【冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)探析13000字（論文）】

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)分析摘要當前，我國經(jīng)濟社會處于快速發(fā)展的階段，對能源需求大，但當前能源的發(fā)展和利用存在兩個方面的問題：一是能源消費伴隨著嚴重的環(huán)境污染，二是我國的能源利用率較發(fā)達國家還處于低水平階段，能源的生產(chǎn)和消費方式粗放。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能夠通過能量綜合梯級利用能夠有效解決環(huán)境污染和能源利用率不高的問題，近來得到廣泛的應(yīng)用。本文首先對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的組成進行分析，分別對其關(guān)鍵部件進行數(shù)學(xué)模型的建立；然后基于常規(guī)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程a做熱力學(xué)分析提出新的流程b；隨后通過ASPEN軟件對兩個流程進行模擬選出優(yōu)化模型；最后對優(yōu)化后的模型進行分析，通過改變壓比、溫比、進氣溫度來探究其熱力性能的變化。得出了系統(tǒng)一次能源利用率和發(fā)電效率隨壓比、溫比、進氣溫度變化規(guī)律。關(guān)鍵詞：冷熱電三聯(lián)供；ASPEN模擬；燃氣輪機；熱力性能分析目錄摘要 2第一章緒論 61.1選題目的及意義 61.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和研究趨勢 61.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀 61.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 71.2.3國內(nèi)外研究趨勢 71.3本文研究內(nèi)容及方法 8第二章冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)概述 102.1冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)組成 102.1.1動力系統(tǒng) 102.1.2余熱制冷、供熱系統(tǒng) 112.2冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)分類 122.3冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)特點 122.4冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)原理 132.5冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程 152.6冷熱電聯(lián)系統(tǒng)關(guān)鍵部件 172.6.1燃氣輪機 172.6.2余熱鍋爐 172.6.3溴化鋰水冷機組 17第三章熱力性能分析和數(shù)學(xué)模型建立 193.1燃氣輪機 193.1.1定壓加熱理想循環(huán) 193.1.2燃氣輪機數(shù)學(xué)模型 203.2余熱鍋爐 223.3蒸汽透平 233.4溴化鋰制冷機組 243.4.1設(shè)計參數(shù)的選定 243.4.2設(shè)備熱負荷計算 26第四章冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能分析 284.1冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱力性能分析模型 284.2兩種方案性能分析 284.3優(yōu)化方案系統(tǒng)性能分析 304.3.1壓比對系統(tǒng)性能的影響 304.3.2溫比對系統(tǒng)性能的影響 324.3.3進氣溫度對系統(tǒng)性能的影響 34第五章結(jié)論 36參考文獻 37第一章緒論1.1選題目的及意義能源是能用來提供能量的物質(zhì)，是人類生存的基礎(chǔ)和發(fā)展重要的動力，也是實現(xiàn)國民經(jīng)濟發(fā)展的重要保障。我國處于經(jīng)濟社會快速發(fā)展的階段，對能源需求大。當前的能源消費結(jié)構(gòu)是以煤炭為主，石油、天然氣為輔，太陽能、風能等為補充。但我國能源的發(fā)展和利用存在兩個方面的問題：一是能源消費伴隨著嚴重的環(huán)境污染，煤炭的燃燒會產(chǎn)生大量的SO2、NOx、粉塵等污染物；二是我國的能源利用率較發(fā)達國家還處于低水平階段，能源的生產(chǎn)和消費方式粗放。以大型發(fā)電廠為例，其發(fā)電效率為35%-55%，扣除過程損失，終端的電能利用效率僅僅達到30%-47%，而冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的效率可達到90%，沒有輸電損耗[1]。冷熱電聯(lián)產(chǎn)(CombinedCoolingHeatingandPower，CCHP)是一種基于能量梯級利用的系統(tǒng)，是直接面向用戶的第二代能源系統(tǒng)。通過能量綜合梯級利用能夠有效解決環(huán)境污染和能源利用率不高的問題，具有廣闊的發(fā)展前景。因此，對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的流程設(shè)計及優(yōu)化具有重大的理論及現(xiàn)實意義1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和研究趨勢1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的開始是在20世紀的70年代，因為能源危機的緣故，美國能源部早在1978年就開始提出發(fā)展小型的熱電聯(lián)供系統(tǒng)。當前，美國分布式能源系統(tǒng)達到了一定的規(guī)模，總裝機容量已經(jīng)突破92GW，約占全國總裝機容量的8.4%。美國能源部把大力推動分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)作為實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的方向，并且制定了非常明確的戰(zhàn)略目標：力爭2020年在商用、公用建筑上實現(xiàn)50%的熱電聯(lián)產(chǎn)模式，將15%的現(xiàn)有建筑供能系統(tǒng)改建成為分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)[2]。日本由于資源匱乏，經(jīng)濟發(fā)展對能源高效利用有迫切需求，日本政府早在20世紀60年代末就開始推動燃氣空調(diào)的發(fā)展，日本的熱電聯(lián)供系統(tǒng)為僅次于燃氣和電力的第三大公益事業(yè)。日本政府通過制定相當積極的政策來推動冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展，如以2020年東京奧運會為契機，日本提出構(gòu)建能源城市的設(shè)想，為此，東京政府提出一系列的補助，在2015-2019年這段期間將投入55億日元，用于補助冷熱電聯(lián)供的初始投資[3]。作為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)倡導(dǎo)者之一，日本正積極從傳統(tǒng)分布系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛ヂ?lián)網(wǎng)模型。在歐洲，能源與環(huán)境問題受到關(guān)注，冷熱電聯(lián)供技術(shù)逐漸受到重視，在20世紀80年代后，取得了較快發(fā)展。1998年葡萄牙世博新村在歐洲首先運行冷熱電聯(lián)供裝置。英國在過去的二十年里，在全國范圍內(nèi)安裝了超過1000個冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)裝置，遍布學(xué)校、醫(yī)院、機場等公共部門，其中曼徹斯特機場冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)非常具有代表性。德國以可再生能源為發(fā)展冷熱電聯(lián)供的主要能源，近年來隨光伏發(fā)電成本降低，德國冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)快速發(fā)展，在全球范圍得到推廣。1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀與國外發(fā)達國家相比，我國冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用起步很晚，但發(fā)展的勢頭迅速。早在20世紀80年代初就制定了“能源開發(fā)與節(jié)約并重，近期把節(jié)約放在優(yōu)先地位”的能源發(fā)展方針。1998年1月1日實施的《中華人民共和國節(jié)約能源法》里面明確的提出鼓勵和推廣冷熱電聯(lián)供技術(shù)。根據(jù)黨的十九大提出“推進能源生產(chǎn)和消費革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系”，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)以其特有的優(yōu)勢成為新能源開發(fā)利用的重要模式。截至2017年，我國累計分布式裝機容量為16.58億KW，北京、上海和廣州等地開展了許多有關(guān)冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的示范性大型項目，取得了較好的經(jīng)濟效應(yīng)和環(huán)境效益[4]。上海浦東綜合性國際機場的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在1999年開始著手啟動，2000年正式使用，機場采用“大集中、小分散”的供能原則，對位置集中且對冷、熱、電需求較大的場所采用冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)供能。經(jīng)實踐表明，當機組運行負荷較高時，冷熱電機組經(jīng)濟性大大提高。以2002年7月到12月為例，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)燃燒天然氣所需費用約為453.76萬元，而要達到同樣的效果，傳統(tǒng)分布式能源需要支付724.82萬元，具有非常突出的優(yōu)勢[5]。是國內(nèi)非常具有代表性的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。北京市燃氣集團的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是北京市啟動的第一個以天然氣為燃料的冷熱電三聯(lián)供的示范工程，通過燃氣輪機發(fā)電，吸收式制冷機組吸收煙氣和余熱制冷。冬季采暖，夏季制冷，實現(xiàn)了能量的梯級利用。以天然氣為燃料的燃氣的三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)在對環(huán)保的要求以及能滿足建筑面積為32000m2大樓的電量、熱量和冷量的需要，北京燃氣集團大樓的電負荷在(100~1000)kw之間，平均負荷為(400~800)kw；冷負荷為(500~3000)kw；熱負荷為(550~2700)kw。根據(jù)燃氣集團監(jiān)控指揮中心的不同時間段用電量具有非常大的差異，該系統(tǒng)選用了2臺進口的額定功率分別為480kw、725kw的燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組和2臺國產(chǎn)的額定制冷量分別為1163kw、2326kw的余熱直燃型溴化鋰制冷機組，其中余熱裝置通過回收其煙氣廢熱和加裝補燃裝置來為制冷和供暖提供能量[6]。1.2.3國內(nèi)外研究趨勢冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)并不是簡單把燃氣輪機發(fā)電、制冷機組供冷、熱水供暖疊加起來，而是一個非常具有系統(tǒng)性和流程性的能源梯級利用的系統(tǒng)，可以提供冷量、熱量、電量。同樣冷熱電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，實現(xiàn)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的流程設(shè)計和運行優(yōu)化是冷熱電研究的兩大熱點。（1）冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的流程設(shè)計問題。王志光[7]等人研究了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)微型燃氣輪機的機組配置和運行策略對系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計和性能的影響規(guī)律，提出了串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)三種運行模式，得出在串并聯(lián)模式下系統(tǒng)性能大幅度提升，能高效保障用戶冷熱電能供給。鄒澤宇[8]等人分析了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在錯誤的冷熱電配比下可能會造成系統(tǒng)機組運行出錯以及各個能量的不適配等問題，對供能的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性產(chǎn)生不良的影響，為此建立了一種能夠考慮多種能量適配和經(jīng)濟性的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化配置模型。PedramHanafizadeh[9]等人對某大型辦公樓的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行分析，研究了系統(tǒng)設(shè)備容量對系統(tǒng)性能的影響，采用了三種容量匹配方法，得出基于電量定負荷是最優(yōu)方案。（2）冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)運行優(yōu)化問題。程琤[10]以系統(tǒng)運行成本最低為目標，選取燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組發(fā)電功率和電制冷機組輸出功率為優(yōu)化變量，基于遺傳優(yōu)化算法對整個系統(tǒng)的運行參數(shù)進行了合理優(yōu)化。嚴曉生[11]等建立了以經(jīng)濟性為導(dǎo)向的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化模型，可對原動機和太陽能集熱器面積進行協(xié)同優(yōu)化。胡榮[12]等人通過對建筑的模擬仿真，并以分供系統(tǒng)作為對比，給出了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在不同的運行狀態(tài)下的最佳配置和最佳運行模式，結(jié)果表明在大部分運行負荷下，采用冷熱電聯(lián)供各方面運行較好。莊曉杰[13]等人基于燃氣輪機特性介紹了幾種可靈活調(diào)控汽輪機效率的聯(lián)供系統(tǒng)，為天然氣冷熱電系統(tǒng)的選擇和流程設(shè)計提供了依據(jù)。GamouS[14]等人研究了冷熱電的配置分化，結(jié)合具體的案例對帶燃料電池的CCHP系統(tǒng)進行配置和運行的優(yōu)化。FumoN[15]等以不同大小的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)配置為基礎(chǔ)，分析了在運行策略中以熱定電和以電定熱兩大傳統(tǒng)的配置原則的不足，進行了實時運行策略改進的優(yōu)化研究。1.3本文研究內(nèi)容及方法本文對常規(guī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行流程設(shè)計和性能分析，通過ASPEN軟件對其過程進行模擬，得到系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù)。并且通過改變?nèi)細廨啓C壓比、溫比和進氣溫度探究其對系統(tǒng)熱力性能的影響。第一章：簡要地敘述了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展背景以及國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。第二章：通過查閱相關(guān)資料后大體上介紹了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的裝置概念及原理。進而利用資料對聯(lián)供系統(tǒng)進行流程設(shè)計。第三章：對聯(lián)供系統(tǒng)的四個關(guān)鍵部件進行了簡要的數(shù)學(xué)模型分析。第四章：通過ASPEN軟件，對原冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程a和改進后的流程b進行了熱力學(xué)分析和比較，選出了優(yōu)化方案。并通過計算得出了聯(lián)供系統(tǒng)相關(guān)的性能參數(shù)。通過ORIGIN繪制出曲線圖，分析在不同熱力條件下聯(lián)供系統(tǒng)各性能參數(shù)如發(fā)電效率、制冷效率、一次能源利用率等的變化規(guī)律。第五章：回顧和總結(jié)本文研究內(nèi)容。研究方法：在基于前人研究的基礎(chǔ)上如壓氣機、透平、余熱鍋爐、溴化鋰吸收式制冷機對其系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計并討論壓比、溫比、進氣溫度對冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)電效率和一次能源利用率的影響。第二章冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)概述2.1冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)組成冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)針對不同的應(yīng)用場合，其配置組合各不相同。但按照功能劃分，都可分為動力裝置、供熱裝置和供冷裝置。2.1.1動力系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供動力裝置主要有蒸汽輪機、燃氣輪機、內(nèi)燃機、斯特林機、燃料電池等。動力裝置位于系統(tǒng)頭部，常常根據(jù)聯(lián)供系統(tǒng)選擇動力裝置。李勝[16]等人對上述動力設(shè)備在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的適用范圍、優(yōu)缺點、發(fā)展趨勢進行了詳細的歸納，如表2-1所示。表2-1冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)動力裝置特點Table2-1CharacteristicsofpowerplantinCCHPsystem動力設(shè)備適用場合優(yōu)點缺點發(fā)展趨勢蒸汽輪機大型的電站，在工業(yè)上常常用來熱電聯(lián)供在理論上可采用任何燃料，技術(shù)可靠，使用壽命長，穩(wěn)定發(fā)電效率低下，啟動速度不快，部分負荷條件下性能差小型的即插即用型蒸汽輪機燃氣輪機發(fā)電量在1MW以上的大型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)成熟，在大部分工況條件下運行穩(wěn)定，其可與蒸汽輪機組成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，具有有效的NOx排放控制技術(shù)需要使用優(yōu)質(zhì)的燃料，機組價格比蒸汽輪機高，在高海拔或環(huán)境溫度較高時，性能會大幅下降微型燃氣輪機，已部分商用內(nèi)燃機發(fā)電量在1MW以下的發(fā)電場合，小型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)啟動速度快，部分性能負荷好，技術(shù)成熟可靠，具有多種型號可以選擇，機組價格低震動嚴重，易產(chǎn)生噪聲，運動部件多，需要及時維護，維修成本高，污染大具有更低排放的內(nèi)燃機表2-1（續(xù)）冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)動力裝置特點Table2-1CharacteristicsofpowerplantinCCHPsystem動力設(shè)備適用范圍優(yōu)點缺點發(fā)展趨勢斯特林機適用于小型的冷熱電聯(lián)供，尤其適用于家庭自用可采用任何燃料，低排放、高效率、幾乎沒有噪聲在技術(shù)上還不成熟，需要成本較高，利用的熱能品位低，應(yīng)用場合少降低成本，采用太陽能驅(qū)動燃料電池家用或小型聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電效率高，污染物排放少，部分負荷性能好技術(shù)不成熟，成本高，商業(yè)化程度低，工程風險高降低成本，解決電解質(zhì)腐蝕，燃料要求高等本文采用燃氣輪機作為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的原動機。燃氣輪機安裝方便，能夠有效利用高溫段熱量，適用于多種系統(tǒng)，是當下常用的冷熱電聯(lián)供動力裝置。2.1.2余熱制冷、供熱系統(tǒng)對常規(guī)供能系統(tǒng)而言，未能很好的利用100℃到200℃的廢熱。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)依據(jù)能量梯級利用的原則對余熱進行充分利用，這個過程最重要就是利用余熱作為動力驅(qū)動制冷機組制冷，本文采用溴化鋰吸收式制冷機組作為熱冷轉(zhuǎn)換裝置。溴化鋰吸收式制冷機組種類繁多，可根據(jù)用途、驅(qū)動方式、驅(qū)動熱源等進行分類，如下表所示。表2-2溴化鋰吸收式制冷機組的分類Table2-2classificationofLiBrabsorptionchillers分類方法機組名稱分類依據(jù)外部結(jié)構(gòu)單筒型雙筒型多筒形主要換熱器布置在一個筒體內(nèi)主要換熱器布置在兩個筒體內(nèi)主要換熱器布置在多個筒體內(nèi)溶液循環(huán)流程串聯(lián)并聯(lián)串并聯(lián)溶液由高壓發(fā)生器進入低壓發(fā)生器后返回吸收器溶液分別同時進入高、低壓發(fā)生器再分別進入吸收器溶液分別同時進入高、低壓發(fā)生器再同時進入吸收器驅(qū)動熱源蒸汽型直燃型熱水型余熱型以蒸汽的潛熱為驅(qū)動熱源以燃料的燃燒熱為驅(qū)動熱源以熱水的顯熱為驅(qū)動熱源以工業(yè)生活余熱為驅(qū)動熱源2.2冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)分類冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)按動力裝置可分為：燃氣輪機、內(nèi)燃機、燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。燃氣輪機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)功率范圍大、高效環(huán)保，適合與熱電要求高的場合；內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)成熟、初試投資低，適合熱電要求較低的場合；燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電效率高污染物少但技術(shù)還不夠成熟生產(chǎn)成本大，適合于家庭或小型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)按配置規(guī)模可分為：區(qū)域型、樓宇型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。區(qū)域型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是為各種工業(yè)、商業(yè)等大型的區(qū)域提供冷熱電能量而建設(shè)的系統(tǒng)。樓宇型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是為具有一定安全需要，防止突然停電的建筑物如商廈、醫(yī)院及一些具有多種功能建筑而建設(shè)的冷熱電供應(yīng)系統(tǒng)。2.3冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)特點與傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)相比，冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)直接面向用戶生產(chǎn)能夠明顯降低過程損耗并且實現(xiàn)了能量按高中低的品位利用，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)便具有了一下顯著優(yōu)點[17]`[21]：（1）實現(xiàn)能源綜合利用，節(jié)約能源。能源綜合利用率高。冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)較傳統(tǒng)的第一代能源系統(tǒng)而言，其建設(shè)在需求側(cè)內(nèi)部或在附近發(fā)電，這樣就不需要建設(shè)龐大的運輸網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約了因長距離輸送電力的電阻損失和發(fā)電成本，還能夠?qū)⑷剂现苯尤紵a(chǎn)生的余熱用來為用戶提供冷量和熱量，其綜合的能源利用率能夠達到80%左右。（2）技術(shù)先進。冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)作為第二代的新型能源系統(tǒng)，其能源利用效率較傳統(tǒng)電廠的40%提高到80%左右。系統(tǒng)主要部件由燃氣輪機、蒸汽輪機、吸收式熱泵、余熱鍋爐等均是采用了國際能源利用方面的領(lǐng)先技術(shù)，集中體現(xiàn)了當今能源科學(xué)利用的前進方向。（3）環(huán)保。冷熱電聯(lián)產(chǎn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)一般使用天然氣作為燃料，在降低污染物的排放方面起著很重要的作用，減少了對大氣環(huán)境的污染。由于對能源實施了梯級利用，可以對各級能源實現(xiàn)充分的利用，節(jié)約了資源也就減少了化石燃料的燃燒進而減少了對環(huán)境的壓力。（4）能源安全，現(xiàn)代電網(wǎng)追求大機組大容量，認為發(fā)電機組容量大效率就會越高，成本隨之降低，但隨之而來會對能源安全造成極大的危害，只要電網(wǎng)的某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題就會出現(xiàn)大面積停電的事故，然而冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)屬于分布式供能系統(tǒng)，它分布在用戶附近，相對于電網(wǎng)獨立運行，減少了對電網(wǎng)的依賴，增加了用戶的能源安全性。冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)也有一些缺點，一是規(guī)模小，冷熱電系統(tǒng)不能像大型的電站一樣發(fā)電供能；二是不靈活，冷熱電系統(tǒng)沒有小到像空調(diào)冰箱一樣直接安裝在家里，需要整棟樓、整個小區(qū)協(xié)調(diào)安裝。2.4冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)原理冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是一種基于能量梯級利用原理的新型能源系統(tǒng)，高品位能量用來發(fā)電，做功后的高品位能量則用來驅(qū)動制冷機組制冷，余下廢熱用來采暖、提供生活熱水，從而形成冷熱電三聯(lián)產(chǎn)。圖2.1冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)原理圖Fig2.1SchematicdiagramofCCHPsystem冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)可同時產(chǎn)生冷量、熱量和電量，燃料通過動力系統(tǒng)燃燒對外做功輸出電量，排放的熱量再通過制冷機組制冷或供熱系統(tǒng)供熱。圖2.2冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能量流程圖Fig2.2EnergyflowchartofCCHPsystem2.5冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程如圖2.3所示冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)常規(guī)流程為燃氣輪機+蒸氣型溴化鋰冷水機組。在這個系統(tǒng)中，空氣經(jīng)壓氣機絕熱壓縮后進入燃燒室與燃料混合燃燒產(chǎn)生高溫氣體，隨后高溫氣體進入透平做功發(fā)電，廢氣通過余熱鍋爐進行回收，產(chǎn)生蒸汽，再通過蒸氣型溴化鋰冷水機組供冷或直接供暖、提供生活用熱水。這樣非常充分的利用了廢熱，具有較高的熱經(jīng)濟型。圖2.3冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程aFig2.3FlowchartofCCHPsystema我們知道不加回熱器的燃氣輪機裝置對高品質(zhì)熱量利用不夠充分，透平的排氣溫度能夠達到600攝氏度，遠遠高于蒸氣型溴化鋰冷水機組制冷所需的溫度且余熱鍋爐排出的廢氣溫度還是很高，常常大于180攝氏度，所以從能量梯級利用的角度出發(fā)，該流程仍然有改進的空間。本文通過對以上方向的分析對原系統(tǒng)進行改造，為提高燃機效率對原系統(tǒng)增加了回熱裝置，為充分利用余熱鍋爐廢氣采用串聯(lián)裝置，前端利用蒸氣型溴化鋰冷水機組制冷，后端加換熱器充分利用余熱供暖，如圖2.4所示。圖2.4冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程圖bFig2.4FlowchartofCCHPsystemb2.6冷熱電聯(lián)系統(tǒng)關(guān)鍵部件2.6.1燃氣輪機燃氣輪機裝置是一種以空氣和燃氣為工質(zhì)的熱力設(shè)備，主要由壓氣機、燃燒室和透平三個基本部件組成?？諝馐紫冗M入壓氣機中，壓縮到一定壓力后進入燃燒室，空氣和燃料在燃燒室充分燃燒，而后進入透平，透平是燃氣輪機的核心部件，在透平中，氣體先在靜葉片組成的噴管中膨脹，把熱能部分的轉(zhuǎn)化為動能，形成高速氣流，然后流過葉輪沖擊葉片帶動葉輪轉(zhuǎn)動從而驅(qū)動透平軸旋轉(zhuǎn)做功。燃氣輪機的輸出廢氣溫度很高，非常適合于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。2.6.2余熱鍋爐余熱鍋爐是冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中對余熱回收的一種重要設(shè)備。常規(guī)的余熱鍋爐是由省煤器、蒸發(fā)器、過熱器還有汽包等組成。在本文中，循環(huán)水經(jīng)過余熱鍋爐與燃氣輪機排出的廢氣換熱經(jīng)過三個過程，首先在省煤器中，循環(huán)水完成預(yù)熱過程從常溫加熱到快要飽和的溫度；然后在蒸發(fā)器中，循環(huán)水繼續(xù)吸熱蒸發(fā)為飽和蒸汽；最后在過熱器中，飽和蒸汽吸熱升溫成過熱蒸汽。2.6.3溴化鋰水冷機組溴化鋰吸收式制冷機組是利用液體汽化吸熱來制冷的一種形式，是利用經(jīng)過產(chǎn)生高溫高壓的液體經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓后，在低溫低壓的狀態(tài)再蒸發(fā)器里汽化吸熱來使環(huán)境降溫。溴化鋰吸收式水冷機組主要由四個換熱設(shè)備組成：發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器。溴化鋰制冷機組有兩個循環(huán)回路：一個是制冷劑循環(huán)，由冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥組成，制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)帶走熱量實現(xiàn)制冷，然后在發(fā)生器中吸熱生成高溫高壓的氣體再在冷凝器里冷凝放熱隨后經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓再到蒸發(fā)器實現(xiàn)一個循環(huán)，另一個是吸收劑循環(huán)，溴化鋰制冷機組的吸收劑是溴化鋰的水溶液，經(jīng)過發(fā)生器。吸收器和溶液熱交換器。其具有很多的優(yōu)點，比如運行平穩(wěn)、無噪聲、操作簡便等特點。第三章熱力性能分析和數(shù)學(xué)模型建立3.1燃氣輪機在研究過程中我們對燃氣輪機做出合理假設(shè)：燃氣輪機處于穩(wěn)態(tài)過程，不考慮啟停影響；不考慮設(shè)備運行熱損失；回熱器中傳熱溫差相等；空氣和燃氣為不可壓縮流體。3.1.1定壓加熱理想循環(huán)在這個循環(huán)中，我們引入空氣標準假設(shè)，燃氣輪機裝置的工作循環(huán)就可以簡化為四個過程組成的理想循環(huán)，如下圖所示：圖3.1定壓加熱理想循環(huán)Fig3.1Idealcycleofconstantpressureheating其中，1-2為絕熱壓縮過程；2-3是定壓加熱過程；3-4是絕熱膨脹過程；4-1是定壓放熱過程。對改進的流程其熱力循環(huán)圖如下：圖3.2帶回熱器的燃氣輪機T-S圖Fig3.2GasturbineT-Sdiagramwithheater在回熱器中，若燃氣能夠冷卻到最低溫度T2，預(yù)熱到最高溫度T4則稱為極限回熱理論循環(huán)。燃氣輪機裝置的實際循環(huán)為1-2’-3-4’-1，采用回熱器可以提高裝置的熱效率，但是回熱器的換熱面積必須考慮實際情況和經(jīng)濟效應(yīng)不能夠無限的增大，實際上壓縮氣體的加熱很難達到T4’,只能達到比T5溫度低的T7。這時我們就需要考慮回熱度對燃氣輪機的影響。σ=此時裝置加熱量q=h3-h7，較無回熱時少了h7-h2’。這樣熱效率的分子不變而分母減小，裝置的熱效率就大大提高了。如果采用更高的回熱度，則可以更大的提高裝置內(nèi)部效率，但隨之需配備較大的回熱器，此時需要考慮回熱器的經(jīng)濟效益。實際應(yīng)用時，應(yīng)權(quán)衡得失選用適當?shù)摩摇?.1.2燃氣輪機數(shù)學(xué)模型壓氣機部分：壓縮機所耗的功為技術(shù)功，在實際的情況下，有相當大的摩擦損失，我們引入ηc來衡量其工作優(yōu)劣。Wc=式中：Wc為壓氣機理論耗功，KWma為空氣的質(zhì)量流量，Kg/scp,a是空氣的定壓比熱容，Kj/(kgT1，T2分別是壓氣機進出口溫度，T2'為壓氣機實際出口溫度，Kηc由式（3-1）可推導(dǎo)出壓氣機實際出口溫度表達式為：T2'=燃燒室部分：燃燒室的作用是將壓氣機壓縮后的高壓空氣與燃料充分地混合燃燒，向透平提供高溫高壓的燃氣。 mgc式中：mg為煙氣質(zhì)量流量，Kg/scp,g為煙氣的定壓比熱容，Kj/(KgT3為煙氣在燃燒室的出口溫度，Kmf為燃料的質(zhì)量流量，Kg/sηbLHV為燃料的低位發(fā)熱值，Kj/Kg；透平部分：高溫高壓的燃氣經(jīng)過透平膨脹做功，帶動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，將熱能轉(zhuǎn)化為機械能。 Wt=式中：T4為透平出口溫度，KT4'為透平實際出口溫度，Kηt由式（3-4）可推導(dǎo)出透平實際出口溫度： T4'=回熱器部分：冷熱流體在回熱器中有熱量傳遞的過程，熱流體與冷流體的換熱效率為回熱度。 σQ?ot當然，我們知道熱流體為來自燃氣透平出口的煙氣，冷流體來自壓氣機的空氣，假設(shè)來自燃氣輪機排出的煙氣中，有α（α取0-1）的熱量進入換熱器，我們將其表示為： σαqm,gt式中：qm,gt為燃氣輪機的出口煙氣質(zhì)量流量，Kg/s cp,gt為排氣煙氣的定壓比熱容，Kj/(Kg.K) t?.in,ttc,in3.2余熱鍋爐本系統(tǒng)中余熱鍋爐沒有補燃裝置，可視為煙氣換熱器，做經(jīng)過回熱器的煙氣與汽水的換熱。圖3.3余熱鍋爐T-Q圖Fig3.3T-Qdiagramofwasteheatboiler從熱量的角度出發(fā)，利用能量平衡關(guān)系，燃氣輪機排出煙氣的熱量有（1-）進入余熱鍋爐。進入余熱鍋爐煙氣的熱量應(yīng)該為排出煙氣的熱量和蒸發(fā)水蒸汽所需熱量之和：Qin式中：qm,s為鍋爐中水蒸氣的流量，Kg/s?s為高溫蒸汽焓，Kj/Kg?w為給水焓，Kj/kgTg,out為鍋爐排氣的出口溫度，3.3蒸汽透平理想狀態(tài)下蒸汽對汽輪機做功為：Wst=qm,s(式中，為蒸汽在汽輪機進口、出口的比焓，kJ/kg；考慮機械損失和摩阻損失后，機組實際輸出功率為：Wst'=ηst,s式中：ηst,s為汽輪機的相對內(nèi)效率ηm為燃機的排氣余熱是汽輪機裝置循環(huán)的熱源，則其吸熱量為：Qst=1?α忽略給水泵的耗功可得汽輪機效率為：ηst3.4溴化鋰制冷機組3.4.1設(shè)計參數(shù)的選定（1）吸收器出口冷卻水溫度tw1和冷凝器出口冷卻水溫度冷卻水的總回溫一般取7~9℃，依據(jù)冷卻水的進水溫度來確定。因為吸收器的熱負荷?a比冷凝器的熱負荷?k要大，所以通過吸收器的溫升Δtw1比通過冷凝器的溫升Δtw2tw1=tw2=tw式中：Δtw1為吸收器的溫升，Δtw2為冷凝器的溫升，（2）冷凝溫度tk及冷凝壓力冷凝溫度高于冷凝器冷卻水溫度2~5℃，即tk=tw2根據(jù)tkpk=f(tk)（3）蒸發(fā)溫度t0及蒸發(fā)壓力蒸發(fā)溫度一般較冷水出水溫度低2~4℃。如果tx't0=蒸發(fā)壓力p0根據(jù)tp0=f(t3.4.2設(shè)備熱負荷計算（1）制冷機中冷劑水的流量q冷劑水流量qmw由已知的制冷量和蒸發(fā)器中的單位熱負荷qqmw=Φ0q0=h1（2）發(fā)生器熱負荷ΦΦg=qmd[a?1h（3）冷凝器熱負荷ΦΦk=qmd（4）吸收器熱負荷ΦΦ=qmd[a?1h（5）溶液熱交換器熱負荷ΦΦ=qmd[(a?1)(h第四章冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能分析4.1冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱力性能分析模型本文研究的是改進后的冷熱電聯(lián)供模型，其以帶回熱器的燃氣輪機為動力設(shè)備，提高裝置的循環(huán)熱效率，煙氣再經(jīng)過余熱鍋爐加熱循環(huán)水至過熱蒸汽通過蒸汽透平做功，做功后的乏氣驅(qū)動蒸氣型溴化鋰制冷機組提供冷量或驅(qū)動換熱裝置提供生活熱水。在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中通過基于熱力學(xué)第一定律的能量平衡法來衡量系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性，目前常用的是一次能源利用率（PrimaryEnergyRate,PRE），也稱系統(tǒng)熱效率或總能利用效率，它的定義是系統(tǒng)輸出能量與輸入能量的比值，并且把電量、熱量、冷量等同看待，可以直接相加。因此，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的一次能源利用率越高，表明系統(tǒng)的熱力性能越好。PERCCHP=Q?eat_load式中，PERCCHPPel表示系統(tǒng)發(fā)電量，KWQcooling_load表示系統(tǒng)制冷量，KWQ?eat_load表示系統(tǒng)供熱量，KWQin表示系統(tǒng)消耗天然氣所產(chǎn)生的熱量(按低位發(fā)熱量計算)，KW4.2兩種方案性能分析本文通過ASPEN軟件分別對常規(guī)流程和改進流程進行模擬分析，得出各狀態(tài)點如下表所示。對比表4.1和表4.2，改進系統(tǒng)余熱鍋爐排煙溫度為130℃，而原系統(tǒng)的排煙溫度在252℃，較原系統(tǒng)溫度降低很多，實現(xiàn)了廢熱的利用。單效溴化鋰制冷機組的適宜進氣溫度在200℃左右，改進流程非常符合這一要求，而原流程的進氣溫度在341℃遠遠高于適宜溫度，造成能量的浪費。表4.1原流程系統(tǒng)方案a各點狀態(tài)參數(shù)表Table4.1Stateparametertableofschemeaoforiginalprocesssystem狀態(tài)點溫度（℃）壓力（bar）質(zhì)量流率（kg/s）1251302589353032510.754359350.75515203530.7567111.530.7572521.530.758401.55.593411.55.510801.35.511401.15.5表4.2改進流程系統(tǒng)方案b各點狀態(tài)參數(shù)表Table4.2Stateparametertableofschemebofimprovedprocesssystem狀態(tài)點溫度（℃）壓力(bar)質(zhì)量流率(kg/s)125130258935303621353042510.755359350.75615473530.7577271.530.7586691.530.7591301.530.7510401015.5116861015.51216415.5138015.5144015.5采用目前技術(shù)水平的典型數(shù)據(jù),燃氣輪機等熵效率、機械效率分別取0.88和0.99。單效溴化鋰吸收式制冷機組的制冷性能系數(shù)取0.7[23]，改進流程系統(tǒng)余熱鍋爐排氣溫度取130℃[24]。表4.3冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程a和流程b性能指標對比Table4.3ComparisonofperformanceindexesbetweenprocessaandbofCCHPsystem項目流程a流程b發(fā)電量(KW)31983.538008.06制冷量(KW)10902.649548.56供熱量(KW)648.40648.48燃料壓縮機耗功(KW)700.181700.181空氣壓縮機耗功(KW)18182.818182.8泵耗功(KW)075.2218燃料發(fā)熱量(KW)37526.2537526.25系統(tǒng)供電效率(%)34.9150.76系統(tǒng)制冷效率(%)29.0525.45系統(tǒng)供熱效率(%)1.731.73一次能源利用率(%)65.6979.84表4.3給出了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程a和流程b的性能指標，通過對比我們可以看出，流程a的發(fā)電量為31983.5KW，系統(tǒng)供電效率為34.91%。流程b的發(fā)電量為38008.06KW，系統(tǒng)供電效率為50.76%，與流程a相比，流程b余熱鍋爐冷股流溫度能夠達到600攝氏度，可利用蒸汽透平發(fā)電，實現(xiàn)較高品位熱能的利用，發(fā)電效率較流程a增加了15.85%；同時，流程b因為增加了回熱器，實現(xiàn)了能量的充分利用。一次能源利用率較流程a增加了14.15%。因此改進后的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)由于原系統(tǒng)。4.3優(yōu)化方案系統(tǒng)性能分析從上文中我們了解到改進流程的性能較為優(yōu)越，本節(jié)對該流程進行熱力性能分析，通過第三章對燃氣輪機的數(shù)學(xué)模型的研究，討論壓比、溫比和進氣溫度對系統(tǒng)性能的影響。4.3.1壓比對系統(tǒng)性能的影響討論壓比對系統(tǒng)性能影響時，壓氣機進口溫度壓力取常溫常壓，壓比取25~75，燃燒室絕熱且壓力恒定。通過ASPEN軟件進行模擬，得到下表數(shù)據(jù)表4.4計算數(shù)據(jù)Table4.4Calculatingdata壓比發(fā)電效率(%)一次能源利用率(%)2549.904279.83553050.530079.84013550.764179.84414050.915479.82474551.013179.79415051.073579.76705551.195379.75576051.386379.75356551.518279.74907051.648979.74267551.763679.7348我們可以得到系統(tǒng)一次能源利用率、發(fā)電效率隨壓比變化的曲線，如下圖所示：4.1熱力性能隨壓比變化規(guī)律Fig4.1Variationofthermalperformancewithpressureratio由圖4.1可以看出發(fā)電效率隨壓比的增大而增大，一次能源利用率隨壓比的增大先增大后減小。隨著壓力的增加，燃氣輪機透平發(fā)電量增大，這樣發(fā)電效率就隨著壓比的增大而增大；但是透平做功多排氣溫度也就隨之降低，系統(tǒng)后續(xù)的制冷量和供暖量就降低，進而一次能源利用率就隨壓比的增加而降低。4.3.2溫比對系統(tǒng)性能的影響討論溫比對系統(tǒng)的影響時，取壓比為35，燃機進口溫度為環(huán)境溫度，通過ASPEN軟件模擬得到下表數(shù)據(jù)。表4.5計算數(shù)據(jù)Table4.5Calculatingdata溫比發(fā)電效率(%)一次能源利用率(%)5.537.870963.32035.639.920665.99845.742.001968.70625.844.112771.42525.946.251274.15476.048.415476.89436.150.603879.64346.252.574281.98086.354.320883.92586.456.007285.87236.557.826487.8204通過ORIGIN軟件，我們可以得到系統(tǒng)一次能源利用率和發(fā)電效率隨溫比的變化曲線如下圖所示。圖4.2熱力性能隨溫比變化規(guī)律Fig4.2Variationofthermalperformancewithtemperatureratio由圖4.2可以看出，系統(tǒng)發(fā)電效率和一次能源利用率隨溫比的增加而增加，溫比是透平進口溫度與壓氣機進口溫度的比值，壓氣機進口溫度取常溫298K，溫比越大，透平進口溫度就越高，透平做功也就越大，這樣系統(tǒng)的發(fā)電效率和一次能源利用率就隨溫比的增大而增大。4.3.3進氣溫度對系統(tǒng)性能的影響討論進氣溫度對系統(tǒng)熱力性能的影響時，壓比取35，燃燒室定壓絕熱，通過ASPEN軟件得到數(shù)據(jù)如下表表4.6計算數(shù)據(jù)Table4.6Calculatingdata進氣溫度發(fā)電效率(%)一次能源利用率(%)2550.764179.84413050.765880.09053550.578880.00264050.393379.91544550.209079.82885050.026179.74295549.844979.65776049.664379.57326549.485479.48947049.307879.40647549.131279.3239我們可以得到系統(tǒng)一次能源利用率和發(fā)電效率隨進氣溫度的變化曲線如下圖所示。圖4.3熱力性能隨進氣溫度變化規(guī)律Fig4.2Variationofthermalperformancewithintakeairtemperature由圖4.3可以看出發(fā)電效率和一次能源利用率隨進氣溫度的增加而減小，進氣溫度高，壓縮機壓縮到同樣的壓力需要消耗更多的功，這樣就導(dǎo)致了系統(tǒng)的發(fā)電效率和一次能源利用率隨進氣溫度的增加而減小。第五章結(jié)論冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是一種基于能量梯級利用原理的第二代能源利用系統(tǒng)，能夠向用戶同時提供冷量、熱量、電量三種形式的能量，提高了系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，是解決能源和環(huán)境問題的有效途徑，非常具有發(fā)展?jié)摿?。在本文中，我們通過對冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)各個部件進行分析，探索出了燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱力性能規(guī)律。并且在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對其進行優(yōu)化設(shè)計，本文所設(shè)計系統(tǒng)效率優(yōu)于原系統(tǒng)。在基于我們給定的初始條件，以及控制壓比、溫比、進氣溫度的前提下，我們得到了以下規(guī)律：（1）壓比對系統(tǒng)的一次能源利用率、發(fā)電效率均有較大的影響，其中隨著壓比的增加一次能源利用率逐漸降低，發(fā)電效率在增大。（2）溫比對系統(tǒng)的一次能源利用率、發(fā)電效率的影響效果很明顯，都是隨著溫比的增加而顯著增加。（3）進氣溫度對系統(tǒng)的一次能源利用率有較明顯的影響，對系統(tǒng)的發(fā)電效率影響并不是很大。都是隨溫比的增大而減小。參考文獻[1]王媛,遲銘書,王磊.從熱電聯(lián)產(chǎn)到冷熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)展與展望[J].長春教育學(xué)院學(xué)報,2011,27(10):73-74.[2]邢磊,王宇博.美國分布式能源發(fā)展現(xiàn)狀與啟示[J].化學(xué)工業(yè),2015,33(10):7-11.[3]任洪波,楊濤,吳瓊,高偉俊.日本分布式能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀及其對中國的啟示[J].中外能源,2017,22(12):15-23.[4]向楠,李鵬,張雪芹,許凱.國內(nèi)分布式能源發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J].科技資訊,2