焦?fàn)t煤氣冷-熱-電三聯(lián)供系統(tǒng)構(gòu)建及能量和火用分析

毛 成，馮明杰，郭 奕

（東北大學(xué) 冶金學(xué)院，沈陽 110819）

我國能源結(jié)構(gòu)主要以煤為主，其中焦炭產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的60%，作為煉焦副產(chǎn)品的焦?fàn)t煤氣，年產(chǎn)約850億m3.焦?fàn)t煤氣主要成分是H2和CH4，并含有少量CO，CO2，N2，O2和其他烴類，低熱值約為16 720～18 810 kJ／m3，屬中熱值煤氣，具有較高的利用價值，大多作為一種燃料來應(yīng)用［1－3］.冷-熱-電三聯(lián)供系統(tǒng)（CCHP）是一種分布式能源系統(tǒng)，系統(tǒng)中的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生電力，發(fā)電后排出的余熱通過余熱回收設(shè)備向用戶供熱、供冷，可極大提高整個系統(tǒng)的一次能源利用率，是減少大氣污染和提高能源綜合利用率的重要手段［4－6］.傳統(tǒng)的CCHP系統(tǒng)以天然氣為燃料，與天然氣相比，焦?fàn)t煤氣不僅產(chǎn)量大，而且具有很大的價格優(yōu)勢.其發(fā)熱量雖稍低于天然氣，但其他特性與天然氣極為相似，同時以焦?fàn)t煤氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟［7］.如果在CCHP系統(tǒng)中采用焦?fàn)t煤氣，既可以消耗掉富余的焦?fàn)t煤氣，又能降低能源成本，但目前關(guān)于這方面的研究相對較少.因此，本文借鑒傳統(tǒng)天然氣CCHP系統(tǒng)成功的經(jīng)驗，設(shè)計了一套以焦?fàn)t煤氣為燃料的CCHP系統(tǒng)，并借助Aspen Hysys10模擬平臺，搭建了流程模擬系統(tǒng)［8－10］，詳細(xì)研究了該系統(tǒng)在冬、夏及春秋過渡季節(jié)典型工作日運(yùn)行時的能量流和火用流，并對其能損和火用損情況進(jìn)行了分析［11］，以期為該系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考依據(jù).

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)簡介

所設(shè)計的焦?fàn)t煤氣冷-熱-電三聯(lián)供系統(tǒng)如圖1所示.該系統(tǒng)包括3個子系統(tǒng)：燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電子系統(tǒng)、蒸汽動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)和LiBr-H2O吸收式制冷循環(huán)子系統(tǒng)，可同時為用戶供電、供冷和供熱.主要設(shè)備和部件包括壓縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、多組換熱器、汽輪機(jī)、LiBr-H2O吸收式機(jī)組，以及連接管道、各種閥門等.在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電子系統(tǒng)中，焦?fàn)t煤氣和空氣分別通過煤氣壓縮機(jī)和空氣壓縮機(jī)升壓后在燃燒室內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生高溫高壓煙氣，該煙氣膨脹做功驅(qū)動發(fā)電機(jī)組發(fā)電后變?yōu)榈蜏氐蛪簾煔?，然后通過余熱鍋爐和熱水換熱器進(jìn)一步釋放能量后排入大氣.其中的余熱鍋爐為蒸汽動力循環(huán)提供高溫高壓的水蒸氣，熱水換熱器給用戶提供生活熱水.在蒸汽循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)中，循環(huán)工質(zhì)水通過余熱鍋爐后成為高溫高壓水蒸氣，該水蒸氣首先通過高壓蒸汽輪機(jī)膨脹做功，其壓力和溫度也隨之降低，然后進(jìn)入蒸汽分配器.在蒸汽分配器的出口，蒸汽被分為3路：一路進(jìn)入供暖換熱器來為用戶供暖，另一路進(jìn)入低壓蒸汽輪機(jī)繼續(xù)做功發(fā)電，最后一路進(jìn)入吸收式制冷供熱器為LiBr-H2O吸收式機(jī)組提供熱能；然后這3路蒸汽經(jīng)混合器后進(jìn)入冷卻器被冷卻成水，再通過泵加壓后進(jìn)入余熱鍋爐，從而完成一個循環(huán).在LiBr-H2O吸收式制冷子系統(tǒng)中，低質(zhì)量濃度LiBr水溶液在發(fā)生器內(nèi)加熱，隨著溶劑水的不斷汽化，LiBr的質(zhì)量濃度逐漸升高變?yōu)楦哔|(zhì)量濃度LiBr-H2O溶液，然后進(jìn)入吸收器（混合器＋冷卻器來模擬）.來自蒸發(fā)器的水蒸氣首先進(jìn)入冷凝器變?yōu)橐簯B(tài)水，再通過節(jié)流閥等熵膨脹后變?yōu)榈蜏氐蛪旱钠旌衔铮筮M(jìn)入蒸發(fā)器吸熱轉(zhuǎn)化為低溫低壓水蒸氣，在此過程中給用戶提供冷能.低溫低壓水蒸氣進(jìn)入吸收器被高質(zhì)量濃度LiBr-H2O溶液吸收，降低溶液質(zhì)量濃度，由泵加壓后送回發(fā)生器，從而完成該循環(huán).

圖1 焦?fàn)t煤氣三聯(lián)供系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of the CCHP system of coke oven gas

1.2 運(yùn)行模式

不同季節(jié)，人們對冷、熱、電有不一樣的需求.默認(rèn)冷負(fù)荷只出現(xiàn)在夏季，熱負(fù)荷只出現(xiàn)在冬季，電負(fù)荷和生活熱水全年供應(yīng).因此，在不同季節(jié)應(yīng)采用不同的運(yùn)行模式，在滿足人們用能需求的同時達(dá)到最佳的節(jié)能效果.不同季節(jié)CCHP的運(yùn)行模式如圖2所示.

圖2 不同季節(jié)CCHP的運(yùn)行模式Fig.2 Operation mode of CCHP in different seasons

（1）夏季運(yùn)行模式.在夏季，由于所需冷負(fù)荷較多，運(yùn)行模式如圖2中A區(qū)所示.此時閥門1處于開通狀態(tài)，閥門2和3處于關(guān)閉狀態(tài).電負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(jī)和高壓蒸汽輪機(jī)來提供，用戶采暖系統(tǒng)處于停用狀態(tài)，流出高壓蒸汽輪機(jī)的低壓蒸汽，由經(jīng)吸收式制冷系統(tǒng)中的供熱器回收余熱，為LiBr-H2O吸收式制冷機(jī)組提供能量.生活熱水負(fù)荷由流出余熱鍋爐后的煙氣來提供.在夏季典型日，該系統(tǒng)可提供5～7℃冷風(fēng)負(fù)荷300 kW，75℃生活熱水負(fù)荷200 kW，生活用電負(fù)荷為3 000 kW.

（2）冬季運(yùn)行模式.在冬季，由于所需采暖熱負(fù)荷較多，運(yùn)行模式如圖2中B區(qū)所示.此時閥門2處于開通狀態(tài)，閥門1和閥門3（節(jié)流閥）處于關(guān)閉狀態(tài).電負(fù)荷也由燃?xì)廨啓C(jī)和高壓蒸汽輪機(jī)來提供，此時低壓蒸汽輪機(jī)和LiBr-H2O吸收式制冷機(jī)組處于停用狀態(tài)，流出高壓蒸汽輪機(jī)的低壓蒸汽通過供暖換熱器回收余熱送入用戶采暖系統(tǒng)，生活熱水負(fù)荷由流出余熱鍋爐后的煙氣來提供.在冬季典型日，該系統(tǒng)可提供的60℃的采暖熱負(fù)荷為430 kW，生活用電負(fù)荷為3 000 kW，75℃的生活熱水負(fù)荷為200 kW.

（3）春秋過渡季節(jié)運(yùn)行模式.在春秋過渡季節(jié)，由于用戶不需要供冷和供熱，故該系統(tǒng)主要用來提供電負(fù)荷，運(yùn)行模式如圖2中C區(qū)所示，此時閥門3處于打開狀態(tài)，閥門1和2處于關(guān)閉狀態(tài)，電負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(jī)、高壓蒸汽輪機(jī)和低壓蒸汽輪機(jī)來提供，生活熱水負(fù)荷由流出余熱鍋爐后的煙氣來提供.在春秋過渡季接的典型日，該系統(tǒng)可提供的生活用電負(fù)荷為3 200 kW，75℃的生活熱水負(fù)荷為200 kW.

1.3 系統(tǒng)模擬條件

系統(tǒng)模擬計算條件如表1所列.

表1 模擬計算條件Table 1 Parameters of simulation

2 熱力學(xué)分析模型

2.1 能量分析模型

焦?fàn)t煤氣的組成如表2所列.

表2 焦?fàn)t煤氣的成分（體積分?jǐn)?shù)）Table 2 Composition of coke oven gas（volume fraction） %

助燃空氣和高爐煤氣帶入煤氣壓縮機(jī)和空氣壓縮機(jī)的能流表示為［12－13］：

煤氣壓縮機(jī)和空氣壓縮機(jī)輸出的能流表示為：

式中，q為工質(zhì)所攜帶的能流，kW；Qh分別為焦?fàn)t煤氣的高位熱值，MJ／kg；ηcog和ηair分別為焦?fàn)t煤氣和空氣壓縮機(jī)的效率，%；Pcog和Pair分別為焦?fàn)t煤氣和空氣壓縮機(jī)的功率，kW；m為工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg／s；h為工質(zhì)的比焓，kJ／kg；1，2，3，…數(shù)字下標(biāo)表示狀態(tài)點(diǎn).

進(jìn)出燃燒室的能流表示為：

式中，ηbur為燃燒室的效率，%.

燃?xì)馀蛎洐C(jī)輸出電功率表示為：

式中，Etur是燃?xì)馀蛎洐C(jī)輸出電功率，kW；ηe為燃?xì)馀蛎洐C(jī)的發(fā)電效率，%.

余熱鍋爐的能量平衡表示為：

式中，qhrb，rel和qhrb，arb分別為高溫工質(zhì)釋放的熱流和低溫工質(zhì)吸收的能流，kW；ηhrb余熱鍋爐的熱效率，%.

供暖換熱器的能量平衡表示為：

式中，qhs，rel和qhs，arb分別為高溫蒸汽釋放的能流和生活熱水吸收的能流，kW；ηhs為供暖換熱器的效率，%.

吸收式制冷供熱器的能量平衡表示為：

式中，W15為吸收式制冷供熱器給LiBr-H2O吸收式制冷機(jī)組提供的熱流，kW；ηcooler為吸收式制冷供熱器的效率，%.

在夏季，LiBr-H2O吸收式制冷機(jī)組能量平衡表示為：

式中，q32－33為LiBr-H2O吸收式制冷機(jī)組冷凍水提供的冷負(fù)荷，kW；ηc為制冷系數(shù)，%.

系統(tǒng)的綜合能效表示為：

式中，Pcool為系統(tǒng)提供的冷負(fù)荷，kW；Phot為系統(tǒng)提供的熱負(fù)荷，kW；Pele為系統(tǒng)提供的電負(fù)荷，kW；ηsys為系統(tǒng)綜合能效，%.

2.2 火用分析模型

單位質(zhì)量工質(zhì)的總火用為：

式中，ex，exph，exch，exki和expo分別為單位工質(zhì)的總火用、物理火用、化學(xué)火用、動力火用和潛在火用，KJ／kg.動力火用和潛在火用相對很小，可忽略不計.

對燃料而言，其物理火用遠(yuǎn)小于化學(xué)火用，故焦?fàn)t煤氣的物理火用可忽略不計，總火用僅考慮其化學(xué)［14］：

式中，excog為單位質(zhì)量焦?fàn)t煤氣的總火用，kJ／kg；為單位質(zhì)量焦?fàn)t煤氣的化學(xué)火用，kJ／kg；Qd為焦?fàn)t煤氣的低位熱值，MJ／kg.

對其他工質(zhì)而言，主要考慮其物理火用，其值由式（19）～（21）計算得到［15－16］：

式中，i為工作狀態(tài)；0為參考環(huán)境狀態(tài)；s為工質(zhì)的比 熵， kJ／kg；R 為 通 用 氣 體 常 數(shù)，R =8.314 kJ／kg·K；P為工質(zhì)的壓力，Pa.

系統(tǒng)的綜合火用效率表示為：

式中，exgain為系統(tǒng)收益火用，kJ／kg；extot為系統(tǒng)的總火用，kJ／kg；ηex，sys為系統(tǒng)的綜合火用效率，%.

3 結(jié)果與分析

3.1 夏季運(yùn)行性能

系統(tǒng)在夏季典型日運(yùn)行時的能量流和火用流?；鶊D分別如圖3（a）（b）所示.由圖3（a）可知，焦?fàn)t煤氣所攜帶的化學(xué)能，54.3%轉(zhuǎn)化成電能，2.1%轉(zhuǎn)化成冷能，6.4%轉(zhuǎn)化成生活熱水的熱能.夏季運(yùn)行模式下系統(tǒng)的能量綜合利用效率約為63.5%.從圖中還可以看出，在該運(yùn)行模式下，需要給系統(tǒng)提供4 600 m3／h的焦?fàn)t煤氣才可以滿足用戶的用能需求.由圖3（b）可知，焦?fàn)t煤氣所攜帶的火用能，57.3%轉(zhuǎn)化為凈電能，1.1%用于生產(chǎn)冷凍水，1.8%用于生產(chǎn)生活熱水，系統(tǒng)火用效率為57.1%.

圖3 夏季系統(tǒng)運(yùn)行時的能量流和火用流?；鶊D（MJ／s）Fig.3 Energy flow and exergy flow of the CCHP system during the summer

3.2 冬季運(yùn)行性能

系統(tǒng)在冬季典型日運(yùn)行時的能量流和火用流桑基圖分別如圖4（a）（b）所示.冬季的能流與夏季相似，在冬季供暖換熱器取代LiBr-H2O吸收式制冷機(jī)組為用戶提供采暖熱負(fù)荷，在該運(yùn)行模式下，需要給系統(tǒng)提供5 200 m3／h的焦?fàn)t煤氣才可以滿足用戶的用能需求.從圖中可以看出，在冬季典型日，系統(tǒng)的綜合能效為63.3%，其中52.4%用于發(fā)電，7.4%用于供暖，3.5%用于熱水.系統(tǒng)的火用效率為56.5%，其中52.4%用于電力，2.6%用于供暖，1.5%用于熱水.與夏季相比，冬季的總能源效率和火用效率都小于夏季.

圖4 冬季系統(tǒng)運(yùn)行時的能量流和火用流桑基圖（MJ／s）Fig.4 Energy flow and exergy flow of the CCHP system during the winter

3.3 春秋過渡季運(yùn)行性能

圖5為系統(tǒng)在春秋過渡季典型日運(yùn)行時的能量流和火用流?；鶊D.在該運(yùn)行模式下，需要給系統(tǒng)提供4 900 m3／h的焦?fàn)t煤氣才可以滿足用戶的用能需求.在春秋過渡季，除熱水換熱器回收熱量用來給用戶提供熱水預(yù)熱生活用水外，其余能量都用來發(fā)電，系統(tǒng)的綜合能效約為62.2%，火用效率59.1%，綜合能效略低于冬季，但火用效率是一年最高的.

圖5 過渡季系統(tǒng)運(yùn)行時的能量流和火用流?；鶊D（MJ／s）Fig.5 Energy flow and exergy flow of the CCHP system during the spring and autumn

3.4 系統(tǒng)各單元損失情況

系統(tǒng)在夏季、冬季和春秋過渡季典型日運(yùn)行時各單元的能量和火用損失情況如圖6所示.其中，單元代號1，2，3，5分別為燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、高壓蒸汽輪機(jī)、冷卻器，單元代號4在圖6（a）（b）（c）分別為制冷機(jī)組、低壓蒸汽輪機(jī)、供暖換熱器.

從圖6（a）可以看出，系統(tǒng)在夏季典型日運(yùn)行時，最大的能損出現(xiàn)在燃?xì)廨啓C(jī)中，約占系統(tǒng)總能損的39.8%，其次是余熱鍋爐，約占總能損的18.1%，高壓汽輪機(jī)約占總能損失的9.5%，制冷機(jī)組占總能損失的13.4%，冷卻器占總能損失的19.2%.火用損也主要出現(xiàn)在燃?xì)廨啓C(jī)中，約占系統(tǒng)總火用損的44.2%，高壓汽輪機(jī)和吸收制冷單元分別占總火用損的8.4%和9.1%，而吸收式制冷單元和冷卻器分別占9.1%和16.1%.

從圖6（b）可以看出，系統(tǒng)在冬季典型日運(yùn)行時，最大能損也出現(xiàn)在燃?xì)廨啓C(jī)中，占總能損的37.76%，余熱鍋爐約占總能損的23.56%，高壓蒸汽輪機(jī)占9.5%，供暖換熱器和冷卻器分別占9.2%和19.98%.在火用損中，燃?xì)廨啓C(jī)的火用損失也是最大的，約占系統(tǒng)總火用損的51.50%，余熱鍋爐的火用損失由夏季的18.1%升高到了23.56%，其他單元與夏季大致相同，由于吸收式制冷單元在冬季不工作，其能損失和火用損都是0.

圖6 不同季節(jié)下各單元能損／火用損占總能損／火用損的百分比Fig.6 Percentage of energy／exergy loss to total energy／exergy loss in different seasons

系統(tǒng)在春秋過渡季典型日運(yùn)行時各單元的能量和火用損失情況如圖6（c）所示.在春秋過渡季，燃?xì)廨啓C(jī)的能損和火用損失也都是最大的，約占總能損和總火用39.6%和55.3%，余熱鍋爐能損和火用損都比夏季高而比冬季低，分別占總能損和總火用損的19.2%和23.59%，由于既不供冷也不供暖，LiBr-H2O制冷單元和供暖換熱器單元的能損失和火用損都是0.

由此可知，在焦?fàn)t煤氣CCHP系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C(jī)需要消耗大量的能量并造成很大的火用損失，在系統(tǒng)優(yōu)化中需要著重考慮.

4 結(jié) 論

（1）該系統(tǒng)在不同季節(jié)典型日運(yùn)行時，由于所提供的負(fù)荷不同，所需要的焦?fàn)t煤氣量也不一樣，夏季約需4 600 m3／h，冬季約需5 200 m3／h，過渡季節(jié)約需4 900 m3／h.

（2）系統(tǒng)的綜合能效在夏季最高，約為63.5%，冬季次之，約為63.3%，在春秋過渡季節(jié)最低，約為62.2%.而火用效率在春秋過渡季最高，約為59.1%，夏季次之，約為57.1%，冬季最低約為56.5%.

（3）在所有的運(yùn)行單元中，汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的能損和火用損都占有很大的比例，其次是余熱鍋爐，在設(shè)計和運(yùn)行中應(yīng)給予足夠的重視.