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烟气余热复合供暖对生物质直燃发电系统性能的影响

2021-05-10李金平杨笑语黄娟娟王春龙

兰州理工大学学报 2021年2期
关键词:吸收式热电余热

李金平,杨笑语,张 博,黄娟娟,王春龙

(1. 兰州理工大学 西部能源与环境研究中心,甘肃 兰州 730050; 2. 兰州理工大学 甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室,甘肃 兰州 730050; 3. 兰州理工大学 西北低碳城镇支撑技术协同创新中心,甘肃 兰州 730050; 4. 兰州理工大学 能源与动力工程学院,甘肃 兰州 730050)

能源问题是社会的热点话题,随着社会的进步、人口的增长,人类对于能源的需求导致化石能源正在日益枯竭.2018年度我国对于煤炭的产量增加了8 200万吨油当量[1],大量使用煤炭发电、供暖,对于环境和资源的伤害是不可逆转的.国家在《生物质能发展“十三五”规划》中大力推广生物质发电,针对不同地区,因地制宜,发挥生物质的优势,并且将环保问题贯穿于生物质开发利用当中,所以如何高效合理的回收生物质燃烧后烟气中的余热成为一大问题.不仅因为余热回收潜力巨大,而且可以降低电厂的运行成本,从而实现节能减排.热泵[2]作为一种通过回收低品位热能或余热、废热,从而产生可供使用的热源的节能设备,在回收烟气余热、实现能量梯级利用方面具有极高的利用潜力.

Sarkis 等[3]提出了一种将生物质能和太阳能结合起来的新型发电系统,并与未加入太阳能的标准系统进行了建模和比较,从能源、、经济和环境的角度对系统的性能进行了评估,为生物质联合太阳能的发电系统提出了重要见解.聂勇等[4]研究表明:如果将天然气锅炉的烟气温度每降低10 ℃(高于烟气露点),锅炉的效率可以提高 0.5%;如果能够将燃气锅炉的排烟降到露点温度以下,每降低1 ℃,锅炉的热效率能够提高3.6%.李金平等[5]以Aspen plus软件建立了双效溴化锂吸收式热泵模型,并对热电联产余热利用方式进行了优化,结果每年可节约标煤12.45 t.Khalilzadeh等[6]针对风力发电所产生的余热联合饮用水供应不足和风能丰富的地区提出了一种集成系统,可以利用该系统为地区提供饮用水,并对系统进行了能量、以及经济性的分析.Wang 等[7]通过与热泵相结合的方式,对工业过程中产生的余热,利用Aspen Plus软件对该集成系统进行了分析,并比较了不同类型热泵在不同余热回收方案中的节能性和经济性,结果表明加入了热泵的系统能够拥有更好的热力学性能和经济性能.姜迎春等[8]提出一种吸收-压缩复合热泵系统用来回收工业工程中的低温烟气余热,利用Aspen Plus软件模拟了系统,分析了系统的效率.学者Zeghici等[9]针对罗马尼亚供暖中存在的问题,设计了一套用于区域供暖的复合系统,系统含有热泵以及新型储热系统,利用TRNSYS进行了仿真,结果表明,与旧区域供暖系统相比,一次能源消耗减少约43.56%,可以减少82%的CO2排放.裴玉萍[10]针对在新农村快速转型时清洁供暖方面所存在的问题,提出了将生物质能和空气能相结合的供暖方式,建立了一套生物质锅炉和空气源热泵相结合的系统,并建立了基于TRNSYS软件的复合供暖模型,进行了瞬时模拟计算和分析.

国内外对于烟气余热回收都有一定的研究,但实际中部分热电联产电厂对于烟气进行脱硫脱硝及除尘后,会对烟气进行直接排放,这将会浪费大量烟气中的余热.针对如何将烟气余热和热泵相结合进而为用户供暖的研究较少,所以本文在新型热电联产系统中提出一种复合供暖系统,将烟气余热与吸收式热泵和余热型热泵相结合,通过回收烟气余热为用户制取供暖用水.利用TRNSYS软件对系统进行了建模,分析了系统的稳定性,并从的角度对系统进行了分析,最后对比了一个采暖季时期复合供暖系统的各项效益.

1 新型热电联产系统介绍

图1所示为新型热电联供系统.该系统是由原生物质热电联产系统、吸收式热泵供暖系统以及水源热泵供暖系统三部分组成的.其中原生物质热电联产系统中主要是由进料仓、锅炉、汽轮机等组成,吸收式热泵供暖系统主要是由吸收式热泵和多个烟气-水换热器构成,水源热泵供暖系统是由水源热泵、烟气-水换热器构成.

1. 进料仓; 2. 输送机; 3. 汽包; 4. 锅炉; 5. 过热器; 6. 省煤器; 7. 空气预热器; 8. 送风机; 9. 高压加热器; 10. 除氢器; 11. 烟气冷却器; 12. 低压加热器; 13. 凝结水泵; 14. 凝汽器; 15. 汽轮机; 16. 发电机; 17. 除尘器; 18. 一级烟气换热器; 19. 二级烟气换热器; 20. 三级烟气换热器; 21. 四级烟气换热器; 22. 发生器; 23. 冷凝器; 24. 蒸发器; 25. 吸收器; 26. 压缩机; 27. 蒸发器; 28. 节流阀; 29. 冷凝器; 30. 集水器; 31. 分水器; 32. 热用户; 33. 循环水泵

生物质直燃锅炉产生的烟气进入吸收式热泵供暖系统中的一级烟气换热器,置换出的水作为吸收式热泵的驱动热源进入发生器,热网回水通过分水器直接进入吸收器,为二级烟气换热器提供水源.二级烟气换热器置换出的热水可以直接进入集水器,作为供暖用水.三级烟气换热器中换出的水作为吸收式热泵的低温热源进入蒸发器.烟气继续进入水源热泵供暖系统,通过四级烟气换热器,与水进行换热,升温后的水进入水源热泵的蒸发器,在热泵系统中进行二次升温,达到供暖温度后输送给热用户,完成整个系统.

2 复合供暖系统的构建及评价

文中以瞬时仿真模拟软件TRNSYS为平台,搭建了由生物质直燃锅炉、吸收式热泵供暖系统和水源热泵供暖系统组成的复合供暖系统.

2.1 系统的构建

基于TRNSYS模拟软件的复合供暖系统模型如图2所示,主要模块及功能见表1.

图2 基于TRNSYS的复合供暖系统模型Fig.2 Model of a composite heating system based on TRNSYS

表1 主要单元模块及功能

其中模拟初始值生物质锅炉设定参数为30 MW,产生烟气温度145 ℃,烟气流量152 387 m3/h,吸收式热泵机组的供回水温差设置为5℃.在完成对于模块的选取、参数的设置后,作出如下假设[11]:

1) 不计水泵热损失对于流体温度的影响;

2) 不计管道中流体对外的热损失;

3) 环境温度取自文献测量值,对全年的温度进行简化;

4) 系统产生的热量可以完全被负荷所利用;

5) 采暖时间为11月15日至次年3月15日.

2.2 性能指标计算

为了衡量在加入复合供暖系统后,与原热电联产系统相比系统性能指标的变化,对系统的余热回收率、节能率、综合能源利用率以及从的角度进行分析.

烟气余热回收效率:

(1)

式中:Q2为采用复合供暖系统回收的烟气余热量,kW;Q1为烟气总热量,kW.

节能率:

(2)

式中:Er为分布式冷热电能源系统的报告期能耗,kgce;Ea为分布式冷热电能源系统的校准能耗,kgce.

其中校准能耗为

Ea=P×eref,p+C×eref,c+H×eref,h

(3)

式中:P为分布式冷热电能源系统的报告期净供电量,kW·h;C为分布式冷热电能源系统的报告期总供冷量,kW·h;H为分布式冷热电能源系统的报告期总供热量,kW·h;eref,p为到达终端用户的供电能耗参照值,根据文献[12]取值320.86×10-3kgce/(kW·h);eref,c为供冷能耗参照值,取值为78.26×10-3kgce/(kW·h);eref,h为供热能耗参照值,取值为147.25×10-3kgce/(kW·h).

综合能源利用率:

(4)

式中:η为分布式冷热电能源系统的综合能源利用率;Ert为报告期能耗,kW·h.

(5)

式中:ei为燃料化学,kJ/s;B为每小时燃料量,kg/h;Qar为收到基低温热值,kJ/kg.

es=ef+ep+et

(6)

式中:es为锅炉的总损,kJ/s;ef为锅炉燃料燃烧损,kJ/s;ep为锅炉排烟损,kJ/s;et为锅炉传热损,kJ/s.

(7)

式中:eg为烟气所吸收的热量,为炉膛内燃烧平均温度,K;T0为环境温度,K.

式中:η为锅炉热效率,%.

(10)

式中:Qm为新型系统与原系统相比节省标准煤的质量,kg;Qc为复合供暖系统在采暖季提供的总热量,MJ;qm为标准煤的热值,取29.3 MJ/kg.

(11)

式中:CCOP为热泵的制热性能系数;Qh为热泵单位时间内制热量,kW;W为单位时间内消耗的功率,kW.

3 复合供暖系统的模拟及分析

3.1 TRNSYS模拟结果

1) 吸收式热泵蒸发器和冷凝器的供回水温差

通过Origin对输出结果整理后,得到在采暖季运行的吸收式热泵供暖系统中蒸发器和冷凝器的供回水温差,如图3所示.

图3 吸收式热泵蒸发器和冷凝器的供回水温差

从图3中可以看出,在复合供暖系统运行即采暖季时,吸收式热泵供暖系统中蒸发器和冷凝器的供回水温差大致呈现着相同的趋势.在开始采暖初期,由于外部环境温度较高,所以用户对于室内所需热量需求较少,从而供回水温差较低,随着气温的降低,用户对于热量需求加大,所以温差逐渐增大.

因为1月份是一年当中最冷的月份,所以在1月份时,用户的热需求量达到最大,同时供回水温差差值也达到最大.随着气温的回升,在采暖季的末期,用户对于热量的需求降低,蒸发器和冷凝器的供回水温差逐渐减小.在非采暖季,系统不运行时,供回水温差为0 ℃.

2) 制热量

图4是针对吸收式热泵供暖系统和水源热泵供暖系统在采暖季的制热量.图中是以开始供暖的0时为起点,结束供暖的24时为终点.

图4 吸收式热泵和水源热泵供暖系统的制热量Fig.4 Heating capacity of absorption heat pump and water source heat pump heating system

为了探究系统的稳定性,对吸收式热泵系统和水源热泵系统的制热量进行分析.从图4a可以看出,在采暖季时吸收式热泵系统的制热量在5 000~5 400 kW波动,其平均制热量如图4a中横线所示为5 193.27 kW.根据前期搭建的理论模型进行系统理论计算,吸收式热泵供暖系统制热量为5 383.46 kW,模拟结果与理论计算的误差在3.5%.从图4b中可以看出水源热泵系统的制热量在7 000~7 400 kW中波动,平均制热量为7 207.75 kW.理论计算时,水源热泵系统的平均制热量为7 415.51 kW,模拟结果与理论计算的误差在2.8%.因此也可以说明,当处在采暖季时,新型热电联产系统中的复合供暖系统运行稳定,大多数时刻可以满足用户所需供热量,并且与传统供暖系统相比,稳定性较好.

3) 吸收式热泵和水源热泵的CCOP

针对吸收式热泵和水源热泵的性能系数CCOP,由图5可以看出,从采暖季开始到结束,复合供暖系统中的吸收式热泵和水源热泵的运行稳定,两者的CCOP也呈现出较为平缓的趋势.从图5中水源热泵的运行曲线可以看出,水源热泵的CCOP在4.3上下波动,其平均值为4.32.在吸收式热泵运动曲线中,排除个别点后,其CCOP也较稳定,均在1.7上下波动,平均值为1.61.由此说明在整个采暖季,新型热电联产系统中的吸收式热泵和水源热泵运行良好且稳定,可以持续稳定输出热量提供给热用户.

图5 吸收式热泵和水源热泵的COP

3.2 新型热电联产系统系统分析

表2 新型热电联产系统分析

Tab.2 Exergy analysis table for new cogeneration system

表2 新型热电联产系统分析

名称/(kJ·s-1)所占比例/%输入化学60 501.39100.00燃烧过程损失13 261.6121.92传热过程损失12 094.2319.99排烟过程损失9 075.2115.00换热器总损失115.750.19吸收式热泵系统283.800.47水源热泵系统352.710.58输出25 318.0841.85

图6 吸收式热泵和水源热泵各部件损图

4 复合供暖系统对生物质直燃热电联产系统的影响

4.1 节能效益

在加入复合供暖系统后,与原生物质直燃热电联产系统进行比较,如图7所示.其中系统节能率由22.4%提高到27.6%,系统综合能源利用率由81%提高到88.8%,烟气回收利用率由65.9%提高到81.4%.可以看出,复合供暖系统的加入对于烟气余热回收以及系统性能指标有着积极作用.

图7 系统性能指标对比Fig.7 Comparison of system performance indexes

4.2 减排效益

经计算可得,在加入复合供暖系统后,新型热电联产系统与未对烟气余热进行回收的原热电联产系统相比在一个采暖季可以节约标煤6 416.53 t.根据文献[14]可以计算出,在一个采暖季,复合供暖系统的节能减排效果见表3.

表3 污染物减排量

4.3 供暖效益

在供暖季,当复合供暖系统稳定运行时,新型热电联产系统与原热电联产系统相比,可以稳定为外界额外输出 12 799.87 kW的热量.根据[15]《城镇供热管网设计规范》(CJJ34—2010)可以得到,针对不同的建筑物类型采暖热指标是不同的.选取了住宅(40 W/m2)、学校(60 W/m2)、大礼堂(130 W/m2)三种分别作为小型、中型以及大中型建筑类型的代表进行计算,计算结果见表4.

表4 不同建筑类型的供暖面积

5 结论

针对生物质直燃电厂烟气中存在大量余热难以回收利用的问题,提出了一种新型热电联产系统.在该系统中搭建了以生物质直燃锅炉燃烧产生的烟气为热源,吸收式热泵和水源热泵相结合的复合供暖系统,对烟气余热展开利用,并通过TRNSYS软件对系统进行了建模和模拟,同时对系统进了分析和效益分析得出以下结论:

1) 新型热电联产系统中复合供暖系统在一个采暖季可以稳定运行,向用户持续不断的输出热量;吸收式热泵的冷凝器和蒸发器的供回水温差在采暖季随着室外温度的变化发生着变化,呈现着先增大后减小的趋势;复合供暖系统中吸收式热泵供暖系统和水源热泵供暖系统的制热量均处在一个较稳定的状态,两者中吸收式热泵的制热性能系数稳定在1.7,而水源热泵的则稳定在4.3.

3) 在加入复合供暖系统后,新型热电联产系统每采暖季可节约标煤6 416.53 t.与未回收烟气余热的原生物质直燃热电联产系统相比,加入回收排烟余热后,系统烟气余热回收利用率提升了15.5%,节能率提升了5.2%,综合能源利用率提升了7.8%.CO2减排量为16 682.98 t,SO2减排量为128.33 t,NOx减排量为449.16 t.新型热电联产系统在稳定运行情况下,与原热电联产系统相比,可额外为不同类型的建筑提供相应的供暖面积.

致谢:本文得到兰州理工大学红柳一流学科方向项目(0807J1)的资助,在此表示感谢.

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