典型煤基多联供系统对比研究

张 磊，程上方，张俊杰，李 博，石 赜

（1.国能国华（北京）电力研究院有限公司，北京 102209； 2.国家能源集团新能源技术研究院有限公司，北京 102209； 3.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西 西安 710049）

目前，煤炭在我国的能源结构中仍然占据支 柱地位。截至2019年，我国煤炭的年消耗量约 40亿t，占一次能源总消费量的57.7%[1]。同时，为了解决以煤炭为代表的化石能源燃烧所造成的温室气体排放问题，我国政府提出“碳达峰、碳中和”目标，对煤炭的清洁高效利用提出了更高的要求[2]。因此，在充分保证社会生产生活能源供应的前提下，开发新型的清洁高效煤炭能源综合利用系统有着十分重要的科学意义和现实意义。

近些年来，多联供能源系统因其可以精确匹 配用户的多种能源需求，同时可以实现很高的热 效率，在世界范围内得到了广泛的应用。国内外文献[3-8]中提出多种以天然气为燃料的多联产系统，并采用热泵、储热装置等提高系统的综合能源效率。除稳态性能分析之外，文献[9-13]详细分析了天然气多联产系统的变工况性能，探究系统在不同负荷条件和环境条件下的性能变化。文献[14-18]考虑了多联产系统的经济性和污染排放特性，从能量效率、经济收益、环境影响等多角度探究系统的综合性能，并提出了相应的管理策略。综合以上文献的数据和结论可以得出，多联供系统的性能明显优于分产系统，大力发展多联供系统可以取得明显的社会效益和经济效益。上述系统主要是基于天然气的多联供系统，考虑到我国“富煤、贫油、少气”的资源禀赋，开发煤基多联供系统具有重要意义。

煤基多联供系统主要有2条技术路线：1）基于煤气化的燃气蒸汽联合循环技术；2）基于高效煤粉炉和高效背压机的多联供技术[19]。虽然有诸多文献证明煤气化技术路线具有较高的热效率和经济性[20-24]，但其系统结构复杂、初投资要求很高，且相关技术仍然处于开发阶段，一般适用于大型集中式多联供系统。相比之下，第2条技术路线的技术成熟、投资较低、灵活性高，可以适应各种规模的负荷需求，更加符合分布式多联供系统的要求。文献[25-28]已经对基于高效煤粉炉和高效背压机的多联供技术进行了初步分析，并揭示了此类多联供系统性能的优越性。

然而，前人文献大多是对某种设计方案的计算和分析，缺乏对多种不同结构的系统方案的综合对比。因此，本文基于高效煤粉炉和高效背压机的多联供技术，搭建4种热电联供系统和4种冷电联供系统，深入剖析煤基多联供系统在不同运行模式下的优势和不足；进一步对比煤基冷热电联供系统和分产系统、天然气冷热电联供系统的热力学性能，指出煤基多联供系统的独特技术优势和工程前景。

1 煤基多联供系统技术方案

多联供系统一般为建筑物或园区提供冷、热、电等多种形式的能量。一般而言，供热和供冷的需求不会同时出现。因此，为了更清楚地分析多联供系统的性能表现，本文将多联供系统拆分为热电联供系统和冷电联供系统，分别进行讨论。

本文依托自主开发的TPIS软件平台，对工业锅炉、背压式汽轮机和吸收式制冷机/热泵等关键设备进行了建模，并对多种典型多联供系统进行了模型搭建和对比分析。

1.1 煤基热电联供系统技术方案

集中供暖的供热站供水温度约90～120 ℃[29]，本文取105 ℃。以此为基准，建立了4个煤基分布式热电联供方案：

方案1 采用传统燃煤工业锅炉直接供暖；

方案2 采用蒸汽工业锅炉+背压式汽轮机直接供热；

方案3 采用蒸汽工业锅炉+背压式汽轮机+单效吸收式热泵供热+背压机排汽辅助加热方式供热；

方案4 采用蒸汽工业锅炉+背压式汽轮机+双效吸收式热泵+背压机排汽辅助加热方式供热。

在方案3和方案4中，吸收式热泵出口水温较低，为达到所要求的供水温度，需要使用背压机排汽辅助加热。

为了简洁起见，本文仅对热电联供方案4进行图示说明，因为其他3个方案都可以视为方案4的简化版。热电联供方案4的系统结构如图1所示。

1.2 煤基冷电联供系统技术方案

参照现有制冷机组的技术参数，冷冻水进口温度取为12 ℃，出口温度取为7 ℃[30]。以此为基准，建立了4个煤基分布式供冷方案：

方案1 采用电驱动离心压缩式冷水机组供冷，参照相关技术资料，额定工况的性能系数（coefficient of performance，COP）CCOP取5.1[31]；

方案2 采用蒸汽工业锅炉+双效吸收式制冷机供冷；

方案3 采用蒸汽工业锅炉+背压式汽轮机+单效吸收式制冷机供冷；

方案4 采用蒸汽工业锅炉+背压式汽轮机+双效吸式制冷机供冷。

同理，因为其他3个冷电联供方案都可视为方案4的简化版，本文仅展示方案4，如图2所示。

2 煤基多联供系统性能分析

考虑到无论是吸收式热泵/制冷机还是蒸汽辅助加热，主要是利用蒸汽的凝结放热，在背压机参数选择时尽可能保证其排汽参数接近饱和蒸汽。综合考虑各种因素的影响，背压机进汽压力取8.82 MPa、温度为435 ℃，按照75 t/h的蒸汽流量设计背压式汽轮机，设计工况的内效率为83%。在此基础上， 针对上文提出的4种煤基热电联供方案和4种煤基冷电联供方案，利用TPIS软件对其热力性能进行对比分析。

2.1 多联供系统性能评价指标

对于上文提出的热电联供系统和冷电联供系统，方案1为纯供热或纯供冷系统，而其他方案为联供系统。不同品质的能量无法直接对比，需要定义一个统一的指标来评估不同方案的优劣。

首先以热电联供系统为例，定义供热煤耗率来表征系统性能：

式中：Mh为供热煤耗率，g/MJ；Qgr为实际供热量，指单位时间内纯供热设备或多联供系统向供热系统提供的热量，MJ/h；Mz为总煤耗量，指工业锅炉在单位时间内的耗煤量（折合为标准煤），g/h；Mf为发电煤耗量，等于发电煤耗率与发电功率的乘积，g/h；发电煤耗率是指按照国内燃煤发电先进水平，即280 g/(kW·h)计算的煤耗率（折合为标准煤，下同）；发电功率是指工业锅炉多联供系统中汽轮机组的发电功率，kW。

同理，对于冷电联供系统可定义供冷煤耗率：

式中：Mc为供冷煤耗率，g/MJ；Qgl为实际供冷量，指单位时间内多联供系统或电驱动压缩制冷机向供冷系统提供的总冷量，MJ/h；总煤耗量和发电煤耗量的含义与热电联供系统中的含义相同。

2.2 煤基热电联供系统热力性能对比分析

表1展示了4种热电联供方案的性能对比结果。由表1可见，热电联供系统的供热煤耗率明显低于单独供热，其中方案3的供热煤耗率最低，即采用单效吸收式热泵的系统性能优于采用双效吸收式热泵的系统。其原因在于：尽管双效吸收式热泵的CCOP更高，但其输出热水温度较低，需要更多的背压机排汽辅助加热才能达到设计供水温度，与单效吸收式热泵相比不具有优势。降低辅助加热量或辅助加热蒸汽参数将减少供热煤耗率，这也是热电联供系统优化的方向。

表1 煤基热电联供系统性能对比 Tab.1 Comparison of coal-based combined heating and power system performance

为了充分探究煤基热电联供系统的性能潜力，有必要进一步分析系统运行参数对系统性能指标的影响。图3展示了热电联供系统方案3的供热煤耗率随汽轮机进汽压力和温度的变化规律。由图3可见，随着汽轮机进汽压力的升高，出口蒸汽焓值减小，总焓降增加，即输出功增加；此外，汽轮机排汽过热度或干度随之减小，但驱动热泵所消耗的主要是蒸汽潜热，所以供热量下降幅度不大。综合来看，热电联供系统的供热煤耗率逐渐减小。随着汽轮机进汽温度的升高，热电联供系统的供热煤耗率逐渐减小，且不同进汽温度下供热煤耗率的差异随着进汽压力的提高而增大。

2.3 煤基冷电联供系统热力学性能对比分析

表2展示了4种煤基冷电联供方案的对比结果。由表2可以看到，电驱动压缩制冷机的供冷煤耗率最低，背压机+双效吸收式制冷机次之，工业锅炉直接驱动吸收式制冷机的效果最差。

表2 煤基冷电联供系统性能对比 Tab.2 Comparison of coal-based combined cooling and power system performance

目前，火力发电厂平均发电煤耗率为300 g/(kW·h)左右，高于计算基准（280 g/(kW·h)），即使考虑该因素的影响，方案1的供冷煤耗率仍略低于方案4。其主要原因在于：一方面相对压缩式制冷机而言，吸收式制冷机的CCOP过低，无法弥补消耗蒸汽的有用功；另一方面，工业锅炉效率相对大型电站锅炉偏低，从而拉低了冷电联供系统的综合性能。显然，提高工业锅炉的蒸汽参数和汽轮机效率可以进一步降低冷电联供方案的供冷煤耗率，但是否适合分布式多联供系统还值得商榷。

在系统运行时，若有满足双效吸收式制冷机的其他余热可以利用，且不考虑该余热的煤耗，则可以降低冷电联供系统的供冷煤耗率。图4展示了余热占吸收式制冷机耗能比例对供冷煤耗率的影响。由图4可以看到，相比于压缩制冷方案，当吸收式制冷机的CCOP分别为1.1、1.2、1.3，对应余热占比超过0.24、0.17、0.10时冷电联供方案才有优势。

图5展示了冷电联供系统方案4的供冷煤耗率随汽轮机进汽压力和温度的变化规律。由图5可以看到，随着汽轮机进汽压力和温度的升高，冷电联供系统的供冷煤耗率逐渐减小，且不同进汽温度下供冷煤耗率的差异随着进汽压力的升高而增大。根据经典热力学的基本理论，汽轮机的输出功会随着进出口温度差和压力差的增加而增加。在本文算例中，汽轮机排汽压力固定，所以系统输出功随汽轮机进口参数增加而增加。驱动吸收式制冷机的热量主要是蒸汽相变所释放的潜热，虽然汽轮机进出口参数的变化会影响其排汽干度，但相比于相变潜热而言可以忽略不计。这样可以解释冷电联供系统的供冷煤耗率的变化趋势。

由于压缩式制冷机的供冷折合煤耗率约为 18.6 g/MJ，尽管提高工业锅炉和背压机的参数能显著降低冷电联供系统的供冷煤耗率，但要低于压缩式制冷机还是非常困难的。因为高参数意味着高投入，对于单机功率本来就不大的工业锅炉来说，将参数提高到超高压甚至亚临界在经济性上没有优势。所以，如果没有其他可利用的余热或新能源加入，工业锅炉+背压机+吸收式制冷机方案在节能方面并不是最佳选择。但是，鉴于工业锅炉+背压机+吸收式热泵方案的巨大优越性，通过吸收式热泵/制冷机的耦合实现冷热电多联供，仍然具有综合优势。

2.4 冷热电联供系统热力学性能综合对比分析

对以下3种典型的冷热电能源系统的热力学性能进行对比：

方案1 由高效煤粉炉+背压机+单效吸收式制冷机/热泵组成的煤基分布式冷热电联供系统；

方案2 由电网+压缩式制冷机+传统锅炉组成的分产系统；

方案3 由燃气内燃机+吸收式制冷机+换热器组成的天然气分布式冷热电联供系统[32]。

方案3的主要系统结构如图6所示。

为比较不同系统之间的热力性能，定义系统煤耗率Msys如下：

式中：Ph/Pe和Pc/Pe分别为系统热电比和冷电比；Mf为发电煤耗率。

由定义可知，系统煤耗率的物理意义是提供特定比例的冷、热、电能量组合所消耗的标准煤量。以方案1的热电比和冷电比数据作为系统的设计负荷情况，则煤基分布式系统提供单位能量组合消耗227.07 g标准煤，而分产系统提供单位能量组合消耗279.94 g标准煤。相比于分产系统，煤基分布式系统的能源节约率为18.89%。计算结果表明，尽管单独的煤基冷电联供的供冷煤耗率还略高于分产系统，但鉴于煤基热电联供的巨大优越性，通过高效煤粉炉、高效背压机和吸收式热泵/制冷机的耦合实现冷热电多联供，仍然具有综合优势。

方案3中的燃气内燃机发电效率设为35%，热电综合效率设为80%，其中余热主要包含在高品位的烟气和低品位的缸套水中[32-33]。因为缸套水的典型温度低于100 ℃，难以用于驱动吸收式制冷机和热泵，所以在方案3中，冷量由高温烟气驱动双效吸收式制冷机制取，热量由烟气和缸套水直接与循环水换热制取。经计算，方案3的折合供热煤耗率为15.32 g/MJ，折合供冷煤耗率为26.52 g/MJ。

由此可知，对于热电联供工况而言，基于天然气的联供系统优于煤基联供系统，后者又优于分产系统。这主要是因为燃气内燃机能够在保持较高发电效率的前提下，获取大量的余热资源。但由于燃气内燃机的余热资源分布情况是固定的，而煤基分布式能源的余热温度可以根据负荷需求进行调整，随着热负荷需求温度的降低，煤基分布式系统的背压可以随之降低，发电效率升高，折合供热煤耗率下降。例如，当供热温度为70 ℃时，煤基分布式系统的供热煤耗率为15.73 g/MJ，和天然气多联供系统的性能基本持平。

对于冷电联供工况而言，分产系统优于煤基多联供系统，后者又优于天然气多联供系统。这同样是燃气内燃机余热资源的分布结构所致。缸套水温度过低，难以用于驱动吸收式制冷机，仅烟气余热可以用于制取冷量，降低了制冷量，提高了供冷煤耗率。整体而言，煤基多联供系统与天然气多联供系统的热力学性能互有优劣，但煤基多联供系统可以根据负荷条件改变设计背压，参数选择上更加灵活。另外考虑到我国天然气资源缺乏，价格昂贵，煤基分布式多联供系统有着广阔的发展空间。

3 结 论

利用已建立的TPIS软件平台，结合煤基冷热电多联供的各种典型技术方案，建立煤基热电联供和冷电联供模型。通过对不同技术方案的对比分析，揭示煤基分布式多联供系统的能量转换特性和技术优势，主要结论如下：

1）煤基热电联供系统的供热煤耗率明显低于单独供热，当采用单效吸收式热泵和背压机辅助加热方式供热时，供热煤耗率最低。尽管双效吸收式热泵的COP更高，但输出热水温度较低，单独使用时需要更多的辅助加热，与单效吸收式热泵相比不具有优势。

2）对于煤基冷电联供系统，采用双效吸收式制冷机供冷时供冷煤耗率较低，但其性能仍然劣于独立的压缩式制冷机组。尽管提高运行参数可以有效改善系统的性能，但同时会导致投资的增加和运行灵活性的降低。

3）相比于分产系统，煤基多联供系统在设计工况下的能源消耗量降低18.89%。另外，煤基多联供系统的供冷煤耗率低于天然气多联供系统，供热煤耗率高于天然气多联供系统。但燃气内燃机的余热分布结构基本固定不变，而煤基多联供系统的余热品位可以通过改变背压机排汽压力来调节，从而更加灵活地匹配负荷要求。同时考虑到我国煤炭的丰富储量和低廉价格，煤基分布式系统具有广阔的市场潜力。