文章简介：热电冷联供系统经济性的影响因素分析
摘要：本文从热电厂、热力输送系统和制冷站以及冷负荷特性、蓄能装置等几方面，定性分析了对热电冷联供系统经济性的主要影响因素。
关键词：热电冷联供 经济性 影响因素
一．引言
近几年来，国内一些城市开始酝酿建设热电冷联供系统，即在原有热电联产系统基础上增设吸收式制冷机装置，利用供热汽轮机组的抽汽或背压排汽制冷，使得整个系统不但可以发电和供热，还可在夏季向用户提供空调用冷。由于热电冷联供系统规模和投资大，系统复杂，运行期间能源消耗多，因而对热电冷联供系统的经济性进行全面深入地分析和研究是非常必要的。本文从国家或一个地区的角度，分析和探讨影响热电冷系统经济性的主要技术因素。
二．影响热电冷联供系统经济性的技术因素分析
关于热电联产经济性的研究目前已很成熟，故本文仅讨论在热电联产基础上加入制冷系统后影响热电冷系统经济性的有关技术因素。以下就系统的几个组成部分，即热电厂、热力输送系统和制冷站，以及冷负荷特性、蓄能装置等几方面对各主要技术因素加以分析。
1．热电厂 包括热电厂机组的型式、容量、初蒸汽参数、抽汽或背压排汽参数等。
1) 机组型式 机组型式对系统初投资和运行费的影响很大。燃煤热电厂主要包括背压机或抽凝机两种型式。由于背压机组初投资低，能量转换效率高，因而对于新建热电厂来讲，背压机组经济性显然好于抽凝机组。
再看一下在原有热电厂基础上扩建的热电冷系统。假设空调负荷峰谷变化与电力负荷一致。从整体角度看，背压机组由于制冷负荷的加入而增加了背压排汽量，进而增加了空调峰期的发电容量。这会减少电网相应容量的电厂初投资，从而使整体系统的投资大幅度降。而抽凝机组在电力高峰期一般会满功率发电，故在增加制冷用热负荷后不会减少电网投资。因此，就初投资而言，背压机组经济性更具优势。在运行费方面，抽凝机组所具有的经济性则好于背压机组，因为抽凝机组由于供冷而增加的抽汽发电代替了效率低的本机组纯凝汽发电，而背压机组则是代替了效率相对较高的电网机组发电量。由于背压机组初投资减少对经济性的影响大于运行费方面的劣势，使得由背压汽轮机组成的热电冷系统经济性好于抽凝汽轮机组成的系统[1]。顺便指出，冷负荷一天之中变化幅度较大，这给热电厂的运行调节带来困难。由于锅炉负荷调节范围和惯性的限制，背压机组如何满足冷负荷的变化是一个殛待解决的问题。抽凝机组因抽汽调节较为灵活而使该问题不那么突出。
随着人们现代文明和环境保护意识的不断增强，以油、气等相对清洁的燃料代替污染严重的煤而作为城市使用的主要一次能源以成为必然趋势，其中包括燃气轮机、内燃机等型式的热电厂在城市供热方面的应用。这种热电联产装置在西方国家使用较为普遍。其特点是热电比小，发电效率高，单位容量投资少。如果燃料价格较为合理，以这种热电厂为热源的热电冷联供系统有较好的经济性。
2) 机组容量 主要指系统热化系数的合理选取。空调负荷变化幅度大，可选取适当容量的锅炉蒸汽在负荷高峰期作为式制冷机的热源，进而减小供热机组的容量。这样，不仅可降低系统的初投资，而且还可提高系统运行效率，使热电厂运行工况更加稳定。
3) 热电厂初蒸汽参数 初蒸汽参数越高，系统的发电效率越高，热电比越小，会使热电冷的经济性越好。当热电冷系统系统和所代替的发电机组所用燃料的价格在正常波动范围内时，热电冷系统年运行成本是随着热电比的降低而减小的。因此，热电冷系统应优先选用高参数的热电厂为热源。
4) 热电厂抽汽或背压排汽参数的降低，会使系统的发电效率增加，热电比减小，有利于提高热电冷系统的经济性。对于吸收式制冷机而言，抽汽或背压排汽参数在一定范围内变化对其热力系数影响不大，但对冷机的出力有较大影响。当蒸汽压力每降低0.1MPa时，蒸汽型双效机制冷量减少9%-11%[2]。这表明，当蒸汽压力降低时，为保证制冷量要选择内部传热面积更大的制冷机，从而增加了制冷站的初投资。因此，热电厂抽汽或背压排汽参数对于不同的具体系统应有其最优值。
2．热力输送系统 包括供热管网和供冷管网，影响因素主要有输送介质种类及其热力参数、输送系统运行方式等。
1) 输送介质种类 由于技术条件的限制，供冷管网的输送介质只能采用冷水。但该介质输送冷量的能力小，管网初投资及输送电耗巨大。近年来国外正在研制以冰浆或在冷水中加入相变材料作为输冷介质，可使管网输送冷量的能力大大提高，较大幅度地降低管网初投资，但这种输送技术目前仍处于试验阶段[3]。
输热介质主要指蒸汽或热水。当以蒸汽作为作为热网的输送介质时，供冷系统可采用热力系数高的双效制冷机。同时，蒸气在输送中电耗低，不需要设置热力首站换热设备及泵等。但是，蒸汽在较远距离的热网输送中，压力损失大，导致供热机组抽汽或背压排汽压力较高，热电厂热电比大，且热网的热效率较低。这会对系统的经济性产生不利影响。以热水作为热网的输送介质，可使供热机组抽汽或背压排汽压力较低。同时，热网热效率较高。但是，由于管道成本的限制，通常采用直埋管道的热水网供水温度大都在120℃以下，供冷系统只能采用热力系数低的单效机。这会大幅度地增加供冷系统的初投资以及整个系统的运行费。另外，热水网还有输送耗电大等缺点。
2) 输送介质热力参数 对于蒸汽网而言是指蒸汽压力，亦即指汽轮机抽汽或背压排汽压力，上文对此已作分析。
对于热水网而言，输送介质的热力参数主要是指热网供回水温度，该参数对输送系统仍至整个热电冷系统的影响都很大。供水温度选择的小,热电厂供热机组抽汽或排汽压力可以降低。但热水温度低会使制冷机制冷效率降低，制冷设备的投资及耗电量高。供回水温差增大,无疑会节省热网初投资及输送能耗。但这会导致制冷系数降低，制冷设备初投资增加。因此，从系统的经济性看，热网供回水温度应有最佳选择。
3) 输送系统运行方式 为保证制冷机的出力及运行效率，不希望降低热网供水温度，热网的运行基本上依靠量调节完成。由于用户热负荷变化频繁，导致热网水的循环流量在很大范围内变化，且大部分时间在低负荷下运行，常规热网运行方式将使主循环泵的电耗很大。因此，输送系统的运行方式对于热网的低能耗和安全运行有重要作用[4][5]。
3．制冷站 包括供冷站位置与规模，吸收式制冷机型式、容量和运行方式等。
1) 制冷站位置与规模 由于冷水管道的供回水温差通常在10℃以内，供冷管道输送能量的能力远小于供热管道，相同距离下供热管道的投资要小于供冷管道。从这一点看，制冷站应尽量靠近用户。但用户负荷在地理上是分散的，位置靠近用户会使单个制冷站规模变小，数量增多，导致制冷设备容量增加，整个系统的制冷站占用空间增大，而且用户附近的制冷站建筑造价往往更加昂贵。因此，位置靠近用户又会使热电冷系统制冷站的投资增大。合理选取制冷站位置与规模是一个较复杂的问题，应从整体供冷系统考虑，全面加以优化。
2) 吸收式制冷机的型式、容量和运行方式 制冷机的型式主要指单效或双效。毫无疑问，在条件允许的情况下应尽量使用双效机。由于空调负荷变化幅度大，制冷站内单台制冷机容量的选择，制冷机的运行方式，包括各制冷机之间的负荷分配、启停顺序等，都会影响系统的经济性。
4．供冷负荷特性 包括负荷因子、负荷密度、用户负荷性质、年最大供冷负荷小时数等。
1) 负荷因子 指平均负荷与最大负荷之比。负荷因子越小，则设备利用率越低，单位制冷容量的供冷系统初投资越大。与采暖负荷相比，空调日负荷因子要小得多，这会使系统的容量无法得到充分利用。同时，也会给设备的运行效率和调节手段带来不利。解决问题的有效办法包括合理选取系统热化系数和适当设立蓄能装置。
2) 负荷密度 指单位社区面积所拥有的冷负荷量。负荷密度大，则输送系统单位负荷投资小，有利于区域供冷的经济性。当负荷密度过小，采用区域冷热联供的单位负荷初投资过大，就会被分散的供冷方式取代。
3) 用户负荷性质 由于建筑物使用功能不同，用户负荷性质，即用户之间最大空调负荷出现的时刻，会有所不同。这将使区域供冷系统与用户独立设置空调系统相比，设备容量减小。工程上采用系统供冷负荷峰值与各用户最大冷负荷之和的比值，即负荷同时使用系数以体现这一减小量。各用户负荷性质将直接影响制冷站的规模和分布，进而影响热电冷系统的经济性。
4) 年最大供冷负荷小时数 年最大供冷负荷小时数主要取决于当地的气候条件和用户负荷性质。年最大供冷负荷小时数越大，越有利于运行费低的供冷系统发展。
5．蓄能装置
当负荷因子较小时，增设蓄能装置可以大幅度减小系统容量，提高系统运行效率和安全稳定性。对于在已有热电厂基础上扩建的热电冷系统，设置蓄能设备还可提高系统的供冷能力。蓄能装置对系统经济性的影响主要取决于该装置的形式、位置和性能等。
1) 蓄能装置形式 如图1所示，对于热电冷系统，蓄能装置有蓄热和蓄冷两种形式。
蓄热按蓄存介质的不同有直接蓄存和间接蓄存。间接蓄存采用某种中间介质作为蓄存介质来蓄热。这种蓄热方式的蓄热温度较高，如岩和油组成的蓄存介质蓄热温度达304℃，而用一种熔化的硝酸盐作为蓄热介质蓄热温度可达566℃[6]，但间接储存方式的投资大，而采暖空调所用热量温度相对较低，故不宜采取这种蓄热方式。
直接蓄热可将待蓄存的热水或蒸汽直接储存在蓄热容器内。直接蓄热又可分为无压蓄热和有压蓄热。无压蓄热方式最高蓄热温度可达95℃，且投资低。有压蓄热方式是将蒸汽或高温热水直接存蓄在球状或圆柱形压力容器内，蓄热温度最高可达200℃，适宜于向双效吸收式制冷机供热。但有压蓄热方式投资大，相当于无压方式的2至5倍[7]。
蓄冷装置主要有水蓄冷和冰蓄冷两种方式。冰蓄冷装置具有蓄冷量大，结构紧凑等优点。但如果供冷系统采用的是溴化锂吸收式制冷机，其最低制冷温度只能达到5℃，无法使用冰蓄冷装置。空调用水蓄冷是将冷水直接蓄存于蓄冷容器的显热蓄冷方式。主要有分层式蓄冷和隔膜法蓄冷等型式。水蓄冷温度一般为5℃至7℃，可用于蓄存溴化锂吸收式制冷机所制取的冷量。但由于以显热蓄冷，蓄冷温度差小(约10℃左右)，因而蓄冷空间较大。
2) 蓄能装置位置 蓄能设备的位置对供能系统的经济性有较大影响。在热电冷联供系统中，夏季供冷时蓄能设备可安置在热电厂中作为蓄热器，也可安置在冷暖房中作蓄冷器，也可将蓄冷设置在用户处。蓄能装置的设立，可使热源至蓄能装置之间的系统容量降低和运行效率提高，而蓄能装置至用户之间的系统则无改观。从这一点讲，应尽量将蓄能装置的位置靠近用户侧。但这样又使蓄能装置因过于分散而加大了投资。
3） 蓄能装置性能 包括装置容量、蓄能功率、泄能功率和蓄能热效率等因素。蓄能装置容量增大有利于蓄能效果的提高，但会增大蓄能的投资。蓄能容量的大小取决于热电冷系统的构成和负荷特性，需经优化计算确定。蓄能、泄能功率则主要与蓄能容量和负荷变化频率等因素有关。
从宏观的角度看，热电冷系统的经济性还与电力系统有关参数密切相连，主要指所代替的电网其它发电机组初投资和发电效率。所代替的发电机组初投资越大、发电效率越低，则热电冷系统的经济性越好。除技术因素外，一些政策性和市场因素也对热电冷系统经济性有较大影响，例如热电冷系统和代替发电机组所用的燃料价格等。热电冷系统所用燃料的价格越低，代替发电机组所用燃料的价格越高，与压缩式制冷形式的经济性相比，热电冷联供系统越有利。由于篇幅所限，不再详述。
三．结束语
热电冷联供系统庞大，影响经济性的因素众多。目前国内对热电冷系统的认识和研究还处于初级阶段。本文仅对一些影响系统经济性的主要技术参数做了定性分析，对该问题更深入认识还需作进一步的定量研究。
参考文献
1．付林 江亿 热电冷系统三联供系统的经济性分析（待发）
2．戴永庆 溴化锂吸收式制冷技术及应用 机械工业出版社
3．Goran Mornhed Innovations in District Heating and Cooling 1984-1994 and Their Economic Impact ASHRAE Transaction 1995
4．付林 江亿 承担冷负荷的热水网水力工况模拟计算及其应用 热能动力工程 1999.4
5．江亿 冷热联供热水网的用户回水加压泵方案 区域供热 1996.2
6．G. 培克曼等著 蓄热技术及其应用 机械工业出版社
7．S. HORII etl. Optimal Planning of Gas Turbine Cogeneration Plants Based on Mixed-integer linear Linear Programming. Iaternational Journal of Enegy Research Vol. 11. 1987
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