回收余热的冷热电联供优化研究

吕 太，姜 玥，崔伟峰

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网大连供电公司，辽宁 大连 116001)

热电联供将高品位的蒸汽用于发电，汽轮机的抽汽或背压蒸汽用于供热，实现了能源的梯级利用，同时避免了汽轮机排放的冷凝热对环境造成的热污染[1～2].但是，热电联供的前提是要有足够的热负荷，对于包含采暖热负荷或以采暖为主要热负荷的供热机组，冬夏用汽不均衡，在夏季热电机组的发电量受到用汽负荷的限制，不仅发电量减小，而且单位发电量的煤耗增大，使热电联供的效益不能充分发挥出来[3～4].为此，将热电联供与溴化锂吸收式制冷技术结合起来，使热电厂在生产、供应热能和电能的同时，也生产供应冷能，实现冷热电联供[5～6].

单纯从能源利用效率来讲，以热制冷并不节能[7～9].但如果用热制冷结合热回收制冷系统冷凝热，则一定是节能的.本文针对热电厂提出冷热电联供+换热器回收余热方案、冷热电联供+热泵回收余热、冷热电联供+换热器与热泵结合回收余热三种方案，并对有热回收的冷热电联供三种方案与热电联供+电制冷的方案应用混合层次关联分析法进行了综合评价.

1 冷热电联供方案设计

1.1 热电联供+电制冷方案

热电联供+电制冷方案流程，如图1所示.其流程为锅炉排出的蒸汽在汽轮机膨胀作功，带动发电机发电，汽轮机的出口蒸汽供给热用户以实现供热.发电机发出的电力送至电网，一部分驱动制冷机制取冷量，锅炉除盐水则由汽轮机的背压蒸汽混合加热至65 ℃.

1.2 冷热电联供+换热器回收余热方案

冷热电联供+换热器回收方案流程，如图2所示.锅炉出口蒸汽先通过汽轮机带动发电机发电以实现供电；汽轮机出口的背压蒸汽一部分给热用户以实现供热；另一部分的背压蒸汽经过Libr吸收式制冷机制冷，通过冷媒水将冷量带给冷用户以实现供冷.溴冷机的余热回收：不用热泵，除盐水直接进入溴冷机的吸收器与冷凝器被加热，后将汽轮机的背压蒸汽与从溴冷机排出的锅炉除盐水混合，使得锅炉除盐水被加热至65 ℃.

图1 方案一系统示意图 图2 方案二系统示意图

1.3 冷热电联供+热泵回收余热方案

冷热电联供+热泵回收余热方案流程，如图3所示.此方案与方案二区别是利用热泵回收溴冷机冷凝热，冷却水进入溴冷机带出低品位热能后冷却水全部进入热泵的蒸发器加热除盐水，同时热泵消耗电能，使除盐水温度从26 ℃加热至65 ℃，从而减少加热除盐水的背压蒸汽消耗量.

图3 方案三系统示意图 图4 方案四系统示意图

1.4 冷热电联供+换热器与热泵结合回收余热方案

冷热电联供+换热器与热泵结合回收余热方案流程，如图4所示.此方案是换热器与热泵结合回收溴冷机冷凝热.溴冷机的余热回收：冷却水将溴冷机所排出的热量带出后冷却水分两路，一路进入换热器先加热除盐水从26 ℃至36 ℃；另一路进入热泵的蒸发器将热量带入热泵以继续加热除盐水，使除盐水从36 ℃加热至65 ℃，从而减少加热除盐水的背压蒸汽消耗量.

2 冷热电联供方案综合评价

2.1 比较指标

一个方案是否合理，从该方案是否经济、节能等角度来分析.从经济角度考虑，用投资回收期来评价.从节能角度考虑，一个是从能量的量的角度，一个是从能量的质的角度.从能量的数量角度考虑，本文是用能量的综合热利用率来分析，从能量的品质角度是用效率来比较，从系统维护方面用维护方便性指标.本文采用投资回收期、综合热利用率、效率、维护方便性四个指标对上述四个方案进行综合评价、分析[10].

2.2 多层次评价结构

冷热电联供多层次评价结构分为3个层次，如图5所示.

图5 层次网络示意图

(1)目标层，即冷热电联供综合评价指标.

(2)指标层，即涉及各个方案的定量和定性指标.选用投资回收期、综合热利用率等四个指标.

(3)比较层，即不同的方案一、方案二、方案三、方案四.

2.3 评价指标权重的确定

表1 各指标权重

表2 判断矩阵

2.4 制冷量为580 kW时综合评价

本冷热电三联供系统设计中，汽轮机组取某热电公司将要投产运行的1.2万千瓦背压机组，供热量86.5 t/h，制冷机组选用SXZ8-580双效溴化锂制冷机组.计算中所用部分参数分别取自于该热电公司的实测数据和所选溴冷机参数制冷量为580 kW，对各个方案进行计算，所得结果如表3～表5所示.

表4 制冷量580 kW下各个方案的火用效率

表5 制冷量580 kW下各个方案的投资回收期

四个方案的维护方便性依次是：优、良、中、中.

由表3数据经过评价指标量化、确定参考数列、指标集无量纲化处理得到评价矩阵E1：

综合评价结果矩阵为

从综合评价结果可以看出，当制冷量为580 kW，各方案的优先次序为方案二>方案四>方案三>方案一.回收余热的三种冷热电联供方案均优于热电联供+电制冷方案，不用热泵直接换热器回收的方案二为最优方案，由于这时制冷/供热比比较小，溴冷机排除的余热也较少，26 ℃的除盐水可以直接把部分热量带走，这时不用热泵，投资运行费用低，而余热可以完全利用掉，所以这时方案二为优选方案.当制冷/供热比增加，溴冷机排除的余热量增多，这时通过换热器带走余热的方案二不能完全回收余热量，方案二就不一定为优选方案.

2.5 制冷量为2 320 kW时综合评价

制冷量为2 320 kW时冷热电联供评价指标的因素值，如表6所示.

表6 制冷量为2 320 kW热电冷联供评价指标的因素值

评价指标量化、确定参考数列、指标集无量纲化处理得到评价矩阵E2：

综合评价结果矩阵为

当制冷量为2 320 kW时，各方案的优先次序为方案四>方案二>方案三>方案一，则优选方案为方案四.

由上述的比较可以看出，方案二与方案四较好.当制冷量为580 kW时，方案二要优于方案四，此时的供冷供热比较小，对于一台580 kW(50万大卡)冷量的双效溴冷机组，如果除盐水的进口温度为26 ℃，那么可以加热的最大除盐水量约为86.5 t/h，此时溴冷机排出的余热完全被利用，但随着供冷供热比的增大，方案二除盐水直接回收不了溴冷机排出的所有余热，于是溴冷机余热的利用率就会逐渐降低，而方案四在增大供冷供热比时，利用热泵能有效的回收溴冷机排出的全部余热.所以，在制冷量为2 320 kw时，方案四优于方案二.下面对方案二与方案四进行不同制冷量下的比较，分析在不同负荷情况下方案二与方案四的热经济性，以进一步确定三联供系统的设计方案.

2.6 不同制冷量下方案的比较

表7 不同供冷供热比下方案比较的结果

图6 不同供冷供热比下单位冷量收益 图7 不同供冷供热比下综合热利用率图8 不同供冷供热比下综合热利用率 图9 不同供冷供热比下效率

3 结 论

本文提出冷热电联供+换热器回收余热、冷热电联供+热泵回收余热、冷热电联供+换热器与热泵结合回收余热方案，对有热回收的冷热电联供三种方案与热电联供+电制冷的方案进行了综合评价，得到了以下结论：

(1)当制冷量为580 kW时，溴冷机排除的余热较少，除盐水可以直接把这部分热量全部带走，这时不用热泵，投资运行费用低，而余热可以完全利用掉，方案二为优选方案；

(2)当制冷量为2 320 kW时，通过换热器的余热回收方案不能完全回收溴冷机的冷凝热，换热器与热泵结合回收冷凝热的冷热电联供的方案四为优选方案；