基于350 MW超臨界機組的冷熱電聯供系統研究

王 穎,寧浩然,孫 穎,楊志行

(1.哈爾濱商業大學 能源與建筑工程學院,哈爾濱 150028; 2.國網黑龍江省電力有限公司電力科學院研究院,哈爾濱 150030)

0 引 言

中國的能源結構正在轉型,未來煤碳不再是主要能源,可再生能源占比不斷增加。隨著經濟發展和電力需求不斷增大,國家對節能環保問題更加重視。根據國家發改委能源局編制的《2010年熱電聯供發展規劃及2020年遠景發展目標》,到2020年全國熱電聯供裝機容量將近2億kW。在有條件的地方,要積極發展熱電聯供、冷熱電及冷熱電氣多聯供。冷熱電聯供是指從相同一次能源系統中,得到電能(或機械能)、有效熱量和有效冷量,并將這幾種能源提供用戶使用。冷熱電聯供不僅實現能源梯級利用,完成冷熱與電負荷同時供應,還能減少污染氣體的排放,具有良好的社會效益和經濟效益[1-6]。

黑龍江省屬于嚴寒地區,冬季供暖周期長,室內的供暖溫度對人體舒適性有影響[7],要求供暖平穩高效。研究表明,現階段中國北方采暖地區300 MW熱電聯供機組發電煤耗基本與超超臨界機組相當,約275 g/(kW·h)或更低,熱電供熱煤耗優于集中鍋爐,因此熱負荷較大的地區,應該大力建設300 MW及以上熱電聯供機組[8]。350 MW熱電聯產機組能在保證供暖的基礎上,為周邊的工業園區或制冷需求系統配套供冷的可能,以滿足需求。

1 冷熱電聯供系統模型的搭建

受氣候影響,黑龍江省熱電聯產機組比重較大,采暖期供熱機組按照以熱定電的方式運行,調峰能力有限,對機組進行旁路及低壓缸少蒸汽等不同技術的改造,可以實現靈活性調峰[9]。文中以嚴寒地區某現運行的靈活性調峰350 MW超臨界機組的抽汽凝汽式汽輪機為基礎,抽取合適參數的蒸汽作為熱源,驅動溴化鋰雙效吸收式制冷機組,實現冷熱電聯供。

此冷熱電聯供系統分為熱電聯產子系統和制冷子系統,其搭建系統原理圖如圖1所示。從圖中可以看出,熱電聯產子系統是一種傳統的最常見方式,燃煤在鍋爐中燃燒產生的熱能,在汽輪機中實現高品位熱能的第一次利用,完成發電;利用汽輪機五段抽汽,將低品位蒸汽熱能用于供熱和制冷,最大限度地節約能量。制冷子系統為更好地利用低品位蒸汽,采用蒸汽熱源驅動的溴化鋰雙效吸收式制冷機組,其熱力系數[10]為1.1～1.3,具有運行平穩、噪聲低、能量調節范圍廣、維護操作簡單、可利用低品位熱能等一系列優點。

圖1 冷熱電聯供系統原理圖

冷熱電聯供系統實現了能源梯級利用及面向用戶需求,保證了靈活穩定供熱,又可以實現供冷,大大提高了一次能源的利用率。

2 系統分析與計算

冷熱電聯供系統的評價,可基于熱力學第一定律分析法,主要運用熱平衡原理,以熱效率為基本準則,對用能設備和系統的能量有效利用情況進行分析和評價,目前常用的是一次能源利用率(primary energy rate,PER),也稱系統熱效率,是系統輸出能量與輸入能量的比值,并且把功、熱、冷等同看待,可以進行換算,能較好地描述系統能量轉換利用的有效性與優劣,簡單易懂,一次能源利用率越高,系統的熱力性能越好。

對于冷熱電聯供系統,一次能源利用率計算式如下:

式中:Qh1即Qheat-load,為CCHP的供熱量,kJ;Qc1即Qcool-load,為CCHP的制冷量,kJ;Wel為CCHP的發電量,kW·h;Ein為CCHP的輸入能量,kJ。

此CCHP可以實現平穩的冷熱電聯供,其計算結果見表1。

表1 冷熱電聯供系統計算結果

表1中,工況1為低壓缸少蒸汽和低旁供汽聯合運行,工況2為低壓缸少蒸汽運行,工況3為五抽正常供汽運行,三種工況是當前嚴寒地區供熱的主要形式,通過“熱電解耦”技術滿足電網和熱用戶峰谷差的要求,靈活調配,提高了機組靈活性。

擬從熱電聯產機組的汽輪機五段抽汽抽取蒸汽,蒸汽參數滿足雙效吸收式制冷機組驅動熱源要求,三種工況的蒸汽壓力分別為0.29 MPa、0.26 MPa和0.31 MPa,每個工況擬抽取蒸汽流量20 t/h。從表1中結果可以看出,冷熱電聯供系統的一次能源利用率分別為96.27%、86.08%和76.27%,說明此系統的能源利用率較高,熱力性能較好。

從圖2中可以看出,雖然冷熱電聯供系統發電功率變化,但機組的熱網供熱量變化曲線較為平緩,維持在760 GJ/h左右。當熱用戶所需要的蒸汽負荷降低時,根據調控中心的要求,靈活調整機組負荷,在較大的范圍內同時滿足熱負荷和電負荷的需求。此系統在供電變負荷情況下,可以保持平穩的供熱量,實現熱電解耦。對于嚴寒地區冬季長期供暖來說,穩定高效供熱是十分必要的。

圖2 機組熱網供熱量變化曲線

從圖3可知,隨著不同運行方式和負荷工況變化,發電功率由106 MW變化到192 MW, 系統供電煤耗隨之變化,從177.57 g/(kW·h)增加到252.03 g/(kW·h)。這是因為隨著發電功率的增加,蒸汽動力裝置的朗肯循環存在的冷凝熱損失在能源梯級利用中變為可用能量的比例越來越小(供熱量也是可用能量)。

圖3 供電煤耗變化

如圖4所示,隨著不同工況發電功率的變化,熱電聯產系統熱效率和冷熱電聯供系統的一次能源利用率均隨之發生變化,且變化趨勢相同。熱電聯產系統不同工況發電功率減少,供熱量變化不大,且供熱實現了冷凝熱損失的回收利用,而系統輸入能量變小,故其熱效率提高。冷熱電聯供系統,同樣對低品位的蒸汽熱能加以利用產生冷量,實現能源梯級利用,且其熱力系數大于1,故同基礎的一次能源利用率較發電效率提高。

圖4 效率隨發電功率變化

此冷熱電聯供系統為了研究供冷的可能,擬抽取蒸汽量相對較小,對整個系統的影響較小,實際工程可以根據需要進行相應的調整。由于冷熱電聯供系統,進一步利用低品質的熱能,使系統的一次能源利用率進一步提高,系統方便可行,經濟性較好。

3 結 語

1) 基于嚴寒地區350 MW超臨界機組,結合溴化鋰雙效吸收式制冷技術,完成冷熱電聯供系統,對系統的供電煤耗、供熱量、發電效率及一次能源利用率進行計算分析,為冷熱電聯供系統設計提供參考。

2)從經濟和工程實際兩個角度考慮,冷熱電聯供系統,是抽取低品位的蒸汽進行利用,既可以實現靈活平穩供熱,又提供供冷的可能,具有較高的一次能源利用率,是未來系統高效可行的方式。