生物質(zhì)混煤冷熱勒聯(lián)產(chǎn)糸統(tǒng)能效分析

生物質(zhì)混煤冷熱勒聯(lián)產(chǎn)糸統(tǒng)能效分析摘要：對(duì)以生物質(zhì)混煤為燃料的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，綜合考慮其節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等多種影響因素，建立多目標(biāo)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行系統(tǒng)能效分析；并從能值角度出發(fā)，對(duì)不同的能值指標(biāo)進(jìn)行分析，探究混摻生物質(zhì)對(duì)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的影響，以確定生物質(zhì)的最佳混摻比例。結(jié)果表明：在相同的負(fù)荷條件下，以生物質(zhì)混煤為燃料的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不僅可以節(jié)約系統(tǒng)的運(yùn)行成本，SOx、NOx、CO2減排潛力較大，兼具良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益；在10%、15%、20%3個(gè)混摻比例當(dāng)中，生物質(zhì)混摻比為20%時(shí)的生物質(zhì)混煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能值產(chǎn)出率最大，環(huán)境效益最高，經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性都有比較好的發(fā)展前景。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源的需求量與日俱增，能源短缺問(wèn)題與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展之間的矛盾日益增大。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(combinedcooling，heatingandpower，CCHP)作為一種新型的綜合能源系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)冷、熱、電3種形式的能量同時(shí)供給，有效提高系統(tǒng)的一次能源利用率和經(jīng)濟(jì)效益，還能夠消納可再生能源，使電力系統(tǒng)的運(yùn)行更加靈活與清潔。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)CCHP系統(tǒng)的研究主要以系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系、系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)重點(diǎn)裝置的研發(fā)與應(yīng)用為主。周任軍等[1]以冷熱電系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合生產(chǎn)成本和環(huán)境成本構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，分析冷、熱、電負(fù)荷需求量特點(diǎn)。江麗霞等[2]通過(guò)研究冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能原因，分析比較了多種聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案，揭示了系統(tǒng)能量的基本運(yùn)行規(guī)律、轉(zhuǎn)換特點(diǎn)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。安志偉等[3]分別對(duì)冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能因素進(jìn)行探究，結(jié)果表明補(bǔ)燃率越大，節(jié)能率越小。馮志兵等[4]從熱力學(xué)角度出發(fā)，對(duì)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行分析，并比較了多種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，結(jié)果表明燃?xì)廨啓C(jī)溫比的升高有利于提升系統(tǒng)的節(jié)煤率和一次能源利用率。GorsekK等[5]通過(guò)分析冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)常見(jiàn)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，比較這兩種系統(tǒng)的優(yōu)異性。MarcA.Rosen等[6]從系統(tǒng)的能效性指標(biāo)出發(fā)，對(duì)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了綜合分析，結(jié)果表明選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)不同，評(píng)價(jià)結(jié)果也有所差異。ArmandoFontalvo等[7]從壓比、透平效率等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)炯效率的影響出發(fā)建立了系統(tǒng)計(jì)算模型，結(jié)果表明透平效率的提高可減少總煙損。綜上所述，目前大部分研究是基于煤炭或生物質(zhì)直燃的供電方式，通過(guò)建立評(píng)價(jià)模型，分析系統(tǒng)的運(yùn)行策略和設(shè)備的運(yùn)行工況對(duì)系統(tǒng)能源利用率、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的影響，而并未探究生物質(zhì)煤炭混燃供能方式對(duì)系統(tǒng)能效性的影響。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，生物質(zhì)產(chǎn)量十分豐富，發(fā)展生物質(zhì)混煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，不僅可以有效地解決我國(guó)能源短缺危機(jī)和大氣污染問(wèn)題，還可以提升生物質(zhì)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。為此，本文以生物質(zhì)混煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)作為案例，研究不同容量下生物質(zhì)混煤系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，從“節(jié)能-經(jīng)濟(jì)-環(huán)保”角度出發(fā)，建立冷熱電系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)模型，基于多指標(biāo)分析方法，探究系統(tǒng)指標(biāo)隨生物質(zhì)與煤混摻比的變化規(guī)律，確定最佳混摻比，從而為制定最佳的系統(tǒng)運(yùn)行方案，提供理論基礎(chǔ)。1冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是有效地實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用[8]，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。燃料燃燒產(chǎn)生的高品位能源用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)向用戶供電；所產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖徊糠州斔椭琳羝l(fā)電系統(tǒng)，生產(chǎn)的電量再次輸送給用戶，另一部分煙氣進(jìn)入供冷、供熱系統(tǒng)，以滿足用戶的冷熱需求。相比于常規(guī)火力發(fā)電系統(tǒng)或冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)由于高效地實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用，其能源利用效率得到了大幅度的提高。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)一次能源利用率可達(dá)到80%以上[9]。2冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)2.1評(píng)價(jià)方法熱力學(xué)第一定律、第二定律評(píng)價(jià)方法是常用的CCHP系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法。其中，熱力學(xué)第一定律分析法主要根據(jù)能量之間的互相轉(zhuǎn)化和守恒定律來(lái)評(píng)價(jià)聯(lián)產(chǎn)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。熱力學(xué)第二定律分析法主要以功損失和煙效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)[10]。上述這2種評(píng)價(jià)方法都比較注重?zé)峤?jīng)濟(jì)性的分析和評(píng)價(jià)。在冷熱電系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)中，根據(jù)評(píng)價(jià)角度不同，衍生出以下指標(biāo)類別：1）經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包括年能耗費(fèi)用、年一次能源節(jié)約費(fèi)用等；2）節(jié)能性指標(biāo)包括煤耗量、節(jié)能率、一次能源利用等；3）環(huán)境性指標(biāo)包括CO2排放量、NOx排放量、SO2排放量等。2.2評(píng)價(jià)實(shí)例2.2.1節(jié)能性分析節(jié)能性分析方法可用來(lái)分析聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)煤量和一次能耗率等指標(biāo)[11]。1）一次能耗率一次能耗率是指消耗的一次消耗能源量與輸岀能量的比值，一次能耗率越小，系統(tǒng)的一次能源節(jié)能性越好。分產(chǎn)系統(tǒng)一次能耗率的計(jì)算包括制冷、供熱、發(fā)電3部分。2）節(jié)煤量節(jié)煤量是指在相同的熱、冷、電負(fù)荷條件下，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相較于分產(chǎn)系統(tǒng)所節(jié)約的煤量，該指標(biāo)可直接反映系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性。2.2.2經(jīng)濟(jì)性分析1）運(yùn)行費(fèi)用2）環(huán)境費(fèi)用環(huán)境費(fèi)用指大氣污染物（SO2和NOx減排所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)2017年頒布實(shí)行《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)稅法》，具體的污染物減排量和相關(guān)收益計(jì)算公式如下。2.2.3環(huán)保性分析冷熱電系統(tǒng)的大氣排放物中99.5%為CO2，因此CO2減排潛力成為評(píng)價(jià)系統(tǒng)中重要的環(huán)境指標(biāo)。冷熱電系統(tǒng)CO2減排率Eer可表示為：2.2.4案例分析本文案例中冷熱電聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)分別包括汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)、高溫?zé)煔夤帷⒛囍评錂C(jī)組。冷熱電分產(chǎn)子系統(tǒng)分別為汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組、高溫?zé)煔夤?、壓縮式制冷機(jī)。將冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與分產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行綜合比較，系統(tǒng)具體技術(shù)參數(shù)[12]見(jiàn)表1?；诒疚南到y(tǒng)評(píng)價(jià)模型，計(jì)算多種評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知：在供應(yīng)相同冷、熱、電負(fù)荷的條件下，從節(jié)能指標(biāo)來(lái)看，冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)的一次能耗率為1.48煤耗量為13192.28kg/h；冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的一次能耗率為1.10，煤耗量為10092kg/h。對(duì)比可知，采用冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)后，節(jié)煤量可達(dá)3100.28kg/h。從環(huán)保的指標(biāo)來(lái)看，冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)CO2排放量為34.56t/h，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)CO2排放量為26.44t/h，CO2減排率為0.23。同時(shí)，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)還可以減少排放27.90kg的SO2和33.48kg的NOx。從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)看，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)境保護(hù)稅可節(jié)約740.21元/h，節(jié)約煤費(fèi)用達(dá)1240.11元/h。綜上所述，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不僅可以提升一次能源的利用率，減少耗煤量，節(jié)約生產(chǎn)升本，還能有效的減少CO2、SO2、NOx等溫室氣體和大氣污染物的排放。2.2.5生物質(zhì)混煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)多目標(biāo)分析從上述可以看出，相比于冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在節(jié)能性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和環(huán)保性指標(biāo)分析中優(yōu)勢(shì)明顯。在此基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步對(duì)常規(guī)燃煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和生物質(zhì)混煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行對(duì)比分析。3生物質(zhì)混煤冷熱電系統(tǒng)能效分析由于生物質(zhì)混煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)境效益更佳，故探尋不同的燃料混摻比，對(duì)發(fā)揮生物質(zhì)能的最大作用具有重要研究意義。能值概念及能值分析理論[15]最早由美國(guó)著名系統(tǒng)生態(tài)學(xué)家H.T.Odum提出，能值分析理論作為一個(gè)能夠同時(shí)考慮自然系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，并比較它們產(chǎn)品的分析方法，已被廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域的研究[15-17]。本文基于能值分析理論，以100、200、300MW燃煤發(fā)電機(jī)組為例[18-19]，通過(guò)計(jì)算不同系統(tǒng)的能值產(chǎn)出率、可再生能源利用率和能值可持續(xù)性指標(biāo)，研究不同容量混生物質(zhì)燃煤系統(tǒng)中的最佳生物質(zhì)混摻比。當(dāng)生物質(zhì)混摻比例過(guò)大時(shí)，容易造成鍋爐結(jié)渣，且生物質(zhì)混摻比高于20%時(shí)，系統(tǒng)性能主要受燃燒升溫速率和燃燒工況的影響[20-21]，因此本文選擇生物質(zhì)混摻比例分別為10%、15%、20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。3.1能值分析指標(biāo)3.2結(jié)果分析3.2.1能值產(chǎn)出率圖2為當(dāng)生物質(zhì)混摻比為10%、15%和20%時(shí)不同生物質(zhì)混煤冷熱電系統(tǒng)的能值產(chǎn)岀率。如圖2所示：當(dāng)混摻相同比例的生物質(zhì)時(shí)，隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，能值產(chǎn)出率呈先升高后降低的變化規(guī)律；對(duì)于同一機(jī)組，隨著混摻生物質(zhì)比例的增加，能值產(chǎn)出率呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)；3種機(jī)組負(fù)荷下，200MW機(jī)組的能值產(chǎn)出率最高，即生物質(zhì)系統(tǒng)生產(chǎn)效率最大?？梢?jiàn)，僅從能值產(chǎn)出率角度來(lái)看，混摻20%生物質(zhì)的200MW生物質(zhì)混煤冷熱電系統(tǒng)更具有競(jìng)爭(zhēng)力。3.2.2環(huán)境負(fù)載率圖3為當(dāng)生物質(zhì)混摻比為10%、15%和20%時(shí)不同系統(tǒng)的環(huán)境負(fù)載率。如圖3所示：當(dāng)混摻相同比例生物質(zhì)時(shí)，對(duì)于不同系統(tǒng)，隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，環(huán)境負(fù)載率逐漸升高；對(duì)于同一機(jī)組，隨著混摻生物質(zhì)比例的增加，環(huán)境負(fù)載率逐漸降低。這可能是因?yàn)榛鞊缴镔|(zhì)的能值整體占比較小，對(duì)于混煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)影響較小。3種機(jī)組負(fù)荷下，100MW機(jī)組的環(huán)境負(fù)載率最小，即承受環(huán)境的壓力最小。這是由于100MW的生物質(zhì)混煤冷熱電系統(tǒng)的產(chǎn)能相對(duì)較小，因此產(chǎn)生的環(huán)境污染物也最少?？梢?jiàn)，僅從環(huán)境負(fù)載率角度來(lái)看，混摻20%生物質(zhì)的100MW生物質(zhì)混煤冷熱電系統(tǒng)更具有競(jìng)爭(zhēng)力。3.2.3能值可持續(xù)指標(biāo)圖4為當(dāng)生物質(zhì)混摻比為10%、15%和20%時(shí)不同系統(tǒng)的能值可持續(xù)指標(biāo)。如圖4所示：當(dāng)混摻相同比例生物質(zhì)時(shí)，隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，能值可持續(xù)指標(biāo)逐漸降低，即系統(tǒng)越小，能值可持續(xù)指標(biāo)升高越明顯，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的能值可持續(xù)性越好；對(duì)于同一機(jī)組，隨著混摻生物質(zhì)比例的增加，能值可持續(xù)指標(biāo)值逐漸升髙，不同機(jī)組能值可持續(xù)性上升趨勢(shì)相當(dāng)。對(duì)于300MW生物質(zhì)混煤冷熱電系統(tǒng)，當(dāng)生物質(zhì)混摻比為10%時(shí)，能值可持續(xù)指標(biāo)值小于1；當(dāng)混摻比為15%、20%時(shí)，能值可持續(xù)指標(biāo)值均大于1。這表明隨著生物質(zhì)混摻比例的增加，該系統(tǒng)的所屬狀態(tài)發(fā)生了改變，即從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的發(fā)展活力以及可持續(xù)性。對(duì)比3種負(fù)荷生物質(zhì)混煤冷熱電系統(tǒng)，100MW負(fù)荷機(jī)組的能值可持續(xù)指標(biāo)值最大，即可持續(xù)性最強(qiáng)。綜上