天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)熱力學分析

王 玨

（中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 404100）

天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)熱力學分析

王 玨

（中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 404100）

摘 要：天然氣先通過燃氣輪發(fā)電機進行發(fā)電，再通過燃氣輪機排出的高溫煙氣促使吸收式制冷劑工作，進行制冷，最后通過換熱器所回收的溫煙氣的余熱將生活用水加熱，這就是冷熱電三聯(lián)供方式，它突顯的是能源的充分利用，同時還能起到經(jīng)濟環(huán)保的作用，使得大力推廣和應用。本文就對天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的熱力學進行了研究和分析。

關鍵詞：天然氣；冷熱電三聯(lián)供；分布式能源；能量效率；煙效率

一、天然氣的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)及其運行方式

冷熱電三聯(lián)供是一種基于能源梯級利用概念上建立的集發(fā)電、制冷和供熱過程為一體的多聯(lián)供總能系統(tǒng)。首先將燃料用于發(fā)電，然后將發(fā)電中所生成的高溫煙氣作為制冷的推力，最后將煙氣中還存有的余熱將生活用水加熱成熱水，因為它能夠在很大程度上將能源加以充分利用，將能源加以充分利用，同時節(jié)約能源，所產(chǎn)生的有害氣體排放量也很少，設備的利用率也會有所提高，具有較高的經(jīng)濟效益，所以對于那些需要同時使用冷熱電的場所是特別適用的，例如居民區(qū)、賓館以及辦公樓等，同時在夏季的用電高峰期期間，它能夠有效緩解電網(wǎng)超負荷運行情況。天然氣的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的基本原理和運行方式基本與上述保持一致。而且為了滿足不同的使用目的以及用戶具體所需負荷變化組合不同形式的燃料補充結構，但其燃氣發(fā)電設備、制冷系統(tǒng)以及供熱系統(tǒng)這個基本設備均會被保留。

二、冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的能量以及?的分析

（1）能量分析

這里對該系統(tǒng)的能源利用特性進行分析所采用的方法是能量平衡法，為了便于分析，這里假設該系統(tǒng)的運行穩(wěn)定，同時其設備效率也保持穩(wěn)定不變。天然氣的燃氣輪發(fā)電機在進行發(fā)電的同時會將高溫煙氣提供給吸收式制冷機，此時燃氣輪發(fā)電機Qf和Pe的關系應該

其中ηe是由發(fā)電機性能所決定的發(fā)電效率，當燃燒天然氣后的能量，一部分用作發(fā)電，一部分則被損耗用于散熱，剩余的則會被煙氣帶走。根據(jù)發(fā)電機能量平衡的關系可以得到Q1的關系式為

制冷劑的制冷量在單位時間內的關系表示為

其中ηc是高溫煙氣向吸收式制冷劑中提供的余熱回收效率，ε是制冷劑制冷系數(shù)。而高溫煙氣經(jīng)過制冷劑的能量關系式為

當制冷機將中溫煙氣排入到換熱器中，煙氣中的余熱將會被進一步回收，并提供熱水，此時所用的熱量為

其中ηh為換熱器的回收效率。設定換熱器和制冷機的熱回收效率是吸收高溫煙氣的熱量與煙氣相對環(huán)境溫度的熱能之間的比值。當不出現(xiàn)煙氣泄露，比熱容不變，兩者處于穩(wěn)定工作的熱回收效率為

該系統(tǒng)的能量利用效率則是有效能源與被消耗能源之間的比值為

（2）?分析

在制定環(huán)境狀態(tài)中，該系統(tǒng)對外做的最大有用功的能力就是?，通過對系統(tǒng)?的分析，可以對該系統(tǒng)的能量系統(tǒng)設計、性能評價等進行了解，也就是分析該系統(tǒng)能量的最大工作效率，以及能量損失部位，對最大工作效率與實際工作之間存在的差別進行判斷，進而為系統(tǒng)的設計提供優(yōu)化方向。對于天然氣的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)來說，通過?分析能夠準確的將系統(tǒng)的工作狀態(tài)反映出來，同時?損失的部位及其量的大小也能加以確定。從系統(tǒng)的能量流程圖中可知，天然氣的?應該是該系統(tǒng)所消耗的總?，通常也于天然氣的低燃燒值近似，定義為Qr。電能與電?是同等的，因此系統(tǒng)在單位時間內的電?輸出為Ee=Pe，而制冷工質從環(huán)境溫度冷卻到一定溫度的過程中也會吸收熱量，也就是制冷機輸出的制冷量，熱?與輸出制冷量的關系為

其中輸出冷量工質的溫度為Tc。

換熱器加熱生活熱水的輸出熱?Eh為

對于系統(tǒng)的各部位損失?的主要原因是散熱和泄露，同時也是運轉過程的不可逆性。

三、冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的討論

該系統(tǒng)的工作效率應該是由實際機器設備性能、具體運行環(huán)境條件以及操作工況所決定的，不過就目前而言，使用的機器設備及其運行環(huán)境大致一致，因此操作工況才是該系統(tǒng)效率的主要影響因素。操作工況主要涉及三種輸出負荷比以及各個環(huán)節(jié)所處環(huán)境溫度和壓強，在系統(tǒng)實際運行的時候，煙氣中的壓強會比環(huán)境大氣壓略高1%，但是與溫度相比，壓強產(chǎn)生的變化影響到系統(tǒng)運行熱力學性能的程度要小。將煙氣看做理想氣體，那么單位物質量的煙氣中與壓強相應的壓?和壓能應該分別是RT0ln（p/p0）-p0（Vm0-Vm）和RT0ln（p/p0），其中氣體常數(shù)為R，煙氣壓強為p，環(huán)境壓強為p0，當前狀態(tài)的摩爾體積為Vm，寂態(tài)下摩爾體積Vm0。燃氣輪發(fā)電機的煙氣出口壓強通常都是1.02×105Pa，與出口煙氣溫度770K相比，壓能占總能的0.2%，壓?只占總?的0.005%。因此該系統(tǒng)主要是回收利用煙氣中的熱能，并且操作溫度對系統(tǒng)效率的影響最大。

從上述所列關系式中可以找到環(huán)境溫度、系統(tǒng)制冷量、供熱量、能量利用率以及?效率之間的關系，當制冷機的制冷量與換熱器供熱量隨著環(huán)境溫度的上升而逐漸增加，環(huán)境溫度每上升10K，制冷量和供熱量均上升2%。當制冷機的絕對增加量比換熱器供熱增加量高，那么就代表制冷過程用去了絕大部分的煙氣能量。而且隨著環(huán)境溫度的上升，系統(tǒng)的能力利用率和?效率也會隨之增加，這是因為熱量和冷量都處于增長狀態(tài)。而且當環(huán)境溫度上升10K的時候，能量效率的增加倍數(shù)大約是0.014倍，同時?效率也會增加0.043倍。再結合?的定義來看，隨著環(huán)境溫度的上升，該系統(tǒng)的總?效率也會隨之增加。

參考文獻

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