工业园区天然气冷热电联产系统性能分析

伊若璇 胡雪姣 饶政华 廖胜明

中南大学能源科学与工程学院

工业园区天然气冷热电联产系统性能分析

伊若璇 胡雪姣 饶政华 廖胜明

中南大学能源科学与工程学院

本文建立了基于燃气-蒸汽联合循环的天然气冷热电联产（CCHP）系统数学模型，分析了应用于工业园区的CCHP系统的系统性能，研究吸收式制冷机供冷量、蒸汽轮机供热量及制冷机能效比等因素的影响。研究结果表明，一次能源利用率和相对节能率随吸收式制冷机供冷量的提高和蒸汽轮机供热量的降低而下降；吸收式制冷机能效比对相对节能率的影响不大；补燃提高了系统的一次能源利用率，补燃后增加的蒸汽用于供电比用于供冷更有利于提高系统性能。本研究对区域型冷热电联产系统的推广与应用具有指导意义。

燃气-蒸汽联合循环 冷热电联产 相对节能率

0 引言

天然气冷热电联产系统（CCHP）是一种直接面向用户，按照用户需求供应冷、热、电的能源系统，具有节能、环保等特点，在国内外已得到了广泛重视[1]。合理分配系统的冷、热、电三种供能形式，实现联产系统性能最优化是目前研究的热点。Mago等[2]指出设计合理的三联产系统可显著提高能源利用率，降低运行费用。Cardona等[3]提出了CCHP系统设备选型的一般方法：原动机最佳容量应按用户热负荷峰值的48%选取，吸收式制冷机容量按照制冷峰值负荷的70%确定。安青松等[4]以（火用）经济系数最小、成本最低和收益最高为目标函数，计算了系统所需要的燃机负荷、购电量和补燃负荷。上述研究多以微型燃气轮机、内燃机为核心的小型冷热电联供系统为对象。

本文对基于燃气-蒸汽联合循环的CCHP区域能源系统进行了性能分析，研究了吸收式制冷机供冷量、蒸汽轮机供热量及制冷机能效比等因素对系统能源利用率和节能性的影响。本文结果对CCHP区域能源系统的设计与推广应用具有参考价值。

1 数学方法

图1为燃气-蒸汽联合循环CCHP系统图。空气在压气机中压缩升压后进入燃烧室，与天然气混合燃烧生成高温高压烟气，推动燃气透平做功发电。采用双压无再热余热锅炉回收利用燃气轮机高温烟气余热，产生的蒸汽推动抽凝式蒸汽轮机发电，在蒸汽轮机中间级抽取蒸汽用于供热或用作溴化锂吸收式制冷机的驱动热源。吸收式制冷不能满足用户冷负荷要求时，开启机械压缩式制冷机。系统发电量不能满足用电负荷时，则从城市电网购电补充。

图1 燃气-蒸汽联合循环CCHP系统图

1.1 燃气-蒸汽联合循环的热力学模型

1）燃气轮机简单循环数学模型

压气机耗功wc及出口温度T2：

燃烧室燃烧过程：

燃气透平做功wt及排气温度T4：

联合循环燃气轮机部分的发电量Pgt为：

式中：ε为压气机的压缩比，ε=P1/P2；qa、qf、qg分别为空气、天然气和燃气的质量流量，kg/s；cpa、cpg为空气和燃气的定压比热容，kJ/(kg·K)；ka、kg为空气和燃气的气体常数；LHV为天然气的低位发热量，kJ/kg；v为燃气透平的压损系数；ηAC为压气机的等熵压缩效率，ηr为燃烧室的燃烧效率；ηt为燃气透平的等熵膨胀效率；ηMgt、ηTgt分别为燃气轮机的机械效率和发电机效率。

2）双压无再热余热锅炉模型[5]

产生的高压蒸汽流量q为：

高压蒸发器进口燃气温度为：

高压省煤器出口温度Tw2为：

低压蒸汽流量ql为：

低压蒸发器进口燃气温度Tδl为：

低压省煤器出口温度Tw1为：

式中：h表示焓值，kJ/kg；T和Tl为余热锅炉高、低压蒸汽温度，K；Tδh和Tδl为高、低压蒸发器入口燃气温度，K；Tsh和Tsl为高、低压蒸汽压力对应的饱和温度，K；δh和δl为高、低压蒸发器进口燃气的节点温差；△Tah和△Tal为高、低压省煤器出口设定的接近点温差，K。

3）蒸汽轮机膨胀过程的简化模型[6]

假定蒸汽在汽轮机内的膨胀过程线为一斜线，并可通过由经验选定的汽机相对内效率计算得出。

式中：△hr和△hs分别是蒸汽在汽轮机内的实际焓降和等熵膨胀焓降，kJ/kg。

4）制冷机模型

假设用于吸收式制冷的供热量为qa，则吸收式制冷机制冷量Qa为：

机械压缩式制冷机制冷量Qe为：

式中：Pe为制冷机耗电量；COPa、COPe为吸收式和机械压缩式制冷机的能效比。

1.2 CCHP系统性能评价指标

采用一次能源利用率η和相对节能率η'[7、8]作为CCHP系统性能的评价指标。

一次能源利用率表示联产系统能量输出量与输入量的比值，可由下式计算：

式中：P、C、H分别为联产系统输出电量、供冷量与供热量。该指标在一定程度上反映了评价对象的热力学性能，但不能直观反映其节能性。

相对节能率用于比较CCHP系统和常规分产系统在能源消耗数量上的差异，可由下式计算：

式中：qre表示在与联产系统产出等量能量产品的情况下，分产系统的燃料耗量。相对节能率为正值表示CCHP系统是节能的，反之表示系统不节能。相对节能率与参考分产系统有关，本文采用“电网+燃气锅炉+机械压缩式制冷机”作为参考分产系统。我国电网平均发电效率33.3%，输变电损失8.1%[9]；考虑热网损失后的燃气锅炉效率87.3%；机械压缩式制冷机COP为5.0。

2 结果与讨论

以长沙地区某工业园区的CCHP区域能源系统为研究对象。该园区内需要集中供冷的建筑包括工业、办公、宾馆和商场等多种类型，总面积100.8万m2，根据不同建筑类型选取冷指标，确定园区的总冷负荷为80MW。园区热负荷主要是生物医药产业等的生产工艺用汽，蒸汽需求量50t/h，蒸汽压力1.0MPa，温度210℃，园区总电力负荷约为140MW。根据上述冷、热、电负荷需求，设计2×60MW级的基于燃气—蒸汽联合循环的CCHP系统。系统满足园区全部冷负荷需求，双效溴化锂吸收式制冷机的设计供冷量为20MW；系统总供热量28MW，由蒸汽轮机抽汽和燃气锅炉共同承担。联合循环机组发电一部分用于机械压缩式制冷机供冷，其余部分上网。

表1 主要计算参数

驱动溴化锂吸收式制冷机制冷的蒸汽压力为0.8MPa；余热锅炉高压蒸汽压力5.0MPa，低压蒸汽压力0.6MPa；从余热锅炉到蒸汽轮机高、低压缸进口的蒸汽压损系数为3%，高压蒸汽温降3℃，低压蒸汽温降2℃；蒸汽轮机机械发电效率0.97，排气压力8kPa；按照ISO条件选取环境参数。天然气成分和物性参数按照西气东输气源品质考虑；水和水蒸气物性参数计算模型为IAPWS-IF97[10]，燃气物性计算参考文献[11]。其他计算参数取值见表1。

2.1 吸收式制冷机供冷量、抽汽供热量的影响

CCHP系统通过从蒸汽轮机抽取蒸汽驱动溴化锂吸收式制冷机制冷或供应热用户，实现冷热电联供。吸收式制冷机供冷量和抽汽供热量决定了蒸汽轮机的总抽汽量，是影响系统性能的关键因素。

表2显示了吸收式制冷机供冷量对CCHP系统性能的影响。若吸收式制冷机供冷量增加，则电压缩式制冷机供冷量相应减少，η和η'线性下降。上述结论与基于燃气轮机循环的CCHP系统[12、13]不同。基于燃气轮机循环的CCHP系统发电余热用于供冷或供热，所以增加供冷量即可回收更多的余热，系统性能相应提高。而基于燃气——蒸汽联合循环的CCHP系统配置了蒸汽轮机发电机组，燃气轮机发电余热除了可用于供冷、供热外，还可以用于发电。由于余热总量不变，当供冷、热量增加时，蒸汽轮机发电量必然减少。从表2可以看出，燃气轮机发电余热用于发电有利于系统节能。

表2 吸收式制冷机供冷量对系统性能的影响

表3显示了蒸汽轮机的抽汽供热量对系统性能的影响。当CCHP系统抽汽供热量不能满足用户需求的28MW时，需要开启燃气锅炉辅助供热。随着抽汽供热量H的增加，所需的燃气锅炉辅助供热量减少，η，η'有所增加，说明从蒸汽轮机抽汽供热有利于系统节能。本文选定的燃气锅炉的供热效率为90%，参考供热系统的能耗较低，导致H增加时，η'的提高幅度不大。如果参考供热系统的效率降低，CCHP系统的节能优势将更加明显。

表3 抽汽供热量对系统性能的影响

2.2 制冷机能效比的影响

图2显示了吸收式制冷机和机械压缩式制冷机的能效比对系统性能的影响。由于环境、负荷和热源参数等条件的变化，制冷机无法运行在设计工况下，使得在实际运行时的能效比将发生改变。COPa的提高可增加吸收式制冷机的供冷量，即减少了由供冷引起的能量损耗，一定程度上可提高CCHP系统相对节能率η'。COPa从0.7提高到1.4，但是η'也只增加了1.7%左右，这是因为吸收式制冷机能效水平较低，即使有所变化，其能耗变化也不大；另外，吸收式制冷机仅承担用户部分冷负荷，其能耗在CCHP系统总能耗中所占的比例较小。CCHP系统的η'随着COPe的增大而有所增加。机械压缩式制冷机的耗电量随着COPe的提高而减少，上网电量增加，同时园区从电网的购电量减少。电网的发电效率较联合循环机组的发电效率低，所以CCHP系统的能耗降低。

图2 制冷机能效对系统性能的影响

2.3 补燃的影响

CCHP系统的最大抽汽量小于用户的需求蒸汽量时，可在余热锅炉中补充燃烧一定量的燃料，以增加余热锅炉的蒸汽产量。

图3 补燃对系统性能的影响

图3显示了补燃对系统性能的影响，△qf为补燃天然气的流量，计算方法参考文献[14]。当用户的需求冷负荷超过了系统的设计供冷量80MW，供冷量不足的部分（△qa）将由吸收式制冷机提供，并通过补燃获得驱动蒸汽，即此时补燃用于供冷。如图所示，补燃提高了一次能源节能率η，说明通过补燃来增大系统的吸收式供冷容量的方式有利于改善系统性能。若补燃获得的蒸汽用于供电，即用于增加蒸汽轮机发电量，增大联合循环的单机功率，同时使系统输出的冷量、热量与用于供冷时相等。如图所示，η随补燃的增加而提高，且η的增长率高于补燃用于供冷时的值。这是因为此时系统的输出冷量、热量与用于供冷的情况相等，但输出电量增加，即消耗等量天然气补燃用于供电时系统输出的总能量更多。因此，补燃后增加的蒸汽用于供电比用于供冷更有利于提高系统性能。

3 结论

本文建立了基于燃气-蒸汽联合循环的冷热电联产系统的数学模型，研究了吸收式制冷机供冷量、蒸汽轮机供热量和制冷机能效比等因素对系统性能的影响。结果表明：

1）对给定的用户负荷，相对节能率随着吸收式制冷机供冷量的增加而降低；增加蒸汽轮机供热量有利于改善系统的节能性，尤其是在锅炉供热效率较低时，从蒸汽轮机抽汽供热的节能优势更加明显。

2）制冷机的能效比的提高一定程度上可以提高系统相对节能率。

3）在CCHP系统中补燃提高了一次能源利用率，且补燃后增加的蒸汽用于供电比用于供冷更有利于提高系统性能。

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Performance Evaluation of Combined Cooling, Heating and Power System for an Industry Park

YI Ruo-xuan,HU Xue-jiao,RAO Zheng-hua,LIAO Sheng-ming
School of Energy Science and Engineering,Central South University

A mathematical model of Combined Cooling,Heating and Power(CCHP)system based on the gas-steam combined cycle is established to evaluate the CCHP system performance for an industry park.The effects of variables such as absorption chiller capacity,steam turbine heating capacity and Coefficient Of Performance(COP)of chillers are discussed.It is found that fuel utilization efficiency and fuel energy saving ratio decrease as the absorption chiller capacity increase and steam turbine heating capacity decrease.The chiller COP has limited impact on system performance.Supplemental combustion leads to the increase in fuel utilization efficiency,and the system performance is higher as the steam obtained from supplement combustion is used for electricity generation as compared to cold supply. The results are of significance for CCHP application and generalization in zones.

gas-steam combined cycle,combined cooling,heating and power,fuel energy saving ratio

1003-0344（2015）04-040-4

2014-3-31

伊若璇（1989～），女，硕士研究生；湖南省长沙市中南大学校本部能源科学与工程学院207室（410083）；E-mail:ruoxuanyi@163.com

中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(72150050395)