商業(yè)燃氣輪機用于供熱系統(tǒng)和熱軋電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能分析

商業(yè)燃氣輪機用于供熱系統(tǒng)和熱軋電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能分析

符號表明1供熱系統(tǒng)性能得到改善通過電池行業(yè)的統(tǒng)一系統(tǒng)，動力系統(tǒng)對環(huán)境的熱量回收用于加熱。在某種程度上，燃料能量被緩慢使用，這具有很高的能源效率。隨著人民生活水平的改善,夏季對冷負荷的需求顯著增加。在這種情況下,將熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行擴展,把從動力系統(tǒng)回收的熱量先用于制冷,然后用于供熱,使能量梯級利用水平進一步得到提高,系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟性將顯著改善。通常冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)布置在用戶周圍,直接向用戶提供電力,減少了對電網(wǎng)的依賴,提高了用戶用電安全性;系統(tǒng)性能的改善使?jié)M足相同需求時消耗的燃料減少,同時動力系統(tǒng)的污染物排放量較少,因此對環(huán)境的壓力明顯降低;在滿足冷需求的同時,提供了部分電力,從而大大緩解夏季用電高峰時電網(wǎng)的壓力。由于以上諸多特點,冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)近年來得到廣泛重視。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中,動力子系統(tǒng)的性能影響各種能量的輸出,處于主導(dǎo)地位。燃氣輪機具有較高的發(fā)電效率,同時尾部煙氣溫度較高,便于綜合利用,因此在冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的市場中占有很大份額。目前市場上發(fā)電用燃氣輪機種類繁多,功率、效率、排煙溫度有較大差異,不同型號燃氣輪機有著不同的表現(xiàn),因此有著不同的適用范圍。本文對商用燃氣輪機用于冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行了研究,力圖對應(yīng)用于冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的燃氣輪機選擇有所幫助。2供熱所需的熱量利用燃氣輪機位于燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的頂端:燃料首先在燃氣輪機中燃燒、膨脹做功;燃氣輪機排氣中熱量被回收用于供熱,見圖1(a)。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的不同之處在于對回收熱量的利用方式明顯不同。民用領(lǐng)域供熱溫度通常約為60℃,熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)將回收的熱量完全用于供熱。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中,采用單效吸收式制冷時,熱量溫度通常在100℃以上,而采用雙效吸收式制冷系統(tǒng)時,170℃以上的熱量才能被利用。由于制冷所需熱量溫度高于供熱所需,為了充分、高效地利用煙氣中熱量,冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的布置采用串聯(lián)回路,即燃氣輪機煙氣中熱量先用于制冷,然后用于供熱,見圖1(b)。圖1(b)在沒有冷量需求時,制冷系統(tǒng)也可以將回收的熱量用于供熱,此時與圖1(a)沒有太大區(qū)別。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)提供的冷量溫度與環(huán)境溫度比較接近,遠距離傳輸十分困難,因此所選用燃氣輪機的功率一般在10MW以下。根據(jù)燃氣輪機主要性能數(shù)據(jù)確定冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能,對于燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的普及推廣將會有所幫助。3不同功率下的分離系統(tǒng)燃氣輪機排氣可認為由兩部分混合而成:燃料的燃燒產(chǎn)物和空氣混合。由于燃空比較大,燃氣輪機排氣中空氣占有很大份額,因此不同型號燃氣輪機排氣的成份相差不是很大,近似分析中可認為燃氣輪機排氣的物性僅受排氣溫度影響,而與燃氣輪機型號沒有關(guān)系。在已知燃氣輪機功率和發(fā)電效率的情況下,燃氣輪機單位時間輸入燃料能量為:f=w/ηe(1)燃氣輪機排氣中的熱量為:q=(1/ηe-1)·w=h4-h0(2)對于圖1所示聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中冷、熱系統(tǒng)而言,所利用的只是動力系統(tǒng)的排氣,因此對于利用的煙氣是來自于透平出口或是來自于回熱器不需區(qū)分,取燃氣輪機系統(tǒng)最終排氣的溫度為T4。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中,排氣中熱量根據(jù)溫度段被簡單分成3部分:T4～T5區(qū)間煙氣中熱量被用于制冷;T5～T6區(qū)間煙氣中熱量用于供熱;余下熱量被排向環(huán)境。對于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),供熱系統(tǒng)利用的是T4～T6區(qū)間煙氣中全部熱量。兩系統(tǒng)提供制冷量和供熱量分別為:CCCHP=h4(T4)?h5(T5)h4(T4)?h0(T0)?COPa?(1/ηe?1)w(3)HCCHP=h5(T5)?h6(T6)h4(T4)?h0(T0)?(1/ηe?1)w(4)HCHP=h4(T4)?h6(T6)h4(T4)?h0(T0)?(1/ηe?1)w(5)CCCΗΡ=h4(Τ4)-h5(Τ5)h4(Τ4)-h0(Τ0)?CΟΡa?(1/ηe-1)w(3)ΗCCΗΡ=h5(Τ5)-h6(Τ6)h4(Τ4)-h0(Τ0)?(1/ηe-1)w(4)ΗCΗΡ=h4(Τ4)-h6(Τ6)h4(Τ4)-h0(Τ0)?(1/ηe-1)w(5)節(jié)能率直接反映了一個系統(tǒng)與參照系統(tǒng)的輸入燃料使用情況:FESR=(fre-f)/fre(6)目前,電網(wǎng)是最大的電力提供者,而壓縮式制冷機組占有制冷設(shè)備絕大多數(shù)的市場份額,鍋爐是使用最廣泛的供熱設(shè)備,因此:FESRCCHP=g1(w,ηe,COPa,ηeg,COPe,ηb,T4,T5,T6)(6A)FESRCHP=g2(w,ηe,ηeg,ηb,T4,T6)(6B)當采用不同形式的吸收式制冷系統(tǒng)時,冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的排煙溫度和性能均會有所不同。經(jīng)綜合考慮,本文采用雙效溴化鋰機組。目前雙效溴化鋰機組的COPa在1.2左右,對應(yīng)制冷系統(tǒng)排煙溫度T5取為170℃。供暖溫度較低,在考慮一定傳熱溫差和經(jīng)濟性后,供熱系統(tǒng)排煙溫度取為100℃,于是,聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)制冷量和供熱量將只是燃氣輪機功率、發(fā)電效率和排氣溫度的函數(shù):CCCHP=1.2x1(T4)·w·(1/ηe-1)(3A)HCCHP=x2(T4)·w·(1/ηe-1)(4A)HCHP=x3(T4)·w·(1/ηe-1)(5A)通過式(3A)～式(5A)可看到,隨著功率的增加,制冷量和供熱量將線性增加;當發(fā)電效率增加時,可用于供熱、制冷的能量將減少,因此制冷量和供熱量將相應(yīng)減少。當發(fā)電效率不變而燃氣輪機排氣溫度增加時,煙氣中熱量占全部輸入能量的份額不變,但是用于制冷的熱量份額將增加,因此制冷量增加;同時用于供熱的熱量份額將降低。熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中,燃氣輪機排氣溫度的增加,將導(dǎo)致可以利用的熱量份額增加,供熱量將增加。圖2為目前一些不同型號燃氣輪機的排氣溫度和發(fā)電效率的變化情況。雖然排氣溫度和發(fā)電效率在一定的范圍內(nèi)波動,但總的趨勢是,燃氣輪機的排氣溫度隨功率的增加而略有降低,而發(fā)電效率隨功率的增加而略有增加。當采用圖1布置形式時,額定工況下聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)各種不同能量的輸出情況見圖3。不同功率的燃氣輪機發(fā)電效率和排氣溫度略有不同,但相差不是很大,因此聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的制冷量和供熱量與功率基本上是線性關(guān)系。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中,吸收式制冷系統(tǒng)利用的是燃氣輪機出口(T4)至制冷系統(tǒng)出口(T5)的煙氣中的熱量差值,T5是恒定的,而不同型號的燃氣輪機T4有所不同;此外加上燃氣輪機發(fā)電效率的影響,因此制冷量在增長時存在較大的起伏。而其供熱系統(tǒng)的進出口煙氣溫度恒定,T4的影響在于改變供熱系統(tǒng)接受的熱量在全部排氣熱量中的比例,因此其影響大為減弱,從而供熱量的變化幅度也明顯降低。與冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相同的原因?qū)е聼犭姴⒐┫到y(tǒng)中,供熱量的起伏比較大。對比圖3(a)和圖3(b)可以發(fā)現(xiàn),冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的制冷量與熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的供熱量基本相當,但前者輸出的能量總量明顯高于后者。冷量的獲得本來就比較困難,而且將熱用于制冷大大增加了熱在夏季的用途,因此與熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比,冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是一種全新系統(tǒng)。參照系統(tǒng)采用目前應(yīng)用最廣泛的分產(chǎn)系統(tǒng):中國常規(guī)電廠發(fā)電效率為33.3%,電網(wǎng)輸變電損失為8.1%;壓縮式制冷機組性能差別較大,本文選用COP為5.0的壓縮式冷水機為參照系統(tǒng);鍋爐效率一般在90%左右,可認為是常數(shù)。圖4為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)各項輸出對應(yīng)的分產(chǎn)系統(tǒng)消耗燃料量及總?cè)剂舷牧孔兓闆r。因為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的冷、熱輸出隨燃氣輪機功率的增加近似線性增加,各項對應(yīng)的分產(chǎn)系統(tǒng)燃料量也存在類似的變化趨勢。對應(yīng)分產(chǎn)系統(tǒng)消耗的總?cè)剂狭繛楦鞑糠址之a(chǎn)系統(tǒng)燃料之和,同樣保持了隨功率線性增加的趨勢。由于分產(chǎn)制冷系統(tǒng)性能較好,冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)對應(yīng)的分產(chǎn)燃料量略少于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)對應(yīng)的分產(chǎn)燃料量。在參照系統(tǒng)的性能被確定后,節(jié)能率將取決于冷、熱、電的供給情況。由于制冷量和供熱量只是燃氣輪機功率、排氣溫度以及發(fā)電效率的函數(shù),節(jié)能率也只與這三者有關(guān):FESRCCHP=g1(w,ηe,T4)(6C)FESRCHP=g2(w,ηe,T4)(6D)圖5為對應(yīng)的系統(tǒng)節(jié)能率變化。節(jié)能率變化相對比較分散,對于冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),絕大多數(shù)在0.20～0.37之間波動;對于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),多在0.30～0.45之間。由此可見,采用這兩種布置形式,所有分析的燃氣輪機都具有較好的熱力學(xué)性能?？偟内厔菔?隨功率的增加,兩種系統(tǒng)的節(jié)能率都略有增加,但變化幅度不大。由于參照系統(tǒng)中制冷系統(tǒng)的性能較好,熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能率較冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)略高。當某分產(chǎn)系統(tǒng)燃料量在全部分產(chǎn)系統(tǒng)燃料量中份額較高時,其對節(jié)能率的影響也較大;因此對應(yīng)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中子系統(tǒng)性能改善時,聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)總體性能改善也最明顯。由圖4可知,在聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)各部分對應(yīng)的分產(chǎn)系統(tǒng)燃料量中,用于提供與聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相同電力所消耗燃料量的份額最大,因此聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中動力子系統(tǒng)的性能對聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能影響最大。本文系統(tǒng)中,不同燃氣輪機對應(yīng)的制冷子系統(tǒng)和供熱子系統(tǒng)性能基本上沒有變化,隨功率的增加,主要是發(fā)電效率的增加導(dǎo)致了系統(tǒng)節(jié)能率的增加。在冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中,制冷子系統(tǒng)的影響處于第二位。4供熱費用及經(jīng)濟效益分析聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)由于在一定程度上實現(xiàn)了能量的梯級利用,因此在額定工況下都有較好的熱力學(xué)性能,與常規(guī)的分產(chǎn)系統(tǒng)相比具有較高的節(jié)能率。但具體是否會得到應(yīng)用,還要取決于系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在沒有冷需求時運行模式與熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相似,而熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在沒有熱需求時也很難高效、經(jīng)濟地運行。以下對冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運行進行了經(jīng)濟性分析。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)提供的冷、熱是滿足人的舒服性要求,主要是在民用或商用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)提供的冷、熱、電能大多以商品形式對外銷售,其銷售額為全部收入;設(shè)備投資、運行費用和維護費用為其主要成本。設(shè)備投資主要包括燃氣輪機、溴化鋰機組和余熱鍋爐的費用以及安裝費用。燃氣輪機的費用不同型號相差較大,因此需要單獨考慮;溴化鋰機組和余熱鍋爐相對技術(shù)比較成熟,基本上費用與容量有關(guān),目前的費用大致為溴化鋰機組為850元/kW,余熱鍋爐為104元/kW,而且可以根據(jù)設(shè)計容量確定實際容量。設(shè)備安裝費用大概為設(shè)備費用的10%,此外燃氣輪機需要額外考慮30%的稅率。設(shè)備的運行、維護費用(不含燃料費用)大致為設(shè)備成本的5%。由于西氣東輸,燃料使用陜甘寧天然氣,低位發(fā)熱量為35.16MJ/m3,價格為1.4元/m3。設(shè)備按20年折舊,資產(chǎn)殘值按原值的10%計取。聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的收入包括冷、熱、電能的銷售收入:北京的商業(yè)平均電價為0.623元/kWh,供熱價格為51.40元/GJ,供冷價格為79.60元/GJ。另外,還要考慮33%的所得稅。北京供冷期一般為每年的5月16日至9月15日,供暖期為11月15日至3月15日。供暖期沒有冷需求,可將用于制冷的那部分熱量用于供暖。雖然不同天氣情況對負荷有一定影響,但由于商業(yè)場所的特殊性,可認為冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在供冷期和供暖期有一半時間在額定工況運行?？紤]不同型號燃氣輪機的價格因素后,冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析如下:如圖6所示,當燃氣輪機功率較小時,單位功率的價格較高;隨著功率的增加,價格迅速降低。當功率達到4MW以后,燃氣輪機的單位價格趨于穩(wěn)定。相對應(yīng)的,當燃氣輪機功率較小時,冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的簡單回收期很長,這在某種程度上說明系統(tǒng)的經(jīng)濟性較差。隨著燃氣輪機功率的增加,回收期迅速地縮短。燃氣輪機功率在2MW以下時,簡單回收期變化最明顯;在2～4MW時變化趨緩;當功率大于4MW以后,簡單回收期基本上沒有太大變化。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)會在不同地方、不同場合得到應(yīng)用,因此在具體的應(yīng)用中會受到以下一些主要因素的影響:供熱價格、供冷價格、電價、天然氣價格以及運行時間。從圖7可以看出,系統(tǒng)的運行時間和電價的變化對簡單回收期的影響最大,在電價較高的地區(qū)或在系統(tǒng)可以較長正常運行的場合,冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟性會有所改善。燃料價格對回收期的影響小于前二者。冷、熱價格的影響基本相當,與其它因素相比影響偏小。以上所討論的影響因素均與運行有關(guān)。當這些因素變化時,將直接影響到系統(tǒng)的年運行收入。設(shè)備投資是固定的,運行收入的變化將導(dǎo)致回收期的變化。在燃氣輪機功率較小時,由于設(shè)備費用較貴,系統(tǒng)的投資回收年限較長,對運行收入的變化相對比較敏感,因此當以上諸因素發(fā)生變化時,回收期的變化較大。隨著功率的增加,這些因素對回收期的影響大大減弱。5功率對熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能的影響本文對商業(yè)燃氣輪機用于熱電聯(lián)產(chǎn)和冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行了討論,在已知燃氣輪機參數(shù)的情況下,可以對聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能進行評估。經(jīng)過分析可以得到以下結(jié)論:(1)現(xiàn)有商業(yè)燃氣輪機用于熱電聯(lián)