基于350 MW超临界机组的冷热电联供系统研究

王 颖,宁浩然,孙 颖,杨志行

(1.哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院,哈尔滨 150028; 2.国网黑龙江省电力有限公司电力科学院研究院,哈尔滨 150030)

0 引 言

中国的能源结构正在转型,未来煤碳不再是主要能源,可再生能源占比不断增加。随着经济发展和电力需求不断增大,国家对节能环保问题更加重视。根据国家发改委能源局编制的《2010年热电联供发展规划及2020年远景发展目标》,到2020年全国热电联供装机容量将近2亿kW。在有条件的地方,要积极发展热电联供、冷热电及冷热电气多联供。冷热电联供是指从相同一次能源系统中,得到电能(或机械能)、有效热量和有效冷量,并将这几种能源提供用户使用。冷热电联供不仅实现能源梯级利用,完成冷热与电负荷同时供应,还能减少污染气体的排放,具有良好的社会效益和经济效益[1-6]。

黑龙江省属于严寒地区,冬季供暖周期长,室内的供暖温度对人体舒适性有影响[7],要求供暖平稳高效。研究表明,现阶段中国北方采暖地区300 MW热电联供机组发电煤耗基本与超超临界机组相当,约275 g/(kW·h)或更低,热电供热煤耗优于集中锅炉,因此热负荷较大的地区,应该大力建设300 MW及以上热电联供机组[8]。350 MW热电联产机组能在保证供暖的基础上,为周边的工业园区或制冷需求系统配套供冷的可能,以满足需求。

1 冷热电联供系统模型的搭建

受气候影响,黑龙江省热电联产机组比重较大,采暖期供热机组按照以热定电的方式运行,调峰能力有限,对机组进行旁路及低压缸少蒸汽等不同技术的改造,可以实现灵活性调峰[9]。文中以严寒地区某现运行的灵活性调峰350 MW超临界机组的抽汽凝汽式汽轮机为基础,抽取合适参数的蒸汽作为热源,驱动溴化锂双效吸收式制冷机组,实现冷热电联供。

此冷热电联供系统分为热电联产子系统和制冷子系统,其搭建系统原理图如图1所示。从图中可以看出,热电联产子系统是一种传统的最常见方式,燃煤在锅炉中燃烧产生的热能,在汽轮机中实现高品位热能的第一次利用,完成发电;利用汽轮机五段抽汽,将低品位蒸汽热能用于供热和制冷,最大限度地节约能量。制冷子系统为更好地利用低品位蒸汽,采用蒸汽热源驱动的溴化锂双效吸收式制冷机组,其热力系数[10]为1.1～1.3,具有运行平稳、噪声低、能量调节范围广、维护操作简单、可利用低品位热能等一系列优点。

图1 冷热电联供系统原理图

冷热电联供系统实现了能源梯级利用及面向用户需求,保证了灵活稳定供热,又可以实现供冷,大大提高了一次能源的利用率。

2 系统分析与计算

冷热电联供系统的评价,可基于热力学第一定律分析法,主要运用热平衡原理,以热效率为基本准则,对用能设备和系统的能量有效利用情况进行分析和评价,目前常用的是一次能源利用率(primary energy rate,PER),也称系统热效率,是系统输出能量与输入能量的比值,并且把功、热、冷等同看待,可以进行换算,能较好地描述系统能量转换利用的有效性与优劣,简单易懂,一次能源利用率越高,系统的热力性能越好。

对于冷热电联供系统,一次能源利用率计算式如下:

式中:Qh1即Qheat-load,为CCHP的供热量,kJ;Qc1即Qcool-load,为CCHP的制冷量,kJ;Wel为CCHP的发电量,kW·h;Ein为CCHP的输入能量,kJ。

此CCHP可以实现平稳的冷热电联供,其计算结果见表1。

表1 冷热电联供系统计算结果

表1中,工况1为低压缸少蒸汽和低旁供汽联合运行,工况2为低压缸少蒸汽运行,工况3为五抽正常供汽运行,三种工况是当前严寒地区供热的主要形式,通过“热电解耦”技术满足电网和热用户峰谷差的要求,灵活调配,提高了机组灵活性。

拟从热电联产机组的汽轮机五段抽汽抽取蒸汽,蒸汽参数满足双效吸收式制冷机组驱动热源要求,三种工况的蒸汽压力分别为0.29 MPa、0.26 MPa和0.31 MPa,每个工况拟抽取蒸汽流量20 t/h。从表1中结果可以看出,冷热电联供系统的一次能源利用率分别为96.27%、86.08%和76.27%,说明此系统的能源利用率较高,热力性能较好。

从图2中可以看出,虽然冷热电联供系统发电功率变化,但机组的热网供热量变化曲线较为平缓,维持在760 GJ/h左右。当热用户所需要的蒸汽负荷降低时,根据调控中心的要求,灵活调整机组负荷,在较大的范围内同时满足热负荷和电负荷的需求。此系统在供电变负荷情况下,可以保持平稳的供热量,实现热电解耦。对于严寒地区冬季长期供暖来说,稳定高效供热是十分必要的。

图2 机组热网供热量变化曲线

从图3可知,随着不同运行方式和负荷工况变化,发电功率由106 MW变化到192 MW, 系统供电煤耗随之变化,从177.57 g/(kW·h)增加到252.03 g/(kW·h)。这是因为随着发电功率的增加,蒸汽动力装置的朗肯循环存在的冷凝热损失在能源梯级利用中变为可用能量的比例越来越小(供热量也是可用能量)。

图3 供电煤耗变化

如图4所示,随着不同工况发电功率的变化,热电联产系统热效率和冷热电联供系统的一次能源利用率均随之发生变化,且变化趋势相同。热电联产系统不同工况发电功率减少,供热量变化不大,且供热实现了冷凝热损失的回收利用,而系统输入能量变小,故其热效率提高。冷热电联供系统,同样对低品位的蒸汽热能加以利用产生冷量,实现能源梯级利用,且其热力系数大于1,故同基础的一次能源利用率较发电效率提高。

图4 效率随发电功率变化

此冷热电联供系统为了研究供冷的可能,拟抽取蒸汽量相对较小,对整个系统的影响较小,实际工程可以根据需要进行相应的调整。由于冷热电联供系统,进一步利用低品质的热能,使系统的一次能源利用率进一步提高,系统方便可行,经济性较好。

3 结 语

1) 基于严寒地区350 MW超临界机组,结合溴化锂双效吸收式制冷技术,完成冷热电联供系统,对系统的供电煤耗、供热量、发电效率及一次能源利用率进行计算分析,为冷热电联供系统设计提供参考。

2)从经济和工程实际两个角度考虑,冷热电联供系统,是抽取低品位的蒸汽进行利用,既可以实现灵活平稳供热,又提供供冷的可能,具有较高的一次能源利用率,是未来系统高效可行的方式。