熱電聯産

摘要

根據動力裝置，熱電冷聯産可分為外燃燒式（蒸汽動力裝置）和内燃燒式（燃氣動力裝置）。分析了外燃燒式熱電冷聯産系統節能條件，計算表明内燃燒式系統具有節能優勢和潛力。

關鍵詞:熱電冷聯産供熱供冷節能

Abstract

熱電冷聯産（trigeneration）是同時生産電能（或機械能）、熱能和冷媒水的一種聯合生産方式，由熱電聯産（cogeneration）發展而來，是熱電聯産技術與制冷技術（吸收式或壓縮式）的結合。

熱電冷聯産裝置的選擇範圍很大。就動力裝置而言可選擇外燃燒式蒸汽動力裝置和内燃燒式燃氣動力裝置；就制冷而言可選擇壓縮式、吸收式或其它熱驅動制冷方式，還可以根據用戶性質、條件選擇大規模熱電冷聯産生産裝置和設在用戶現場的三聯産裝置。熱電冷聯産系統流程也有許多優選的餘地。

在熱電聯産應用中，背壓汽輪機常常受到區域供熱負荷的限制不能按經濟規模設置，多數是容量相當小和效率低的，而燃氣輪機則通過技術革新已經産出了尺寸小、質量輕、機械效率高和排氣溫度高的産品。産品的容量從小于750kW到大于75kW，甚至有容量超過300kW和小于80kW的。它們用于熱電聯産時，機械效率為30%～40%，熱效率為70%～80%。所以在有燃氣和燃油的地方，燃氣輪機正日益取代汽輪機在熱電聯産中的地位。

20世紀90年代初建成的日本新宿區域供熱供冷中心的熱電冷聯産是一個大規模系統的典型實例。該系統由燃氣--蒸汽聯合循環熱電聯産裝置、汽輪機拖動的離心式冷凍機、背壓汽輪機排隊汽餘熱驅動的吸收式冷凍機等組成。作為基本負荷制冷機采用這種"前置式"組合，能适應一年中冷、熱負荷的變化而保持高效運行，節能達10%。近年來我國上海浦東國際機場和上海市黃浦區中心醫院也建成了燃氣輪機熱電冷聯産系統。

1外燃燒式熱電冷聯産

外燃燒式熱電冷聯産系統是由鍋爐産生高壓高溫蒸汽，利用汽輪機将蒸汽的熱能轉變為機械能，并帶動交流發電機發電；汽輪機的抽汽或排汽對外供熱和驅動吸收式制冷機制冷。此外，該系統還可作如下變化：用制冷壓縮機取代交流發電機，或在抽汽式汽輪機的抽汽處裝第二台帶動制冷壓縮機的汽輪機。

熱電冷聯産對于熱電廠來說夏季要供冷從而全年可以多發電，提高了設備利用率。但是與凝汽式發電相比，供熱汽輪機組電效率降低，所以說，外燃燒式熱電聯合生産熱能是以發電量的減少為代價的。筆者在文獻[1]中估算了利用汽輪機抽汽或排汽對外供熱和驅動吸收式制冷機制冷情況下的供熱、供冷一次能耗率。方法是在消耗同等數量燃料熱的條件下，熱電機組因供熱而比用凝汽式機組所減少的發電量，折合成一次燃料熱，作為聯産供熱消耗的能量。因這種方法固定了發電能耗率，故可隻根據供熱和供冷一次能耗率來估計哪一類熱電冷聯産系統是節能的。而且用該法也便于與其它單純供熱和供冷的系統比較。這種方法還能區别汽輪機型式、進汽參數及供熱參數等不同因素的影響。這一點對于供冷能耗估算是至關重要的。

估算結果表明，利用聯産熱供暖供冷與用鍋爐或直燃熱相比總是節能的。至于把得用聯産熱供暖與電動熱泵供暖相比，以及利用聯産熱驅動制冷系統供冷和電動制冷相比的結果，則不能一概而論。由于汽輪機型式和進、排汽壓力有高有低，制冷機和熱泵的特性系數COP也有高有低，還有電廠效率和實際運行情況等等，所以必須全考慮有關因素具體分析。總體上，利用外燃燒式熱電聯産的熱能供熱制冷，需要汽輪機有較高的進汽壓力和熱驅動制冷機較高的性能系數，才能與具有較高性能系數的電動制冷機和熱泵相競争。汽輪機直接拖動的壓縮式制冷一次能耗率取決于制冷機的COP，與電動制冷類似。

2内燃燒式熱電冷聯産

在内燃燒式熱電冷聯産系統中，内燃機或燃氣輪機通過一或兩個軸，向交流發電機和/或制冷壓縮機提供機械能。由一自動調節系統調節交流發電機和制冷壓縮機提供能量的比例。内燃機或燃氣輪機的排氣餘熱可以直接或間接（通過餘熱鍋爐）用于供熱及吸收式制冷機組制冷。回收排氣餘熱所得蒸汽也可先帶動汽輪機發電或産生機械功，構成燃所-蒸汽聯合循環，進一步提高熱能動力裝置的效率，然後再由汽輪機的抽汽或排汽供熱及由吸收式制冷機組制冷。

内燃燒式熱電聯産熱能是從回收燃氣輪機或内燃機排出的煙氣或冷卻汽缸的餘熱所得，若未采用燃氣-蒸汽聯合循環，則不影響發電量卻提高了熱能利用率。所以可視為廢熱利用，從能源的有效利用來看比外燃燒式熱電聯産更為有利。

20世紀90年代初美國專為區域供能開發了熱電冷三聯産機械。其特性是：與原動機（燃氣輪機）在同一根軸上連接着發電機/電動機和制冷壓縮機；天然氣和電的任意組合都可用于驅動螺杆壓縮機，而原動機産生的軸功可用于在任意比例下生産冷媒水和發電；用原動機的排氣生産出熱。從來自區域供能裝置運行的實際數據，得出單位冷量的天然氣消耗量換算成供冷一次能耗率為：帶熱回收的三聯産0.317，三聯産0.667。三聯産裝置的年滿負荷運行時數達到5000～7000h[2]。

下面以一個例子說明熱電冷聯産系統的流程，以及在内燃燒式熱電冷聯産系統的一次能耗率和節能率的計算。

圖1複合式聯産系統的流程

圖1所示的複合式聯産系統[3]是在上面電量描述的在内燃燒式熱電冷聯産系統基礎上發展的。該系統由以天然氣為一次能源Qp的内燃機（ICE）、發電機（G）、吸收式制冷系統（ARS）和蒸氣壓縮式制冷/熱泵系統（HP）組成。熱泵的驅動力P是常規熱電聯産機組總電量NCCU的一部分。NCCS是熱電冷聯産的輸出電量。内燃機的供熱量QICE是來自燃燒産物熱量QCP與來自冷卻汽缸的熱量QEC之和。用QCP作吸收式制冷系統的驅動熱能；熱泵冷凝器放熱QCH和冷卻汽缸得熱QEC用于供熱水。圖示系統分别從吸收式制冷系統蒸發得到冷量QEA，從換熱器HEEC和HEWH及熱泵冷凝器得到熱量QEC+QWH+QCH，以及電量NCCS。這個系統的特點是回收吸收式制冷機的吸收器和冷凝器的放熱作為壓縮式熱泵蒸發器的吸熱。前者作後者的低溫熱源，後者為前者提供冷卻水。它還能生産出兩種溫度的熱水以滿足不需要。

計算采用如下參數：

複合式聯産系統的一次能耗量QP=243.1kW，從内燃機回收的熱量QICE=125.17kW，常規熱電機組輸出的電量NCCU=74kW，從換熱器HECP取得的熱量QCP=66.28kW，從換熱器HEEC取得的熱量QEC=58.89kW，電熱比，常規熱電機組的總效率，分産時發電與輸電效率ηe=0.35，分産時鍋爐供熱效率ηf=0.9,分産時壓縮式制冷系統性能系統COPCRS=2.5。

對于圖1的複合式聯産系統作計算得到：可利用熱輸出量之和

∑QH=QCP+QEC=QWH=188.47kW

供冷量

∑QC=QEA=46.01kW

壓縮式熱泵系統的驅動力

P=17.28kW

電力輸出

NCCS=NCCU-P-=56.72Kw

複合式聯産系統的一次能耗率

熱電冷分産系統的一次能耗率

PERSG=1.455

一次能的節約率

計算結果表明，該複合式聯産系統與采用鍋爐、壓縮式制冷機和凝汽式發電機的熱電冷分産相比節能率達42.6%。盡管它采用了性能系統隻有0.7的單效溴化锂吸收式制冷機，但因制冷機的排熱得到利用，整個系統仍有很低的一次能耗率。

3結束語

利用外燃燒式熱電聯産的熱能供熱制冷，與利用直燃/鍋爐熱相比總是節能的，但與性能系數較高的電動制冷和熱泵相比較，則需要汽輪機有較高的進汽壓力和熱驅動制冷機有較高的性能系數。所以說，外燃燒式熱電冷聯産的節能是有條件和有局限性的。

内燃燒式熱電聯産熱能是從回收燃燒産物或冷卻氣缸餘熱所得，不影響發電量，故具有節能優勢。文中介紹的複合式聯産系統，與分産相比系統節能率達40%。可見，通過優化設備配置和系統流程，内燃燒式熱電冷聯産還有很大的節能潛力。

在區域供熱和供冷應用中有條件地以内燃燒式或燃氣-蒸汽聯合循環聯産裝置取代外燃燒式聯産裝置是一種趨勢。當然還需針對不同供能對象和負荷條件進行設計，解決好能量利用的合理性與用戶條件的現實性的矛盾，才能收預期的節能效果。

近來，微型燃氣輪發電技術在美國和日本興起，設備發電容量30～80kW，發電效率達26%～28.5%。這種小型化、高效率和分散型的發電裝置，有可能成為21世紀能源技術的主流，并将掀起"電源小型分散化"的技術革新熱。可以想見，小型分散化熱電冷聯産系統将會與之伴随發展。

參考文獻

1陳君燕，冷熱聯供系統的能耗估算，暖通空調，2001，31（3）.

2MornhedGel,CastenTR.Innovationindistrictheatingandcooling1984-1994andtheireconomicimpact.ASHRAETrans,1995,101,partI:911-916.

3HavelskyV.Energeticefficiencyofcogenerationsystemsforcombinedheat,coldandpowerproduction.IntJrefrig,1999,22(6):479-485.

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