Energy efficiency of combined heating, cooling and power production systems

0 引言 　　热电冷联产（trigeneration）是同时生产电能（或机械能）、热能和冷媒水的一种联合生产方式，由热电联产（cogeneration）发展而来，是热电联产技术与制冷技术（吸收式或压缩式）的结合。 　　热电冷联产装置的选择范围很大。就动力装置而言可选择外燃烧式蒸汽动力装置和内燃烧式燃气动力装置；就制冷而言可选择压缩式、吸收式或其它热驱动制冷方式，还可以根据用户性质、条件选择大规模热电冷联产生产装置和设在用户现场的三联产装置。热电冷联产系统流程也有许多优选的余地。 　　在热电联产应用中，背压汽轮机常常受到区域供热负荷的限制不能按经济规模设置，多数是容量相当小和效率低的，而燃气轮机则通过技术革新已经产出了尺寸小、质量轻、机械效率高和排气温度高的产品。产品的容量从小于750kW到大于75kW，甚至有容量超过300kW和小于80kW的。它们用于热电联产时，机械效率为30%～40%，热效率为70%～80%。所以在有燃气和燃油的地方，燃气轮机正日益取代汽轮机在热电联产中的地位。 　　20世纪90年代初建成的日本新宿区域供热供冷中心的热电冷联产是一个大规模系统的典型实例。该系统由燃气--蒸汽联合循环热电联产装置、汽轮机拖动的离心式冷冻机、背压汽轮机排队汽余热驱动的吸收式冷冻机等组成。作为基本负荷制冷机采用这种"前置式"组合，能适应一年中冷、热负荷的变化而保持高效运行，节能达10%。近年来我国上海浦东国际机场和上海市黄浦区中心医院也建成了燃气轮机热电冷联产系统。 1 外燃烧式热电冷联产 　　外燃烧式热电冷联产系统是由锅炉产生高压高温蒸汽，利用汽轮机将蒸汽的热能转变为机械能，并带动交流发电机发电；汽轮机的抽汽或排汽对外供热和驱动吸收式制冷机制冷。此外，该系统还可作如下变化：用制冷压缩机取代交流发电机，或在抽汽式汽轮机的抽汽处装第二台带动制冷压缩机的汽轮机。 　　热电冷联产对于热电厂来说夏季要供冷从而全年可以多发电，提高了设备利用率。但是与凝汽式发电相比，供热汽轮机组电效率降低，所以说，外燃烧式热电联合生产热能是以发电量的减少为代价的。笔者在文献[1]中估算了利用汽轮机抽汽或排汽对外供热和驱动吸收式制冷机制冷情况下的供热、供冷一次能耗率。方法是在消耗同等数量燃料热的条件下，热电机组因供热而比用凝汽式机组所减少的发电量，折合成一次燃料热，作为联产供热消耗的能量。因这种方法固定了发电能耗率，故可只根据供热和供冷一次能耗率来估计哪一类热电冷联产系统是节能的。而且用该法也便于与其它单纯供热和供冷的系统比较。这种方法还能区别汽轮机型式、进汽参数及供热参数等不同因素的影响。这一点对于供冷能耗估算是至关重要的。 　　估算结果表明，利用联产热供暖供冷与用锅炉或直燃热相比总是节能的。至于把得用联产热供暖与电动热泵供暖相比，以及利用联产热驱动制冷系统供冷和电动制冷相比的结果，则不能一概而论。由于汽轮机型式和进、排汽压力有高有低，制冷机和热泵的特性系数COP也有高有低，还有电厂效率和实际运行情况等等，所以必须全考虑有关因素具体分析。总体上，利用外燃烧式热电联产的热能供热制冷，需要汽轮机有较高的进汽压力和热驱动制冷机较高的性能系数，才能与具有较高性能系数的电动制冷机和热泵相竞争。汽轮机直接拖动的压缩式制冷一次能耗率取决于制冷机的COP，与电动制冷类似。 2 内燃烧式热电冷联产 　　在内燃烧式热电冷联产系统中，内燃机或燃气轮机通过一或两个轴，向交流发电机和/或制冷压缩机提供机械能。由一自动调节系统调节交流发电机和制冷压缩机提供能量的比例。内燃机或燃气轮机的排气余热可以直接或间接（通过余热锅炉）用于供热及吸收式制冷机组制冷。回收排气余热所得蒸汽也可先带动汽轮机发电或产生机械功，构成燃所-蒸汽联合循环，进一步提高热能动力装置的效率，然后再由汽轮机的抽汽或排汽供热及由吸收式制冷机组制冷。 　　内燃烧式热电联产热能是从回收燃气轮机或内燃机排出的烟气或冷却汽缸的余热所得，若未采用燃气-蒸汽联合循环，则不影响发电量却提高了热能利用率。所以可视为废热利用，从能源的有效利用来看比外燃烧式热电联产更为有利。 　　20世纪90年代初美国专为区域供能开发了热电冷三联产机械。其特性是：与原动机（燃气轮机）在同一根轴上连接着发电机/电动机和制冷压缩机；天然气和电的任意组合都可用于驱动螺杆压缩机，而原动机产生的轴功可用于在任意比例下生产冷媒水和发电；用原动机的排气生产出热。从来自区域供能装置运行的实际数据，得出单位冷量的天然气消耗量换算成供冷一次能耗率为：带热回收的三联产0.317，三联产0.667。三联产装置的年满负荷运行时数达到5000～7000h[2]。 　　下面以一个例子说明热电冷联产系统的流程，以及在内燃烧式热电冷联产系统的一次能耗率和节能率的计算。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 复合式联产系统的流程 　　图1所示的复合式联产系统[3]是在上面电量描述的在内燃烧式热电冷联产系统基础上发展的。该系统由以天然气为一次能源Qp的内燃机（ICE）、发电机（G）、吸收式制冷系统（ARS）和蒸气压缩式制冷/热泵系统（HP）组成。热泵的驱动力P是常规热电联产机组总电量NCCU的一部分。NCCS是热电冷联产的输出电量。内燃机的供热量Q ICE是来自燃烧产物热量QCP与来自冷却汽缸的热量QEC之和。用QCP作吸收式制冷系统的驱动热能；热泵冷凝器放热QCH和冷却汽缸得热QEC用于供热水。图示系统分别从吸收式制冷系统蒸发得到冷量QEA，从换热器HEEC和HEWH及热泵冷凝器得到热量QEC QWH QCH，以及电量NCCS。这个系统的特点是回收吸收式制冷机的吸收器和冷凝器的放热作为压缩式热泵蒸发器的吸热。前者作后者的低温热源，后者为前者提供冷却水。它还能生产出两种温度的热水以满足不需要。 　　计算采用如下参数： 　　复合式联产系统的一次能耗量QP =243.1kW，从内燃机回收的热量QICE= 125.17 kW，常规热电机组输出的电量NCCU =74kW ，从换热器HECP取得的热量QCP=66.28kW，从换热器HEEC取得的热量QEC=58.89kW，电热比，常规热电机组的总效率，分产时发电与输电效率ηe=0.35，分产时锅炉供热效率ηf=0.9,分产时压缩式制冷系统性能系统COPCRS =2.5。 　　对于图1的复合式联产系统作计算得到：可利用热输出量之和 　　　　　　　　　　 ∑QH= QCP QEC = QWH =188.47kW 　　供冷量 　　　　　　∑QC= QEA =46.01kW 　　压缩式热泵系统的驱动力 　　　　　　 P=17.28kW 　　电力输出 　　　　　 NCCS = NCCU - P-=56.72 Kw 　　　　　　 　　复合式联产系统的一次能耗率 　　　　　　 　　热电冷分产系统的一次能耗率 　　　　　　　 PERSG =1.455 　　一次能的节约率 　　　　　　　　 　　计算结果表明，该复合式联产系统与采用锅炉、压缩式制冷机和凝汽式发电机的热电冷分产相比节能率达42.6%。尽管它采用了性能系统只有0.7的单效溴化锂吸收式制冷机，但因制冷机的排热得到利用，整个系统仍有很低的一次能耗率。

3 结束语
　　利用外燃烧式热电联产的热能供热制冷，与利用直燃/锅炉热相比总是节能的，但与性能系数较高的电动制冷和热泵相比较，则需要汽轮机有较高的进汽压力和热驱动制冷机有较高的性能系数。所以说，外燃烧式热电冷联产的节能是有条件和有局限性的。
　　内燃烧式热电联产热能是从回收燃烧产物或冷却气缸余热所得，不影响发电量，故具有节能优势。文中介绍的复合式联产系统，与分产相比系统节能率达40%。可见，通过优化设备配置和系统流程，内燃烧式热电冷联产还有很大的节能潜力。
　　在区域供热和供冷应用中有条件地以内燃烧式或燃气-蒸汽联合循环联产装置取代外燃烧式联产装置是一种趋势。当然还需针对不同供能对象和负荷条件进行设计，解决好能量利用的合理性与用户条件的现实性的矛盾，才能收预期的节能效果。
　　近来，微型燃气轮发电技术在美国和日本兴起，设备发电容量30～80kW，发电效率达26%～28.5%。这种小型化、高效率和分散型的发电装置，有可能成为21世纪能源技术的主流，并将掀起"电源小型分散化"的技术革新热。可以想见，小型分散化热电冷联产系统将会与之伴随发展。
　　
参考文献
　　1 陈君燕，冷热联供系统的能耗估算，暖通空调，2001，31（3）.
　　2 Mornhed Gel, Casten T R. Innovation in district heating and cooling 1984-1994 and their economic impact. ASHRAE Trans, 1995,101, part I:911-916.
　　3 Havelsky V. Energetic efficiency of cogeneration systems for combined heat, cold and power production. Int J refrig, 1999, 22(6):479-485.