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冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀論文
0 引言
冷熱電聯(lián)產(chǎn)（Combined Cooling Heating and Power， CCHP）是一種建立在能量梯級(jí)利用概念基礎(chǔ)上，將制冷、制熱（包括供暖和供熱水）及發(fā)電過程一體化的總能系統(tǒng)。其最大的特點(diǎn)就是對(duì)不同品質(zhì)的能量進(jìn)行梯級(jí)利用，溫度比較高的、具有較大可用能的熱能用來被發(fā)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(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。具體的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性分析請參見文獻(xiàn)[1、2].
由于冷熱電聯(lián)產(chǎn)承擔(dān)了制冷、制熱和發(fā)電等多項(xiàng)功能，故系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)量較多、功能復(fù)雜。因冷熱電聯(lián)產(chǎn)是由熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展而來，是熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)與制冷技術(shù)的結(jié)合，故以下從熱電聯(lián)產(chǎn)和制冷兩個(gè)方面來對(duì)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的主要設(shè)備進(jìn)行評(píng)價(jià)。
1 熱電聯(lián)產(chǎn)的主要設(shè)備評(píng)價(jià)
與熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)有關(guān)的選擇主要有蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的外燃燒式方案和燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的內(nèi)燃燒式方案。此外，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)馔馊紮C(jī)和燃料電池以及其他新能源技術(shù)的發(fā)展，也賦予了冷熱電聯(lián)產(chǎn)新的內(nèi)涵。
1.1 蒸汽輪機(jī)
原理是由高溫高壓蒸汽帶動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，做功后的低品位的汽輪機(jī)抽汽或背壓排汽用于供熱或制冷。由此機(jī)組也一般有兩種，一種是背壓式機(jī)組，另一種是抽汽式機(jī)組。背壓式機(jī)組不設(shè)冷凝器，用汽輪機(jī)尾部的余熱作為熱源，需要穩(wěn)定的熱負(fù)荷才能正常發(fā)電，其優(yōu)點(diǎn)是熱效率高。而抽汽式機(jī)組設(shè)置冷凝器，在汽輪機(jī)的中段抽取一定壓力（一般在1.0MPa左右）蒸汽作為熱源，其優(yōu)點(diǎn)是熱負(fù)荷可靈活調(diào)節(jié)，但熱效率比背壓式機(jī)組低。機(jī)組充分利用了汽輪發(fā)電機(jī)梯級(jí)做功的原理，能夠提高發(fā)電機(jī)組的熱效率，純凝汽式發(fā)電機(jī)組的熱效率一般為25%～30%，而熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組總熱效率則在45%以上。由于蒸汽輪機(jī)機(jī)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(lián)產(chǎn)中得以應(yīng)用。
1.2 燃?xì)廨啓C(jī)
燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)主要由壓氣機(jī)、燃燒室和汽輪機(jī)組成。壓氣機(jī)將空氣壓縮進(jìn)入燃燒室，在燃燒室內(nèi)與噴入的燃?xì)猓ㄈ缣烊粴猓┗旌先紵�，之后在汽輪機(jī)里膨脹，驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使其驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)的尾氣溫度很高（一般在500℃以上），是很好的驅(qū)動(dòng)熱源，可以用來制冷，也可以進(jìn)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽再供熱或制冷。另外，煙氣也可以不全部用來發(fā)電，而是部分用于工藝，這樣它的總熱效率可達(dá)80%或更高。
某焦化廠以富余的焦?fàn)t煤氣為燃料進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)這兩套方案進(jìn)行了比較，我們可以看出燃?xì)廨啓C(jī)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：
�、傩矢摺８挥嗟慕�?fàn)t煤氣可帶動(dòng)2臺(tái)2000kW的燃?xì)廨啓C(jī)，其尾氣又可帶動(dòng)2臺(tái)6.5t/h的余熱鍋爐。燃?xì)獍l(fā)電效率21%，余熱鍋爐熱效率44%，總熱效率65%.相應(yīng)的蒸汽輪機(jī)方案發(fā)電熱電轉(zhuǎn)換率只有28%左右，裝機(jī)容量也只有3500kW.
�、谕顿Y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(jī)發(fā)電的單位投資為5500元/kW.
�、蹎�(dòng)迅速，運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低，維修工作量小，結(jié)構(gòu)簡單，自動(dòng)化程度高，燃料適應(yīng)范圍廣。
此外，燃?xì)廨啓C(jī)的容量范圍也很寬，小有幾十到數(shù)百kW的微型燃?xì)廨啓C(jī)，大到300MW以上的大型燃?xì)廨啓C(jī)。因而燃?xì)廨啓C(jī)正日益取代汽輪機(jī)在熱電聯(lián)產(chǎn)中的地位。
1.3 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置
除了燃?xì)廨啓C(jī)的簡單循環(huán)形式外，還有一種聯(lián)合循環(huán)的形式，即燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)把具有較高平均吸熱溫度的燃?xì)廨啓C(jī)與具有較低平均放熱溫度的蒸汽輪機(jī)結(jié)合起來，使燃?xì)廨啓C(jī)的高溫尾氣進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，并使蒸汽在汽輪機(jī)中繼續(xù)作功發(fā)電，其抽汽或背壓排汽用于供熱和制冷，達(dá)到揚(yáng)長避短、相互彌補(bǔ)的目的，使整個(gè)聯(lián)合循環(huán)的熱能利用水平較簡單循環(huán)有了明顯提高。從《城市天然氣工程》中可以看到，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的凈效率已達(dá)48%～58%，并且正向著60%的目標(biāo)邁進(jìn)。
燃?xì)廨啓C(jī)的這兩種循環(huán)形式都有各自的特點(diǎn)和適用范圍。聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)初投資較高，占地面積較大，但具有較強(qiáng)的靈活性，熱電產(chǎn)出比可通過控制抽汽量方便地調(diào)節(jié)，故適用于大型的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。簡單循環(huán)系統(tǒng)初投資低，占地面積小，熱電聯(lián)產(chǎn)可調(diào)性差，則適用于負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定、小型的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。
1.4 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)
內(nèi)燃機(jī)將燃料（如天然氣）與空氣注入汽缸混合，點(diǎn)火引發(fā)其爆炸作功，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)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(lián)產(chǎn)。當(dāng)其規(guī)模較小時(shí)，發(fā)電效率明顯比燃?xì)廨啓C(jī)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(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中往往采用這種形式。但是，由于余熱回收復(fù)雜而品質(zhì)又不高，因此不適于供熱溫度要求高的場合。
1.5 燃?xì)馔馊紮C(jī)
外燃機(jī)是一種外燃的閉式循環(huán)往復(fù)活塞式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，又名斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)（Stirling engine）新型的外燃機(jī)使用氫氣作為工質(zhì)，在四封閉的氣缸內(nèi)充有一定容積的工質(zhì)。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質(zhì)在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫?zé)崆恢醒杆偌訜�，膨脹作功。燃料在氣缸外的燃燒室�?nèi)連續(xù)燃燒，通過加熱器傳給工質(zhì)，工質(zhì)不直接參與燃燒，也不更換。
外燃機(jī)的主要特點(diǎn)在于：
�、侔l(fā)電效率高，部分負(fù)荷性能優(yōu)越。目前外燃機(jī)的發(fā)電效率可達(dá)40%，并有望提高到50%.對(duì)于微型的外燃機(jī)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)來說，發(fā)電效率可達(dá)到30%～35%.
�、诔隽托什皇芎０胃叨扔绊�，是一般高原地區(qū)柴油機(jī)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。
�、苋剂显谄淄膺^氧連續(xù)燃燒，運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)小，排氣中有害成分較少，噪聲較低。
�、萦酂嵋子诨厥�，熱電聯(lián)產(chǎn)綜合效率可達(dá)65%～85%，熱電比在1.2～1.7的范圍。
⑥零部件少，活動(dòng)部件少，潤滑油耗量少，無需維護(hù)保養(yǎng)而且保證長期運(yùn)行。
外燃機(jī)尚存在的主要問題和缺點(diǎn)是制造成本較高，工質(zhì)密封技術(shù)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(yīng)生成水放出的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，其基本原理相當(dāng)于電解反應(yīng)的逆向反應(yīng)。其具有無污染、高效率、適用廣、無噪聲和能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)電效率達(dá)40％以上，熱電聯(lián)產(chǎn)的效率達(dá)到80％以上。目前，多數(shù)燃料電池正處于開發(fā)研制中。
2 制冷的主要設(shè)備評(píng)價(jià)
與制冷技術(shù)有關(guān)的選擇有壓縮式、吸收式和其他制冷方式。壓縮式制冷機(jī)的主要設(shè)備有壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流機(jī)構(gòu)，通過消耗外功并傳遞給壓縮機(jī)進(jìn)行制冷，可通過機(jī)械能的分配來調(diào)節(jié)電量和冷量的比例。吸收式制冷機(jī)則是用發(fā)生器、溶液泵、吸收器和節(jié)流閥取代了壓縮機(jī)，通過消耗低品位熱能來制冷，把來自熱電聯(lián)產(chǎn)的一部分或全部熱能用于驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)。
2.1 溴化鋰吸收式制冷機(jī)
溴化鋰吸收式制冷機(jī)以水-溴化鋰為工質(zhì)對(duì)，其工作原理為：溴化鋰稀溶液在發(fā)生器中被加熱，產(chǎn)生制冷劑（沸點(diǎn)較低）——水蒸汽，水蒸汽在冷凝器中被冷卻，并凝結(jié)成液態(tài)水。液態(tài)水經(jīng)節(jié)流機(jī)構(gòu)減壓后進(jìn)入蒸發(fā)器并在其中吸熱蒸發(fā)，進(jìn)行制冷，液態(tài)水重新汽化為水蒸汽。而發(fā)生器中發(fā)生了水蒸汽的溴化鋰濃溶液是吸收劑（沸點(diǎn)較高），經(jīng)節(jié)流閥減壓后，進(jìn)入吸收器吸收蒸發(fā)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(fā)生器，完成吸收制冷循環(huán)。
由于溴化鋰吸收式制冷機(jī)對(duì)熱源參數(shù)要求低、適應(yīng)性強(qiáng)，而且消耗電能少，所以在我國現(xiàn)階段的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中最為常見。根據(jù)驅(qū)動(dòng)熱源的不同，可分為蒸汽型、直燃型、熱水型、余熱型和復(fù)合熱源型，可視熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)物選取不同機(jī)型。盡管如此，溴化鋰溶液易結(jié)晶的特性和機(jī)組能效比偏低的缺點(diǎn)卻在一定程度上制約了溴化鋰吸收式機(jī)組的發(fā)展。
2.2 氨吸收式制冷機(jī)
氨吸收式制冷機(jī)以氨-水作為工質(zhì)對(duì)，其工作原理與溴化鋰式有相似之處。其優(yōu)點(diǎn)是能制取0℃以下冷量而不易結(jié)晶，對(duì)除了銅以外的金屬基本無腐蝕性，系統(tǒng)的體積也較小。其最大缺點(diǎn)在與大量的氨泄露會(huì)危害人體健康。此外，它也同樣具有吸收式制冷機(jī)組傳熱設(shè)備較多、能效比偏低的通病。
3 結(jié)束語
受我國能源結(jié)構(gòu)的影響，目前我國的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)還大多以煤為主要燃料，總的熱效率不高。對(duì)比發(fā)達(dá)國家，美國73%的熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目使用的是燃?xì)�，俄羅斯熱電聯(lián)產(chǎn)燃料構(gòu)成中70%是石油和天然氣。這促使我們要大力發(fā)展以燃?xì)猓ㄓ绕涫翘烊粴猓槿剂系睦錈犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)。另外，我國的燃?xì)饫錈犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)也多是采用高參數(shù)的大容量機(jī)組，而不需要長距離輸送、能源利用率高的小型系統(tǒng)還并不多見。相信未來小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)（DHC）將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。以上兩個(gè)趨勢和方向，使得微型燃?xì)廨啓C(jī)、外燃機(jī)、燃料電池和單壓吸收式制冷機(jī)等既環(huán)保又節(jié)能的設(shè)備受到了較大關(guān)注和開發(fā)。相信在我國能源政策的調(diào)整中，所有以上這些形式多樣、特點(diǎn)各異的設(shè)備會(huì)給冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)帶來更深的內(nèi)涵和更好的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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