典型煤基多聯供系統對比研究

張 磊，程上方，張俊杰，李 博，石 賾

（1.國能國華（北京）電力研究院有限公司，北京 102209； 2.國家能源集團新能源技術研究院有限公司，北京 102209； 3.西安交通大學能源與動力工程學院，陜西 西安 710049）

目前，煤炭在我國的能源結構中仍然占據支 柱地位。截至2019年，我國煤炭的年消耗量約 40億t，占一次能源總消費量的57.7%[1]。同時，為了解決以煤炭為代表的化石能源燃燒所造成的溫室氣體排放問題，我國政府提出“碳達峰、碳中和”目標，對煤炭的清潔高效利用提出了更高的要求[2]。因此，在充分保證社會生產生活能源供應的前提下，開發新型的清潔高效煤炭能源綜合利用系統有著十分重要的科學意義和現實意義。

近些年來，多聯供能源系統因其可以精確匹 配用戶的多種能源需求，同時可以實現很高的熱 效率，在世界范圍內得到了廣泛的應用。國內外文獻[3-8]中提出多種以天然氣為燃料的多聯產系統，并采用熱泵、儲熱裝置等提高系統的綜合能源效率。除穩態性能分析之外，文獻[9-13]詳細分析了天然氣多聯產系統的變工況性能，探究系統在不同負荷條件和環境條件下的性能變化。文獻[14-18]考慮了多聯產系統的經濟性和污染排放特性，從能量效率、經濟收益、環境影響等多角度探究系統的綜合性能，并提出了相應的管理策略。綜合以上文獻的數據和結論可以得出，多聯供系統的性能明顯優于分產系統，大力發展多聯供系統可以取得明顯的社會效益和經濟效益。上述系統主要是基于天然氣的多聯供系統，考慮到我國“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦，開發煤基多聯供系統具有重要意義。

煤基多聯供系統主要有2條技術路線：1）基于煤氣化的燃氣蒸汽聯合循環技術；2）基于高效煤粉爐和高效背壓機的多聯供技術[19]。雖然有諸多文獻證明煤氣化技術路線具有較高的熱效率和經濟性[20-24]，但其系統結構復雜、初投資要求很高，且相關技術仍然處于開發階段，一般適用于大型集中式多聯供系統。相比之下，第2條技術路線的技術成熟、投資較低、靈活性高，可以適應各種規模的負荷需求，更加符合分布式多聯供系統的要求。文獻[25-28]已經對基于高效煤粉爐和高效背壓機的多聯供技術進行了初步分析，并揭示了此類多聯供系統性能的優越性。

然而，前人文獻大多是對某種設計方案的計算和分析，缺乏對多種不同結構的系統方案的綜合對比。因此，本文基于高效煤粉爐和高效背壓機的多聯供技術，搭建4種熱電聯供系統和4種冷電聯供系統，深入剖析煤基多聯供系統在不同運行模式下的優勢和不足；進一步對比煤基冷熱電聯供系統和分產系統、天然氣冷熱電聯供系統的熱力學性能，指出煤基多聯供系統的獨特技術優勢和工程前景。

1 煤基多聯供系統技術方案

多聯供系統一般為建筑物或園區提供冷、熱、電等多種形式的能量。一般而言，供熱和供冷的需求不會同時出現。因此，為了更清楚地分析多聯供系統的性能表現，本文將多聯供系統拆分為熱電聯供系統和冷電聯供系統，分別進行討論。

本文依托自主開發的TPIS軟件平臺，對工業鍋爐、背壓式汽輪機和吸收式制冷機/熱泵等關鍵設備進行了建模，并對多種典型多聯供系統進行了模型搭建和對比分析。

1.1 煤基熱電聯供系統技術方案

集中供暖的供熱站供水溫度約90～120 ℃[29]，本文取105 ℃。以此為基準，建立了4個煤基分布式熱電聯供方案：

方案1 采用傳統燃煤工業鍋爐直接供暖；

方案2 采用蒸汽工業鍋爐+背壓式汽輪機直接供熱；

方案3 采用蒸汽工業鍋爐+背壓式汽輪機+單效吸收式熱泵供熱+背壓機排汽輔助加熱方式供熱；

方案4 采用蒸汽工業鍋爐+背壓式汽輪機+雙效吸收式熱泵+背壓機排汽輔助加熱方式供熱。

在方案3和方案4中，吸收式熱泵出口水溫較低，為達到所要求的供水溫度，需要使用背壓機排汽輔助加熱。

為了簡潔起見，本文僅對熱電聯供方案4進行圖示說明，因為其他3個方案都可以視為方案4的簡化版。熱電聯供方案4的系統結構如圖1所示。

1.2 煤基冷電聯供系統技術方案

參照現有制冷機組的技術參數，冷凍水進口溫度取為12 ℃，出口溫度取為7 ℃[30]。以此為基準，建立了4個煤基分布式供冷方案：

方案1 采用電驅動離心壓縮式冷水機組供冷，參照相關技術資料，額定工況的性能系數（coefficient of performance，COP）CCOP取5.1[31]；

方案2 采用蒸汽工業鍋爐+雙效吸收式制冷機供冷；

方案3 采用蒸汽工業鍋爐+背壓式汽輪機+單效吸收式制冷機供冷；

方案4 采用蒸汽工業鍋爐+背壓式汽輪機+雙效吸式制冷機供冷。

同理，因為其他3個冷電聯供方案都可視為方案4的簡化版，本文僅展示方案4，如圖2所示。

2 煤基多聯供系統性能分析

考慮到無論是吸收式熱泵/制冷機還是蒸汽輔助加熱，主要是利用蒸汽的凝結放熱，在背壓機參數選擇時盡可能保證其排汽參數接近飽和蒸汽。綜合考慮各種因素的影響，背壓機進汽壓力取8.82 MPa、溫度為435 ℃，按照75 t/h的蒸汽流量設計背壓式汽輪機，設計工況的內效率為83%。在此基礎上， 針對上文提出的4種煤基熱電聯供方案和4種煤基冷電聯供方案，利用TPIS軟件對其熱力性能進行對比分析。

2.1 多聯供系統性能評價指標

對于上文提出的熱電聯供系統和冷電聯供系統，方案1為純供熱或純供冷系統，而其他方案為聯供系統。不同品質的能量無法直接對比，需要定義一個統一的指標來評估不同方案的優劣。

首先以熱電聯供系統為例，定義供熱煤耗率來表征系統性能：

式中：Mh為供熱煤耗率，g/MJ；Qgr為實際供熱量，指單位時間內純供熱設備或多聯供系統向供熱系統提供的熱量，MJ/h；Mz為總煤耗量，指工業鍋爐在單位時間內的耗煤量（折合為標準煤），g/h；Mf為發電煤耗量，等于發電煤耗率與發電功率的乘積，g/h；發電煤耗率是指按照國內燃煤發電先進水平，即280 g/(kW·h)計算的煤耗率（折合為標準煤，下同）；發電功率是指工業鍋爐多聯供系統中汽輪機組的發電功率，kW。

同理，對于冷電聯供系統可定義供冷煤耗率：

式中：Mc為供冷煤耗率，g/MJ；Qgl為實際供冷量，指單位時間內多聯供系統或電驅動壓縮制冷機向供冷系統提供的總冷量，MJ/h；總煤耗量和發電煤耗量的含義與熱電聯供系統中的含義相同。

2.2 煤基熱電聯供系統熱力性能對比分析

表1展示了4種熱電聯供方案的性能對比結果。由表1可見，熱電聯供系統的供熱煤耗率明顯低于單獨供熱，其中方案3的供熱煤耗率最低，即采用單效吸收式熱泵的系統性能優于采用雙效吸收式熱泵的系統。其原因在于：盡管雙效吸收式熱泵的CCOP更高，但其輸出熱水溫度較低，需要更多的背壓機排汽輔助加熱才能達到設計供水溫度，與單效吸收式熱泵相比不具有優勢。降低輔助加熱量或輔助加熱蒸汽參數將減少供熱煤耗率，這也是熱電聯供系統優化的方向。

表1 煤基熱電聯供系統性能對比 Tab.1 Comparison of coal-based combined heating and power system performance

為了充分探究煤基熱電聯供系統的性能潛力，有必要進一步分析系統運行參數對系統性能指標的影響。圖3展示了熱電聯供系統方案3的供熱煤耗率隨汽輪機進汽壓力和溫度的變化規律。由圖3可見，隨著汽輪機進汽壓力的升高，出口蒸汽焓值減小，總焓降增加，即輸出功增加；此外，汽輪機排汽過熱度或干度隨之減小，但驅動熱泵所消耗的主要是蒸汽潛熱，所以供熱量下降幅度不大。綜合來看，熱電聯供系統的供熱煤耗率逐漸減小。隨著汽輪機進汽溫度的升高，熱電聯供系統的供熱煤耗率逐漸減小，且不同進汽溫度下供熱煤耗率的差異隨著進汽壓力的提高而增大。

2.3 煤基冷電聯供系統熱力學性能對比分析

表2展示了4種煤基冷電聯供方案的對比結果。由表2可以看到，電驅動壓縮制冷機的供冷煤耗率最低，背壓機+雙效吸收式制冷機次之，工業鍋爐直接驅動吸收式制冷機的效果最差。

表2 煤基冷電聯供系統性能對比 Tab.2 Comparison of coal-based combined cooling and power system performance

目前，火力發電廠平均發電煤耗率為300 g/(kW·h)左右，高于計算基準（280 g/(kW·h)），即使考慮該因素的影響，方案1的供冷煤耗率仍略低于方案4。其主要原因在于：一方面相對壓縮式制冷機而言，吸收式制冷機的CCOP過低，無法彌補消耗蒸汽的有用功；另一方面，工業鍋爐效率相對大型電站鍋爐偏低，從而拉低了冷電聯供系統的綜合性能。顯然，提高工業鍋爐的蒸汽參數和汽輪機效率可以進一步降低冷電聯供方案的供冷煤耗率，但是否適合分布式多聯供系統還值得商榷。

在系統運行時，若有滿足雙效吸收式制冷機的其他余熱可以利用，且不考慮該余熱的煤耗，則可以降低冷電聯供系統的供冷煤耗率。圖4展示了余熱占吸收式制冷機耗能比例對供冷煤耗率的影響。由圖4可以看到，相比于壓縮制冷方案，當吸收式制冷機的CCOP分別為1.1、1.2、1.3，對應余熱占比超過0.24、0.17、0.10時冷電聯供方案才有優勢。

圖5展示了冷電聯供系統方案4的供冷煤耗率隨汽輪機進汽壓力和溫度的變化規律。由圖5可以看到，隨著汽輪機進汽壓力和溫度的升高，冷電聯供系統的供冷煤耗率逐漸減小，且不同進汽溫度下供冷煤耗率的差異隨著進汽壓力的升高而增大。根據經典熱力學的基本理論，汽輪機的輸出功會隨著進出口溫度差和壓力差的增加而增加。在本文算例中，汽輪機排汽壓力固定，所以系統輸出功隨汽輪機進口參數增加而增加。驅動吸收式制冷機的熱量主要是蒸汽相變所釋放的潛熱，雖然汽輪機進出口參數的變化會影響其排汽干度，但相比于相變潛熱而言可以忽略不計。這樣可以解釋冷電聯供系統的供冷煤耗率的變化趨勢。

由于壓縮式制冷機的供冷折合煤耗率約為 18.6 g/MJ，盡管提高工業鍋爐和背壓機的參數能顯著降低冷電聯供系統的供冷煤耗率，但要低于壓縮式制冷機還是非常困難的。因為高參數意味著高投入，對于單機功率本來就不大的工業鍋爐來說，將參數提高到超高壓甚至亞臨界在經濟性上沒有優勢。所以，如果沒有其他可利用的余熱或新能源加入，工業鍋爐+背壓機+吸收式制冷機方案在節能方面并不是最佳選擇。但是，鑒于工業鍋爐+背壓機+吸收式熱泵方案的巨大優越性，通過吸收式熱泵/制冷機的耦合實現冷熱電多聯供，仍然具有綜合優勢。

2.4 冷熱電聯供系統熱力學性能綜合對比分析

對以下3種典型的冷熱電能源系統的熱力學性能進行對比：

方案1 由高效煤粉爐+背壓機+單效吸收式制冷機/熱泵組成的煤基分布式冷熱電聯供系統；

方案2 由電網+壓縮式制冷機+傳統鍋爐組成的分產系統；

方案3 由燃氣內燃機+吸收式制冷機+換熱器組成的天然氣分布式冷熱電聯供系統[32]。

方案3的主要系統結構如圖6所示。

為比較不同系統之間的熱力性能，定義系統煤耗率Msys如下：

式中：Ph/Pe和Pc/Pe分別為系統熱電比和冷電比；Mf為發電煤耗率。

由定義可知，系統煤耗率的物理意義是提供特定比例的冷、熱、電能量組合所消耗的標準煤量。以方案1的熱電比和冷電比數據作為系統的設計負荷情況，則煤基分布式系統提供單位能量組合消耗227.07 g標準煤，而分產系統提供單位能量組合消耗279.94 g標準煤。相比于分產系統，煤基分布式系統的能源節約率為18.89%。計算結果表明，盡管單獨的煤基冷電聯供的供冷煤耗率還略高于分產系統，但鑒于煤基熱電聯供的巨大優越性，通過高效煤粉爐、高效背壓機和吸收式熱泵/制冷機的耦合實現冷熱電多聯供，仍然具有綜合優勢。

方案3中的燃氣內燃機發電效率設為35%，熱電綜合效率設為80%，其中余熱主要包含在高品位的煙氣和低品位的缸套水中[32-33]。因為缸套水的典型溫度低于100 ℃，難以用于驅動吸收式制冷機和熱泵，所以在方案3中，冷量由高溫煙氣驅動雙效吸收式制冷機制取，熱量由煙氣和缸套水直接與循環水換熱制取。經計算，方案3的折合供熱煤耗率為15.32 g/MJ，折合供冷煤耗率為26.52 g/MJ。

由此可知，對于熱電聯供工況而言，基于天然氣的聯供系統優于煤基聯供系統，后者又優于分產系統。這主要是因為燃氣內燃機能夠在保持較高發電效率的前提下，獲取大量的余熱資源。但由于燃氣內燃機的余熱資源分布情況是固定的，而煤基分布式能源的余熱溫度可以根據負荷需求進行調整，隨著熱負荷需求溫度的降低，煤基分布式系統的背壓可以隨之降低，發電效率升高，折合供熱煤耗率下降。例如，當供熱溫度為70 ℃時，煤基分布式系統的供熱煤耗率為15.73 g/MJ，和天然氣多聯供系統的性能基本持平。

對于冷電聯供工況而言，分產系統優于煤基多聯供系統，后者又優于天然氣多聯供系統。這同樣是燃氣內燃機余熱資源的分布結構所致。缸套水溫度過低，難以用于驅動吸收式制冷機，僅煙氣余熱可以用于制取冷量，降低了制冷量，提高了供冷煤耗率。整體而言，煤基多聯供系統與天然氣多聯供系統的熱力學性能互有優劣，但煤基多聯供系統可以根據負荷條件改變設計背壓，參數選擇上更加靈活。另外考慮到我國天然氣資源缺乏，價格昂貴，煤基分布式多聯供系統有著廣闊的發展空間。

3 結 論

利用已建立的TPIS軟件平臺，結合煤基冷熱電多聯供的各種典型技術方案，建立煤基熱電聯供和冷電聯供模型。通過對不同技術方案的對比分析，揭示煤基分布式多聯供系統的能量轉換特性和技術優勢，主要結論如下：

1）煤基熱電聯供系統的供熱煤耗率明顯低于單獨供熱，當采用單效吸收式熱泵和背壓機輔助加熱方式供熱時，供熱煤耗率最低。盡管雙效吸收式熱泵的COP更高，但輸出熱水溫度較低，單獨使用時需要更多的輔助加熱，與單效吸收式熱泵相比不具有優勢。

2）對于煤基冷電聯供系統，采用雙效吸收式制冷機供冷時供冷煤耗率較低，但其性能仍然劣于獨立的壓縮式制冷機組。盡管提高運行參數可以有效改善系統的性能，但同時會導致投資的增加和運行靈活性的降低。

3）相比于分產系統，煤基多聯供系統在設計工況下的能源消耗量降低18.89%。另外，煤基多聯供系統的供冷煤耗率低于天然氣多聯供系統，供熱煤耗率高于天然氣多聯供系統。但燃氣內燃機的余熱分布結構基本固定不變，而煤基多聯供系統的余熱品位可以通過改變背壓機排汽壓力來調節，從而更加靈活地匹配負荷要求。同時考慮到我國煤炭的豐富儲量和低廉價格，煤基分布式系統具有廣闊的市場潛力。