武文杰，李鹍

(1.通用電氣(中國)研發(fā)開發(fā)中心有限公司，上海 201203;2.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

近年來，基于我國天然氣能源的戰(zhàn)略布局，國家對冷熱電三聯(lián)供技術(shù)更加重視。2011年全國能源工作會議上指出，今后要重點發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)或冷熱電聯(lián)供。我國政府將天然氣的開發(fā)和利用作為改善能源結(jié)構(gòu)、提高環(huán)境質(zhì)量的重要措施。西氣東輸、廣東進(jìn)口液化天然氣、東海天然氣開發(fā)等大型項目的全面實施，推動了全國天然氣的建設(shè)。北京、上海等城市已采取一些優(yōu)惠政策鼓勵冷熱電三聯(lián)供項目的發(fā)展。到目前為止，已建成的項目有上海浦東國際機(jī)場、北京燃?xì)獯髽?、北京燃?xì)饧瘓F(tuán)次渠門站大樓等。

冷熱電三聯(lián)供電廠的產(chǎn)品主要是熱能和電能，其中熱能產(chǎn)品包括處于不同溫度、壓力狀態(tài)的蒸汽和熱水，用于工業(yè)生產(chǎn)、區(qū)域供熱或制冷。冷熱電聯(lián)產(chǎn)CCHP(Combined Cooling Heating and Power)系統(tǒng)在提高燃料利用率和減少排放方面已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，但由于熱能和電能自身能源品位的不同，目前還沒有一種被普遍接受的CCHP電廠效率定義。由于缺乏客觀統(tǒng)一的評價基準(zhǔn)，在比較CCHP電廠不同效率定義時往往會產(chǎn)生誤解，也影響了新技術(shù)的應(yīng)用和開發(fā)。為了更加科學(xué)地定義CCHP電廠效率，同時兼具實用性，本文在熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上，提出了等價電效率的概念，用來評估、比較不同電廠和同一電廠不同設(shè)計方案的性能。

1 三聯(lián)供系統(tǒng)及常見效率定義

燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)以天然氣為主要燃料，在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒并膨脹做功，燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐加熱水，產(chǎn)生的蒸汽帶動蒸汽輪機(jī)做功。余熱鍋爐或蒸汽輪機(jī)生成的蒸汽和熱水提供給用戶的供熱、供冷系統(tǒng)。某三聯(lián)供電廠系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)能源綜合利用率較高。在目前的技術(shù)水平下，集中供電方式發(fā)電效率最高可達(dá)40% ～50%，其余50% ～60%的能量很難充分利用;而冷熱電三聯(lián)供不但可以獲得28% ～40%的高品位電能，還能將高溫廢熱回收用于供冷、供熱，其綜合能源利用率一般可達(dá)80%以上(如圖2所示)。同時，對于我國大部分地區(qū)來說，冷熱電三聯(lián)供具有雙重削峰填谷作用，夏季通過吸收式制冷，減少電空調(diào)負(fù)荷，系統(tǒng)的自發(fā)電也可以降低大電網(wǎng)的供電壓力。冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)提高了天然氣能源的綜合利用效率，節(jié)約能源，從而提高能源利用的經(jīng)濟(jì)效益。天然氣是清潔能源，燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的排放指標(biāo)均能達(dá)到相關(guān)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的環(huán)保效益。目前在評估三聯(lián)供電廠性能時，較為主流的幾種效率定義方法有發(fā)電效率、熱效率、公共事業(yè)監(jiān)管政策法案PURPA(Public Utility Regulatory Policies Act)效率以及?效率等。

發(fā)電效率將機(jī)組凈電量作為收益，不考慮供冷、供熱所獲收益

熱效率將凈電量、供冷和供熱的熱能作為收益，不考慮2種能量品位的差別

PURPA效率是美國為鼓勵開發(fā)創(chuàng)新能源而提出的效率定義，將凈電量、供冷和供熱的熱能作為收益并在計算過程中將熱能折半

圖1 某三聯(lián)供電廠系統(tǒng)簡圖

圖2 天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)能源利用率

以上是目前較為常用的幾種效率定義方法，但前2種定義不能同時在數(shù)量和等級上對能量進(jìn)行完整的評價;PURPA效率是出于政策需要而定義的效率，在評估CCHP電廠效率時不夠科學(xué);?的概念不易理解，且?效率只是理論效率，具有一定的局限性，不利于推廣。

為了解決上述效率定義存在的不足，作者提出了等價電效率的概念。等價電效率將熱水和蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為等價電能，從而以電能為共同基礎(chǔ)評估CCHP電廠性能，公式如下

2 等價電效率

2.1 概念解釋

等價電效率的概念為:以現(xiàn)實可行的方式，將各種形式的能量在數(shù)值上最大程度地轉(zhuǎn)換為電能，并以電能為共同基準(zhǔn)評價冷熱電三聯(lián)供電廠的效率。

“現(xiàn)實可行的方式”是指現(xiàn)實存在的轉(zhuǎn)換裝置或合理化的換算方法;“轉(zhuǎn)換為電能”是因為電能的能量品位最高，便于從質(zhì)和量2個方面分析能量轉(zhuǎn)化效率;“以電能為共同基準(zhǔn)”是出于各種能量同質(zhì)化的需求，從而以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來評估電廠效率。

熱力學(xué)第二定律限制了某些能量從一種形態(tài)向另一種形態(tài)的轉(zhuǎn)變，能量相互轉(zhuǎn)換具有明顯的方向性。如機(jī)械能、電能等可全部轉(zhuǎn)化為熱能，在理論上轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到100%，這類可無限轉(zhuǎn)換的能量稱為最大有用功，也叫做?。冷熱電三聯(lián)供電廠產(chǎn)生的電能可以無限轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，所以這部分電能全部為?。三聯(lián)供電廠的其他產(chǎn)品為特定溫度、壓力的蒸汽或熱水，它們并不能無限轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，它們所能產(chǎn)生的最大有用功即為熱力學(xué)?。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，卡諾機(jī)是在溫度界限相同時效率最高的能量轉(zhuǎn)換裝置，因此，在數(shù)值上，某種工質(zhì)的最大有用功(即?)等于以其為高溫?zé)嵩吹目ㄖZ機(jī)向大氣環(huán)境放熱時所能產(chǎn)生的功。

舉例說明，假設(shè)熱電聯(lián)供發(fā)電廠為用戶提供35 t/h壓力為1.2MPa、溫度為205℃的蒸汽，蒸汽的比焓為2826.44 kJ/kg，總能為27.480 MW。單位質(zhì)量蒸汽的?是 858.96 kJ/kg，總熱力學(xué)?為 8.351 MW。也就是說，相當(dāng)于一個虛擬的卡諾機(jī)以27.480 MW的蒸汽作為單一熱源，向溫度為t0(15℃)的大氣放熱，將會產(chǎn)生8.351 MW的功，最大理論效率為30.4%。8.351 MW和30.4%這2個數(shù)字來源于熱力學(xué)第二定律。

實際上卡諾循環(huán)僅是理想循環(huán)，卡諾機(jī)是不存在的，因此，需要用現(xiàn)實可行的能量轉(zhuǎn)換裝置來替代虛擬的卡諾機(jī)。當(dāng)工質(zhì)為蒸汽時，可以用來進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的裝置是蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。為了便于說明，假定蒸汽輪機(jī)向壓力為10 kPa的冷凝器放熱的等熵效率為85%。利用1.2 MPa，205℃的蒸汽，流量在35 t/h的情況下，發(fā)電量為5.460 MW，即等價電能為5.460 MW，熱效率僅為19.9%。盡管數(shù)值偏低，但和理論最大功8.351 MW相比，轉(zhuǎn)換效率為19.9% ÷30.4%=65.4%。轉(zhuǎn)換效率表述了一個概念，就是以理論最佳效率即卡諾循環(huán)的效率作為基準(zhǔn)，當(dāng)工質(zhì)為熱水時，并不能直接用來發(fā)電，因此，需要對熱水的最大可用功進(jìn)行合理換算從而轉(zhuǎn)換為電能。例如，將57.18 t/h，95℃的熱水用于吸收式制冷，最大有用功為0.477 MW，假定其制冷系數(shù)為0.7，則最大制冷量為0.3340 MW，而電制冷系數(shù)為5.0，制取同樣的冷量需要0.0668 MW 的電能，因此，熱水的等價電能為0.0668 MW。轉(zhuǎn)換效率為熱水制冷系數(shù)與電制冷系數(shù)的比值。

2.2 計算方法

等價電效率以電能為共同基準(zhǔn)來評估CCHP電廠的效率，不需要考慮電廠的具體構(gòu)造、燃料種類以及產(chǎn)品性質(zhì)。CCHP等價電效率可以用下式表示

式中:P為電廠產(chǎn)生的凈電能;P'為蒸汽的等價電能;P″為熱水的等價電能;F為以凈功率或總功率為基礎(chǔ)下鍋爐燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室和相似的燃燒室設(shè)備消耗的總?cè)剂?，即低位發(fā)熱量(LHV)或高位發(fā)熱量(HHV);N表示電廠共有N種產(chǎn)品;Ei為第i種產(chǎn)品的理論最大功即?;εi是將理論功Ei轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換效率。

用比焓的形式來表達(dá)，上式又可改寫為

式中:hi為第i種產(chǎn)品的比焓;βi為?與比焓的比值。

對公式(1)的概念描述如圖3所示，圖3中的聯(lián)合循環(huán)電廠有3種產(chǎn)品:電、蒸汽和熱水。在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上評估能量品位時，大多采用?分析法，將工質(zhì)通過虛擬的卡諾機(jī)所能做的最大有用功(?)E作為評估的標(biāo)準(zhǔn)。但卡諾機(jī)并不存在，現(xiàn)實的能量轉(zhuǎn)換裝置存在一定的損耗。當(dāng)工質(zhì)為蒸汽時，能量轉(zhuǎn)換裝置為虛擬的汽輪機(jī)，將最大有用功E轉(zhuǎn)換為等價電能P'的過程中，存在轉(zhuǎn)換效率ε;Tme為虛擬卡諾機(jī)的平均吸熱溫度，T0為環(huán)境參考溫度，虛擬卡諾機(jī)工作在Tme和T0之間。當(dāng)工質(zhì)為熱水時，能量轉(zhuǎn)換裝置為虛擬的吸收式制冷機(jī)，將熱水的最大有用功E轉(zhuǎn)換為等價電能P″的過程中，同樣存在轉(zhuǎn)換效率ε。

圖3 等價電效率概念示意圖

蒸汽參數(shù)計算公式

熱水參數(shù)計算公式

式中:s為工質(zhì)(蒸汽或者熱水)的熵，kJ/(kg·℃);T為溫度，K;h為工質(zhì)的比焓，kJ/kg;ηCOPx為吸收式制冷效率;ηCOPd為電制冷效率;下標(biāo)“0”表示參考點，一般取環(huán)境溫度。

其中，蒸汽參數(shù)ε的計算公式是基于當(dāng)前蒸汽輪機(jī)的技術(shù)水平，由參考文獻(xiàn)［4］中的圖4(The ratio of second－law efficiency)擬合簡化所得。熱水參數(shù)中的吸收式制冷轉(zhuǎn)換效率ηCOP可采用以下經(jīng)驗公式:

3 工程分析應(yīng)用

為了比較幾種效率定義的差別，下面將會通過4個聯(lián)合循環(huán)電廠的算例來進(jìn)行分析說明，4個電廠的設(shè)計參數(shù)見表1。

其中，電廠A，B，C均采用GE LM2500機(jī)組，電廠D采用GE 5371PA機(jī)組。電廠A為熱電聯(lián)供電廠，除了提供電力輸出外，還輸出壓力為1.2 MPa、溫度為205℃的蒸汽。電廠B，C，D為冷熱電三聯(lián)供電廠，是在電廠B的基礎(chǔ)上加入了煙囪換熱裝置，從而產(chǎn)生95℃的熱水用于吸收式制冷。各電廠效率的計算結(jié)果見表2。

從表1和表2可知，電廠C和電廠A相比，在不影響發(fā)電的情況下增加了熱水制冷，所以二者電效率一樣，而電廠C的其他效率都比電廠A的效率高，這幾個效率評價指標(biāo)保持一致。電廠B和電廠C相比，少抽12 t蒸汽用于取暖或者制冷，導(dǎo)致電效率增加而熱效率和PURPA效率下降。如果只從熱效率或者PURPA效率評價，電廠C的三聯(lián)供效率高。但由于電廠B中少抽的蒸汽可用于產(chǎn)生高品質(zhì)的電能，實際上電廠 B的三聯(lián)供效率反而高，等效電效率科學(xué)地反映了這一事實。電廠C，電廠D采用重型燃?xì)廨啓C(jī)，雖然可以產(chǎn)生更多的熱水，但是其熱效率、PURPA效率和等價電效率都比電廠C低。

表2 電廠效率 %

從凈電效率來看，電廠B的效率最高。因為電廠B的抽汽量為23 t/h，電廠A，C，D的抽汽量為30 t/h，電廠B將更多的能量用于發(fā)電，因此，凈電效率稍高于電廠A，C和D。

在CCHP熱效率方面，從表面上看，電廠B和電廠D很接近，但是電廠B的電效率遠(yuǎn)高于電廠D，只是由于電廠D可以產(chǎn)生更多的熱水。CCHP熱效率只是簡單地用蒸汽和熱水的比焓來進(jìn)行效率計算，沒有考慮電能、蒸汽和熱水能量等級的不同。如果考慮到能量等級，等價電效率很好地反映了二者的較大差距。

PURPA效率與CCHP熱效率的趨勢基本一致，但在一定程度上考慮了能量等級的不同，因此，各電廠PURPA效率相對于CCHP熱效率來說差值較小。然而，在PURPA效率的計算過程中，只是簡單地將熱能的價值等價于電能的1/2，不能在數(shù)值上準(zhǔn)確地反映電能、蒸汽、熱水的等級。

由于電廠B將最多的能量用于生產(chǎn)能量等級最高的產(chǎn)品——電能，而且采用了電效率較高的燃?xì)廨啓C(jī)，所以它的等價電效率最高。等價電效率的定義很好地解決了PURPA效率不能在數(shù)值上準(zhǔn)確反映能量等級的問題。

通過對上述計算結(jié)果的分析可知，傳統(tǒng)的效率定義方法將熱能與電能混合在一起，忽略了兩者能量等級的不同，而PURPA效率的定義方法雖然在這個方面有所體現(xiàn)，但在數(shù)值上不夠精確。等價電效率的定義則提出了一個共同基礎(chǔ)，可將各種不同形式的能量轉(zhuǎn)化為同一種等級，從而更加科學(xué)地評估電廠的效率。

雖然用戶在關(guān)注電廠性能時，考慮的主要是成本和價格方面的因素，但這并不表示等價電效率的概念沒有應(yīng)用的意義。這種科學(xué)的定義方法可以為監(jiān)管、評估和鼓勵高效項目方面提供標(biāo)準(zhǔn)，從而最大限度地利用能源和減少排放，此外，在電廠設(shè)計過程中，也可以為優(yōu)化設(shè)計提供參考。

4 適用范圍及其他

本文提出了等效電效率的概念，將三聯(lián)供系統(tǒng)的不同產(chǎn)品(熱水、蒸汽、電力)轉(zhuǎn)化為電能，用于評價三聯(lián)供系統(tǒng)的性能，包括但不局限于燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)三聯(lián)供。但這里的三聯(lián)供系統(tǒng)沒有外延到客戶端，只是包括能量輸出端(如電廠)。

等效電效率的定義和計算中用到了虛擬的汽輪機(jī)和吸收式制冷機(jī)，對于無法用吸收式制冷循環(huán)來評價的低溫?zé)崴?如65℃熱水)，將無法轉(zhuǎn)化為等效電能，也就無法使用等效電效率的概念。在一般情況下，三聯(lián)供系統(tǒng)中低溫?zé)崴畬ο到y(tǒng)總效率和經(jīng)濟(jì)性影響并不大。

5 結(jié)束語

根據(jù)冷熱電三聯(lián)供電廠產(chǎn)品的特性，提出了等價電效率的概念。通過工程實例進(jìn)行了計算分析，對比各電廠效率后可知，等價電效率可在一個共同基礎(chǔ)上，較為科學(xué)地評估不同能量品位產(chǎn)品對電廠效率的影響并在理論上給出合理化的解釋。等價電效率的概念對于優(yōu)化電廠設(shè)計具有極大的參考作用，有助于推動節(jié)能減排和資源合理利用。

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