典型煤基多聯(lián)供系統(tǒng)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(shù)研究院有限公司，北京 102209； 3.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

目前，煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中仍然占據(jù)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(chǎn)生活能源供應(yīng)的前提下，開發(fā)新型的清潔高效煤炭能源綜合利用系統(tǒng)有著十分重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實意義。

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

煤基多聯(lián)供系統(tǒng)主要有2條技術(shù)路線：1）基于煤氣化的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)；2）基于高效煤粉爐和高效背壓機的多聯(lián)供技術(shù)[19]。雖然有諸多文獻證明煤氣化技術(shù)路線具有較高的熱效率和經(jīng)濟性[20-24]，但其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、初投資要求很高，且相關(guān)技術(shù)仍然處于開發(fā)階段，一般適用于大型集中式多聯(lián)供系統(tǒng)。相比之下，第2條技術(shù)路線的技術(shù)成熟、投資較低、靈活性高，可以適應(yīng)各種規(guī)模的負荷需求，更加符合分布式多聯(lián)供系統(tǒng)的要求。文獻[25-28]已經(jīng)對基于高效煤粉爐和高效背壓機的多聯(lián)供技術(shù)進行了初步分析，并揭示了此類多聯(lián)供系統(tǒng)性能的優(yōu)越性。

然而，前人文獻大多是對某種設(shè)計方案的計算和分析，缺乏對多種不同結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)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(lián)供技術(shù)，搭建4種熱電聯(lián)供系統(tǒng)和4種冷電聯(lián)供系統(tǒng)，深入剖析煤基多聯(lián)供系統(tǒng)在不同運行模式下的優(yōu)勢和不足；進一步對比煤基冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)、天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，指出煤基多聯(lián)供系統(tǒng)的獨特技術(shù)優(yōu)勢和工程前景。

1 煤基多聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)方案

多聯(lián)供系統(tǒng)一般為建筑物或園區(qū)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(xiàn)。因此，為了更清楚地分析多聯(lián)供系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，本文將多聯(lián)供系統(tǒng)拆分為熱電聯(lián)供系統(tǒng)和冷電聯(lián)供系統(tǒng)，分別進行討論。

本文依托自主開發(fā)的TPIS軟件平臺，對工業(yè)鍋爐、背壓式汽輪機和吸收式制冷機/熱泵等關(guān)鍵設(shè)備進行了建模，并對多種典型多聯(lián)供系統(tǒng)進行了模型搭建和對比分析。

1.1 煤基熱電聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)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(lián)供方案：

方案1 采用傳統(tǒng)燃煤工業(yè)鍋爐直接供暖；

方案2 采用蒸汽工業(yè)鍋爐+背壓式汽輪機直接供熱；

方案3 采用蒸汽工業(yè)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(yè)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(lián)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(lián)供方案4的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 煤基冷電聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)方案

參照現(xiàn)有制冷機組的技術(shù)參數(shù)，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(qū)動離心壓縮式冷水機組供冷，參照相關(guān)技術(shù)資料，額定工況的性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）CCOP取5.1[31]；

方案2 采用蒸汽工業(yè)鍋爐+雙效吸收式制冷機供冷；

方案3 采用蒸汽工業(yè)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(yè)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(lián)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(lián)供系統(tǒng)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(jié)放熱，在背壓機參數(shù)選擇時盡可能保證其排汽參數(shù)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(shè)計背壓式汽輪機，設(shè)計工況的內(nèi)效率為83%。在此基礎(chǔ)上， 針對上文提出的4種煤基熱電聯(lián)供方案和4種煤基冷電聯(lián)供方案，利用TPIS軟件對其熱力性能進行對比分析。

2.1 多聯(lián)供系統(tǒng)性能評價指標

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

首先以熱電聯(lián)供系統(tǒng)為例，定義供熱煤耗率來表征系統(tǒng)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(nèi)純供熱設(shè)備或多聯(lián)供系統(tǒng)向供熱系統(tǒng)提供的熱量，MJ/h；Mz為總煤耗量，指工業(yè)鍋爐在單位時間內(nèi)的耗煤量（折合為標準煤），g/h；Mf為發(fā)電煤耗量，等于發(fā)電煤耗率與發(fā)電功率的乘積，g/h；發(fā)電煤耗率是指按照國內(nèi)燃煤發(fā)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(fā)電功率是指工業(yè)鍋爐多聯(lián)供系統(tǒng)中汽輪機組的發(fā)電功率，kW。

同理，對于冷電聯(lián)供系統(tǒng)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(nèi)多聯(lián)供系統(tǒng)或電驅(qū)動壓縮制冷機向供冷系統(tǒng)提供的總冷量，MJ/h；總煤耗量和發(fā)電煤耗量的含義與熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的含義相同。

2.2 煤基熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱力性能對比分析

表1展示了4種熱電聯(lián)供方案的性能對比結(jié)果。由表1可見，熱電聯(lián)供系統(tǒng)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(tǒng)性能優(yōu)于采用雙效吸收式熱泵的系統(tǒng)。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(shè)計供水溫度，與單效吸收式熱泵相比不具有優(yōu)勢。降低輔助加熱量或輔助加熱蒸汽參數(shù)將減少供熱煤耗率，這也是熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化的方向。

表1 煤基熱電聯(lián)供系統(tǒng)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(lián)供系統(tǒng)的性能潛力，有必要進一步分析系統(tǒng)運行參數(shù)對系統(tǒng)性能指標的影響。圖3展示了熱電聯(lián)供系統(tǒng)方案3的供熱煤耗率隨汽輪機進汽壓力和溫度的變化規(guī)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(qū)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(lián)供系統(tǒng)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(lián)供系統(tǒng)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(lián)供系統(tǒng)熱力學(xué)性能對比分析

表2展示了4種煤基冷電聯(lián)供方案的對比結(jié)果。由表2可以看到，電驅(qū)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(yè)鍋爐直接驅(qū)動吸收式制冷機的效果最差。

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

目前，火力發(fā)電廠平均發(fā)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(yè)鍋爐效率相對大型電站鍋爐偏低，從而拉低了冷電聯(lián)供系統(tǒng)的綜合性能。顯然，提高工業(yè)鍋爐的蒸汽參數(shù)和汽輪機效率可以進一步降低冷電聯(lián)供方案的供冷煤耗率，但是否適合分布式多聯(lián)供系統(tǒng)還值得商榷。

在系統(tǒng)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(lián)供系統(tǒng)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(yīng)余熱占比超過0.24、0.17、0.10時冷電聯(lián)供方案才有優(yōu)勢。

圖5展示了冷電聯(lián)供系統(tǒng)方案4的供冷煤耗率隨汽輪機進汽壓力和溫度的變化規(guī)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(lián)供系統(tǒng)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(jù)經(jīng)典熱力學(xué)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(tǒng)輸出功隨汽輪機進口參數(shù)增加而增加。驅(qū)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(shù)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(lián)供系統(tǒng)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(yè)鍋爐和背壓機的參數(shù)能顯著降低冷電聯(lián)供系統(tǒng)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(shù)意味著高投入，對于單機功率本來就不大的工業(yè)鍋爐來說，將參數(shù)提高到超高壓甚至亞臨界在經(jīng)濟性上沒有優(yōu)勢。所以，如果沒有其他可利用的余熱或新能源加入，工業(yè)鍋爐+背壓機+吸收式制冷機方案在節(jié)能方面并不是最佳選擇。但是，鑒于工業(yè)鍋爐+背壓機+吸收式熱泵方案的巨大優(yōu)越性，通過吸收式熱泵/制冷機的耦合實現(xiàn)冷熱電多聯(lián)供，仍然具有綜合優(yōu)勢。

2.4 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱力學(xué)性能綜合對比分析

對以下3種典型的冷熱電能源系統(tǒng)的熱力學(xué)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(lián)供系統(tǒng)；

方案2 由電網(wǎng)+壓縮式制冷機+傳統(tǒng)鍋爐組成的分產(chǎn)系統(tǒng)；

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

方案3的主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

為比較不同系統(tǒng)之間的熱力性能，定義系統(tǒng)煤耗率Msys如下：

式中：Ph/Pe和Pc/Pe分別為系統(tǒng)熱電比和冷電比；Mf為發(fā)電煤耗率。

由定義可知，系統(tǒng)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(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的設(shè)計負荷情況，則煤基分布式系統(tǒng)提供單位能量組合消耗227.07 g標準煤，而分產(chǎn)系統(tǒng)提供單位能量組合消耗279.94 g標準煤。相比于分產(chǎn)系統(tǒng)，煤基分布式系統(tǒng)的能源節(jié)約率為18.89%。計算結(jié)果表明，盡管單獨的煤基冷電聯(lián)供的供冷煤耗率還略高于分產(chǎn)系統(tǒng)，但鑒于煤基熱電聯(lián)供的巨大優(yōu)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(xiàn)冷熱電多聯(lián)供，仍然具有綜合優(yōu)勢。

方案3中的燃氣內(nèi)燃機發(fā)電效率設(shè)為35%，熱電綜合效率設(shè)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(qū)動吸收式制冷機和熱泵，所以在方案3中，冷量由高溫?zé)煔怛?qū)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(huán)水換熱制取。經(jīng)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(lián)供工況而言，基于天然氣的聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)于煤基聯(lián)供系統(tǒng)，后者又優(yōu)于分產(chǎn)系統(tǒng)。這主要是因為燃氣內(nèi)燃機能夠在保持較高發(fā)電效率的前提下，獲取大量的余熱資源。但由于燃氣內(nèi)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(jù)負荷需求進行調(diào)整，隨著熱負荷需求溫度的降低，煤基分布式系統(tǒng)的背壓可以隨之降低，發(fā)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(tǒng)的供熱煤耗率為15.73 g/MJ，和天然氣多聯(lián)供系統(tǒng)的性能基本持平。

對于冷電聯(lián)供工況而言，分產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)于煤基多聯(lián)供系統(tǒng)，后者又優(yōu)于天然氣多聯(lián)供系統(tǒng)。這同樣是燃氣內(nèi)燃機余熱資源的分布結(jié)構(gòu)所致。缸套水溫度過低，難以用于驅(qū)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(lián)供系統(tǒng)與天然氣多聯(lián)供系統(tǒng)的熱力學(xué)性能互有優(yōu)劣，但煤基多聯(lián)供系統(tǒng)可以根據(jù)負荷條件改變設(shè)計背壓，參數(shù)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(lián)供系統(tǒng)有著廣闊的發(fā)展空間。

3 結(jié) 論

利用已建立的TPIS軟件平臺，結(jié)合煤基冷熱電多聯(lián)供的各種典型技術(shù)方案，建立煤基熱電聯(lián)供和冷電聯(lián)供模型。通過對不同技術(shù)方案的對比分析，揭示煤基分布式多聯(lián)供系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換特性和技術(shù)優(yōu)勢，主要結(jié)論如下：

1）煤基熱電聯(lián)供系統(tǒng)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(yōu)勢。

2）對于煤基冷電聯(lián)供系統(tǒng)，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(shù)可以有效改善系統(tǒng)的性能，但同時會導(dǎo)致投資的增加和運行靈活性的降低。

3）相比于分產(chǎn)系統(tǒng)，煤基多聯(lián)供系統(tǒng)在設(shè)計工況下的能源消耗量降低18.89%。另外，煤基多聯(lián)供系統(tǒng)的供冷煤耗率低于天然氣多聯(lián)供系統(tǒng)，供熱煤耗率高于天然氣多聯(lián)供系統(tǒng)。但燃氣內(nèi)燃機的余熱分布結(jié)構(gòu)基本固定不變，而煤基多聯(lián)供系統(tǒng)的余熱品位可以通過改變背壓機排汽壓力來調(diào)節(jié)，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(tǒng)具有廣闊的市場潛力。