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冷熱電聯產系統的發展趨勢及設備的發展現狀

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  0 引言

  冷熱電聯產(Combined Cooling Heating and Power, CCHP)是一種建立在能量梯級利用概念基礎上,將制冷、制熱(包括供暖和供熱水)及發電過程一體化的總能系統。其最大的特點就是對不同品質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,具有良好的經濟效益和社會效益。具體的經濟性、節能性分析請參見文獻[1、2].

  由于冷熱電聯產承擔了制冷、制熱和發電等多項功能,故系統中的設備數量較多、功能復雜。因冷熱電聯產是由熱電聯產發展而來,是熱電聯產技術與制冷技術的結合,故以下從熱電聯產和制冷兩個方面來對冷熱電聯產系統中的主要設備進行評價。

  1 熱電聯產的主要設備評價

  與熱電聯產技術有關的選擇主要有蒸汽輪機驅動的外燃燒式方案和燃氣輪機驅動的內燃燒式方案。此外,現代科學技術的發展,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的發展,也賦予了冷熱電聯產新的內涵。

  1.1 蒸汽輪機

  原理是由高溫高壓蒸汽帶動汽輪發電機組發電,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,另一種是抽汽式機組。背壓式機組不設冷凝器,用汽輪機尾部的余熱作為熱源,需要穩定的熱負荷才能正常發電,其優點是熱效率高。而抽汽式機組設置冷凝器,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,其優點是熱負荷可靈活調節,但熱效率比背壓式機組低。機組充分利用了汽輪發電機梯級做功的原理,能夠提高發電機組的熱效率,純凝汽式發電機組的熱效率一般為25%~30%,而熱電聯產機組總熱效率則在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產中得以應用。

  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燒室,在燃燒室內與噴入的燃氣(如天然氣)混合燃燒,之后在汽輪機里膨脹,驅動葉輪轉動,使其驅動發電機發電。燃氣輪機的尾氣溫度很高(一般在500℃以上),是很好的驅動熱源,可以用來制冷,也可以進余熱鍋爐產生蒸汽再供熱或制冷。另外,煙氣也可以不全部用來發電,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產,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點:

  ①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。燃氣發電效率21%,余熱鍋爐熱效率44%,總熱效率65%.相應的蒸汽輪機方案發電熱電轉換率只有28%左右,裝機容量也只有3500kW.

  ②投資小,占地少,投資回收期短。2000年的單位投資為3492元/kW,而蒸汽輪機發電的單位投資為5500元/kW.

  ③啟動迅速,運行穩定,故障率低,維修工作量小,結構簡單,自動化程度高,燃料適應范圍廣。

  此外,燃氣輪機的容量范圍也很寬,小有幾十到數百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產中的地位。

  1.3 燃氣-蒸汽聯合循環發電裝置

  除了燃氣輪機的簡單循環形式外,還有一種聯合循環的形式,即燃氣-蒸汽聯合循環。燃氣-蒸汽聯合循環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合起來,使燃氣輪機的高溫尾氣進入余熱鍋爐產生蒸汽,并使蒸汽在汽輪機中繼續作功發電,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,使整個聯合循環的熱能利用水平較簡單循環有了明顯提高。從《城市天然氣工程》中可以看到,聯合循環發電的凈效率已達48%~58%,并且正向著60%的目標邁進。

  燃氣輪機的這兩種循環形式都有各自的特點和適用范圍。聯合循環系統初投資較高,占地面積較大,但具有較強的靈活性,熱電產出比可通過控制抽汽量方便地調節,故適用于大型的聯產系統。簡單循環系統初投資低,占地面積小,熱電聯產可調性差,則適用于負荷相對穩定、小型的聯產系統。

  1.4 燃氣內燃機

  內燃機將燃料(如天然氣)與空氣注入汽缸混合,點火引發其爆炸作功,推動活塞運動,驅動發電機發電,回收燃燒后的煙氣和各部件的冷卻水的熱量用于熱電聯產。當其規模較小時,發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產系統中往往采用這種形式。但是,由于余熱回收復雜而品質又不高,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往復活塞式熱力發動機,又名斯特林發動機(Stirling engine)新型的外燃機使用氫氣作為工質,在四封閉的氣缸內充有一定容積的工質。氣缸一端為熱腔,另一端為冷腔。工質在低溫冷腔中壓縮,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連續燃燒,通過加熱器傳給工質,工質不直接參與燃燒,也不更換。

  外燃機的主要特點在于:

  ①發電效率高,部分負荷性能優越。目前外燃機的發電效率可達40%,并有望提高到50%.對于微型的外燃機聯產系統來說,發電效率可達到30%~35%.

  ②出力和效率不受海拔高度影響,是一般高原地區柴油機效率的150%.

  ③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。

  ④燃料在汽缸外過氧連續燃燒,運行平穩,振動小,排氣中有害成分較少,噪聲較低。

  ⑤余熱易于回收,熱電聯產綜合效率可達65%~85%,熱電比在1.2~1.7的范圍。

  ⑥零部件少,活動部件少,潤滑油耗量少,無需維護保養而且保證長期運行。

  外燃機尚存在的主要問題和缺點是制造成本較高,工質密封技術較難,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生成水放出的化學能轉換成電能的裝置,其基本原理相當于電解反應的逆向反應。其具有無污染、高效率、適用廣、無噪聲和能連續運轉等優點,發電效率達40%以上,熱電聯產的效率達到80%以上。目前,多數燃料電池正處于開發研制中。

  2 制冷的主要設備評價

  與制冷技術有關的選擇有壓縮式、吸收式和其他制冷方式。壓縮式制冷機的主要設備有壓縮機、蒸發器、冷凝器和節流機構,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節電量和冷量的比例。吸收式制冷機則是用發生器、溶液泵、吸收器和節流閥取代了壓縮機,通過消耗低品位熱能來制冷,把來自熱電聯產的一部分或全部熱能用于驅動制冷系統。

  2.1 溴化鋰吸收式制冷機

  溴化鋰吸收式制冷機以水-溴化鋰為工質對,其工作原理為:溴化鋰稀溶液在發生器中被加熱,產生制冷劑(沸點較低)——水蒸汽,水蒸汽在冷凝器中被冷卻,并凝結成液態水。液態水經節流機構減壓后進入蒸發器并在其中吸熱蒸發,進行制冷,液態水重新汽化為水蒸汽。而發生器中發生了水蒸汽的溴化鋰濃溶液是吸收劑(沸點較高),經節流閥減壓后,進入吸收器吸收蒸發器來的水蒸汽。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生器,完成吸收制冷循環。

  由于溴化鋰吸收式制冷機對熱源參數要求低、適應性強,而且消耗電能少,所以在我國現階段的冷熱電聯產系統中最為常見。根據驅動熱源的不同,可分為蒸汽型、直燃型、熱水型、余熱型和復合熱源型,可視熱電聯產系統產物選取不同機型。盡管如此,溴化鋰溶液易結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展。

  2.2 氨吸收式制冷機

  氨吸收式制冷機以氨-水作為工質對,其工作原理與溴化鋰式有相似之處。其優點是能制取0℃以下冷量而不易結晶,對除了銅以外的金屬基本無腐蝕性,系統的體積也較小。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備較多、能效比偏低的通病。

  3 結束語

  受我國能源結構的影響,目前我國的冷熱電聯產系統還大多以煤為主要燃料,總的熱效率不高。對比發達國家,美國73%的熱電聯產項目使用的是燃氣,俄羅斯熱電聯產燃料構成中70%是石油和天然氣。這促使我們要大力發展以燃氣(尤其是天然氣)為燃料的冷熱電聯產系統。另外,我國的燃氣冷熱電聯產系統也多是采用高參數的大容量機組,而不需要長距離輸送、能源利用率高的小型系統還并不多見。相信未來小型冷熱電聯產系統和區域集中供熱供冷系統(DHC)將會得到更廣泛的應用。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保又節能的設備受到了較大關注和開發。相信在我國能源政策的調整中,所有以上這些形式多樣、特點各異的設備會給冷熱電聯產系統帶來更深的內涵和更好的發展。

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