燃气轮机冷热电联产系统与蓄能变工况特性
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对于联产系统通常使用节能率 BFESR 进行评估
BFESR = ( fre − fco ) / fre 式中 fre、fco 分别为参照系统和联产系统的燃料量。
随负荷的波动，联产系统不会稳定在某个工况。 为了对联产系统全工况进行评估，仍采用节能率概 念，不过需要考虑不同时间段负荷的不同，即
∫ ∫ BFESR,tot = [ fre (t) − fco (t)]dt / fre (t)dt
发电机 透平
压气机
排气 4
供冷 余热型溴化锂机组
余热锅炉
排气 5
排气 6
供热
图 1 燃气轮机冷热电联产系统示意图
Fig. 1 Scheme of CCHP with gas turbine
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26
随功率的降低，燃气轮机排气温度和流量将有 所变化，图 2 为制冷系统和供热系统进、出口烟温 以及排气流量变化情况。燃气轮机从额定负荷降到 到 5%额定负荷时，排气温度从 544℃降到 262℃； 相对应，溴化锂机组的出口烟温从180℃降低到 142℃， 余热锅炉的出口烟温从 100℃降低到 63℃，二者的 下降速度相对比较平缓；排气量则由 1 增加到 1.13 左右。
中国电机工程学报
第 26 卷
溴化锂机组和换热器分别在夏季和冬季各自独立工
作，用于制冷和供热。
2.2 燃气轮机冷热电联产系统变工况计算方法
特定型号燃气轮机变工况特性曲线很难得到，
本文燃气轮机变工况采用典型变工况计算方法[5]
η
=
3.18N
−
4.69N
2
+
3
3.69N
− 1.18 N
4
f = 0.288 + 0.624N + 0.088N 2
η = 2.745w − 2.816w2 + 1.071w3
式中 η为发电效率；N 为功率；f 为燃料量；w 为比
功；T 为排气温度；下标 0 为设计工况，数字为流
程中各点；上标“−”为折合参数。
目前冷热电联产系统在中国还存在不能向电网
售电的问题，只能采用“并网不上网”的形式，因
此为对输入能量进行有效利用，通常采用“以热(冷)
不同工况联产系统的输入、输出变化见图 3。 图中 C 为制冷量；H 为供热量。随功率 N 的降低， 燃气轮机发电效率将有所降低，因此燃料量的下降 速度较发电功率下降得慢。制冷系统和供热系统的 进口烟温下降速度较快，出口烟温也略有降低，虽 然排气量略有增加，但变化不大。因此负荷降低时 供热、制冷量减少；在负荷降低过程中，功率的下
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第4期
冯志兵等： 燃气轮机冷热电联产系统与蓄能变工况特性
27
输入、输出相对值 性能变化率
降速度最快，燃料量其次，相对而言，供热、制冷 量下降较慢。当燃气轮机达到空载时，仍然存在一 定量的排气，此时仍将有制冷量和供热量输出。
系统 动力系统* 制冷系统 供热系统
参数
输入燃料/kW 输出功率/kW 发电效率/% 额定制冷量/kW 能量利用系数/%
节能率/% 额定供热量/kW 能量利用系数/%
节能率/%
数值 12205 4040 33.1 6882 89.5 31.0 6931 89.9 41.6
注：未考虑环境温度对燃气轮机参数的影响。
布式能源系统的一个主要发展方向，由于节能、环 保、可增加用户电力可靠性等诸多优点，在国内外 已得到广泛重视[2]。这种系统主要应用于建筑能源 领域，而建筑能源需求中的冷、热需求通常随气温 的变化而变化，因此冷热电联产系统一般为变工况 模式运行。文献[3-4]对于冷、热负荷的变化有所研究， 但它们关注的主要是设备容量的优化配置。
关键词：热能动力工程；冷热电联产系统；燃气轮机；变工 况；蓄能
1 引言
随着我国经济社会的快速发展，人们越来越关 注能源系统的环境问题[1]。冷热电联产系统作为分
基金项目：国家自然科学基金项目（90210032）。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (90210032)．
T/K
G
800
G
1.1
600
T4
T5
1.0
400
T6
_ 0.9
0
0.2 0.4
0.6
0.8
N
图 2 不同负荷排气温度及排气量变化
Fig. 2 Temperature and flux of Biblioteka Baiduas in part-load
1.0
0.8
0.6
0.4
C H
N
0.2
f
0
_
0
0.2 0.4 0.6 0.8 N
主要取决于排气侧参数；而排气温度和流量变化很
大，从而换热系数存在较大变化。因此，余热锅炉
变工况采用考虑换热系数 k 变化的方法[6]：
kF = AGmT γ
式中 F、A 和 m 为与结构有关的常数；γ 为与管 簇形式及排气热物性有关的常数；G 为排气流量。
余热型溴化锂机组由高/低压发生器、高/低温 换热器、冷凝器、蒸发器、吸收器等换热器组成： 高压发生器的换热在排气和溴化锂溶液之间发生， 换热系数的变化也需考虑；其它换热器的两侧为液 态水、蒸汽凝结或为溴化锂溶液，换热系数很大， 而且在不同工况下溴化锂溶液和水的温度变化不是 很大，为了简化计算，可假定换热系数为定值。对 各换热器建立能量平衡方程以及质量连续方程，即 可对余热型溴化锂机组进行变工况计算。
定电”的方式运行，电力负荷的供需缺口由电网解
决。余热锅炉和余热型溴化锂机组为联产系统中余
热回收装置。当燃气轮机负荷变化时，由于排气量
和排气温度的变化，联产系统可以提供的冷、热量
也将发生变化。本文中余热锅炉仅用于供暖，输出
的是热水，不产生蒸汽。在余热锅炉换热过程中，
换热器两侧的工质分别为排气和液态水，换热系数
常规分产系统被广泛采用，并被选为参照系统。 目前中国火电厂平均发电效率为 33.3%，输变电损 失为 8.1%[8]；压缩式空调性能差异较大，本文制冷 系数按 5.0 考虑；供暖广泛采用锅炉，锅炉供热效 率为 90%。联产系统额定工况下参数汇总见表 1。
表 1 额定工况冷热电联产系统参数 Tab. 1 Parameters of CCHP in rated load
2.3 冷热电联产系统变工况案例 为对图 1 所示系统的变工况性能进行进一步说
明，选择 ST40 型机组作为联产系统动力子系统[7]， 溴化锂机组选择双效机组。对于直燃型溴化锂机组， 机组出口排气中热量被排向环境，因此制冷系数中 的“输入热量”采用燃料热值。本文采用的余热型 机组，机组出口排气中热量也被释放到环境中，因 此制冷系数的“输入热量”也取机组进口处排气焓 值(0℃时排气焓值为 0kJ/kg)。根据目前溴化锂机组 水平，制冷工况额定负荷时排烟温度取为 180℃， 制冷系数为 0.82。供热工况时因为供热温度只有 60℃，余热锅炉额定工况排烟温度可取为 100℃。
2 燃气轮机冷热电联产系统
2.1 燃气轮机冷热电联产系统简介
应用于冷热电联产系统的燃气轮机多为小型机
组，这种形式的机组主要为单轴恒速燃气轮机，排
气温度一般在 400~550℃之间，可用余热锅炉或余
热型溴化锂机组回收高温排气中的余热。图 1 为目
前常用的燃气轮机冷热电联产系统流程图，图中的
天然气
空气
燃烧室
KEY WORDS: Thermal power engineering; CCHP; Gas turbine; Part-load; Storage system
摘要：利用单轴恒速燃气轮机典型变工况计算方法和余热锅 炉考虑换热系数的变工况计算方法，对冷热电联产系统的变 工况进行了分析：高负荷时联产系统有明显的节能优势；但 随负荷的降低，优势不断减少；在负荷降低到一定程度之后 已经不如参照系统性能。为改善系统全工况性能，可将联产 系统与蓄能技术有机结合。依靠对某建筑典型夏、冬季全天 冷、热负荷供应进行分析，可以看到蓄能的使用使联产系统 的节能率在较高基础上进一步得到提高。
第 26 卷 第 4 期 2006 年 2 月
文章编号：0258-8013 (2006) 04-0025-06
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
中图分类号：TK123 文献标识码：A
Vol.26 No.4 Feb. 2006 ©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng.
图 3 不同负荷下能量输入、输出变化
Fig. 3 Input and output of energy in part load
变工况时各子系统性能变化见图 4。在额定负 荷附近时，发电效率变化较缓，但随功率的降低下 降速度不断增加。在额定负荷时，高发的蒸汽在用 于加热低发的溴化锂溶液后，有部分仍未被冷凝； 当燃气轮机负荷降低时，溴化锂机组可以利用的热 量减少，但是在一定的负荷范围内，溴化锂机组的 输出冷量将变化较小，因此制冷系数在一定范围内 随发电功率的降低而增加。当高发进入低发的蒸汽 热量完全被低发的溴化锂溶液吸收后，溴化锂机组 的制冷量将随发电功率的降低迅速降低。随溴化锂 机组进口烟温的降低，溴化锂机组可利用的热量份 额不断降低，因此制冷系数将迅速降低。余热锅炉 随发电功率的变化较平缓，当功率从额定负荷降低 到 5%额定负荷时，供热效率从 82.6%降为 67.7%。
学科分类号：470⋅30
燃气轮机冷热电联产系统与蓄能变工况特性
冯志兵，金红光
（中国科学院工程热物理研究所，北京市 海淀区 100080）
Part-load Performance of CCHP with Gas Turbine and Storage System
FENG Zhi-bing, JIN Hong-guang (Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Science, Haidian District, Beijing 100080, China)
大多数情况下冷热电联产系统处于变工况运行 模式，部分负荷下联产系统的性能对联产系统的发 展至关重要。为此，本文对采用单轴燃气轮机的冷 热电联产系统在不同负荷下的热力学性能进行了分 析。由于变工况运行模式将使联产系统的性能恶化， 随着蓄能系统效率和可靠性不断地提高，可以考虑 通过蓄能来解决冷、热能的供需不平衡问题，从而 改善联产系统性能。
ABSTRACT: Utilizing the typical analytical solution of single shaft constant rotating speed gas turbine and considering the variation of heat transfer coefficients of HRSG, the CCHP part-load performance is analyzed. In higher load, the CCHP owns obvious saving energy potential. With the decrease of the load, the advantage is reduced; and its performance is worse than traditional systems after the load is low enough. To improve CCHP all-operation performance, the phase change storage system and the potential storage system are combined with CCHP. Through the simulation of some building all-operation heating and cooling demands in winter and summer, respectively, it is found that the utilization of storage systems makes FESR of CCHP be increased in all-operation.
BFESR = ( fre − fco ) / fre 式中 fre、fco 分别为参照系统和联产系统的燃料量。
随负荷的波动，联产系统不会稳定在某个工况。 为了对联产系统全工况进行评估，仍采用节能率概 念，不过需要考虑不同时间段负荷的不同，即
∫ ∫ BFESR,tot = [ fre (t) − fco (t)]dt / fre (t)dt
发电机 透平
压气机
排气 4
供冷 余热型溴化锂机组
余热锅炉
排气 5
排气 6
供热
图 1 燃气轮机冷热电联产系统示意图
Fig. 1 Scheme of CCHP with gas turbine
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随功率的降低，燃气轮机排气温度和流量将有 所变化，图 2 为制冷系统和供热系统进、出口烟温 以及排气流量变化情况。燃气轮机从额定负荷降到 到 5%额定负荷时，排气温度从 544℃降到 262℃； 相对应，溴化锂机组的出口烟温从180℃降低到 142℃， 余热锅炉的出口烟温从 100℃降低到 63℃，二者的 下降速度相对比较平缓；排气量则由 1 增加到 1.13 左右。
中国电机工程学报
第 26 卷
溴化锂机组和换热器分别在夏季和冬季各自独立工
作，用于制冷和供热。
2.2 燃气轮机冷热电联产系统变工况计算方法
特定型号燃气轮机变工况特性曲线很难得到，
本文燃气轮机变工况采用典型变工况计算方法[5]
η
=
3.18N
−
4.69N
2
+
3
3.69N
− 1.18 N
4
f = 0.288 + 0.624N + 0.088N 2
η = 2.745w − 2.816w2 + 1.071w3
式中 η为发电效率；N 为功率；f 为燃料量；w 为比
功；T 为排气温度；下标 0 为设计工况，数字为流
程中各点；上标“−”为折合参数。
目前冷热电联产系统在中国还存在不能向电网
售电的问题，只能采用“并网不上网”的形式，因
此为对输入能量进行有效利用，通常采用“以热(冷)
不同工况联产系统的输入、输出变化见图 3。 图中 C 为制冷量；H 为供热量。随功率 N 的降低， 燃气轮机发电效率将有所降低，因此燃料量的下降 速度较发电功率下降得慢。制冷系统和供热系统的 进口烟温下降速度较快，出口烟温也略有降低，虽 然排气量略有增加，但变化不大。因此负荷降低时 供热、制冷量减少；在负荷降低过程中，功率的下
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第4期
冯志兵等： 燃气轮机冷热电联产系统与蓄能变工况特性
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输入、输出相对值 性能变化率
降速度最快，燃料量其次，相对而言，供热、制冷 量下降较慢。当燃气轮机达到空载时，仍然存在一 定量的排气，此时仍将有制冷量和供热量输出。
系统 动力系统* 制冷系统 供热系统
参数
输入燃料/kW 输出功率/kW 发电效率/% 额定制冷量/kW 能量利用系数/%
节能率/% 额定供热量/kW 能量利用系数/%
节能率/%
数值 12205 4040 33.1 6882 89.5 31.0 6931 89.9 41.6
注：未考虑环境温度对燃气轮机参数的影响。
布式能源系统的一个主要发展方向，由于节能、环 保、可增加用户电力可靠性等诸多优点，在国内外 已得到广泛重视[2]。这种系统主要应用于建筑能源 领域，而建筑能源需求中的冷、热需求通常随气温 的变化而变化，因此冷热电联产系统一般为变工况 模式运行。文献[3-4]对于冷、热负荷的变化有所研究， 但它们关注的主要是设备容量的优化配置。
关键词：热能动力工程；冷热电联产系统；燃气轮机；变工 况；蓄能
1 引言
随着我国经济社会的快速发展，人们越来越关 注能源系统的环境问题[1]。冷热电联产系统作为分
基金项目：国家自然科学基金项目（90210032）。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (90210032)．
T/K
G
800
G
1.1
600
T4
T5
1.0
400
T6
_ 0.9
0
0.2 0.4
0.6
0.8
N
图 2 不同负荷排气温度及排气量变化
Fig. 2 Temperature and flux of Biblioteka Baiduas in part-load
1.0
0.8
0.6
0.4
C H
N
0.2
f
0
_
0
0.2 0.4 0.6 0.8 N
主要取决于排气侧参数；而排气温度和流量变化很
大，从而换热系数存在较大变化。因此，余热锅炉
变工况采用考虑换热系数 k 变化的方法[6]：
kF = AGmT γ
式中 F、A 和 m 为与结构有关的常数；γ 为与管 簇形式及排气热物性有关的常数；G 为排气流量。
余热型溴化锂机组由高/低压发生器、高/低温 换热器、冷凝器、蒸发器、吸收器等换热器组成： 高压发生器的换热在排气和溴化锂溶液之间发生， 换热系数的变化也需考虑；其它换热器的两侧为液 态水、蒸汽凝结或为溴化锂溶液，换热系数很大， 而且在不同工况下溴化锂溶液和水的温度变化不是 很大，为了简化计算，可假定换热系数为定值。对 各换热器建立能量平衡方程以及质量连续方程，即 可对余热型溴化锂机组进行变工况计算。
定电”的方式运行，电力负荷的供需缺口由电网解
决。余热锅炉和余热型溴化锂机组为联产系统中余
热回收装置。当燃气轮机负荷变化时，由于排气量
和排气温度的变化，联产系统可以提供的冷、热量
也将发生变化。本文中余热锅炉仅用于供暖，输出
的是热水，不产生蒸汽。在余热锅炉换热过程中，
换热器两侧的工质分别为排气和液态水，换热系数
常规分产系统被广泛采用，并被选为参照系统。 目前中国火电厂平均发电效率为 33.3%，输变电损 失为 8.1%[8]；压缩式空调性能差异较大，本文制冷 系数按 5.0 考虑；供暖广泛采用锅炉，锅炉供热效 率为 90%。联产系统额定工况下参数汇总见表 1。
表 1 额定工况冷热电联产系统参数 Tab. 1 Parameters of CCHP in rated load
2.3 冷热电联产系统变工况案例 为对图 1 所示系统的变工况性能进行进一步说
明，选择 ST40 型机组作为联产系统动力子系统[7]， 溴化锂机组选择双效机组。对于直燃型溴化锂机组， 机组出口排气中热量被排向环境，因此制冷系数中 的“输入热量”采用燃料热值。本文采用的余热型 机组，机组出口排气中热量也被释放到环境中，因 此制冷系数的“输入热量”也取机组进口处排气焓 值(0℃时排气焓值为 0kJ/kg)。根据目前溴化锂机组 水平，制冷工况额定负荷时排烟温度取为 180℃， 制冷系数为 0.82。供热工况时因为供热温度只有 60℃，余热锅炉额定工况排烟温度可取为 100℃。
2 燃气轮机冷热电联产系统
2.1 燃气轮机冷热电联产系统简介
应用于冷热电联产系统的燃气轮机多为小型机
组，这种形式的机组主要为单轴恒速燃气轮机，排
气温度一般在 400~550℃之间，可用余热锅炉或余
热型溴化锂机组回收高温排气中的余热。图 1 为目
前常用的燃气轮机冷热电联产系统流程图，图中的
天然气
空气
燃烧室
KEY WORDS: Thermal power engineering; CCHP; Gas turbine; Part-load; Storage system
摘要：利用单轴恒速燃气轮机典型变工况计算方法和余热锅 炉考虑换热系数的变工况计算方法，对冷热电联产系统的变 工况进行了分析：高负荷时联产系统有明显的节能优势；但 随负荷的降低，优势不断减少；在负荷降低到一定程度之后 已经不如参照系统性能。为改善系统全工况性能，可将联产 系统与蓄能技术有机结合。依靠对某建筑典型夏、冬季全天 冷、热负荷供应进行分析，可以看到蓄能的使用使联产系统 的节能率在较高基础上进一步得到提高。
第 26 卷 第 4 期 2006 年 2 月
文章编号：0258-8013 (2006) 04-0025-06
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
中图分类号：TK123 文献标识码：A
Vol.26 No.4 Feb. 2006 ©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng.
图 3 不同负荷下能量输入、输出变化
Fig. 3 Input and output of energy in part load
变工况时各子系统性能变化见图 4。在额定负 荷附近时，发电效率变化较缓，但随功率的降低下 降速度不断增加。在额定负荷时，高发的蒸汽在用 于加热低发的溴化锂溶液后，有部分仍未被冷凝； 当燃气轮机负荷降低时，溴化锂机组可以利用的热 量减少，但是在一定的负荷范围内，溴化锂机组的 输出冷量将变化较小，因此制冷系数在一定范围内 随发电功率的降低而增加。当高发进入低发的蒸汽 热量完全被低发的溴化锂溶液吸收后，溴化锂机组 的制冷量将随发电功率的降低迅速降低。随溴化锂 机组进口烟温的降低，溴化锂机组可利用的热量份 额不断降低，因此制冷系数将迅速降低。余热锅炉 随发电功率的变化较平缓，当功率从额定负荷降低 到 5%额定负荷时，供热效率从 82.6%降为 67.7%。
学科分类号：470⋅30
燃气轮机冷热电联产系统与蓄能变工况特性
冯志兵，金红光
（中国科学院工程热物理研究所，北京市 海淀区 100080）
Part-load Performance of CCHP with Gas Turbine and Storage System
FENG Zhi-bing, JIN Hong-guang (Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Science, Haidian District, Beijing 100080, China)
大多数情况下冷热电联产系统处于变工况运行 模式，部分负荷下联产系统的性能对联产系统的发 展至关重要。为此，本文对采用单轴燃气轮机的冷 热电联产系统在不同负荷下的热力学性能进行了分 析。由于变工况运行模式将使联产系统的性能恶化， 随着蓄能系统效率和可靠性不断地提高，可以考虑 通过蓄能来解决冷、热能的供需不平衡问题，从而 改善联产系统性能。
ABSTRACT: Utilizing the typical analytical solution of single shaft constant rotating speed gas turbine and considering the variation of heat transfer coefficients of HRSG, the CCHP part-load performance is analyzed. In higher load, the CCHP owns obvious saving energy potential. With the decrease of the load, the advantage is reduced; and its performance is worse than traditional systems after the load is low enough. To improve CCHP all-operation performance, the phase change storage system and the potential storage system are combined with CCHP. Through the simulation of some building all-operation heating and cooling demands in winter and summer, respectively, it is found that the utilization of storage systems makes FESR of CCHP be increased in all-operation.