李金平,楊笑語,張 博,黃娟娟,王春龍

(1. 蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心,甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學(xué) 甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730050; 3. 蘭州理工大學(xué) 西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,甘肅 蘭州 730050; 4. 蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

能源問題是社會的熱點(diǎn)話題，隨著社會的進(jìn)步、人口的增長，人類對于能源的需求導(dǎo)致化石能源正在日益枯竭.2018年度我國對于煤炭的產(chǎn)量增加了8 200萬噸油當(dāng)量[1]，大量使用煤炭發(fā)電、供暖，對于環(huán)境和資源的傷害是不可逆轉(zhuǎn)的.國家在《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中大力推廣生物質(zhì)發(fā)電，針對不同地區(qū)，因地制宜，發(fā)揮生物質(zhì)的優(yōu)勢，并且將環(huán)保問題貫穿于生物質(zhì)開發(fā)利用當(dāng)中，所以如何高效合理的回收生物質(zhì)燃燒后煙氣中的余熱成為一大問題.不僅因?yàn)橛酂峄厥諠摿薮螅铱梢越档碗姀S的運(yùn)行成本，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排.熱泵[2]作為一種通過回收低品位熱能或余熱、廢熱，從而產(chǎn)生可供使用的熱源的節(jié)能設(shè)備，在回收煙氣余熱、實(shí)現(xiàn)能量梯級利用方面具有極高的利用潛力.

Sarkis 等[3]提出了一種將生物質(zhì)能和太陽能結(jié)合起來的新型發(fā)電系統(tǒng)，并與未加入太陽能的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行了建模和比較，從能源、、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的角度對系統(tǒng)的性能進(jìn)行了評估，為生物質(zhì)聯(lián)合太陽能的發(fā)電系統(tǒng)提出了重要見解.聶勇等[4]研究表明：如果將天然氣鍋爐的煙氣溫度每降低10 ℃(高于煙氣露點(diǎn))，鍋爐的效率可以提高 0.5%；如果能夠?qū)⑷細(xì)忮仩t的排煙降到露點(diǎn)溫度以下，每降低1 ℃，鍋爐的熱效率能夠提高3.6%.李金平等[5]以Aspen plus軟件建立了雙效溴化鋰吸收式熱泵模型，并對熱電聯(lián)產(chǎn)余熱利用方式進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果每年可節(jié)約標(biāo)煤12.45 t.Khalilzadeh等[6]針對風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的余熱聯(lián)合飲用水供應(yīng)不足和風(fēng)能豐富的地區(qū)提出了一種集成系統(tǒng)，可以利用該系統(tǒng)為地區(qū)提供飲用水，并對系統(tǒng)進(jìn)行了能量、以及經(jīng)濟(jì)性的分析.Wang 等[7]通過與熱泵相結(jié)合的方式，對工業(yè)過程中產(chǎn)生的余熱，利用Aspen Plus軟件對該集成系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并比較了不同類型熱泵在不同余熱回收方案中的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果表明加入了熱泵的系統(tǒng)能夠擁有更好的熱力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性能.姜迎春等[8]提出一種吸收-壓縮復(fù)合熱泵系統(tǒng)用來回收工業(yè)工程中的低溫?zé)煔庥酂?，利用Aspen Plus軟件模擬了系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的效率.學(xué)者Zeghici等[9]針對羅馬尼亞供暖中存在的問題，設(shè)計(jì)了一套用于區(qū)域供暖的復(fù)合系統(tǒng)，系統(tǒng)含有熱泵以及新型儲熱系統(tǒng)，利用TRNSYS進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，與舊區(qū)域供暖系統(tǒng)相比，一次能源消耗減少約43.56%，可以減少82%的CO2排放.裴玉萍[10]針對在新農(nóng)村快速轉(zhuǎn)型時清潔供暖方面所存在的問題，提出了將生物質(zhì)能和空氣能相結(jié)合的供暖方式，建立了一套生物質(zhì)鍋爐和空氣源熱泵相結(jié)合的系統(tǒng)，并建立了基于TRNSYS軟件的復(fù)合供暖模型，進(jìn)行了瞬時模擬計(jì)算和分析.

國內(nèi)外對于煙氣余熱回收都有一定的研究，但實(shí)際中部分熱電聯(lián)產(chǎn)電廠對于煙氣進(jìn)行脫硫脫硝及除塵后，會對煙氣進(jìn)行直接排放，這將會浪費(fèi)大量煙氣中的余熱.針對如何將煙氣余熱和熱泵相結(jié)合進(jìn)而為用戶供暖的研究較少，所以本文在新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中提出一種復(fù)合供暖系統(tǒng)，將煙氣余熱與吸收式熱泵和余熱型熱泵相結(jié)合，通過回收煙氣余熱為用戶制取供暖用水.利用TRNSYS軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了建模，分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并從的角度對系統(tǒng)進(jìn)行了分析，最后對比了一個采暖季時期復(fù)合供暖系統(tǒng)的各項(xiàng)效益.

1 新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)介紹

圖1所示為新型熱電聯(lián)供系統(tǒng).該系統(tǒng)是由原生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、吸收式熱泵供暖系統(tǒng)以及水源熱泵供暖系統(tǒng)三部分組成的.其中原生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中主要是由進(jìn)料倉、鍋爐、汽輪機(jī)等組成，吸收式熱泵供暖系統(tǒng)主要是由吸收式熱泵和多個煙氣-水換熱器構(gòu)成,水源熱泵供暖系統(tǒng)是由水源熱泵、煙氣-水換熱器構(gòu)成.

1. 進(jìn)料倉; 2. 輸送機(jī); 3. 汽包; 4. 鍋爐; 5. 過熱器; 6. 省煤器; 7. 空氣預(yù)熱器; 8. 送風(fēng)機(jī); 9. 高壓加熱器; 10. 除氫器; 11. 煙氣冷卻器; 12. 低壓加熱器; 13. 凝結(jié)水泵; 14. 凝汽器; 15. 汽輪機(jī); 16. 發(fā)電機(jī); 17. 除塵器; 18. 一級煙氣換熱器; 19. 二級煙氣換熱器; 20. 三級煙氣換熱器; 21. 四級煙氣換熱器; 22. 發(fā)生器; 23. 冷凝器; 24. 蒸發(fā)器; 25. 吸收器; 26. 壓縮機(jī); 27. 蒸發(fā)器; 28. 節(jié)流閥; 29. 冷凝器; 30. 集水器; 31. 分水器; 32. 熱用戶; 33. 循環(huán)水泵

生物質(zhì)直燃鍋爐產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入吸收式熱泵供暖系統(tǒng)中的一級煙氣換熱器，置換出的水作為吸收式熱泵的驅(qū)動熱源進(jìn)入發(fā)生器，熱網(wǎng)回水通過分水器直接進(jìn)入吸收器，為二級煙氣換熱器提供水源.二級煙氣換熱器置換出的熱水可以直接進(jìn)入集水器，作為供暖用水.三級煙氣換熱器中換出的水作為吸收式熱泵的低溫?zé)嵩催M(jìn)入蒸發(fā)器.煙氣繼續(xù)進(jìn)入水源熱泵供暖系統(tǒng)，通過四級煙氣換熱器，與水進(jìn)行換熱，升溫后的水進(jìn)入水源熱泵的蒸發(fā)器，在熱泵系統(tǒng)中進(jìn)行二次升溫，達(dá)到供暖溫度后輸送給熱用戶，完成整個系統(tǒng).

2 復(fù)合供暖系統(tǒng)的構(gòu)建及評價

文中以瞬時仿真模擬軟件TRNSYS為平臺，搭建了由生物質(zhì)直燃鍋爐、吸收式熱泵供暖系統(tǒng)和水源熱泵供暖系統(tǒng)組成的復(fù)合供暖系統(tǒng).

2.1 系統(tǒng)的構(gòu)建

基于TRNSYS模擬軟件的復(fù)合供暖系統(tǒng)模型如圖2所示，主要模塊及功能見表1.

圖2 基于TRNSYS的復(fù)合供暖系統(tǒng)模型Fig.2 Model of a composite heating system based on TRNSYS

表1 主要單元模塊及功能

其中模擬初始值生物質(zhì)鍋爐設(shè)定參數(shù)為30 MW，產(chǎn)生煙氣溫度145 ℃，煙氣流量152 387 m3/h，吸收式熱泵機(jī)組的供回水溫差設(shè)置為5℃.在完成對于模塊的選取、參數(shù)的設(shè)置后，作出如下假設(shè)[11]：

1) 不計(jì)水泵熱損失對于流體溫度的影響；

2) 不計(jì)管道中流體對外的熱損失；

3) 環(huán)境溫度取自文獻(xiàn)測量值，對全年的溫度進(jìn)行簡化；

4) 系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量可以完全被負(fù)荷所利用；

5) 采暖時間為11月15日至次年3月15日.

2.2 性能指標(biāo)計(jì)算

為了衡量在加入復(fù)合供暖系統(tǒng)后，與原熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比系統(tǒng)性能指標(biāo)的變化，對系統(tǒng)的余熱回收率、節(jié)能率、綜合能源利用率以及從的角度進(jìn)行分析.

煙氣余熱回收效率：

(1)

式中：Q2為采用復(fù)合供暖系統(tǒng)回收的煙氣余熱量，kW；Q1為煙氣總熱量，kW.

節(jié)能率：

(2)

式中：Er為分布式冷熱電能源系統(tǒng)的報告期能耗，kgce；Ea為分布式冷熱電能源系統(tǒng)的校準(zhǔn)能耗，kgce.

其中校準(zhǔn)能耗為

Ea=P×eref,p+C×eref,c+H×eref,h

(3)

式中：P為分布式冷熱電能源系統(tǒng)的報告期凈供電量，kW·h；C為分布式冷熱電能源系統(tǒng)的報告期總供冷量，kW·h；H為分布式冷熱電能源系統(tǒng)的報告期總供熱量，kW·h；eref,p為到達(dá)終端用戶的供電能耗參照值，根據(jù)文獻(xiàn)[12]取值320.86×10-3kgce/(kW·h)；eref,c為供冷能耗參照值，取值為78.26×10-3kgce/(kW·h)；eref,h為供熱能耗參照值，取值為147.25×10-3kgce/(kW·h).

綜合能源利用率：

(4)

式中：η為分布式冷熱電能源系統(tǒng)的綜合能源利用率；Ert為報告期能耗，kW·h.

(5)

式中：ei為燃料化學(xué)，kJ/s；B為每小時燃料量，kg/h；Qar為收到基低溫?zé)嶂?，kJ/kg.

es=ef+ep+et

(6)

式中：es為鍋爐的總損，kJ/s；ef為鍋爐燃料燃燒損，kJ/s；ep為鍋爐排煙損，kJ/s；et為鍋爐傳熱損，kJ/s.

(7)

式中：eg為煙氣所吸收的熱量，為爐膛內(nèi)燃燒平均溫度，K;T0為環(huán)境溫度，K.

式中：η為鍋爐熱效率，%.

(10)

式中：Qm為新型系統(tǒng)與原系統(tǒng)相比節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤的質(zhì)量，kg；Qc為復(fù)合供暖系統(tǒng)在采暖季提供的總熱量，MJ；qm為標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，取29.3 MJ/kg.

(11)

式中：CCOP為熱泵的制熱性能系數(shù)；Qh為熱泵單位時間內(nèi)制熱量，kW；W為單位時間內(nèi)消耗的功率，kW.

3 復(fù)合供暖系統(tǒng)的模擬及分析

3.1 TRNSYS模擬結(jié)果

1) 吸收式熱泵蒸發(fā)器和冷凝器的供回水溫差

通過Origin對輸出結(jié)果整理后，得到在采暖季運(yùn)行的吸收式熱泵供暖系統(tǒng)中蒸發(fā)器和冷凝器的供回水溫差，如圖3所示.

圖3 吸收式熱泵蒸發(fā)器和冷凝器的供回水溫差

從圖3中可以看出，在復(fù)合供暖系統(tǒng)運(yùn)行即采暖季時，吸收式熱泵供暖系統(tǒng)中蒸發(fā)器和冷凝器的供回水溫差大致呈現(xiàn)著相同的趨勢.在開始采暖初期，由于外部環(huán)境溫度較高，所以用戶對于室內(nèi)所需熱量需求較少，從而供回水溫差較低，隨著氣溫的降低，用戶對于熱量需求加大，所以溫差逐漸增大.

因?yàn)?月份是一年當(dāng)中最冷的月份，所以在1月份時，用戶的熱需求量達(dá)到最大，同時供回水溫差差值也達(dá)到最大.隨著氣溫的回升，在采暖季的末期，用戶對于熱量的需求降低，蒸發(fā)器和冷凝器的供回水溫差逐漸減小.在非采暖季，系統(tǒng)不運(yùn)行時，供回水溫差為0 ℃.

2) 制熱量

圖4是針對吸收式熱泵供暖系統(tǒng)和水源熱泵供暖系統(tǒng)在采暖季的制熱量.圖中是以開始供暖的0時為起點(diǎn)，結(jié)束供暖的24時為終點(diǎn).

圖4 吸收式熱泵和水源熱泵供暖系統(tǒng)的制熱量Fig.4 Heating capacity of absorption heat pump and water source heat pump heating system

為了探究系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對吸收式熱泵系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)的制熱量進(jìn)行分析.從圖4a可以看出，在采暖季時吸收式熱泵系統(tǒng)的制熱量在5 000～5 400 kW波動，其平均制熱量如圖4a中橫線所示為5 193.27 kW.根據(jù)前期搭建的理論模型進(jìn)行系統(tǒng)理論計(jì)算，吸收式熱泵供暖系統(tǒng)制熱量為5 383.46 kW，模擬結(jié)果與理論計(jì)算的誤差在3.5%.從圖4b中可以看出水源熱泵系統(tǒng)的制熱量在7 000～7 400 kW中波動，平均制熱量為7 207.75 kW.理論計(jì)算時，水源熱泵系統(tǒng)的平均制熱量為7 415.51 kW，模擬結(jié)果與理論計(jì)算的誤差在2.8%.因此也可以說明，當(dāng)處在采暖季時，新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的復(fù)合供暖系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，大多數(shù)時刻可以滿足用戶所需供熱量，并且與傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)相比，穩(wěn)定性較好.

3) 吸收式熱泵和水源熱泵的CCOP

針對吸收式熱泵和水源熱泵的性能系數(shù)CCOP，由圖5可以看出，從采暖季開始到結(jié)束，復(fù)合供暖系統(tǒng)中的吸收式熱泵和水源熱泵的運(yùn)行穩(wěn)定，兩者的CCOP也呈現(xiàn)出較為平緩的趨勢.從圖5中水源熱泵的運(yùn)行曲線可以看出，水源熱泵的CCOP在4.3上下波動，其平均值為4.32.在吸收式熱泵運(yùn)動曲線中，排除個別點(diǎn)后，其CCOP也較穩(wěn)定，均在1.7上下波動，平均值為1.61.由此說明在整個采暖季，新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的吸收式熱泵和水源熱泵運(yùn)行良好且穩(wěn)定，可以持續(xù)穩(wěn)定輸出熱量提供給熱用戶.

圖5 吸收式熱泵和水源熱泵的COP

3.2 新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)系統(tǒng)分析

表2 新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分析

Tab.2 Exergy analysis table for new cogeneration system

表2 新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分析

名稱/(kJ·s-1)所占比例/%輸入化學(xué)60 501.39100.00燃燒過程損失13 261.6121.92傳熱過程損失12 094.2319.99排煙過程損失9 075.2115.00換熱器總損失115.750.19吸收式熱泵系統(tǒng)283.800.47水源熱泵系統(tǒng)352.710.58輸出25 318.0841.85

圖6 吸收式熱泵和水源熱泵各部件損圖

4 復(fù)合供暖系統(tǒng)對生物質(zhì)直燃熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的影響

4.1 節(jié)能效益

在加入復(fù)合供暖系統(tǒng)后，與原生物質(zhì)直燃熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行比較，如圖7所示.其中系統(tǒng)節(jié)能率由22.4%提高到27.6%，系統(tǒng)綜合能源利用率由81%提高到88.8%，煙氣回收利用率由65.9%提高到81.4%.可以看出，復(fù)合供暖系統(tǒng)的加入對于煙氣余熱回收以及系統(tǒng)性能指標(biāo)有著積極作用.

圖7 系統(tǒng)性能指標(biāo)對比Fig.7 Comparison of system performance indexes

4.2 減排效益

經(jīng)計(jì)算可得，在加入復(fù)合供暖系統(tǒng)后，新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與未對煙氣余熱進(jìn)行回收的原熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比在一個采暖季可以節(jié)約標(biāo)煤6 416.53 t.根據(jù)文獻(xiàn)[14]可以計(jì)算出，在一個采暖季，復(fù)合供暖系統(tǒng)的節(jié)能減排效果見表3.

表3 污染物減排量

4.3 供暖效益

在供暖季，當(dāng)復(fù)合供暖系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與原熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，可以穩(wěn)定為外界額外輸出 12 799.87 kW的熱量.根據(jù)[15]《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ34—2010)可以得到，針對不同的建筑物類型采暖熱指標(biāo)是不同的.選取了住宅(40 W/m2)、學(xué)校(60 W/m2)、大禮堂(130 W/m2)三種分別作為小型、中型以及大中型建筑類型的代表進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4.

表4 不同建筑類型的供暖面積

5 結(jié)論

針對生物質(zhì)直燃電廠煙氣中存在大量余熱難以回收利用的問題，提出了一種新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng).在該系統(tǒng)中搭建了以生物質(zhì)直燃鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣為熱源，吸收式熱泵和水源熱泵相結(jié)合的復(fù)合供暖系統(tǒng)，對煙氣余熱展開利用，并通過TRNSYS軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了建模和模擬，同時對系統(tǒng)進(jìn)了分析和效益分析得出以下結(jié)論：

1) 新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中復(fù)合供暖系統(tǒng)在一個采暖季可以穩(wěn)定運(yùn)行，向用戶持續(xù)不斷的輸出熱量；吸收式熱泵的冷凝器和蒸發(fā)器的供回水溫差在采暖季隨著室外溫度的變化發(fā)生著變化，呈現(xiàn)著先增大后減小的趨勢；復(fù)合供暖系統(tǒng)中吸收式熱泵供暖系統(tǒng)和水源熱泵供暖系統(tǒng)的制熱量均處在一個較穩(wěn)定的狀態(tài)，兩者中吸收式熱泵的制熱性能系數(shù)穩(wěn)定在1.7，而水源熱泵的則穩(wěn)定在4.3.

3) 在加入復(fù)合供暖系統(tǒng)后，新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)每采暖季可節(jié)約標(biāo)煤6 416.53 t.與未回收煙氣余熱的原生物質(zhì)直燃熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，加入回收排煙余熱后，系統(tǒng)煙氣余熱回收利用率提升了15.5%，節(jié)能率提升了5.2%，綜合能源利用率提升了7.8%.CO2減排量為16 682.98 t，SO2減排量為128.33 t，NOx減排量為449.16 t.新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行情況下，與原熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，可額外為不同類型的建筑提供相應(yīng)的供暖面積.

致謝：本文得到蘭州理工大學(xué)紅柳一流學(xué)科方向項(xiàng)目(0807J1)的資助，在此表示感謝.