冷热电联产系统方案主要设备评价

冷热电联产（Combined Cooling Heating and Power, CCHP）是一种建立在能量梯级利用概念基础上，将制冷、制热（包括供暖和供热水）及发电过程一体化的总能系统。其最大的特点就是对不同品质的能量进行梯级利用，温度比较高的、具有较大可用能的热能用来被发电，而温度比较低的低品位热能则被用来供热或是制冷。这样做不仅提高了能源的利用效率，而且减少了碳化物和有害气体的排放，具有良好的经济效益和社会效益。具体的经济性、节能性分析请参见文献[1、2]。
冷热电联产系统方案主要设备评价
论文上传：yeling-tiancai留言
论文作者：叶凌
您是本文第241位读者
摘要：本文简要说明了冷热电联产系统的特点，详细分析和评价了冷热电联产系统中的主要设备，对不同冷热电联产系统方案进行了比较，介绍了冷热电联产系统的发展趋势及其主要设备的发展现状。
关键词：蒸汽轮机燃气轮机溴化锂氨吸收式
由于溴化锂吸收式制冷机对热源参数要求低、适应性强，而且消耗电能少，所以在我国现阶段的冷热电联产系统中最为常见。根据驱动热源的不同，可分为蒸汽型、直燃型、热水型、余热型和复合热源型，可视热电联产系统产物选取不同机型。尽管如此，溴化锂溶液易结晶的特性和机组能效比偏低的缺点却在一定程度上制约了溴化锂吸收式机组的发展。
1.5燃气外燃机
外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，又名斯特林发动机（Stirling engine）。新型的外燃机使用氢气作为工质，在四封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。
外燃机的主要特点在于：
①发电效率高，部分负荷性能优越。目前外燃机的发电效率可达40%，并有望提高到50%。对于微型的外燃机联产系统来说，发电效率可达到30%～35%。
②出力和效率不受海拔高度影响，是一般高原地区柴油机效率的150%。
③可选择的燃料范围十分广泛，包括各种气体、液体和固体燃料。
④燃料在汽缸外过氧连续燃烧，运行平稳，振动小，排气中有害成分较少，噪声较低。
与制冷技术有关的选择有压缩式、吸收式和其他制冷方式。压缩式制冷机的主要设备有压缩机、蒸发器、冷凝器和节流机构，通过消耗外功并传递给压缩机进行制冷，可通过机械能的分配来调节电量和冷量的比例。吸收式制冷机则是用发生器、溶液泵、吸收器和节流阀取代了压缩机，通过消耗低品位热能来制冷，把来自热电联产的一部分或全部热能用于驱动制冷系统。
1.2燃气轮机
燃气轮机机主要由压气机、燃烧室和汽轮机组成。压气机将空气压缩进入燃烧室，在燃烧室内与喷入的燃气（如天然气）混合燃烧，之后在汽轮机里膨胀，驱动叶轮转动，使其驱动发电机发电。燃气轮机的尾气温度很高（一般在500℃以上），是很好的驱动热源，可以用来制冷，也可以进余热锅炉产生蒸汽再供热或制冷。另外，烟气也可以不全部用来发电，而是部分用于工艺，这样它的总热效率可达80%或更高。
2.2氨吸收式制冷机
氨吸收式制冷机以氨-水作为工质对，其工作原理与溴化锂式有相似之处。其优点是能制取0℃以下冷量而不易结晶，对除了铜以外的金属基本无腐蚀性，系统的体积也较小。其最大缺点在与大量的氨泄露会危害人体健康。此外，它也同样具有吸收式制冷机组传热设备较多、能效比偏低的通病。
受我国能源结构的影响，目前我国的冷热电联产系统还大多以煤为主要燃料，总的热效率不高。对比发达国家，美国73%的热电联产项目使用的是燃气，俄罗斯热电联产燃料构成中70%是石油和天然气。这促使我们要大力发展以燃气（尤其是天然气）为燃料的冷热电联产系统。另外，我国的燃气冷热电联产系统也多是采用高参数的大容量机组，而不需要长距离输送、能源利用率高的小型系统还并不多见。相信未来小型冷热电联产系统和区域集中供热供冷系统（DHC）将会得到更广泛的应用。以上两个趋势和方向，使得微型燃气轮机、外燃机、燃料电池和单压吸收式制冷机等既环保又节能的设备受到了较大关注和开发。相信在我国能源政策的调整中，所有以上这些形式多样、特点各异的设备会给冷热电联产系统带来更深的内涵和更好的发展。
⑤余热易于回收，热电联产综合效率可达65%～85%，热电比在1.2～1.7的范围。
⑥零部件少，活动部件少，润滑油耗量少，无需维护保养而且保证长期运行。
外燃机尚存在的主要问题和缺点是制造成本较高，工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题。
1.6燃料电池
燃料电池是把氢和氧反应生成水放出的化学能转换成电能的装置，其基本原理相当于电解反应的逆向反应。其具有无污染、高效率、适用广、无噪声和能连续运转等优点，发电效率达40％以上，热电联产的效率达到80％以上。目前，多数燃料电池正处于开发研制中。
②投资小，占地少，投资回收期短。2000年的单位投资为3492元/kW，而蒸汽轮机发电的单位投资为5500元/kW。
③启动迅速，运行稳定，故障率低，维修工作量小，结构简单，自动化程度高，燃料适应范围广。
此外，燃气轮机的容量范围也很宽，小有几十到数百kW的微型燃气轮机，大到300MW以上的大型燃气轮机。因而燃气轮机正日益取代汽轮机在热电联产中的地位。
2.1溴化锂吸收式制冷机
溴化锂吸收式制冷机以水-溴化锂为工质对，其工作原理为：溴化锂稀溶液在发生器中被加热，产生制冷剂（沸点较低）——水蒸汽，水蒸汽在冷凝器中被冷却，并凝结成液态水。液态水经节流机构减压后进入蒸发器并在其中吸热蒸发，进行制冷，液态水重新汽化为水蒸汽。而发生器中发生了水蒸汽的溴化锂浓溶液是吸收剂（沸点较高），经节流阀减压后，进入吸收器吸收蒸发器来的水蒸汽。而后，吸收了水蒸汽的溴化锂稀溶液由溶液泵提高压力送回发生器，完成吸收制冷循环。
由于冷热电联产承担了制冷、制热和发电等多项功能，故系统中的设备数量较多、功能复杂。因冷热电联产是由热电联产发展而来，是热电联产技术与制冷技术的结合，故以下从热电联产和制冷两个方面来对冷热电联产系统中的主要设备进行评价。
与热电联产技术有关的选择主要有蒸汽轮机驱动的外燃烧式方案和燃气轮机驱动的内燃烧式方案。此外，现代科学技术的发展，特别是微型燃气轮机、燃气外燃机和燃料电池以及其他新能源技术的发展，也赋予了冷热电联产新的内涵。
参考文献
燃气轮机的这两种循环形式都有各自的特点和适用范围。联合循环系统初投资较高，占地面积较大，但具有较强的灵活性，热电产出比可通过控制抽汽量方便地调节，故适用于大型的联产系统。简单循环系统初投资低，占地面积小，热电联产可调性差，则适用于负荷相对稳定、小型的联产系统。
1.4燃气内燃机
内燃机将燃料（如天然气）与空气注入汽缸混合，点火引发其爆炸作功，推动活塞运动，驱动发电机发电，回收燃烧后的烟气和各部件的冷却水的热量用于热电联产。当其规模较小时，发电效率明显比燃气轮机高，一般在30％以上，并且初投资较低，因而在一些小型的热电联产系统中往往采用这种形式。但是，由于余热回收复杂而品质又不高，因此不适于供热温度要求高的场合。
1.3燃气-蒸汽联合循环发电装置
除了燃气轮机的简单循环形式外，还有一种联合循环的形式，即燃气-蒸汽联合循环。燃气-蒸汽联合循环把具有较高平均吸热温度的燃气轮机与具有较低平均放热温度的蒸汽轮机结合起来，使燃气轮机的高温尾气进入余热锅炉产生蒸汽，并使蒸汽在汽轮机中继续作功发电，其抽汽或背压排汽用于供热和制冷，达到扬长避短、相互弥补的目的，使整个联合循环的热能利用水平较简单循环有了明显提高。从《城市天然气工程》中可以看到，联合循环发电的净效率已达48%～58%，并且正向着60%的目标迈进。
某焦化厂以富余的焦炉煤气为燃料进行热电联产，对燃气轮机和蒸汽轮机这两套方案进行了比较，我们可以看出燃气轮机具有以下的优点：
①效率高。富余的焦炉煤气可带动2台2000kW的燃气轮机，其尾气又可带动2台6.5t/h的余热锅炉。燃气发电效率21%，余热锅炉热效率44%，总热效率65%。相应的蒸汽轮机方案发电热电转换率只有28%左右，装机容量也只有3500kW。
1.1蒸汽轮机
原理是由高温高压蒸汽带动汽轮发电机组发电，做功后的低品位的汽轮机抽汽或背压排汽用于供热或制冷。由此机组也一般有两种，一种是背压式机组，另一种是抽汽式机组。背压式机组不设冷凝器，用汽轮机尾部的余热作为热源，需要稳定的热负荷才能正常发电，其优点是热效率高。而抽汽式机组设置冷凝器，在汽轮机的中段抽取一定压力（一般在1.0MPa左右）蒸汽作为热源，其优点是热负荷可能够提高发电机组的热效率，纯凝汽式发电机组的热效率一般为25%～30%，而热电联产机组总热效率则在45%以上。由于蒸汽轮机机组需要用到锅炉提供高温高压蒸汽，所以一般在煤改气的热电联产中得以应用。