熱電冷三聯產系統中制冷廢熱利用的研究

朱家賢， 盧 玫

（1．上海青浦工業園區熱電有限公司，上海201700；2．上海理工大學 能源與動力工程學院，上海200093）

熱電冷三聯產系統在提高能源利用率和降低二氧化碳排放量方面具有很大的潛力［1］．很多研究者已從不同的角度對熱電冷三聯產系統進行了研究，如馮志兵［2］等分析了燃氣輪機回熱器傳熱溫差、回熱器的燃氣比等變量對三聯產系統熱力性能的影響；烏韶萍等［3］對熱電冷三聯產與熱電聯產加電制冷的能耗進行了比較與分析，指出在熱電廠供熱量較小、采用中小型電制冷機組供冷和當地電網供電且煤耗較高的條件下，三聯產比二聯產加電制冷更節能．在由背壓汽輪機組組成的熱電聯產系統基礎上改建的熱電冷聯產系統中，常以背壓蒸汽來驅動溴化鋰吸收式制冷機組（簡稱溴冷機）以生產冷量．溴冷機在制冷過程中會通過冷卻水排出大量的廢熱，這部分廢熱量大、品位低，難以直接利用，通常將其排放到大氣中，不僅浪費能源，而且會增加熱污染．若能有效利用這部分廢熱，則能提高熱電冷三聯產系統的能源利用率，從而達到節能的目的．筆者以此為目標提出了2種能有效利用熱電冷三聯產系統中溴冷機排出余熱的方案，并進行了能效分析．

1 制冷廢熱利用方案

對于一臺580kW冷量的雙效溴冷機組，每小時所需0．9MPa飽和蒸汽量為650kg，32℃進、38℃出的冷卻水量為145t．熱電廠供給熱用戶蒸汽后，鍋爐就需要補充大量環境溫度的水，因此可以利用制冷排出的廢熱加熱鍋爐補充水．為此，筆者提出了2種廢熱回收利用方案，其示意圖分別如圖1、圖2所示．

圖1 三聯產系統廢熱回收利用方案1示意圖Fig．1 Schematic diagram of waste heat recovery solution 1for CCHP system

在廢熱回收利用方案1中，鍋爐補充水直接代替溴冷機的冷卻水進入溴冷機內被加熱至一定溫度，而后與背壓汽輪機組的背壓蒸汽混合，以進一步加熱至較高溫度．

在廢熱回收利用方案2中，熱電冷三聯產系統中增加了電驅動熱泵．從溴冷機排出的冷卻水一部分通過換熱器加熱鍋爐補充水至一定溫度，另一部分通過熱泵加熱從換熱器流出的鍋爐補充水，使其達到更高溫度．

在上述2種方案中，方案1結構相對簡單，但利用制冷排出的廢熱直接加熱鍋爐補充水，補充水最高溫度不超過溴冷機冷卻水出口溫度；而方案2增加了熱泵后，雖然可利用廢熱加熱鍋爐補充水至更高溫度，但由于電驅動熱泵需要消耗高品位的電能，因而能否節能需要通過能耗計算與分析確定．

圖2 三聯產系統廢熱回收利用方案2示意圖Fig．2 Schematic diagram of waste heat recovery solution 2for CCHP system

2 評價指標

熱電冷三聯產系統的節能評價指標很多，如熱經濟系數［4］、等效燃料利用系數、系統能量利用系數與經濟效率等．馮志兵等［5］對熱電冷三聯產系統常用的幾個評價指標進行了比較，認為各評價指標均有各自的特點和局限性．筆者主要針對熱電冷三聯產系統中回收溴冷機廢熱加熱鍋爐補充水的部分進行分析，比較的前提是生產相同的制冷量、加熱等量鍋爐補充水至相同溫度．在上述評價指標的基礎上，從能耗的數量和能耗的品質兩個方面對方案1和方案2進行了分析與比較，對應的評價指標為一次能耗綜合熱利用率和綜合效率．

2．1 一次能耗綜合熱利用率

一次能耗綜合熱利用率ηz的定義為

對于方案1，式（1）可表示成如下形式

式中：Φl為溴冷機的制冷量，kW；Φg為鍋爐補充水從環境溫度加熱至規定溫度所獲得的能量，kW；ΦBr、ΦBr，W和Φby分別為驅動溴冷機的蒸汽在鍋爐中的吸熱量所折算成的一次能耗、溴冷機消耗的電量所折算成的一次能耗、加熱鍋爐補充水至規定溫度所需要的汽輪機背壓蒸汽的熱量所折算成的一次能耗，kW．

對于方案2，式（1）可表示成如下形式

式中：Φhp，W為熱泵耗電對應的一次能耗，kW．

2．2 綜合效率

對于方案1，式（4）可表示成如下形式

式中：Ex，l為溴冷機制取的冷量，kW；Ex，g為鍋爐補充水所獲得的熱量，kW；Ex，Br、WBr和Ex，by分別為驅動溴冷機的蒸汽、溴冷機消耗的電量、加熱鍋爐補充水至規定溫度所消耗的背壓蒸汽，kW．

對于方案2，式（4）可表示成如下形式

式中：Whp為熱泵所耗電量，kW．

式中：qm為質量流量，kg／s；h 為比焓，kJ／kg；t0為環境溫度，℃；s為比熵，kJ／（kg·K）．

3 計算結果與分析

3．1 計算參數

計算中鍋爐參數和汽輪機參數選用熱電廠實測數據（見表1）．制冷機選用SXZ8－580型雙效溴化鋰制冷機組，對應的參數見表2．

為了便于比較分析，方案1和方案2均以下列條件為計算基準：（1）背壓汽輪機組滿負荷運行；（2）背壓汽輪機出口的背壓蒸汽除驅動溴冷機和加熱補充水部分外，其余全部為提供給熱用戶的熱蒸汽，即供熱的蒸汽量為需要被加熱的鍋爐補充水流量；（3）鍋爐補充水均由26℃加熱至65℃，當溴冷機、熱泵排出的廢熱不足以將鍋爐補充水加熱至65℃時，則補充背壓蒸汽來完成加熱；（4）計算時不考慮管路熱損、輸電損失等；（5）系統中所耗電能的折算效率取35%；（6）熱泵工質采用R134a，且蒸發器的蒸發溫度為26℃，出口溫度過熱5K，冷凝器的冷凝溫度為70℃，出口溫度過冷至40℃，壓縮機絕熱壓縮效率取0．6．在此工況參數條件下，對應的熱泵性能系數為5．1．

表1 鍋爐和汽輪機參數Tab．1 Parameters of the boiler and turbine

表2 SXZ8－580型雙效溴冷機參數Tab．2 Parameters of SXZ8－580double－effect LiBr refrigerator

3．2 計算結果與分析

對2種廢熱利用方案的相關參數進行計算．如前所述，對于一臺580kW冷量的雙效溴冷機組，每小時所需32℃進、38℃出的冷卻水量為145t，若直接全部利用溴冷機排出的廢熱進行加熱，只能將鍋爐補充水從26℃加熱至36℃，加熱的補充水量（即供熱蒸汽量）約為86．55t／h．據此定義580kW冷量和86．55t／h供熱蒸汽量的比值為本文計算的基本配比值k．表3和表4分別給出了供冷／供熱蒸汽量比（簡稱冷／汽比）為k時一次能耗綜合熱利用之率和綜合效率的計算結果．對整個熱電冷三聯產系統而言，在此冷／汽比下，不論制冷量和供熱蒸汽量同時擴大多少倍，計算所得一次能耗綜合熱利用率和綜合效率均不變，其他各項能耗數據只需按倍數擴大即可．

表3 冷／汽比為k時一次能耗綜合熱利用率ηz的計算結果Tab．3 Calculation results of the overall thermal utilization factorηzof primary energy consumption in the case of RCS＝k

表4 冷／汽比為k時綜合效率ηz，Ex的計算結果Tab．4 Calculation results of the overall exergy efficiencyηz，Exin the case of RCS＝k

方案 Ex，l／kW Ex，g／kW Ex，Br／kW WBr／kW Ex，by／kW Whp／kW ηz，Ex無回收37．99 222．1 144．8 3．55 1 329．60 0 0．176 1 37．99 222．1 144．8 3．55 988．40 0 0．229 2 37．99 222．1 144．8 3．55 929．77 171．7 0．208

由表3和表4可知，冷／汽比為k時，相對于無廢熱回收方案而言，2種廢熱回收利用方案的一次能耗綜合熱利用率和綜合效率均得到提高，但方案1的一次能耗綜合熱利用率和綜合效率略高于方案2的，因為此時溴冷機排出的廢熱由于補充水量大而都能被直接回收利用，方案2雖然也全部回收了廢熱量，并且可提高加熱溫度，但由于熱泵耗電而增加了能耗．隨著冷／汽比的增大，方案1中溴冷機排出的廢熱不可能全部被直接回收利用．為此，改變冷／汽比對2種方案進行能耗計算，結果見表5．圖3和圖4分別給出了一次能耗綜合熱利用率和綜合效率隨冷／汽比的變化，圖中橫坐標表示計算所用冷／汽比相對于基本配比值k擴大的倍數．

表5 不同冷／汽比時的計算結果Tab．5 Calculation results for different RCS values

圖3 ηz隨冷／汽比的變化Fig．3 Variation ofηzwith RCS

為便于分析圖3和圖4，定義以下參數：溴冷機制冷一次能耗利用率

圖4 ηz，Ex隨冷／汽比的變化Fig．4 Variation ofηz，Exwith RCS

加熱鍋爐補充水一次能耗利用率

從圖3和圖4可以看出，方案1的一次能耗綜合熱利用率和綜合效率隨冷／汽比的變化很小，這是因為對于本文給定的參數和定義，熱驅動溴冷機制冷的一次能耗利用率ηl＝1．208，效率ηE，l＝x0．256，全部用背壓蒸汽將鍋爐補充水從26℃加熱至65℃的一次能耗利用率ηg＝0．9，效率ηEx，g＝0．167．冷／汽比為k、無廢熱回收時的一次能耗綜合熱利用率ηz＝0．931，綜合效率ηz，Ex＝0．176；采用廢熱回收方案后，冷／汽比為k或大于k時，方案1由于節省了補充水從26℃加熱至36℃所需的能量，加熱鍋爐補充水的一次能耗利用率提高為ηg1＝1．211，略大于溴冷機制冷的一次能耗利用率，而效率ηE，g1＝0．225，低于溴冷機制冷的效率，因此x方案1的一次能耗綜合熱利用率ηz1＝1．210，綜合效率ηz，Ex，l＝0．229．隨著冷／汽比的增大，多余的廢熱無法利用，加熱鍋爐補充水的一次能耗利用率、效率和制冷一次能耗利用率、效率均維持不變，因此一次能耗綜合熱利用率和綜合效率逐漸逼近制冷的一次能耗利用率和效率，由于兩者相差較小，因而一次能耗綜合熱利用率僅在小數第4位緩慢減小，綜合效率僅在小數第3位緩慢增大．

4 結 論

（1）在熱電聯產基礎上建立的熱電冷三聯產系統利用廢熱加熱鍋爐補充水，使一次能耗綜合熱利用率和綜合效率均得到提高，在供冷／供熱蒸汽量比為k時，提高幅度達18%以上，起到了節能減排的效果．

（2）在供冷／供熱蒸汽量比為k左右時，宜采用無熱泵的方案1，此時系統結構簡單，并且一次能耗綜合熱利用率和綜合效率均高于方案2的．

（3）在本文計算參數條件下，當供冷／供熱蒸汽量比大于k時，方案2的節能效果更好；當供冷／供熱蒸汽量比為3．3k時，制冷排出的廢熱能全部被利用，此時節能效果達到最佳．

（4）對于在熱電聯產基礎上擴建的熱電冷三聯產系統，當制冷量較大時，方案2的系統具有很大的參考價值．

［1］MENG Xiangyu，YANG Fusheng，BAO Zewei，et al．Theoretical study of a novel solar trigeneration system based on metal hydrides［J］．Applied Energy，2010，87（6）：2050－2061．

［2］馮志兵．可調回熱燃氣輪機冷熱電聯產系統熱力分析［J］．發電設備，2009，23（2）：87－93．FENG Zhibing．Thermodynamic analysis of CCCP system with adjustable regenerative gas turbine［J］．Power Equipment，2009，23（2）：87－93．

［3］烏韶萍，林奇峰．熱電冷三聯產與熱電聯產加電制冷能耗比較分析［J］．化工設計，2009，19（4）：35－37．WU Shaoping，LIN Qifeng．Comparison analysis of the energy consumption between CCHP and CHP with electric cooling systems，chemical engineering design［J］．Chemical Engineering Design，2009，19（4）：35－37．

［4］李芳芹，魏敦崧．天然氣熱、電、冷三聯產的熱經濟性的分析［J］．動力工程，2004，24（1）：143－146．LI Fangqin，WEI Dunsong．Thermal economy analysis of natural gas co－generation［J］．Power Engineering，2004，24（1）：143－146．

［5］馮志兵，金紅光．冷熱電聯產系統的評價準則［J］．工程熱物理學報，2005，26（5）：725－728．FENG Zhibing，JIN Hongguang．Performance assessment of combined cooling，heating and power［J］．Journal of Engineering Thermophysics，2005，26（5）：725－728．