燃气冷热电三联供系统热力学性能研究

杨明亮，田贯三，2，3*，邢红鹏，周延华

（1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2.山东建筑大学可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室，山东济南250101；3.山东建筑大学山东省可再生能源建筑应用技术重点实验室，山东济南250101；4.华润燃气（郑州）市政设计研究院有限公司，河南郑州450006）

燃气冷热电三联供系统热力学性能研究

杨明亮1，田贯三1，2，3*，邢红鹏4，周延华4

（1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2.山东建筑大学可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室，山东济南250101；3.山东建筑大学山东省可再生能源建筑应用技术重点实验室，山东济南250101；4.华润燃气（郑州）市政设计研究院有限公司，河南郑州450006）

热力学性能是评价燃气分布式能源系统性能的核心和基础，同时对其他的技术性能指标也会产生影响。文章引进一种新的思路重新定义折合发电效率，结合相对节能率和节能系数组成评价模式从能量“质和量”的角度共同评价联供系统的热力学性能，阐明了机体散热和烟气逸漏、过剩空气系数、燃气不完全燃烧等因素对联供系统的热力学性能的影响机理。结果表明：经重新定义的折合发电效率与相对节能率和节能系数的组合评价模式用来评价联供系统的节能性和热力学性能更加准确；通过改善机体材料和密封泄漏处来降低机体导热系数和系统逸漏系数，维持机体燃气燃烧过剩空气系数为1.08～1.12，控制燃气燃烧炉膛温度在1800℃左右和分解物质的分压力在0.3 MPa以上，这些措施都可以提高系统的热力学性能。

热力学性能；相对节能率；过剩空气系数；能级系数

0 引言

评价热力学性能时，基于热力学第一定律的评价指标中，能源利用率以系统输出电能、热能和冷能的代数和与输入系统的一次能源能量比值作为研究思路［1］；相对节能率和节能系数是指相对于分产系统，当联供系统也满足相同的能量需求时联供系统比分产系统节约的一次能源的数量和比例关系［2］；这两种评价指标因没有区分能量的能级品位而评价不够全面，不能准确体现能量的梯级利用关系。基于热力学第二定律的评价指标中，效率从能量的“质和量”综合考虑三种能量的品质，但是这种权重系数的衡量标准不尽相同；折合发电效率将联产系统的好处都归于电这一种好处，往往会脱离实际［3］；廖春晖等和Szklo等介绍了国外对当量供热效率定义思路，但是定义思路不尽相同，没有形成统一标准［4－5］。热力学性能的影响因素也因系统的复杂而变化多端。李壮论述了内燃机和燃气轮机两种典型的燃气分布式能源的负荷率、负荷比、补燃量、购买市电量，对内燃机和抽气量、抽气段数、蒸汽轮机容量的热力学性能影响［6］。杨承等分析了负荷比、供热（冷）系数、蒸燃比、环境温度等通用因素对能源利用率的影响［7］。学者们分析了温比、压比、换气、转速等方面对热力学性能的影响［8－9］。

在热力学性能的评价指标中，文章采用重新定义的折合发电效率结合相对节能率和节能系数共同来评价联供系统热力学性能，其中相对节能率和节能系数可以弥补系统工艺流程差异、热力学第二定律评价指标的不足，重新定义的折合发电效率能够体现能量的品位差异和梯级利用关系，二者结合可以更全面科学的评价联供系统的热力学性能［4－5］。在热力学性能的影响因素研究中，文章着重于从机体散热和逸漏热损失、过剩空气系数、燃气不完全燃烧等方面对燃气的热力学性能影响进行研究分析，旨在为改善热力学性能提出改进措施。

1 热力学性能常用评价指标

燃气冷热电联供系统能量流程示意图如图1所示。

图1 燃气冷热电联供系统能量流程示意图

基于图1的分析，热力学性能计算综合表达式（1）［7，10］为

式中：Qp为联供系统输出电量，kW；Qc为联供系统输出冷量，kW；Qh为联供系统输出热量，kW；BCCHP为联供系统燃气消耗量，N·m3／s；Hu为燃料低位热值，kJ／（N·m3），α、β分别表示冷和热的能级系数。

1.1 能源利用率

能源利用率示意图如图2所示，当α和β均为1时，式（1）反映了各种形式能源输出总量与输入能源总量的比值称之为联产系统的能源利用率；该指标没有考虑到能量品位和系统工艺流程的差异，不能体现出能量梯级利用的关系。

图2 能源利用率示意图

图3中，考虑到系统输出冷和输出热的品质，当α和β表示输出冷能和热能的能级系数时，α·Qc和β·Qh表示输出的冷能和热能的做功能力，则式（1）表示为的效率ηec，该指标虽然体现出能量做功能力的差异，但是能量权衡系数确定没有统一的标准。

图3 联系系统效率示意图

1.3 相对节能率和节能系数

选择通用分产系统作为参照系统，一次能源节约率示意图如图4所示，产生相同冷热电负荷时燃气联供系统和常规分产系统在消耗一次能源上的差异可用相对节能率和节能系数表示。相对节能率是以参照系统的输入能量为基准，节能系数是以联产系统的输入能量为基准。相对节能率在反映热力学性能时，不便于分析系统优劣的原因，为此用节能系数进行评估。节能系数和相对节能率正相关，增加均表示联产系统的节能更有优势。该指标虽然没有考虑到能量的品位差异，但是其可以解决联供系统工艺流程差异、能量需求差异和权衡系数无法统一等造成评价效果的不足。

图4 一次能源节约率示意图

对于联供系统而言，一次能源消耗量由式（2）表示为

式中：QCCHP为联供系统中的一次能源消耗量，MJ；ηp（CCHP）为联供系统中的发电效率，%；

对于分供系统而言，一次能源消耗量由式（3）表示为

式中：QFp、QFh、QFc分别表示分供系统提供电能、热能和冷能所需的一次能源消耗量，MJ；QF为分供系统中的一次能源消耗量，MJ；ηFp为火电厂发电效率，%；ηFh为锅炉供热效率，%；COP为电压缩式制冷机的性能系数。

考虑到联供系统的设备配置与现实负荷需求的不匹配性，当采用“以电定热”的方式进行系统设计时，冷热不足时一般通过补燃方式进行补充热或冷量。相对节能率由式（4）［11］表示为

节能系数由式（5）［12－13］表示为

1.4 折合性能指标

折合发电效率示意图如图5所示。当能源动力系统存在多种形式的产品输出时，假定其中几种产品的能量转换利用性能指标和参照的分产系统相同时，推导出剩下一种产品的能量利用性能指标就称为联产系统的折合性能指标［3］。例如，假定联产系统中冷量和热量输出的能耗与参照的分产系统相同时，推算得到的发电效率就称为联产系统的折合发电效率。指标将联产系统的好处归为其中的一种分产系统，其使用条件限制性大。折合发电效率用式（6）表示为

式中：ηPz（CCHP）为联供系统的折合发电效率；ηFc＝Qp·ηFp为电压缩式制冷机的制冷效率。

1.5 新定义的折合发电效率

在CCHP联供系统中，综合考虑能量转换所需的传热温差和经济性，高品位热能首先用来发电，中品位热能用来制冷和供热，低品位热能用来供热（采暖）。电能作为高品质、应用广泛的典型能量，本文以电能为基础，引进一种新的思路重新定义折合发电效率，即把联供系统提供的热能和冷能按照一定的比例折合为电能，与实际生产的电能相加，然后与相应的一次能源总能量相比，计算出CCHP系统的折合发电效率。

图5 折合发电效率示意图

电能、热能和冷能能级品位的不同，使得同种类同数量的一次能源转化为三种能量的效率有很大差异，该效率还受到系统工艺流程和设备种类的影响。将需要的热能和冷能按分产系统供热和制冷效率求出各自需求的一次能源量，然后用这些能源用来发电，根据发电效率求出应该得到的电能，这样就把热能和冷能折合成电能，因此，折合系数定义为分产系统中，相同条件下的一次能源转化为电能和热能的效率比，转化为电能和冷能之间的效率比。例如，分产系统中用燃气直接发电的平均效率为ηFp，燃气直接供热效率为ηFh，先用燃气用来发电再用电压缩式制冷机进行制冷的效率为ηFc＝FFp·COP，折合发电效率定义用式（7）表示。该指标考虑到能级品位差异和各种能量的做功差异，体现出了能量的梯级利用关系。

式中：ηEEE表示重新定义的折合发电效率。

2 热力学性能影响因素

联供系统的效率会随着负荷率的增加而增大，所以应尽量在满负荷条件下；环境温度越高，系统所处的海拔越高，空气密度就会越小，热力学性能会降低；由节能系数计算公式可知，补燃率和购买市电量越高，联供系统热效率越低。以燃气内燃机为动力系统的的联供系统，压缩比越高，发动机的效率越高，但是压缩比过大，压缩终了温度过高而损坏气缸和活塞。对于燃气轮机驱动的冷热电联供系统，总效率和一次节能率都随着抽气量的增加而降低［6］；在实际循环中，热效率会随着压比的增大先增大后减小，会随着压气机效率和透平效率的增大而增大［8，14］。文章从散热损失、过剩空气系数、燃气不完全燃烧等因素对不同动力系统下燃气联供系统的热力学性能影响进行研究。

图6 某联供系统热力学性能指标随负荷率、环境温度和补燃率的变化图

2.1 机体的散热和逸漏

机体热损失所包含的具体项随着机体的不同而不同，一般情况下包括：机体的散热损失和烟气逸漏的热量。对于连续工作的燃气轮机或者内燃机，机体的散热可以看作稳态传热，散热损失计算式（8）为

式中：Qbr为机体的散热，k J／h；Fbr为机体的散热面积，m2；t3为炉子的内表面温度，℃；t0为炉子周围的空气温度，℃；δ1、δ2分别为耐火材料的厚度和绝热层厚度，m；λ1，λ2分别为耐火材料和绝热材料的导热系数，k W／（m·K）；壁外表面与空气之间的热阻（壁外表面与空气之间的传热系数为118.6W／（m2·K），取值0.054。

烟气逸漏热量损失可以根据烟气逸漏量和烟气的比热进行求得，烟气逸漏量可以由式（9）表示为

式中：Ldo为缝隙或开口的烟气逸漏量，N m3／h；H、b分别为逸漏处零压线以上的高度和宽度，m；t为逸漏处烟气温度，K；μ为逸漏系数，薄墙的逸漏系数为0.6，而厚墙的逸漏系数为0.8；ρa，ρt分别为逸漏处外围空气密度和逸漏烟气温度下的烟气密度，k g／m3。

逸漏散热损失式由式（10）表示为

式中：Qdo表示逸漏散热损失，K J；tdo为逸漏烟气的温度，℃；cdo为逸漏烟气温度下的定压比热，k J／（N m3·K）。

单从热力学性能而言，改善机体材料，降低机体材料的导热系数；增加机体耐火材料和绝热层材料的厚度；减小机体的体积和散热面积；对机体进行密封，降低逸漏系数，会提高联产系统的热力学性能。

2.2 过剩空气系数

过剩空气系数是影响燃气燃烧的重要参数，是制约联供系统热力学性能的重要影响因素，对燃烧设备的设计制造具有重要意义。从化学动力学的角度而言，当过剩空气系数为1时，燃烧过程进行的速度最快，也最容易使反应进行彻底，过大或过小都不利于燃烧过程的进行，应当采取适当的措施进行改善。

联供系统中动力系统的燃烧室效率可由式（11）表示为

式中：α为过剩空气系数；L0为理论空气量，k g空气／k g燃料；htgg、htff、htaa分别为燃气、烟气和空气在各自温度tg、tf、ta下的比焓值，J／k g；ηb表示动力系统的燃烧室效率。

由式（11）可知，在烟气比焓大于空气比焓条件下，燃气的燃烧效率会随着过剩空气系数的增大而增大，由此也会使得联产系统的能源利用率增大。

燃气燃烧的理论燃烧温度可由式［15］（12）表示为

式中：Hl为燃气低热值，k J／N m3干燃气；Qm为化学不完全燃烧损失的热量k J；ca、cg、cH2O分别为空气、燃气、水蒸气的定压容积比热，k J／（N m3·K）；da为空气的含湿量，k g／N m3干空气；tg、ta分别表示燃气与空气温度，℃；dg为燃气的含湿量，k g／N m3干燃气；VRO2、VH2O、VN2、VO2分别表示每标准立方米干燃气完全燃烧后所产生的三原子气体、水蒸气、氮、氧的体积，k g／N m3干燃气；CRO2、CH2O、CN2和C O2分别表示三原子气体、水蒸汽、氮、氧的平均定压容积比热，k J／（N m3·k）；VO表示理论空气需要量，m3干空气／m3干燃气。

由上式可以看出，在过剩空气系数小于1时，燃气由于不完全燃烧使燃烧温度降低，随着过剩空气系数的增加燃气燃烧温度会增大，但是过剩空气系数过大致使生成的烟气量增加，分母扩大，理论燃烧温度降低。因此要想使得联供系统有较高的效率，要在保证完全燃烧的前提下尽量降低过剩空气系数。过剩空气系数的确定可以根据烟气分析的结果确定，并做到及时检查和调节，使其符合燃烧的经济性。

当燃气完全燃烧时，过剩空气系数的确定可由式（13）表示为

式中：α表示过剩穿气系数；N′2、O′2、R O′2分别表示为干烟气中氮气、自由氧和三原子气体（C O2和S O2）的容积成分；N2、C O2、C O、CmHn、H2S分别表示为燃气中氮气、二氧化碳、一氧化碳、碳氢化合物和硫化氢的容积成分。

当燃气不完全燃烧时，过剩空气系数的确定可由式（14）表示为

式中：C O′、C H′4分别表示为干烟气中一氧化碳和甲烷的容积成分。

利用（14）式，只要测得燃气和烟气的成分，就可以计算出不完全燃烧时过剩空气系数。

2.3 燃气不完全燃烧

燃气的不完全燃烧损失可以分为化学不完全燃烧损失、物理不完全燃烧损失（表现为燃气中未被燃烧的碳颗粒）和高温热分解损失［12］。任何热损失都会降低联供系统的热力学性能，本模块重点探讨不完全燃烧的原因及改善措施。不完全燃烧的原因可以分为动力系统的设计缺陷和燃烧应用不当，具体表现为燃气与空气混合不均匀、空气量不足、火焰温度下降、排烟不充足等因素［16］。燃气的物理化学不完全燃烧主要是助燃剂的不足或与燃气的混合不均匀产生的，可以通过过剩空气系数的调节进行改善。当燃烧温度为1500℃、烟气中C O2等于10%时，其分解比例也就0.7%，水蒸气的分解量更小，所以分解消耗的热量也就很少；当温度低于1500℃时，分解影响就可以忽略不计了。当温度大于1800～2000℃时，分解就明显增强，其反应式可以表示为

由图7和理论燃烧温度公式可得，高温分解损失会随着理论温度的升高而快速增加，降低联供系统的热效率。因此，要想提高联供系统的热效率，考虑到动力系统设备的构件承受能力和高温分解热损失，燃烧温度不能无限的增大，并且应该尽量的将生成的烟气及时排出做功。

3 工程实例应用

燃气冷热电三联供系统的热力学性能优势主要体现在与分产系统的对比上。冷热电三联供系统是利用一种形式的一次能源同时生产冷量、热量和电力三种不同形式的能量来满足用户需求的技术，其主要包括驱动、发电、供热、制冷和控制五大系统；分产系统作为现阶段传统的供能方式，主要以火力发电供电、燃煤燃气锅炉供热、电压缩式制冷机制冷为主来满足用户用能需求的方式。与分产系统相比，联产系统直接与终端用户融合，提高了能源供应的安全性和可靠性，实现能源的梯级利用，具有一定的环保效益和调峰性能，有效做到能源优势互补。

图7 C O2和H2O的分解程度与温度和分压力的关系图

以济南某单位控制中心大楼为例，其全年基本参数见表1，三联供系统类型为燃气内燃机＋补燃型溴化锂机组联合循环，其工艺流程如图8所示，按照“以电定热”的原则，以电75%作为基本负荷进行机组选型，不足的电能由电网补充，不足的冷和热经溴化锂机组经过补燃的方式进行补充。若采用分供系统达到相同的需求，采用传统的燃煤发电厂进行供电，燃煤锅炉进行集中供热，电压缩式制冷机进行制冷，其参数如表2所示。

图8 联产系统系统工艺图

表1 基本负荷信息

表2 联供系统和参照的分供系统基本信息

由表1和2可知，全年电负荷总计为11493792MJ，冷负荷总计为8059392 MJ，热负荷为8414280 MJ；联供系统总燃气消耗量（包括补燃和购买市电折合后）为1278000 m3，输入联产系统总能量42813000 MJ；分产系统总燃气消耗量为1431761 m3，输入分产系统的总能量为47963993.5 MJ。根据式（1）得联供系统发电效率为26.85%，制冷效率为18.82%，供热效率为19.65%，能源利用率为65.32%，低于系统厂家提供该机型的能源利用率73.12%，但是高于分产系统下能源总利用率58.31%。与纯常规分产系统供能方式相比，联供系统全年节省燃气153761 m3，相对节能率经计算为10. 74%，节能系数为0.12，低于纯联供系统供能方式下的相对节能率和节能系数，这是因为该系统有补燃和购买市电，相当于该供能系统中是以联供系统为主，常规分产系统为辅的供能方式，降低了联供系统热力学性能参数。根据式（6），求得联供系统的折合发电效率为42.29%，要远大于分产系统的发电效率35%，但是小于分产系统能源总利用率58.31%，这是由于电的能级品质要高于冷和热。根据式（7），求得联供系统的新定义折合发电效率为39.63%，要大于联供系统的纯发电效率26.85%和分产系统发电效率35%，小于折合发电效率42.29%，这个结果能充分说明连供系统在能源利用效率上更有优势，同时也弥补折合发电效率将好处全部归为电的弊端。

4 结论

通过上述研究可知：

（1）文章引进了一种新思路定义的折合发电效率，将其与相对节能率和节能系数组合共同评价联供系统的热力学性能，把热力学第一定律和第二定律结合共同展开评价，解决了能源利用率忽略能级品位和工艺差异的不足，弥补了折合发电效率原有定义思路的片面性，体现了联供系统的能量梯级利用和节能优势。

（2）机体散热和烟气逸漏会降低联供系统的热力学性能，通过改善机体材料保温性能、表面覆盖保温材料、对机体孔隙泄漏处进行密封等方式减少机体散热和高温烟气泄漏。

（3）过剩空气系数影响燃烧温度和烟气排放量，过大会增加烟气排放量带走更多的能量，过小会使燃气不充分燃烧使得化学能转化热能不充分，都会降低系统性能，通过烟气成分分析和燃烧过程实际需求进行确定、调节；燃料物理和化学不完全燃烧可以通过提高过剩空气系数和燃料空气的混合均匀程度进行改善，原则上过剩空气系数应当是在保证完全燃烧的前提下尽量降低，文章建议过剩空气系数可以为1.08～1.12；高温热分解损失可以通过调节炉膛燃烧温度和分压力进行抑制，当控制炉膛温度为1800℃左右，分解物分压力为0.3 MPa以上时均可以有效提高联供系统的热力学性能。

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（学科责编：吴芹）

The study of thermodynam ic performance of gas CCHP system

Yang Mingliang1，Tian Guansan1，2，3*，Xing Hongpeng4，et al.
（1.School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Building，Ministry of Education，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.Shandong Provincial Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Building，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；4.Huarun Gas（Zhengzhou）Municipal Design Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou 450006，China.）

Thermodynamic performance is the core and foundation to evaluate the gas distributed energy system，which will also affect other technical performance indicators.This paper introduces a kind of new train thought to redefine conversion efficiency combined with relative energy saving rate and coefficient of energy conservation from the perspective of energy“quality and quantity”and verify some indicators，making up for shortcomings of energy efficiency and conversion efficiency intrinsically.The article focuses on researching the body heat and smoke from leakage，excess air coefficient and incomplete combustion gas affecting thermodynamic performance.Results show that the redefined conversion efficiency and relative energy saving rate and coefficient of energy conservation are accurate and scientific.Reducing the coefficient of thermal conductivity and escape and leakage coefficient by improving the bodymaterials and seal leak，keeping the coefficientof excess air as1.08－1.12，controlling combustion temperature under 1800℃and decomposition's partial pressuremeasures as 0.3MPa can make the body has high thermodynamic performance.

thermodynamic performance；primary energy-saving rates；excess air coefficient；coefficient of energy

TU996

A

2015－09－11

国家“十二五”科技支撑计划项目（NO2012BAJ15B05）

杨明亮（1988－），男，在读研究生，主要从事动力工程等方面的研究.E-mail：1042146055＠qq.com

*：田贯三（1963－），男，教授，博士，主要从事燃气输配及应用等方面的研究.E-mail：tgs4170＠sdjzu.edu.cn

1673－7644（2015）05－0445－07