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熱電冷節(jié)能分析管理論文參考
摘要：熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能性問題在國內(nèi)學(xué)術(shù)界仍存在爭論。本文重新計(jì)算了被許多文獻(xiàn)引用的當(dāng)量熱力系數(shù)，并在此基礎(chǔ)上闡述對熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能性的認(rèn)識。
關(guān)鍵詞：熱電冷三聯(lián)供節(jié)能性當(dāng)量熱力系數(shù)
一．引言
對于吸收式制冷系統(tǒng)節(jié)能性的問題，幾年來一直是國內(nèi)學(xué)術(shù)界爭論的熱點(diǎn)。直接以鍋爐蒸汽為熱源的吸收式制冷機(jī)或直燃機(jī)一次能耗高于壓縮式制冷機(jī)，這一點(diǎn)大家的觀點(diǎn)是一致的。對于熱電冷三聯(lián)供，即以熱電廠供熱汽輪機(jī)抽汽或背壓排汽為熱源的吸收式制冷相對于壓縮式制冷機(jī)的節(jié)能性，則在已發(fā)表的文章中眾說紛紜，多數(shù)文章認(rèn)為熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)是節(jié)能的[1][2]，一些文章認(rèn)為該系統(tǒng)節(jié)能是有條件的[3]，而另一些文章則認(rèn)為熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)并不節(jié)能[4]。本文結(jié)合國內(nèi)一些關(guān)于熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能性的典型文獻(xiàn)，談一下自己的看法。
二．對當(dāng)量熱力系數(shù)的認(rèn)識
代表熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能觀點(diǎn)的典型文獻(xiàn)[1]用當(dāng)量熱力系數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行了分析。當(dāng)量熱力系數(shù)表示為單位一次燃料所制取的冷量。設(shè)由汽輪機(jī)抽汽口得到的每1kJ熱能所耗燃料熱能本應(yīng)為TJ，由于蒸汽在抽汽口前已作功wKwh，而每1KWh在凝汽式機(jī)組中所耗熱能為vkJ，故而抽汽得到的每1kJ熱能真正耗用燃料熱能的kJ數(shù)為：T-wvkJ,其倒數(shù)u=1/T-wv表示單位燃料燃燒產(chǎn)生的高品位熱量相當(dāng)于供熱汽輪機(jī)抽汽或背壓排汽口處的低品位熱量。吸收式制冷機(jī)的當(dāng)量熱力系數(shù)可因此表示為：
u的值大于1，它將視熱電廠汽輪機(jī)入口處和抽汽或背壓排汽口處的蒸汽參數(shù)及鍋爐效率而定。據(jù)文獻(xiàn)[1]引用巴竇爾克斯等的計(jì)算，當(dāng)抽汽壓力不超過0.6MPa的情況下，高壓汽輪發(fā)電機(jī)組的u值可達(dá)2.65。在采用此汽輪發(fā)電機(jī)組的熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)中，某雙效吸收式制冷機(jī)的當(dāng)量熱力系數(shù)為：
這大大超過壓縮式制冷機(jī)的當(dāng)量熱力系數(shù)ξc：
如果汽輪機(jī)的初參數(shù)降低，則u值和相應(yīng)的ξea也將隨之減小，表1列出了文獻(xiàn)[1]給出的不同初參數(shù)下的當(dāng)量熱力系數(shù)。
由表1可以看出，熱電冷三聯(lián)供制冷能耗要比壓縮式制冷低的多。即使采用低參數(shù)汽輪機(jī)的抽汽或背壓排汽作為熱源，吸收式制冷機(jī)的能耗也大大低于壓縮式制冷，此結(jié)果多次被引用來說明熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢。
表1不同初參數(shù)下熱電冷三聯(lián)供制冷和壓縮式制冷的當(dāng)量熱力系數(shù)
表1不同初參數(shù)下熱電冷三聯(lián)供制冷和壓縮式制冷的當(dāng)量熱力系數(shù)
雙效吸收式制冷機(jī)的熱力系數(shù)變化不大，基本上在1.2左右。于是，u值成為影響當(dāng)量熱力系數(shù)的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[1]沒有給出u值的計(jì)算方法，而只是直接引用幾十年前巴竇爾克斯的《吸收式制冷機(jī)》的有關(guān)值。在此，有必要對u的取值重新計(jì)算一下。
根據(jù)上述對當(dāng)量熱力系數(shù)的定義，u值可簡化為下式表示：
若設(shè)汽輪機(jī)相對內(nèi)效率為0.82，熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)中汽輪機(jī)的抽汽或背壓排汽在吸收式制冷機(jī)放熱凝結(jié)后返回電廠系統(tǒng)的溫度為飽和溫度，機(jī)組凝汽器壓力為4.9kPa，其他有關(guān)參數(shù)取值見表2。由以上參數(shù)值容易計(jì)算出表1所示三種抽凝機(jī)組的純凝汽發(fā)電效率ηc2值分別為0.280、0.262和0.230。于是,由式（3）可得三種初蒸汽參數(shù)的u值，進(jìn)而得到此三種初參數(shù)下熱電冷三聯(lián)供制冷的當(dāng)量熱力系數(shù),見表1。本文計(jì)算出的當(dāng)量熱力系數(shù)顯然比文獻(xiàn)[1]低。
再看一下壓縮式制冷機(jī)當(dāng)量熱力系數(shù)的計(jì)算。由于在計(jì)算熱電冷三聯(lián)供吸收式制冷機(jī)的當(dāng)量熱力系數(shù)時(shí)沒考慮冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)和溶液泵等輔助設(shè)備的電耗，因此式（2）中的W0應(yīng)是壓縮式制冷系統(tǒng)比吸收式制冷系統(tǒng)多耗的電量，采用表3中的值。同時(shí)，壓縮式制冷的電動機(jī)效率也不應(yīng)在該式中體現(xiàn)。于是，壓縮式制冷的當(dāng)量熱力系數(shù)應(yīng)為：
這樣，由重新計(jì)算的結(jié)果（見表1）來看，雖然與發(fā)電效率為0.34的壓縮式制冷系統(tǒng)相比，熱電冷系統(tǒng)是具有節(jié)能優(yōu)勢的，但這種優(yōu)勢并沒有文獻(xiàn)[1]所描繪的那么大，尤其是對低參數(shù)機(jī)組。那么，是否憑表1中的幾個(gè)數(shù)值就能說明熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)就一定節(jié)能呢？以下進(jìn)一步談?wù)剬Υ藛栴}的認(rèn)識.
三．對熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能性的認(rèn)識
熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)中吸收式制冷機(jī)的當(dāng)量熱力系數(shù)與多個(gè)因素有關(guān)。事實(shí)上，評價(jià)和分析熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能性應(yīng)考慮以下幾方面：
（1）節(jié)能是相對的，與比較對象的選取有關(guān)
一個(gè)系統(tǒng)是否節(jié)能，是相對于具有相同產(chǎn)出的另一系統(tǒng)能耗而言的。熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)在發(fā)電方面是與其他發(fā)電形式(代替電廠)作比較的，在式(3)中即表現(xiàn)為代替電廠的發(fā)電效率ηc2。
對于新建抽凝機(jī)組的熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)以及由背壓式供熱機(jī)組構(gòu)成的熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)，其發(fā)電量可由當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的其他電廠發(fā)電代替，因而，代替電廠發(fā)電效率ηc2可選擇當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的發(fā)電效率或全國平均水平發(fā)電效率。如果ηc2取為全國平均水平發(fā)電效率0.325[5]，則三種熱電冷系統(tǒng)的當(dāng)量熱力系數(shù)如圖1所示。當(dāng)壓縮式制冷以全國平均水平發(fā)電效率的電能為動力時(shí),即ηc=0.325，則采用雙效機(jī)的高、中參數(shù)熱電冷系統(tǒng)節(jié)能效果是明顯的，而低參數(shù)的熱電冷系統(tǒng)在高抽汽參數(shù)下節(jié)能優(yōu)勢并不大。
對于由抽凝汽輪機(jī)組成的現(xiàn)存熱電廠，當(dāng)改造其為熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)時(shí)，原本凝汽發(fā)電的蒸汽變成以抽汽的形式發(fā)電。因而，ηc2可取為該熱電廠的凝汽發(fā)電效率。這種情況下熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的當(dāng)量熱力系數(shù)如圖2所示�？梢钥闯觯藭r(shí)采用雙效機(jī)的熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢與圖1所示的情況相比更加明顯。
在制冷方面，熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)是與壓縮式制冷系統(tǒng)作比較的。因此，其節(jié)能性與壓縮式制冷機(jī)的COP以及該制冷機(jī)所耗電的發(fā)電效率等因素有關(guān)。
（2）熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能性與汽輪機(jī)初參數(shù)的高低有關(guān)
在圖1和圖2中，隨著機(jī)組初蒸汽參數(shù)的降低，熱電冷系統(tǒng)當(dāng)量熱力系數(shù)也會降低。這是由于初蒸汽參數(shù)降低使鍋爐中不可逆?zhèn)鳠峒哟�，從而增加了系統(tǒng)能耗。因而，當(dāng)初參數(shù)高的熱電冷系統(tǒng)節(jié)能時(shí)初參數(shù)低的系統(tǒng)卻不一定節(jié)能。
（3）汽輪機(jī)抽汽或背壓排汽的壓力對節(jié)能性的影響
文獻(xiàn)[1]僅考慮該壓力為6MPa（絕壓）的情況。實(shí)際熱電廠的供熱機(jī)組往往不是這個(gè)抽汽壓力。當(dāng)較遠(yuǎn)距離輸送蒸汽時(shí)，考慮到熱網(wǎng)的壓損，為滿足雙效機(jī)的熱源參數(shù)要求，汽輪機(jī)抽汽或背壓排汽的壓力應(yīng)比此壓力高。對于在原有熱電廠基礎(chǔ)上擴(kuò)建的熱電冷系統(tǒng)，由于原有供熱機(jī)組的抽汽壓力已系列化，使得抽汽參數(shù)與制冷機(jī)所要求的額定值往往存在較大偏差。因而有必要分析汽輪機(jī)抽汽或背壓排汽的壓力對系統(tǒng)能耗的影響。從圖1和圖2可看出，系統(tǒng)當(dāng)量熱力系數(shù)隨著汽輪機(jī)背壓排氣或抽汽壓力的升高而降低。從熱力學(xué)第二定律看，背壓排氣或抽汽壓力的提高，會使蒸汽在汽輪機(jī)中作功的火用損失減小，熱電廠的火用效率增加，有使熱電冷系統(tǒng)能耗減小的趨勢。但是，制冷側(cè)的火用效率卻以更大幅度減小。隨蒸汽壓力的改變，制冷機(jī)出力變化較為顯著，而其COP值的變化并不十分明顯，可近似以常數(shù)處理。蒸汽壓力增大時(shí)，制冷機(jī)傳熱傳質(zhì)的不可逆程度增大，甚至為避免溴化鋰溶液結(jié)晶，要對蒸汽進(jìn)行減溫減壓處理，進(jìn)一步加大了系統(tǒng)的不可逆損失，使得系統(tǒng)的當(dāng)量熱力系數(shù)減小。相反，如果大幅度減小汽機(jī)抽汽或背壓排氣壓力，雖然系統(tǒng)的能耗降低了，但制冷機(jī)的出力會下降。因此從經(jīng)濟(jì)上講，汽輪機(jī)抽汽或背壓排氣壓力的選擇存在一個(gè)優(yōu)化問題。
（4）吸收式制冷機(jī)的機(jī)型對系統(tǒng)節(jié)能性的影響
這里的機(jī)型是指單效或雙效。圖3和圖4分別為ηc2取全國平均水平發(fā)電效率和熱電冷系統(tǒng)供熱機(jī)組凝汽發(fā)電效率時(shí)的當(dāng)量熱力系數(shù)。可以看出，在圖3中，采用單效機(jī)的中、低參數(shù)熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)是不節(jié)能的。在圖4中，高、中參數(shù)的熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)在抽汽參數(shù)足夠低時(shí)是節(jié)能的，而低參數(shù)熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的能耗明顯大于壓縮式制冷機(jī)。比較采用雙效機(jī)（圖1、2）和單效機(jī)（圖3、4）的熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)便可很容易看出，采用雙效機(jī)的系統(tǒng)當(dāng)量熱力系數(shù)明顯高于采用單效機(jī)的系統(tǒng)。顯然這是由于單效機(jī)的COP遠(yuǎn)低于雙效機(jī)所造成的。因此，優(yōu)先采用雙效機(jī)，是降低熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)能耗的有效措施。這對制冷站設(shè)在熱電廠或熱量輸送系統(tǒng)為蒸汽網(wǎng)的熱電冷三聯(lián)供形式是容易實(shí)現(xiàn)的。但熱電冷三聯(lián)供形式之一是熱電廠提供的熱量通過熱水網(wǎng)輸送到各建筑物，提供吸收式制冷機(jī)所需熱量。對不宜修建蒸汽熱網(wǎng)的市區(qū)，這是可行的方案之一。由于目前普通的直埋熱水管道所允許的最高供水溫度不超過130℃，這種情況下只能采用單效機(jī)，其代價(jià)是增大了熱電冷系統(tǒng)的能耗。
（5）熱和冷兩者對熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)能耗的影響是不同的
通常所講的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱是節(jié)能的，這是相對于鍋爐直接供熱而言的，因?yàn)闊犭娐?lián)產(chǎn)供熱方式利用的是作功發(fā)電后的低品位蒸汽，而鍋爐供熱是直接利用高品位的燃料能。而在熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)中，吸收式制冷機(jī)雖然也是利用低品位的蒸汽熱能制冷，但與壓縮式制冷相比卻不一定節(jié)能，因?yàn)閴嚎s式制冷的COP遠(yuǎn)高于吸收式制冷。如圖5所示，從一次能源利用的角度看，無論熱電冷系統(tǒng)的吸收式制冷還是壓縮式制冷，都要經(jīng)過兩個(gè)能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。熱電冷三聯(lián)供制冷方式第一個(gè)環(huán)節(jié)是一次能源（燃料）通過熱電廠轉(zhuǎn)換成熱量和電量，第二個(gè)環(huán)節(jié)是熱量通過吸收式制冷機(jī)轉(zhuǎn)換成冷量；壓縮式制冷方式第一個(gè)環(huán)節(jié)是一次能源通過電廠轉(zhuǎn)換成電量，第二個(gè)環(huán)節(jié)是電量通過壓縮式制冷機(jī)轉(zhuǎn)換成冷量。熱電冷三聯(lián)供制冷方式的第一個(gè)環(huán)節(jié)能量轉(zhuǎn)化效率高于壓縮式制冷制冷方式，而第二個(gè)環(huán)節(jié)能量轉(zhuǎn)化效率則低于壓縮式制冷制冷方式。因此須根據(jù)具體情況通過定量計(jì)算來評價(jià)熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的能耗，進(jìn)而才能得出是否節(jié)能的結(jié)論，而文獻(xiàn)[2]僅憑定性分析，認(rèn)為冷和熱性質(zhì)相同，因而對系統(tǒng)節(jié)能性的影響相同，進(jìn)而得出熱電冷三聯(lián)供制冷方式一定節(jié)能的結(jié)論，這是欠妥的。
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