對，其工作原理與溴化 鋰式有相似之處。

12、其優(yōu)點是能制取 o c以下冷量而不易結(jié)晶， 對除了銅以外的金屬基本無腐蝕性，系統(tǒng)的體積也較小。其 最大缺點在與大量的氨泄露會危害人體健康。此外，它也同 樣具有吸收式制冷機組傳熱設(shè)備較多、 能效比偏低的通病。 3 結(jié)束語 受我國能源結(jié)構(gòu)的影響， 目前我國的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng) 還大多以煤為主要燃料，總的熱效率不高。對比發(fā)達國家， 美國 73% 的熱電聯(lián)產(chǎn)項目使用的是燃氣，俄羅斯熱電聯(lián)產(chǎn)燃 料構(gòu)成中 7o% 是石油和天然氣。這促使我們要大力發(fā)展以燃 氣（尤其是天然氣）為燃料的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。另外，我國 的燃氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)也多是采用高參數(shù)的大容量機組，而 不需要長距離輸送、能源利用率高的小型系統(tǒng)還并不多

13、見。 相信未來小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)(DHC )將會得到更廣泛的應(yīng)用 。以上兩個趨勢和方向，使得微型燃氣輪機、外燃機、燃料電池和單壓吸收式制冷機 等既環(huán)保又節(jié)能的設(shè)備受到了較大關(guān)注和開發(fā)。相信在我國 能源政策的調(diào)整中，所有以上這些形式多樣、特點各異的設(shè) 備會給冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)帶來更深的內(nèi)涵和更好的發(fā)展。參考 文獻 1 劉妮，鄔志敏，歐陽新萍。 燃氣熱電冷三聯(lián)產(chǎn)總能 系統(tǒng)的熱 經(jīng)濟 性 分析J.暖通空調(diào)，2004 , 34 (7): 108-1092 秦鵬，林中達。熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能性分析 J. 暖通空調(diào)， 2004 ， 34(8)： 108-1123 董壯進，廖榮平。城 市集中供熱形式的探討J.煤氣與熱力，2004 , 24 ( 7):410-4124 張洪偉，龍妍，黃素逸。分布式能源系統(tǒng)的方案 選擇及性能分析 J. 暖通空調(diào)， 2004 ， 34( 5)：47-515 吳 瑞志，韓中。燃氣輪機發(fā)電在焦化廠