热电冷三联产系统 能效特性的实验研究

摘要：对热电冷三联产系统的能效特性及在部分负荷和较小负荷运行时的能效率进行实验研究．从实验数据分析得出，当负荷变小时系统的总能效率会明显地下降，系统的经济性变差．这一变化规律可为今后热电冷三联产系统的设计和设备配置提供依据．

关键词：热电冷三联产；实验研究；总能分析；能效特性

Experimental study on the energetic efficiency of cogeneration system for combined heat，cold and power production

LIU Jian-hua， WU Zhi-min， WANG Jin， ZHOU Da-han

(College of Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)

Abstract：An experimental study is made on the energetic efficiency characteristic of cogeneration systerm for combined heat，cold and power production，especially when the system is under partial load or small load．The result shows that，when the load is reduced，the total energetic efficiency will clearly decrease and the economic characteristic will deteriorate．The regularity it of efficiency variation provides basis for design and equipment disposition of the trigeneration system．

Key words：trigeneration system；experimental study；total energy analysis；energetic efficiency characteristic

随着我国经济的迅速发展，能源问题日趋突出．如何合理利用能源，减少污染物的排放，关系到21世纪的可持续发展战略．热电冷三联产系统是一种建立在能源梯级利用概念基础上，一体化为生产工艺或人们生活活动提供所需热量、冷量和用电量的多联产总能系统．热电冷三联产系统以天然气为一次能源，以微型燃气发电设备发电为核心，燃气发电设备发电后排放出来的高温尾气通过余热锅炉或吸收式制冷机，利用发电余热生产冷量和热量，满足用户的电、热、冷负荷的能源需要．能源利用效率高、使用清洁燃料及污染物的低排放使热电冷三联产的发展和应用成为能源技术发展的重要方向之一．在日常生活中，用户对能量结构的需求，不仅仅是电力，也需要以热量和冷量的能量形式，热电冷三联产系统克服了常规的集中供电能量形式单一的方式，通过系统的有机整合，满足用户对能量的需求，同时实现能量的梯级利用．在能源系统研究处于先进地位的美国，对能高效利用能源的热电冷三联产系统也特别青睐．美国能源部对发展小型热电冷联产作了规划，根据这项规划，到2005年要建立200个示范点，2010年20％的新建商用、写字楼类建筑物将使用小型热电冷联产，2020年50％新建商用、写字楼类建筑采用小型热电冷联产，同时将15％的现有建筑改用热电冷联产[1]．在我国，根据国家能源、环保政策，能源供应条件和优化能源结构的要求，从改善环境质量、节约能源和提高供热质量出发，在未来的电力和动力系统中，以天然气为一次能源的热电冷三联产供能方式也将得到广泛应用[2]．

作为一种新型的能源利用方式，有关研究人员给予很大的关注，在理论上作了论证，对热电冷三联产系统的能效特性都是肯定的，一致认为其具有良好的节能前景．但是有一点值得注意，所有的分析论证都是在系统固定负荷下进行的．热电冷三联产系统的特点是分散式供能，各自独立为用户输出热、冷和电量[3]，用户对能量的需求量和对能量结构的要求会随季节、时间、室内外负荷的波动而变化，不同用户之间由于建筑的结构不同、用途不同等因素，对能量的结构和数量的要求也会不同．因此，以保证满足最大负荷需求来配置设备的热电冷三联产系统，在实际应用中，大多数情况是不会在最大负荷下作，届时其系统效率是否还能维持较高的效率，系统的能效随负荷的下降呈什么趋势变化，是设计实际工程时设计人员必 须考虑的问题．由于实际工程的常年运行情况很复杂，影响系统能效的因素很多，难以从理论分析中得出，本文通过实验研究的方法，测试在实际运行中的一些不同工作点的工作参数，探讨热电冷三联产系统在部分负荷运行时和在较小负荷运行时的效率变化规律，为今后设计热电冷三联产系统提供参考依据，这对发展热电冷三联产系统将是很有意义的．

1 实验装置和方法

热电冷三联产系统实验装置如图1所示．实验装置主要由微型燃气轮机、溴化锂吸收式制冷机、二次换热器等几部分组成．微型燃气轮机采用Capstone公司的C60微型燃气轮机，天然气燃料燃烧以驱动燃气轮机，由燃气轮机带动发电机发电；燃气轮机排出的烟气带着余热进入由远大空调有限公司生产的BZHR15VH306C余热直燃型双效冷热水机组，制取供空调使用的冷、热水和卫生热水；作者设计制造的二次换热器置于溴化锂吸收式制冷机之后，进一步回收排烟中的热量，提高系统的总能利用效率．由于实验室目前尚未安装天然气管道，而使用高压液化天然气燃料，因此，使用前需经两级降压，从储气瓶中将22MPa的高压液化天然气降至燃气轮机要求的低压，再经过涡轮流量计进入燃气轮机．燃气轮机的排出口后接管道较多，为防止微型燃气轮机背压过高引起闷烧和回烟，在二次换热器后设置变频引风机，以保证燃气轮机的正常背压和排气畅通．

实验以夏季负荷模式进行．根据设定的实验条件，燃气轮机发电，由燃气轮机排出的废热先进入吸收式制冷机制取设定负荷所需冷量，再由二次换热器利用制取热水．由热电冷三联产系统的工作过程可知，系统的冷热量的产出受制于发电量，为此，具体实验设计了4个工况．先在燃气轮机满负荷工况下工作，发电量为60kW，获取设计工况时的参数，计算热电冷三联产系统的最佳能量利用效率，作为系统能效的比较标准；再以部分负荷和较小负荷(发电量为10，20，30kW)为实验条件分别进行实验，得出在部分负荷和较小负荷下的能量效率．实验的目的主要是研究热电冷三联产系统在部分负荷和较小负荷运行时的能效特性．

实验参数的采集：温度参数用热电阻、热电偶采集；流量参数根据不同的介质，用电磁流量计测量水管道内的流量，用涡轮流量计测量天然气的流量，用毕托管和微压差传感器测量烟气流量．

2 实验结果与分析

在最大、部分和较小负荷3组不同工况下进行实验测试，对热电冷三联产系统工作参数进行测定．热电冷三联产系统测试数据如表1所示(见下页)．从表1中可见，热电冷三联产的发电效率和总能效随发电量的下降而降低．若不考虑二次换热器的得热量，在发电量要求仍为10，20，30，60kW时，按表1的数据计算得到其能源利用效率分别为39.27％、47.57％、53.6％ 和61.62％ ，能源利用效率随发电量的下降而下降的幅度更加明显，在发电量为10kW时，其能源利用效率只有满负荷时的63.73％．究其原因主要有以下几点：a．燃气轮机发电量减少了，但压气机的耗功不会等比例地减少，使燃气轮机自身的功耗增加了，所以发电量减少时，能源的利用效率将下降．b．由于发电量减少，燃气轮机天然气的供应量也相应减少，燃气轮机的排烟量、排烟温度也随之降低，因此，进入溴化锂吸收式制冷机的烟气量减少，带人的热量也减少，不能使余热发生器内的溴化锂溶液充分加热发生，溴化锂吸收式制冷机的制冷量减少．发电量越少，燃气轮机的排烟量和排烟温度下降得越多，溴化锂吸收式制冷机的制冷量也就下降得越多．C．从数据的变化趋势中可以看出，当发电量在燃气轮机设计发电量50％以下时，能源利用效率的下降趋势增大；发电量在燃气轮机设计发电量50％以上时，变化的趋势相对缓和．

3 结论

a．热电冷三联产系统并不是都处于高能效状态，当发电量减少时，其能效会下降．若热电冷三联产系统的发电量长期处在低负荷状况下工作，热电冷三联产系统的高能效优势就不能体现．因此，在热电冷三联产系统的设计时不仅要考虑在最大负荷时的能效，更重要的是要考虑热电冷三联产系统的常年主要负荷区域段的能效．

b．热电冷三联产系统的特点是分散式供能，在建设热电冷三联产系统时，应根据用户的具体用能状况，合理配置系统的设备组合．

c．在建设热电冷三联产系统时，为防止能源利用效率下降过大，系统的最小发电量应控制在最大发电量的50％以上．

参考文献：

[1] Mornhed G，Casten T R．Innovation in district heating and cooling 1 984～1994 and their economic impact[J]．ASHRAE，1995，37(5)：911～916．

[2] 电力工业部．关于发展热电联产的若干规定[J]．能源研究与利用．1998，12(2)：3～4．

[3] 徐建中．分布式供电和冷热电联产的前景[J]．节能与环保，2002，9(3)：10～14．