热电冷三联产系统中制冷废热利用的研究

朱家贤， 卢 玫

（1．上海青浦工业园区热电有限公司，上海201700；2．上海理工大学 能源与动力工程学院，上海200093）

热电冷三联产系统在提高能源利用率和降低二氧化碳排放量方面具有很大的潜力［1］．很多研究者已从不同的角度对热电冷三联产系统进行了研究，如冯志兵［2］等分析了燃气轮机回热器传热温差、回热器的燃气比等变量对三联产系统热力性能的影响；乌韶萍等［3］对热电冷三联产与热电联产加电制冷的能耗进行了比较与分析，指出在热电厂供热量较小、采用中小型电制冷机组供冷和当地电网供电且煤耗较高的条件下，三联产比二联产加电制冷更节能．在由背压汽轮机组组成的热电联产系统基础上改建的热电冷联产系统中，常以背压蒸汽来驱动溴化锂吸收式制冷机组（简称溴冷机）以生产冷量．溴冷机在制冷过程中会通过冷却水排出大量的废热，这部分废热量大、品位低，难以直接利用，通常将其排放到大气中，不仅浪费能源，而且会增加热污染．若能有效利用这部分废热，则能提高热电冷三联产系统的能源利用率，从而达到节能的目的．笔者以此为目标提出了2种能有效利用热电冷三联产系统中溴冷机排出余热的方案，并进行了能效分析．

1 制冷废热利用方案

对于一台580kW冷量的双效溴冷机组，每小时所需0．9MPa饱和蒸汽量为650kg，32℃进、38℃出的冷却水量为145t．热电厂供给热用户蒸汽后，锅炉就需要补充大量环境温度的水，因此可以利用制冷排出的废热加热锅炉补充水．为此，笔者提出了2种废热回收利用方案，其示意图分别如图1、图2所示．

图1 三联产系统废热回收利用方案1示意图Fig．1 Schematic diagram of waste heat recovery solution 1for CCHP system

在废热回收利用方案1中，锅炉补充水直接代替溴冷机的冷却水进入溴冷机内被加热至一定温度，而后与背压汽轮机组的背压蒸汽混合，以进一步加热至较高温度．

在废热回收利用方案2中，热电冷三联产系统中增加了电驱动热泵．从溴冷机排出的冷却水一部分通过换热器加热锅炉补充水至一定温度，另一部分通过热泵加热从换热器流出的锅炉补充水，使其达到更高温度．

在上述2种方案中，方案1结构相对简单，但利用制冷排出的废热直接加热锅炉补充水，补充水最高温度不超过溴冷机冷却水出口温度；而方案2增加了热泵后，虽然可利用废热加热锅炉补充水至更高温度，但由于电驱动热泵需要消耗高品位的电能，因而能否节能需要通过能耗计算与分析确定．

图2 三联产系统废热回收利用方案2示意图Fig．2 Schematic diagram of waste heat recovery solution 2for CCHP system

2 评价指标

热电冷三联产系统的节能评价指标很多，如热经济系数［4］、等效燃料利用系数、系统能量利用系数与经济效率等．冯志兵等［5］对热电冷三联产系统常用的几个评价指标进行了比较，认为各评价指标均有各自的特点和局限性．笔者主要针对热电冷三联产系统中回收溴冷机废热加热锅炉补充水的部分进行分析，比较的前提是生产相同的制冷量、加热等量锅炉补充水至相同温度．在上述评价指标的基础上，从能耗的数量和能耗的品质两个方面对方案1和方案2进行了分析与比较，对应的评价指标为一次能耗综合热利用率和综合效率．

2．1 一次能耗综合热利用率

一次能耗综合热利用率ηz的定义为

对于方案1，式（1）可表示成如下形式

式中：Φl为溴冷机的制冷量，kW；Φg为锅炉补充水从环境温度加热至规定温度所获得的能量，kW；ΦBr、ΦBr，W和Φby分别为驱动溴冷机的蒸汽在锅炉中的吸热量所折算成的一次能耗、溴冷机消耗的电量所折算成的一次能耗、加热锅炉补充水至规定温度所需要的汽轮机背压蒸汽的热量所折算成的一次能耗，kW．

对于方案2，式（1）可表示成如下形式

式中：Φhp，W为热泵耗电对应的一次能耗，kW．

2．2 综合效率

对于方案1，式（4）可表示成如下形式

式中：Ex，l为溴冷机制取的冷量，kW；Ex，g为锅炉补充水所获得的热量，kW；Ex，Br、WBr和Ex，by分别为驱动溴冷机的蒸汽、溴冷机消耗的电量、加热锅炉补充水至规定温度所消耗的背压蒸汽，kW．

对于方案2，式（4）可表示成如下形式

式中：Whp为热泵所耗电量，kW．

式中：qm为质量流量，kg／s；h 为比焓，kJ／kg；t0为环境温度，℃；s为比熵，kJ／（kg·K）．

3 计算结果与分析

3．1 计算参数

计算中锅炉参数和汽轮机参数选用热电厂实测数据（见表1）．制冷机选用SXZ8－580型双效溴化锂制冷机组，对应的参数见表2．

为了便于比较分析，方案1和方案2均以下列条件为计算基准：（1）背压汽轮机组满负荷运行；（2）背压汽轮机出口的背压蒸汽除驱动溴冷机和加热补充水部分外，其余全部为提供给热用户的热蒸汽，即供热的蒸汽量为需要被加热的锅炉补充水流量；（3）锅炉补充水均由26℃加热至65℃，当溴冷机、热泵排出的废热不足以将锅炉补充水加热至65℃时，则补充背压蒸汽来完成加热；（4）计算时不考虑管路热损、输电损失等；（5）系统中所耗电能的折算效率取35%；（6）热泵工质采用R134a，且蒸发器的蒸发温度为26℃，出口温度过热5K，冷凝器的冷凝温度为70℃，出口温度过冷至40℃，压缩机绝热压缩效率取0．6．在此工况参数条件下，对应的热泵性能系数为5．1．

表1 锅炉和汽轮机参数Tab．1 Parameters of the boiler and turbine

表2 SXZ8－580型双效溴冷机参数Tab．2 Parameters of SXZ8－580double－effect LiBr refrigerator

3．2 计算结果与分析

对2种废热利用方案的相关参数进行计算．如前所述，对于一台580kW冷量的双效溴冷机组，每小时所需32℃进、38℃出的冷却水量为145t，若直接全部利用溴冷机排出的废热进行加热，只能将锅炉补充水从26℃加热至36℃，加热的补充水量（即供热蒸汽量）约为86．55t／h．据此定义580kW冷量和86．55t／h供热蒸汽量的比值为本文计算的基本配比值k．表3和表4分别给出了供冷／供热蒸汽量比（简称冷／汽比）为k时一次能耗综合热利用之率和综合效率的计算结果．对整个热电冷三联产系统而言，在此冷／汽比下，不论制冷量和供热蒸汽量同时扩大多少倍，计算所得一次能耗综合热利用率和综合效率均不变，其他各项能耗数据只需按倍数扩大即可．

表3 冷／汽比为k时一次能耗综合热利用率ηz的计算结果Tab．3 Calculation results of the overall thermal utilization factorηzof primary energy consumption in the case of RCS＝k

表4 冷／汽比为k时综合效率ηz，Ex的计算结果Tab．4 Calculation results of the overall exergy efficiencyηz，Exin the case of RCS＝k

方案 Ex，l／kW Ex，g／kW Ex，Br／kW WBr／kW Ex，by／kW Whp／kW ηz，Ex无回收37．99 222．1 144．8 3．55 1 329．60 0 0．176 1 37．99 222．1 144．8 3．55 988．40 0 0．229 2 37．99 222．1 144．8 3．55 929．77 171．7 0．208

由表3和表4可知，冷／汽比为k时，相对于无废热回收方案而言，2种废热回收利用方案的一次能耗综合热利用率和综合效率均得到提高，但方案1的一次能耗综合热利用率和综合效率略高于方案2的，因为此时溴冷机排出的废热由于补充水量大而都能被直接回收利用，方案2虽然也全部回收了废热量，并且可提高加热温度，但由于热泵耗电而增加了能耗．随着冷／汽比的增大，方案1中溴冷机排出的废热不可能全部被直接回收利用．为此，改变冷／汽比对2种方案进行能耗计算，结果见表5．图3和图4分别给出了一次能耗综合热利用率和综合效率随冷／汽比的变化，图中横坐标表示计算所用冷／汽比相对于基本配比值k扩大的倍数．

表5 不同冷／汽比时的计算结果Tab．5 Calculation results for different RCS values

图3 ηz随冷／汽比的变化Fig．3 Variation ofηzwith RCS

为便于分析图3和图4，定义以下参数：溴冷机制冷一次能耗利用率

图4 ηz，Ex随冷／汽比的变化Fig．4 Variation ofηz，Exwith RCS

加热锅炉补充水一次能耗利用率

从图3和图4可以看出，方案1的一次能耗综合热利用率和综合效率随冷／汽比的变化很小，这是因为对于本文给定的参数和定义，热驱动溴冷机制冷的一次能耗利用率ηl＝1．208，效率ηE，l＝x0．256，全部用背压蒸汽将锅炉补充水从26℃加热至65℃的一次能耗利用率ηg＝0．9，效率ηEx，g＝0．167．冷／汽比为k、无废热回收时的一次能耗综合热利用率ηz＝0．931，综合效率ηz，Ex＝0．176；采用废热回收方案后，冷／汽比为k或大于k时，方案1由于节省了补充水从26℃加热至36℃所需的能量，加热锅炉补充水的一次能耗利用率提高为ηg1＝1．211，略大于溴冷机制冷的一次能耗利用率，而效率ηE，g1＝0．225，低于溴冷机制冷的效率，因此x方案1的一次能耗综合热利用率ηz1＝1．210，综合效率ηz，Ex，l＝0．229．随着冷／汽比的增大，多余的废热无法利用，加热锅炉补充水的一次能耗利用率、效率和制冷一次能耗利用率、效率均维持不变，因此一次能耗综合热利用率和综合效率逐渐逼近制冷的一次能耗利用率和效率，由于两者相差较小，因而一次能耗综合热利用率仅在小数第4位缓慢减小，综合效率仅在小数第3位缓慢增大．

4 结 论

（1）在热电联产基础上建立的热电冷三联产系统利用废热加热锅炉补充水，使一次能耗综合热利用率和综合效率均得到提高，在供冷／供热蒸汽量比为k时，提高幅度达18%以上，起到了节能减排的效果．

（2）在供冷／供热蒸汽量比为k左右时，宜采用无热泵的方案1，此时系统结构简单，并且一次能耗综合热利用率和综合效率均高于方案2的．

（3）在本文计算参数条件下，当供冷／供热蒸汽量比大于k时，方案2的节能效果更好；当供冷／供热蒸汽量比为3．3k时，制冷排出的废热能全部被利用，此时节能效果达到最佳．

（4）对于在热电联产基础上扩建的热电冷三联产系统，当制冷量较大时，方案2的系统具有很大的参考价值．

［1］MENG Xiangyu，YANG Fusheng，BAO Zewei，et al．Theoretical study of a novel solar trigeneration system based on metal hydrides［J］．Applied Energy，2010，87（6）：2050－2061．

［2］冯志兵．可调回热燃气轮机冷热电联产系统热力分析［J］．发电设备，2009，23（2）：87－93．FENG Zhibing．Thermodynamic analysis of CCCP system with adjustable regenerative gas turbine［J］．Power Equipment，2009，23（2）：87－93．

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［4］李芳芹，魏敦崧．天然气热、电、冷三联产的热经济性的分析［J］．动力工程，2004，24（1）：143－146．LI Fangqin，WEI Dunsong．Thermal economy analysis of natural gas co－generation［J］．Power Engineering，2004，24（1）：143－146．

［5］冯志兵，金红光．冷热电联产系统的评价准则［J］．工程热物理学报，2005，26（5）：725－728．FENG Zhibing，JIN Hongguang．Performance assessment of combined cooling，heating and power［J］．Journal of Engineering Thermophysics，2005，26（5）：725－728．