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热泵型天然气热电冷联供系统实践研究点击：1768 日期：[ 2014-04-26 21:39:41 ] |
| 热泵型天然气热电冷联供系统实践研究 付 林 张世钢 赵玺灵 孙作亮 李 辉 耿克成 清华大学 摘要：介绍了一类新型的热泵型天然气热电冷联供系统,系统利用吸收式制冷机在冬季兼作热泵运行,提高了系统的能源利用效率,降低了运行成本,除了增加一个回收冷凝热的换热器外,不会过多增加系统的额外初投资。通过对该系统的理论和实践研究表明,这类系统能充分利用天然气这种高品质能源,提高系统的综合利用效率。 关键词：分布式能源系统 热电冷联供 烟气冷凝热回收 热泵 0 引言 天然气燃烧后排出的烟气中含有大量的水蒸气,水蒸气的汽化潜热占天然气高位发热量的比例达到10%~11%,同时天然气是一种价格较高的燃料,因此水蒸气汽化潜热的有效利用对节能和提高经济性都有重要意义。为了利用这部分热量,一些发达国家相继研发和生产出冷凝锅炉,并已经大量投入使用。国内外科研单位对这种锅炉也进行了研究[1-6]。在冷凝锅炉中烟气的显热和水蒸气的汽化潜热得到了进一步地利用,其效率比常规锅炉提高5%~10%。 随着分布式能源系统日益受到重视[7-9],天然气热电冷联供系统也逐渐得到应用,即天然气首先通过燃气轮机或内燃机等动力装置发电,而后回收其排放的余热用于供热或驱动吸收式制冷机制冷。在这种系统中,供热工况下一般由余热锅炉等换热装置回收动力装置排出的烟气的余热,经余热回收后排烟温度一般在130℃以上。由于燃气轮机或内燃机中天然气燃烧的过量空气系数较大(内燃机在2左右,燃气轮机在3以上),排烟余热比燃气锅炉更大,尽可能多地回收利用这部分热量,对节能、环保、提高经济性都具有重要意义。 可采用吸收式热泵技术充分回收烟气冷凝热[10-11]。常规的燃气热电冷联供系统都包括吸收式制冷机,在冬季吸收式制冷机作为热泵运行,既提高了系统的能源利用效率,也降低了运行成本,除了增加一个回收冷凝热的换热器外,不会过多增加系统的额外初投资。这种新型的能源系统称为热泵型天然气热电冷联供系统。与仅通过余热锅炉等换热装置回收烟气余热的常规热电冷联供系统的区别在于,该系统利用制冷机兼作供热工况下的热泵使用,可以深度利用包括冷凝热在内的排烟余热。 1·热泵型热电冷联供系统型式 图1给出了典型的燃气热电冷联供系统利用吸收式热泵回收烟气余热的系统流程。较高温度的烟气(500℃左右)进入余热锅炉(高温烟气换热器),制取的蒸汽进入吸收式热泵的发生器,作为热泵的驱动热源。如果采用的是烟气型吸收式热泵,则高温烟气直接在高压发生器内换热并作为热泵的驱动热源。换热后的烟气(温度在200℃左右)再进入烟气冷凝换热器,进一步将显热和潜热释放给热泵,降低至较低温度(可在40℃以下)后排到大气中。与传统热电冷联供系统相比,供热工况下系统效率可提高10%以上。 热电冷联供系统中往往同时拥有吸收式制冷机和压缩式制冷机,吸收式制冷机由烟气驱动,承担基本冷负荷,压缩式制冷机用于冷负荷调峰。在此基础上,充分利用这两种制冷机(作为热泵用)串联,产生另一种适宜于以较高温度供暖供热的热泵型热电冷联供系统,即同时有吸收式热泵和压缩式热泵的热电冷联供系统。图2给出了以内燃机为动力的天然气热电冷联供系统采用两级热泵串接的系统流程。利用热泵两级串联提升供热温度,回收烟气余热,可以保证使排烟温度降到很低水平的同时,产生较高温度的热源。 应用燃气-蒸汽联合循环系统的抽汽或者背压排汽驱动的热泵型热电冷联供系统流程如图3所示。抽凝式机组通过汽轮机的抽汽驱动吸收式热泵回收烟气冷凝余热;背压式机组可以直接利用背压排汽驱动吸收式热泵回收烟气冷凝余热。 2·热泵型热电冷联供系统实践 在清华大学低能耗示范楼内搭建了一个热泵型热电冷联供系统,承担该楼约3 000 m2面积的热、电和冷等基本负荷。该系统主要设备包括1台发电容量为70 kW的G3306型内燃机组,1台制冷量为50 kW的BCT70(50)-E烟气型双效吸收式制冷机,系统流程见图4。夏季内燃机发电后排出的烟气通过旁通回路绕过高温换热器,直接驱动吸收式制冷机承担示范楼的冷负荷,缸套水换热器等的余热用于驱动液体除湿机承担示范楼的湿负荷,实现空调的热湿独立控制[12]。对于冬季供热工况,烟气余热回收设置了两套系统,一套系统是烟气通过旁通烟道绕过高温换热器驱动吸收式热泵,进而通过冷凝换热器深度回收烟气余热,即采用热泵型热电联供模式运行。热泵产生的热量和缸套水换热器换出的热量用于示范楼的供暖。为了与热泵型热电联供运行模式进行对比,设置了另一套系统,内燃机排出的烟气直接通过高温换热器与供暖热水换热,然后通过吸收式热泵和冷凝换热器的旁路排向大气,代替热泵承担供暖热负荷,即普通热电联供模式。 图5给出了某典型时段在吸收式热泵回收烟气冷凝热的运行模式下,热电冷联供系统的综合能效情况,此时内燃机发电功率稳定在59~60 kW,吸收式热泵供热功率为70~72 kW,缸套水换热器热功率为87~89 kW,以燃气低热值为基准计算,热电冷联供系统发电效率约为25%,吸收式热泵回收烟气余热率约为30%,热泵制热COP为1.8~2.0,缸套水换热器热效率约为36%,系统燃气综合利用效率约为90%~93%。此时,冷凝换热器中水侧温度,即热泵冷水供、回温度为17℃/20℃,冷却水温度为41℃/45℃。冷凝换热器烟气进口亦即热泵排出烟气温度约为170℃,冷凝换热器烟气排出温度约为23℃。图5d中T0~T4的位置见图4。 吸收式热泵回收烟气冷凝热系统在改造后热回收率折合为30%(以燃气低热值为基准),排烟温度为19℃,当解决好吸收式热泵漏烟散热问题后,系统总体热效率可达33%。另外,冷水循环泵与吸收式热泵的制冷剂泵、溶液泵功率共为1.1kW(冷水泵功率约为0.5 kW,溶液泵、制冷剂泵平均功率约为0.6 kW)。 在常规热电冷联供系统中,热电联供工况下,通常使用直燃机作余热锅炉或者直接使用余热锅炉回收烟气余热用于供热。直燃机冬季作余热锅炉使用时,排烟温度一般为170℃左右。直接使用余热锅炉时又分为两种情况,一种是不考虑烟气冷凝热回收,排烟温度高于烟气露点温度,为150℃左右[13];一种是考虑烟气冷凝热回收,排烟温度取决于水进入换热器的温度及换热面积。 根据以上情况,对应用吸收式热泵回收烟气冷凝热系统与常规热电冷联供系统进行对比,常规热电冷联供系统的供热参数与吸收式热泵相同,内燃机发电功率为59~60 kW,烟气入口温度为530℃,供热回水温度为40℃。 1)与直燃机作余热锅炉相比直燃机排烟温度为170℃,余热利用效率折合为16.8%(以燃气低热值为基准),比吸收式热泵回收烟气冷凝热系统的折合热回收率低16.2%。 2)与不考虑烟气冷凝热回收的余热锅炉相比余热锅炉不考虑冷凝热回收,排烟温度为150℃,余热利用效率折合为17.7%(以燃气低热值为基准),比吸收式热泵回收烟气冷凝热系统的折合热回收率低15.3%。 3)与冷凝式余热锅炉相比若余热锅炉考虑冷凝热回收,在供热回水温度为40℃的情况下,应加大换热面积,以降低排烟温度,在最优换热面积下,余热锅炉最终排烟温度为44℃,余热利用效率折合为28.8%(以燃气低热值为基准),比吸收式热泵回收烟气冷凝热系统的折合热回收率低4.2%。 在此工况下,吸收式热泵回收烟气冷凝热系统比冷凝式余热锅炉多回收余热约12 kW,多耗水泵、溶液泵、制冷剂泵功率约1.1 kW,吸收式热泵回收烟气冷凝热系统的制热COP折合为10~11。 由于示范楼的热电冷联供系统的供热末端装置为辐射吊顶和干式风机盘管,供热热水温度为40~45℃即可,在此条件下,应用吸收式热泵回收烟气冷凝热与应用冷凝式余热锅炉相比,烟道系统不需要添加新的设备,只需在水环路加一台循环泵并稍作改动,即可实现烟气冷凝热的有效回收。 3·结论 本文介绍了一类新型的天然气热电冷联供系统,即热泵型天然气热电冷联供系统,该系统型式多样,在实际应用过程中需要结合需求侧特点选用,以充分利用天然气这种高品质能源。对一种热泵型热电冷联供系统的实践研究表明,在本文的实验工况下,该系统与直燃机作余热锅炉相比,折合热回收率提高16.2%;与不考虑烟气冷凝热回收的余热锅炉相比,折合热回收率提高15.3%;与冷凝式余热锅炉相比,折合热回收率提高4.2%。因此,与常规热电冷联供系统相比,系统余热回收率有了不同程度的提高。对该系统的理论和实践研究表明,这类系统充分利用了天然气这种高品质能源,提高了系统的综合利用效率。 参考文献: [1] Kuck J. Efficiency of vapour pump equipped condensingboilers[J]. Applied Thermal Engineering, 1996,16(3):233-244 [2]Li Jia, Peng Xiaofeng. Heat transfer in glue gas withvapor condensation [J]. Tsinghua Science andTechnology,2002, 7(2):177-181 [3]笪耀东,车得福,庄正宁,等.高水分烟气对流冷凝换热模拟实验研究[J].工业锅炉,2003(1):12-15 [4]Zhelev T K, Semkov K A. Cleaner flue gas andenergy recovery through pinch analysis[J]. Journalof Cleaner Production,2004,12(2):165-170 [5]王随林,刘贵昌,温治,等.新型防腐镀膜烟气冷凝换热器换热实验研究[J].暖通空调,2005,35 (2):71-74 [6]李慧君,罗忠录,程刚强,等.天然气锅炉烟气换热特性的分析[J].动力工程,2006,26(4):467-471 [7]冯志兵,金红光.燃气轮机冷热电联产系统与蓄能变工况特性[J].中国电机工程学报,2006,26 (4):25-30 [8]宋之平.从可持续发展的战略高度重新审视热电联产[J].中国电机工程学报,1998,18(4):225-230 [9]张晓晖,陈钟颀.热电冷联产系统的能耗特性[J].中国电机工程学报,2007,27(5):93-98 [10]付林,田贯三,隋军,等.吸收式热泵在燃气采暖冷凝热回收中的应用[J].太阳能学报,2003, 24(5):620-624 [11]田贯三,付林,江亿.用天然气烟气废热作低温热源热泵循环的分析[J].太阳能学报,2003,24(4):472-476 [12]李震,江亿,陈晓阳,等.溶液除湿空调及热湿独立处理空调系统[J].暖通空调,2003,33(6):26-33 [13]刘凤强,曹家枞,朱冬林. BCHP系统中余热锅炉结构参数的热经济学优化[J].燃气轮机技术,2005,18(2):52-55 |
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