燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的比較

1、第25卷第1期煤氣與熱力Vol.25No.12005年1月GAS&HEATJan.2005燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的比較左政,華賁(華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510141)摘要:介紹了美國建筑燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀。從變工況下的熱電效率和火用效率兩個方面比較了MW級燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)性能,分析了兩者在不同冷熱電需求下的一次能耗。對13MW建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)具有明顯的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益,而燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)適用于規(guī)模更大的系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:冷熱電聯(lián)產(chǎn);燃?xì)廨啓C(jī);燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī);節(jié)能中圖分類號:TU995文獻(xiàn)

2、標(biāo)識碼:A文章編號:1000-4416(2005)01-04ComparisonBetweenGasEngineandsinsZUO(KeyLabofHeatTransferUniversityofTechnology,China)engineandgasturbineCCHPsystemsappliedinAmericanonthermoelectricandexergyefficienciesundervariableoperationcondi2tions,performanceofMWclassgasengineandgasturbineCCHPsystemsiscompared,an

3、dprimaryenergyconsumptionofabovetwosystemsisanalyzedunderdifferentdemandforcooling,heatandpower.Itcanbeconcludedthatgasenginehasmoreadvantagesinenergysavingandeconomicbene2fitsfor13MWbuildingCCHPsystem,andgasturbinecombinedcyclewouldbeapplicableforlargerCCHPsystem.Keywords:CCHP;gasturbine;gasengine;

4、energysaving隨著我國天然氣的快速開發(fā),大力發(fā)展以天然氣為一次能源的分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的時機(jī)已經(jīng)成熟。分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)模從數(shù)十kW到上萬kW,原動機(jī)有微燃機(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等。根據(jù)我國目前的用能狀況和技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平,從100kW到數(shù)千kW的小型分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)將占領(lǐng)我國建筑用能的主要市場。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)均相當(dāng)成熟,其中燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的額定功率通常在505000kW,而燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率在800kW以上。對于1000kW到數(shù)千kW的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),存在兩種原動機(jī)選擇。本文對此功率范圍內(nèi)的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)性能和節(jié)能與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析

5、。1應(yīng)用現(xiàn)狀美國從20世紀(jì)70年代開始發(fā)展冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù),建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)1999年的統(tǒng)計(jì)資料,美國在商業(yè)、公共建筑中已運(yùn)行的分布式冷熱電系統(tǒng)980座,總裝機(jī)容量4926MW,其中內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)770座,平均裝機(jī)容量0.7基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(G20000263);廣東省科技攻關(guān)項(xiàng)目(133-B27380)39第1期煤氣與熱力第25卷MW;燃?xì)廨啓C(jī)簡單循環(huán)系統(tǒng)104座,平均裝機(jī)容量9.0MW;燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)27座,平均裝機(jī)容由圖1可知,此功率下燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率高于燃?xì)廨啓C(jī)10個百分點(diǎn)以上。隨著負(fù)荷率的降低,兩者發(fā)電效率均呈下降趨勢,且下降的幅度

6、大致相同。對于余熱利用(最終煙氣排放溫度為120),燃?xì)廨啓C(jī)的余熱利用效率明顯高于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī),其中燃?xì)廨啓C(jī)的余熱利用效率隨著負(fù)荷率的降低而降低,而燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的余熱利用效率隨著負(fù)荷率的降低有上升趨勢。這是因?yàn)楫?dāng)原動機(jī)負(fù)荷率減小時,燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)口空氣流量基本保持不變,其煙氣出口溫度隨負(fù)荷率減小而降低;而燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的進(jìn)口空氣流量隨負(fù)荷率減小而減小,出口煙氣溫度反而呈上升趨勢。因此,盡管兩者在額定工況下具有大致相同的熱電總效率,燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)具有比燃?xì)廨啓C(jī)更好的部分負(fù)荷特性。顯然,對于那些冷熱負(fù)荷波動較大的終端,形式,但其余熱有一(溫度為9099),只能用于供熱或作為單效吸收式制冷機(jī)組的熱源,而且該部分熱

7、量份額較大,通常占總余熱量的1/31/2。燃?xì)廨啓C(jī)的余熱品位較高,煙氣溫度一般為4506002量78.1MW循環(huán)系統(tǒng)。1。對小于15MW容量的系統(tǒng),兩者裝機(jī)情況比較見表1,其中括號內(nèi)為燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合表1美國不同規(guī)模建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)裝機(jī)情況比較Tab.1ComparisonofinstalledcapacityofgasengineandgasturbineunderdifferentscaleofCCHPinAmericanbuildings功率/MW01155101015內(nèi)燃機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)/座平均功率/MW/座平均功率/MW662831670.142.195.9912.37204

8、216(3)110.772.816.09(7.40)12.67由表1可知,對于1MW以下的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),內(nèi)燃機(jī)占據(jù)了絕對主導(dǎo)地位,這是由于此容量范圍內(nèi)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率通常較低,節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益不明顯。對15MW的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),機(jī)數(shù)量大約為內(nèi)燃機(jī)的一半。對于510MW上范圍,、調(diào)節(jié)靈。2技術(shù)性能比較變工況特性比較以3MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)(G3616型)和燃?xì)廨啓C(jī)(Centaur40)為對象進(jìn)行比較。根據(jù)基本參數(shù)和熱力學(xué)計(jì)算,兩者在變工況下的熱效率和發(fā)電效率比較如圖1所示。,可產(chǎn)生參數(shù)較高的蒸汽,進(jìn)一步形成燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng),可提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。因此,單純地以熱效率和發(fā)電效率來評價它們的性

9、能是不夠的,下面從火用的角度對兩種原動機(jī)的效率進(jìn)行比較。對于純物質(zhì),火用e可以用下式計(jì)算e=(h-h0)-T0(s-s0)3:(1)圖13MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)不同負(fù)荷率下熱效率和發(fā)電效率的比較Fig.1Comparisonofheatandpowerefficienciesof3MWgasengineandgasturbineunderdifferentloadfactors火式中e用h、s系統(tǒng)溫度下的焓與熵h0、s0物質(zhì)在環(huán)境溫度T0下的焓與熵如果將煙氣視為純物質(zhì),內(nèi)燃機(jī)的冷套冷卻水進(jìn)出口溫度為8595,計(jì)算得到兩者在不同負(fù)荷率下的火用效率如圖2所示。由圖2可知,在滿負(fù)荷工況下,燃?xì)廨啓C(jī)

10、的火用效率高于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī),這是由于燃?xì)廨啓C(jī)的余熱品位相對較高;當(dāng)負(fù)荷率降低至0.8以后,燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的火用效率高于燃?xì)廨啓C(jī),說明內(nèi)燃機(jī)具有更好的部分負(fù)荷特性。當(dāng)然,整個冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的火用效率還取決于余熱利用設(shè)備的性能和最終熱(冷)利用的40第1期左政,等:燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的比較第25卷狀態(tài)參數(shù)。環(huán)保效益是以天然氣為一次能源的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的一個優(yōu)勢,在相同發(fā)電量下,燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的1NOx的排放濃度通常為燃?xì)廨啓C(jī)的510倍,因此,燃?xì)廨啓C(jī)在環(huán)保方面具有更大的競爭力。的熱(冷)負(fù)荷比時,燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)比燃?xì)廨啓C(jī)明顯節(jié)能;隨著熱(冷)負(fù)荷的增加,內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)余熱不能滿足用戶需

11、求,燃?xì)忮仩t投入使用,節(jié)能率逐步減小;只有當(dāng)用戶熱需求接近燃?xì)廨啓C(jī)最大可回收煙氣余熱時,燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)一次能耗才開始小于內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng);隨著熱(冷)負(fù)荷的進(jìn)一步增加,兩者都需要補(bǔ)燃,其一次能源消耗差將保持不變。很明顯,當(dāng)用戶熱(冷)需求從內(nèi)燃機(jī)余熱回收能力到燃?xì)廨啓C(jī)余熱回收能力之間變化時,在大部分區(qū)域燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)比燃?xì)廨啓C(jī)節(jié)能。圖23MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)不同負(fù)荷率下火用效率的比較Fig.2Comparisonofexergyof3MWgasengineandgasturbineunderdifferentloadfactors3燃料耗量的比較用戶實(shí)際需求熱(冷)(冷),使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱(,盡量避免

12、補(bǔ)燃和余熱排空現(xiàn)象,從而獲得較大的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益。對于建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),冷熱負(fù)荷全年波動較大,就不得不經(jīng)常采用補(bǔ)燃或煙氣部分排空的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。下面比較燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在不同的熱(冷)電比下的一次能源消耗量,仍然以3MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)為對象,比較基于以下假設(shè):原動機(jī)保持滿負(fù)荷運(yùn)行,所產(chǎn)生的電力總可以被消耗,且系統(tǒng)為簡單循環(huán)。供熱工況下煙氣余熱和內(nèi)燃機(jī)冷卻水余熱都被充分利用。供冷工況下,煙氣進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽用于雙效吸收制冷機(jī)組(性能系數(shù)為1.3),內(nèi)燃機(jī)高溫冷卻水進(jìn)入單效吸收機(jī)組(性能系數(shù)為0.7)。當(dāng)冷熱負(fù)荷供應(yīng)不足時,采用燃?xì)忮仩t進(jìn)行補(bǔ)燃,熱效率取0.9;

13、當(dāng)余熱過剩時,煙氣部分排空以保持熱量平衡。根據(jù)以上假設(shè),圖3、4分別給出了在供熱工況和供冷工況下,當(dāng)熱(冷)電比變化時二者的燃料耗量的比較。由圖3、4可知,當(dāng)滿足同樣的電負(fù)荷時,在較低圖33MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在不同熱電比下燃料耗量比較Fig.3Comparisonoffuelconsumptionofcombinedsystemwith3MWgasengineandgasturbineunderdifferentheat/powerratio圖43MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在不同冷電比下燃料耗量比較Fig.4Comparisonoffuelconsumptionofcomb

14、inedsystemwith3MWgasengineandgasturbineunderdifferentcool/powerratio圖5、6還分別比較了1MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)(G3516型)和燃?xì)廨啓C(jī)(Saturn20)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在供熱和供冷工況下,不同熱(冷)電比下的燃料耗量。由圖5、6可知,對于1MW冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),在41第1期煤氣與熱力第25卷任意的冷熱負(fù)荷需求模式下,燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)都比燃?xì)廨啓C(jī)節(jié)能,這是因?yàn)榇斯β氏聝?nèi)燃機(jī)的一次發(fā)電效率比燃?xì)廨啓C(jī)高13個百分點(diǎn),即使在余熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶需求,需要投入燃?xì)忮仩t大量補(bǔ)燃的情形下,其整體效率也高于燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)。命、大修間隔基本相同,而燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)

15、單位容量的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用略高于燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組。因此,對于一個具體的冷熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目,采用何種形式原動機(jī)需要根據(jù)全年負(fù)荷波動、當(dāng)?shù)啬茉磧r格以及環(huán)保要求做進(jìn)一步的分析。4結(jié)論燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)具有比燃?xì)廨啓C(jī)更好的部分負(fù)荷特性,主要體現(xiàn)在燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的余熱利用效率隨負(fù)荷率的降低有所提高,而燃?xì)廨啓C(jī)的余熱利用效率隨原動機(jī)負(fù)荷率的降低而降低;從火用效率的角度看,在較高的負(fù)荷工況下,燃?xì)廨啓C(jī)的火用效率要高于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī),而在低負(fù)荷運(yùn)行工況下,燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)將優(yōu)于燃?xì)廨啓C(jī)。對于3MW的系統(tǒng),當(dāng)用戶熱需求在兩者最大可利用余熱量之間變化時,由于此功率等級,任意情形下都不如燃?xì)?。對?MW以上的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),燃?xì)廨啓C(jī)可以采用聯(lián)合循環(huán)形式,

16、其整體節(jié)能特性將會優(yōu)于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)系統(tǒng)。參考文獻(xiàn):1U.S.DepartmentofEnergy,EnergyInformationAdminis2tration.Themarketandtechnicalpotentialforcombinedheatandpowerinthecommercial/institutionalsectorR.Washington:U.S.DepartmentofEnergy,Energy圖51MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在不同熱電比下燃料耗量比較Fig.5Comparisonoffuelconsumptionofcombinedsystemwith1MWga

17、sengineandgasturbineunderdifferentheat/powerratio圖61MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在不同冷電比下燃料耗量比較Fig.6Comparisonoffuelconsumptionofcombinedsystemwith1MWgasengineandgasturbineunderdifferentcool/powerratioInformationAdministration,2000.2付林,狄洪發(fā),江億.天然氣在城市供暖中的應(yīng)用J.暖通空調(diào),2002,32(5):44-47.3TalbiMM,AgnewB.Exergyanalysis:anabsorptionre2frigeratorusinglithium2bromideandwaterastheworkingfluidsJ.AppliedThermalEngineering,2000,20(7):619-630.4FarmerR.Gasturbineworld2001-2002handbookM.Fairfielcl(USA):CT,PequotPublishing,2001.對于更大型的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),燃?xì)廨啓C(jī)的一次發(fā)電效率大大