幾種溴化鋰制冷機(jī)組應(yīng)用型式的能耗分析

1、幾種溴化鋰制冷機(jī)組應(yīng)用型式的能耗分析付林江億(清華大學(xué)熱能系100084)摘要:,的節(jié)能性。:EnergyConsumpionAnalysisofSeveralTypesofLithiumbromideAbsorptionChllersApplicationsAbstractByintroducingtheconceptionofequivalentelectricitygenera2tionefficiency,somecasesareanalyzedinthispaperaboutenergycon2sumptionofseveraltypesofLithium2bromideabsorp

2、tionchllersapplica2tions.Energyconservationoftri2generationsystem(combinedheating,electricityandcooling)isdiscussedespecially.KeywordsEquivalentelectricitygenerationefficiencyLithium2bromideabsorptionChillerTri2generationEnergyconsumption一、前言近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展及人們生活水平的日益提高,空調(diào)應(yīng)用亦日益發(fā)展。其中溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的應(yīng)用在國內(nèi)迅速普及

3、尤為引人注目。87年國務(wù)院有關(guān)文件曾明確提出有熱源的大面積空調(diào)單位,裝設(shè)溴化鋰裝置。的確,溴冷機(jī)的應(yīng)用與壓縮式制冷機(jī)相比有許多優(yōu)勢(shì)。如耗電少,不使用破壞大氣臭氧層的制冷工質(zhì),操作簡單,運(yùn)行平穩(wěn)可靠等。然而,從一次能源利用率的角度來分析,溴化鋰制冷機(jī)的能耗往往要大于壓縮式制冷。在我國,盡管人均一次能源擁有量遠(yuǎn)低于世界平均水平,但仍有大量以鍋爐為熱源的溴冷機(jī)、直燃式溴冷機(jī)用于中央空調(diào)系統(tǒng)。這主要是因?yàn)槲覈娏?yīng)緊張,造成壓縮式制冷的電力運(yùn)行費(fèi)與增容費(fèi)之和高于溴冷機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用,使得溴冷機(jī)在中央空調(diào)中的應(yīng)用仍有較大市場。1󰃗1998制冷學(xué)報(bào)47從充分利用一次能源的角度看,溴化鋰吸收式

4、制冷機(jī)適宜的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)是在其有以工業(yè)廢熱、熱電廠汽輪機(jī)組抽汽或背壓排氣等低品位熱能為熱源的場合。目前我國許多熱電廠設(shè)備效率及利用率低,其主要原因是夏季供熱負(fù)荷不足。若空調(diào)系統(tǒng)中常用的溴化鋰吸收式制冷機(jī)以熱電廠為熱源,則可以使熱電廠夏季供熱負(fù)荷增加,提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。同時(shí),熱電廠增加發(fā)電量及溴化鋰制冷代替壓縮式制冷節(jié)省用電,又可以緩解城市供電緊張的局面。這種由發(fā)電系統(tǒng)及空調(diào)供熱系統(tǒng)組成,由做功后的低品位熱量驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)運(yùn)行的系統(tǒng),即所謂熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)冷合理。14。文獻(xiàn)1以當(dāng)量熱力系統(tǒng)ea來判斷溴化鋰吸收式制冷機(jī)相對(duì)于壓縮式制冷的節(jié)能性,即(1)ea=up其中參數(shù)為溴吸機(jī)的制冷系數(shù),p為

5、管道輸送效率。u表示1KJ燃料燃燒產(chǎn)生的高位熱量相當(dāng)于汽輪機(jī)抽汽處低位熱的KJ數(shù)。設(shè)由汽輪機(jī)抽汽口得到的1KJ熱能所耗熱能本應(yīng)為TKJ,由于蒸汽因抽汽口前已做功KWh,而每1KWh在凝汽機(jī)組所耗熱能為vKJ,則由抽汽得到的每1KJ熱能真正耗用燃料熱能的KJ數(shù)為T-vKJ燃料熱󰃗KJ抽汽從而可由下式獲得u:kJ抽汽󰃗u=kJ燃料熱T-v(2)該文獻(xiàn)給出了抽汽壓力不超過016MPa時(shí)三個(gè)不同新汽參數(shù)的u值。根據(jù)該值計(jì)算出的溴化鋰吸收式制冷機(jī)當(dāng)量熱力系數(shù)遠(yuǎn)大于壓縮式制冷機(jī),從而說明199848制冷學(xué)報(bào)1󰃗以熱電廠汽輪機(jī)抽汽或背壓排汽為熱源的溴冷機(jī)是節(jié)能

6、的,許多文獻(xiàn)在說明溴冷機(jī)的節(jié)能性時(shí)也均以參數(shù)u為依據(jù)。然而,由于許多雙效溴冷機(jī)組熱源蒸汽的設(shè)計(jì)壓力為016MPa(表壓),低于016MPa將會(huì)使制冷機(jī)的出力及性能下降,再考慮到熱網(wǎng)的輸送壓損(以蒸汽為工質(zhì))或換熱溫差(以熱水為工質(zhì)),雙效溴冷機(jī)組運(yùn)行需要的抽汽壓力往往要高于016MP,由此會(huì)使u值變小。同時(shí),由于溴冷機(jī)的性能系數(shù)遠(yuǎn)小于壓縮式制冷機(jī),在進(jìn)行能耗比較時(shí),應(yīng),而這些在多數(shù)文獻(xiàn)中都未涉及。本文將發(fā)電、制冷作為一個(gè)整體,系統(tǒng)地對(duì)幾種不同的溴化鋰吸收式制冷機(jī)的應(yīng)用形式進(jìn)行一次能源消耗量的分析。二、系統(tǒng)能耗分析1溴化鋰吸收式制冷機(jī)的等效發(fā)電效率若僅考慮在夏季空調(diào)負(fù)荷下運(yùn)行,則熱電冷系統(tǒng)中一次

7、能源的產(chǎn)出為電和冷。這是兩種不同質(zhì)的產(chǎn)出,在進(jìn)行分析時(shí),應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成同一種產(chǎn)品,即要么是電,要么是冷。為此本文引入溴冷機(jī)組等效發(fā)電效率概念。圖1為吸收式制冷機(jī)與外界環(huán)境󰃜WQh吸收機(jī)l圖1吸收機(jī)能量平衡圖間的各種能量交換。它從外界吸收可用熱量Qh,電量W,向外界提供冷量Ql。若常規(guī)壓縮式制冷電量輸入為W0,則與常規(guī)壓縮式制冷方式比較,在產(chǎn)出同樣冷量時(shí),吸收機(jī)多耗熱量Qh,少耗電能W0-W,因此可認(rèn)為Qh換來的是電量W0-W,由此可定義溴化鋰吸收式制冷機(jī)熱耗量等效的轉(zhuǎn)化為電的效率c:c=Qhsp(3)017,雙效機(jī)為1115,表1給出當(dāng)制冷量為1163kW時(shí),與活塞式制冷機(jī)組相比

8、,溴冷機(jī)等效發(fā)電效率c分別為01276和01156。該效率表示溴化鋰吸收式制冷機(jī)每消耗單位熱量而換取的電量。它等效于發(fā)電廠中以該熱量為動(dòng)力的汽輪發(fā)電機(jī)組熱效率,故可稱之為溴冷機(jī)的等效發(fā)電效率。當(dāng)使用離心機(jī)或螺桿機(jī)時(shí)其COP還高于活塞機(jī),從而使吸收機(jī)的c降低,因此這里所得到的是吸收機(jī)最高可能達(dá)到的等效發(fā)電效率。其中sp-電網(wǎng)輸配效率,本文可取為019。若取單效溴冷機(jī)的性能系數(shù)COP為表11163kW壓縮式機(jī)組()COP134132134261968125()170(蒸汽型)1115量(kW)冷卻塔風(fēng)機(jī)溶液泵小計(jì)3481732134631151610951011615816612571910115

9、63213448158121385109813101127812201276熱耗Qh(kW)節(jié)電量(W-W0)󰃗sp等效發(fā)電效率c注3壓縮式機(jī)組及雙效溴冷機(jī)組的能耗數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)5。2系統(tǒng)等效發(fā)電效率將溴冷機(jī)組及熱源組成的整體作為一個(gè)系統(tǒng),若僅考慮系統(tǒng)的發(fā)電和制冷而不研究供熱,系統(tǒng)的能源輸入與產(chǎn)出如圖2,=Q0Q0(4)其中Wry熱源的發(fā)電量(扣除自用電)kWQ0系統(tǒng)輸入的一次能源熱量kWgd管道(包括熱網(wǎng))熱輸送效率可取為019系統(tǒng)等效發(fā)電效率表示將該系統(tǒng)視為一個(gè)發(fā)電廠而相當(dāng)?shù)碾姀S發(fā)電效率。因而,判斷制冷系統(tǒng)是否節(jié)能,可依據(jù)其等效發(fā)1󰃗1998制冷學(xué)報(bào)49圖2吸

10、收式制冷系統(tǒng)的能量平衡圖則該系統(tǒng)的等效發(fā)電效率可定義如下:電效率,判斷該效率是否大于參考電廠的發(fā)電效率ck即可。即系統(tǒng)的節(jié)能條件為:>ck這等同于將該系統(tǒng)與由參考電廠及壓Q0。(6)=E+(b-E)c式中E-原動(dòng)機(jī)發(fā)電效率,E=Wry󰃗縮式制冷機(jī)組成的系統(tǒng)作能耗比較。以下就幾種溴冷機(jī)的運(yùn)行方案加以分析。1)以鍋爐為熱源的溴冷機(jī)組或直燃式溴冷機(jī)組對(duì)于這種制冷型式,式(4)中Wry為零,即系統(tǒng)不直接對(duì)外發(fā)電。系統(tǒng)等效發(fā)電效率=c=bcQo(5)其中b為系統(tǒng)一次能源轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于直燃雙效溴冷機(jī),b為高壓發(fā)生器中的燃燒效率,可取為0185;源的溴冷機(jī),b,1651,5)機(jī),=1則

11、對(duì)于以鍋爐為熱源的單效機(jī),=01101,對(duì)于以鍋爐為熱源的雙效機(jī),=01179。以1996年12月份全國平均水平電廠發(fā)電效率為參考,即ck=013256(設(shè)發(fā)電煤耗為378g󰃗kw.h),則直燃式-BA-,溴冷機(jī)、以鍋爐為熱源的溴冷機(jī)的能耗都遠(yuǎn)大于以全國平均水平發(fā)電煤耗的電廠及壓縮式制冷機(jī)組組成的系統(tǒng)。故這些目前在國內(nèi)普遍使用的溴冷機(jī)運(yùn)行方式均造成一次能源浪費(fèi)。2)燃油、燃汽熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)直燃式溴冷機(jī)組雖然等效發(fā)電效率較高,但其能耗仍大于壓縮式制冷機(jī),這是因?yàn)閷⑷紵蟮母咂肺粺崮苤苯佑糜阡謇錂C(jī)制冷的緣故。若燃料先在原動(dòng)機(jī)中燃燒做功發(fā)電,而排煙作為溴冷機(jī)的制冷熱源(如圖3),由此

12、形成的熱電冷聯(lián)供系統(tǒng),其等效發(fā)電效率將會(huì)比直燃式溴冷機(jī)組有較大提高。為分析問題的方便,不考慮備用鍋爐的運(yùn)行及系統(tǒng)的供熱,并忽略管道熱損失,可將式(4)變形為199850制冷學(xué)報(bào)1󰃗原動(dòng)機(jī)可為內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等型式。若c按雙效溴冷機(jī)取值,b取值為0186,則系統(tǒng)等效發(fā)電效率隨著原動(dòng)機(jī)發(fā)電效率的增大而增大(見圖4),當(dāng)原動(dòng)機(jī)發(fā)電效率大于01123時(shí),這種溴冷機(jī)的運(yùn)行方案較以全國平均水平發(fā)電煤耗的電廠及壓縮式制冷機(jī)組成的系統(tǒng)能耗低。而一般內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等原動(dòng)機(jī)發(fā)電效率均在012以上,從而以油,燃汽為燃料的熱電冷聯(lián)產(chǎn)圖4系統(tǒng)等效發(fā)電效率與熱電廠發(fā)電效率之間的關(guān)系系統(tǒng)具有較理想的節(jié)能性

13、。然而,國內(nèi)以油、氣等燃料為動(dòng)力的空調(diào)系統(tǒng)大都采用直燃機(jī)為制冷裝置。直燃機(jī)相對(duì)于以鍋爐為熱源的溴冷機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊,運(yùn)行方便,效率高,污染低等優(yōu)點(diǎn)而倍受國內(nèi)廣大用戶青睞。但這種制冷方式仍存在能耗大的缺點(diǎn)。這就是為什么在歐美等西方國家,大多數(shù)情況是采用以燃燒后的高位熱量在原動(dòng)機(jī)作功,余熱作為溴冷機(jī)制冷動(dòng)力的熱電冷聯(lián)產(chǎn)型式,或是用原動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)壓縮式制冷機(jī),再以余熱驅(qū)動(dòng)溴冷機(jī)的聯(lián)合制冷方式,而不是直燃式溴冷機(jī)供冷型式。3)燃煤熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)簡單的以煤為燃料的熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)由熱電廠、輸送系統(tǒng)及冷暖站等組成。其中熱電廠由燃煤鍋爐及抽凝或背壓汽輪發(fā)電機(jī)組組成,這是我國目前最常見的熱電廠型式。隨著汽機(jī)進(jìn)汽、

14、抽汽或背壓排氣參數(shù),溴冷機(jī)組形式等因素的不同,耗顯然也不一樣。那么化,:);(2)由于抽汽或背壓排汽傳熱過程中的過冷水顯熱與蒸汽潛熱相比很小,在這里將其忽略,即抽汽回水溫度認(rèn)為是抽汽或排氣壓力下的飽和溫度;(3)不計(jì)熱網(wǎng)的輸送能耗;(4)忽略由于冷負(fù)荷變化較大使得機(jī)組運(yùn)行偏離設(shè)計(jì)工況而導(dǎo)致的機(jī)組相對(duì)內(nèi)效率的下降。如果是研究熱電冷聯(lián)產(chǎn)的不足,作上(4)假設(shè)是允許的,這同時(shí)也相對(duì)彌述(3)、補(bǔ)了假設(shè)(1)所忽略的系統(tǒng)有利條件,使得上述假設(shè)更趨合理。于是,對(duì)于以煤為燃料的熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),其等效發(fā)電效率可由式(4)轉(zhuǎn)化成如下形式(對(duì)于抽凝機(jī)組,僅考慮其抽汽部分):=(h0-t3)󰃗b(

15、7)式中h0新汽焓kJ󰃗kgh2抽汽或背壓排汽焓kJ󰃗kgt3抽汽或背壓排汽回水焓kJ󰃗kgKzy電廠自用電率可取為0108m汽輪發(fā)電機(jī)組機(jī)電效率,可取為0195判斷熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)是否節(jié)能,首先應(yīng)選擇參考電廠作為比較對(duì)象,設(shè)該參考電廠的發(fā)電效率為ck(相應(yīng)的發(fā)電煤耗為bck)。對(duì)于不同型式的供熱機(jī)組可選取不同的參考對(duì)象。例如,對(duì)于抽凝式機(jī)組,若不采用其抽汽作為溴冷機(jī)熱源則這部分,故可對(duì)于背壓式;由式(7)可以看出,影響系統(tǒng)等效發(fā)電效率的因素主要是新汽焓,抽汽焓,回水焓以及溴冷機(jī)等效發(fā)電效率等?？紤]到假設(shè)(2),(4),則系統(tǒng)等效發(fā)電效率可表示成如

16、下幾個(gè)參數(shù)的函數(shù),即(8)=f(h0,P2,c)隨著新汽的參數(shù)升高,系統(tǒng)等效發(fā)電效率增大,實(shí)際上這是由于新汽的升高增大了熱電廠發(fā)電的循環(huán)熱效率的緣故的緣故。汽輪機(jī)背壓排氣或抽汽壓力P2的提高,將使熱電廠機(jī)組熱電比減少,有使系統(tǒng)等效發(fā)電效率下降的趨勢(shì)。同時(shí),P2的增大,對(duì)于同一型式溴冷機(jī)而言,使其性能系數(shù)增加,從而提高其等效發(fā)電效率,只是這種提高幅度較小。但隨著P2的提高,系統(tǒng)中抽汽或背壓排氣參數(shù)從原來僅適用于單效溴冷機(jī)到適用于雙效溴冷機(jī)。而溴冷機(jī)由單效到雙效的這種型式上的改變,會(huì)使等效發(fā)電效率c有一個(gè)階躍性提高。因而系統(tǒng)中P2的選擇存在一個(gè)優(yōu)化問題。若汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率取為018,對(duì)于不同新汽參

17、數(shù),可將公式(7)轉(zhuǎn)換成如圖5、圖6形式。1󰃗1998制冷學(xué)報(bào)51圖5熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(P0=918MP,T0=)圖6熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(P0=315MP,T0=435)等效發(fā)電煤耗(g󰃗kW.h)實(shí)例:某熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有新汽參數(shù)分別為壓力P0=918MPa溫度T0=535以及P0=315MPa,T0=435兩種形式的抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組,其抽汽參數(shù)均為P2=0198MPa。由于熱網(wǎng)選用120高溫水為介質(zhì),用戶處溴冷機(jī)只能采用單效熱水機(jī)組,其等效發(fā)電效率按表1取值,即c=01156。對(duì)于高新汽參數(shù)的系統(tǒng)(如圖4),其發(fā)電煤耗約為490g󰃗kW.h,沒有

18、199852制冷學(xué)報(bào)1󰃗明顯的節(jié)能效果,而對(duì)于低新汽參數(shù)系統(tǒng)(如圖5),其系統(tǒng)等效發(fā)電煤耗則高達(dá)630g󰃗kW.h左右,明顯高于一般的凝汽發(fā)電能耗。因此,該熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在上述條件下并不節(jié)能。改進(jìn)方案(1):將輸送熱水溫度提升至160以上,從而可使系統(tǒng)采用雙效溴冷機(jī)制冷,等效發(fā)電效率c由01156增加至01276。對(duì)于高新汽參數(shù)的系統(tǒng)(如圖4),其系統(tǒng)等效發(fā)電煤耗可降至380g󰃗kW.h左右。為440g󰃗kW.h(如圖5),(2):016MPa,并采用雙效。對(duì)于高新汽參數(shù)系統(tǒng)其等效發(fā)電煤耗降至約360g󰃗kW.h(

19、見圖4)。對(duì)于低新汽參數(shù)系統(tǒng)其等效發(fā)電煤耗降至約410g󰃗kW.h(見圖5)。由此看出,改進(jìn)方案(2)與改進(jìn)方案(1)相比,系統(tǒng)能耗有用進(jìn)一步的降低。由上例看出,原有熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)抽汽參數(shù)高,又采用單效溴冷機(jī)組,使得一次能源耗量較大。改進(jìn)后的系統(tǒng)能耗有大幅度的下降,其一次能源耗量一般會(huì)低于通常發(fā)電煤耗較高的抽凝機(jī)組凝汽發(fā)電方式。尤其改進(jìn)方案(2)中高新汽參數(shù)的熱電冷系統(tǒng),即使相對(duì)于全國平均水平電廠發(fā)電煤耗也是節(jié)能的。這說明只要合理選擇系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及溴冷機(jī)型式,燃煤熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是具有節(jié)能優(yōu)勢(shì)的。三、結(jié)束語通過以上對(duì)幾種溴化鋰吸收式制冷機(jī)應(yīng)用型式的分析可知(見表2),以鍋爐為熱源

20、的溴化鋰吸收式制冷機(jī)系統(tǒng)及直燃式溴化鋰制冷機(jī)的能耗大于壓縮式制冷機(jī),而這兩種形式的空調(diào)系統(tǒng)卻在我國發(fā)展迅速,使用普遍,這一現(xiàn)象的存在是由于我國電力緊張,能源市場結(jié)構(gòu)不完善等狀況造表2各種溴冷機(jī)應(yīng)用型式的系統(tǒng)等效發(fā)電煤耗系統(tǒng)等效發(fā)電煤耗(g󰃗kW.h)1218687526322360也應(yīng)看到熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能的相對(duì)性,全面地考慮影響系統(tǒng)能耗的諸因素,以實(shí)現(xiàn)熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。另外,由于直燃機(jī)及直接以鍋爐為熱源的溴冷機(jī)制冷方式能耗高,今后隨著能源結(jié)構(gòu)的不斷完善,政府應(yīng)以經(jīng)濟(jì)手段為杠桿,控制這兩種制冷方式的使用,從而更加有效地利用有限的寶貴資源,為國家現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)。符號(hào)說明Wry熱源的發(fā)電量(扣除自用電)kWQ0kWh0kJ󰃗kgMP系統(tǒng)形式鍋爐+單效溴冷機(jī)組鍋爐+雙效溴冷機(jī)組直燃溴冷機(jī)組燃油、燃?xì)鉄犭娎?燃煤熱電冷333取原動(dòng)