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熱電冷節能分析管理論文參考
摘要：熱電冷三聯供系統節能性問題在國內學術界仍存在爭論。本文重新計算了被許多文獻引用的當量熱力系數，并在此基礎上闡述對熱電冷三聯供系統節能性的認識。
關鍵詞：熱電冷三聯供節能性當量熱力系數
一．引言
對于吸收式制冷系統節能性的問題，幾年來一直是國內學術界爭論的熱點。直接以鍋爐蒸汽為熱源的吸收式制冷機或直燃機一次能耗高于壓縮式制冷機，這一點大家的觀點是一致的。對于熱電冷三聯供，即以熱電廠供熱汽輪機抽汽或背壓排汽為熱源的吸收式制冷相對于壓縮式制冷機的節能性，則在已發表的文章中眾說紛紜，多數文章認為熱電冷三聯供系統是節能的[1][2]，一些文章認為該系統節能是有條件的[3]，而另一些文章則認為熱電冷三聯供系統并不節能[4]。本文結合國內一些關于熱電冷三聯供系統節能性的典型文獻，談一下自己的看法。
二．對當量熱力系數的認識
代表熱電冷三聯供系統節能觀點的典型文獻[1]用當量熱力系數對系統進行了分析。當量熱力系數表示為單位一次燃料所制取的冷量。設由汽輪機抽汽口得到的每1kJ熱能所耗燃料熱能本應為TJ，由于蒸汽在抽汽口前已作功wKwh，而每1KWh在凝汽式機組中所耗熱能為vkJ，故而抽汽得到的每1kJ熱能真正耗用燃料熱能的kJ數為：T-wvkJ,其倒數u=1/T-wv表示單位燃料燃燒產生的高品位熱量相當于供熱汽輪機抽汽或背壓排汽口處的低品位熱量。吸收式制冷機的當量熱力系數可因此表示為：
u的值大于1，它將視熱電廠汽輪機入口處和抽汽或背壓排汽口處的蒸汽參數及鍋爐效率而定。據文獻[1]引用巴竇爾克斯等的計算，當抽汽壓力不超過0.6MPa的情況下，高壓汽輪發電機組的u值可達2.65。在采用此汽輪發電機組的熱電冷三聯供系統中，某雙效吸收式制冷機的當量熱力系數為：
這大大超過壓縮式制冷機的當量熱力系數ξc：
如果汽輪機的初參數降低，則u值和相應的ξea也將隨之減小，表1列出了文獻[1]給出的不同初參數下的當量熱力系數。
由表1可以看出，熱電冷三聯供制冷能耗要比壓縮式制冷低的多。即使采用低參數汽輪機的抽汽或背壓排汽作為熱源，吸收式制冷機的能耗也大大低于壓縮式制冷，此結果多次被引用來說明熱電冷三聯供系統的節能優勢。
表1不同初參數下熱電冷三聯供制冷和壓縮式制冷的當量熱力系數
表1不同初參數下熱電冷三聯供制冷和壓縮式制冷的當量熱力系數
雙效吸收式制冷機的熱力系數變化不大，基本上在1.2左右。于是，u值成為影響當量熱力系數的關鍵。文獻[1]沒有給出u值的計算方法，而只是直接引用幾十年前巴竇爾克斯的《吸收式制冷機》的有關值。在此，有必要對u的取值重新計算一下。
根據上述對當量熱力系數的定義，u值可簡化為下式表示：
若設汽輪機相對內效率為0.82，熱電冷三聯供系統中汽輪機的抽汽或背壓排汽在吸收式制冷機放熱凝結后返回電廠系統的溫度為飽和溫度，機組凝汽器壓力為4.9kPa，其他有關參數取值見表2。由以上參數值容易計算出表1所示三種抽凝機組的純凝汽發電效率ηc2值分別為0.280、0.262和0.230。于是,由式（3）可得三種初蒸汽參數的u值，進而得到此三種初參數下熱電冷三聯供制冷的當量熱力系數,見表1。本文計算出的當量熱力系數顯然比文獻[1]低。
再看一下壓縮式制冷機當量熱力系數的計算。由于在計算熱電冷三聯供吸收式制冷機的當量熱力系數時沒考慮冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機和溶液泵等輔助設備的電耗，因此式（2）中的W0應是壓縮式制冷系統比吸收式制冷系統多耗的電量，采用表3中的值。同時，壓縮式制冷的電動機效率也不應在該式中體現。于是，壓縮式制冷的當量熱力系數應為：
這樣，由重新計算的結果（見表1）來看，雖然與發電效率為0.34的壓縮式制冷系統相比，熱電冷系統是具有節能優勢的，但這種優勢并沒有文獻[1]所描繪的那么大，尤其是對低參數機組。那么，是否憑表1中的幾個數值就能說明熱電冷三聯供系統就一定節能呢？以下進一步談談對此問題的認識.
三．對熱電冷三聯供系統節能性的認識
熱電冷三聯供系統中吸收式制冷機的當量熱力系數與多個因素有關。事實上，評價和分析熱電冷三聯供系統的節能性應考慮以下幾方面：
（1）節能是相對的，與比較對象的選取有關
一個系統是否節能，是相對于具有相同產出的另一系統能耗而言的。熱電冷三聯供系統在發電方面是與其他發電形式(代替電廠)作比較的，在式(3)中即表現為代替電廠的發電效率ηc2。
對于新建抽凝機組的熱電冷三聯供系統以及由背壓式供熱機組構成的熱電冷三聯供系統，其發電量可由當地電網的其他電廠發電代替，因而，代替電廠發電效率ηc2可選擇當地電網的發電效率或全國平均水平發電效率。如果ηc2取為全國平均水平發電效率0.325[5]，則三種熱電冷系統的當量熱力系數如圖1所示。當壓縮式制冷以全國平均水平發電效率的電能為動力時,即ηc=0.325，則采用雙效機的高、中參數熱電冷系統節能效果是明顯的，而低參數的熱電冷系統在高抽汽參數下節能優勢并不大。
對于由抽凝汽輪機組成的現存熱電廠，當改造其為熱電冷三聯供系統時，原本凝汽發電的蒸汽變成以抽汽的形式發電。因而，ηc2可取為該熱電廠的凝汽發電效率。這種情況下熱電冷三聯供系統的當量熱力系數如圖2所示。可以看出，此時采用雙效機的熱電冷三聯供系統節能優勢與圖1所示的情況相比更加明顯。
在制冷方面，熱電冷三聯供系統是與壓縮式制冷系統作比較的。因此，其節能性與壓縮式制冷機的COP以及該制冷機所耗電的發電效率等因素有關。
（2）熱電冷三聯供系統的節能性與汽輪機初參數的高低有關
在圖1和圖2中，隨著機組初蒸汽參數的降低，熱電冷系統當量熱力系數也會降低。這是由于初蒸汽參數降低使鍋爐中不可逆傳熱加大，從而增加了系統能耗。因而，當初參數高的熱電冷系統節能時初參數低的系統卻不一定節能。
（3）汽輪機抽汽或背壓排汽的壓力對節能性的影響
文獻[1]僅考慮該壓力為6MPa（絕壓）的情況。實際熱電廠的供熱機組往往不是這個抽汽壓力。當較遠距離輸送蒸汽時，考慮到熱網的壓損，為滿足雙效機的熱源參數要求，汽輪機抽汽或背壓排汽的壓力應比此壓力高。對于在原有熱電廠基礎上擴建的熱電冷系統，由于原有供熱機組的抽汽壓力已系列化，使得抽汽參數與制冷機所要求的額定值往往存在較大偏差。因而有必要分析汽輪機抽汽或背壓排汽的壓力對系統能耗的影響。從圖1和圖2可看出，系統當量熱力系數隨著汽輪機背壓排氣或抽汽壓力的升高而降低。從熱力學第二定律看，背壓排氣或抽汽壓力的提高，會使蒸汽在汽輪機中作功的火用損失減小，熱電廠的火用效率增加，有使熱電冷系統能耗減小的趨勢。但是，制冷側的火用效率卻以更大幅度減小。隨蒸汽壓力的改變，制冷機出力變化較為顯著，而其COP值的變化并不十分明顯，可近似以常數處理。蒸汽壓力增大時，制冷機傳熱傳質的不可逆程度增大，甚至為避免溴化鋰溶液結晶，要對蒸汽進行減溫減壓處理，進一步加大了系統的不可逆損失，使得系統的當量熱力系數減小。相反，如果大幅度減小汽機抽汽或背壓排氣壓力，雖然系統的能耗降低了，但制冷機的出力會下降。因此從經濟上講，汽輪機抽汽或背壓排氣壓力的選擇存在一個優化問題。
（4）吸收式制冷機的機型對系統節能性的影響
這里的機型是指單效或雙效。圖3和圖4分別為ηc2取全國平均水平發電效率和熱電冷系統供熱機組凝汽發電效率時的當量熱力系數。可以看出，在圖3中，采用單效機的中、低參數熱電冷三聯供系統是不節能的。在圖4中，高、中參數的熱電冷三聯供系統在抽汽參數足夠低時是節能的，而低參數熱電冷三聯供系統的能耗明顯大于壓縮式制冷機。比較采用雙效機（圖1、2）和單效機（圖3、4）的熱電冷三聯供系統便可很容易看出，采用雙效機的系統當量熱力系數明顯高于采用單效機的系統。顯然這是由于單效機的COP遠低于雙效機所造成的。因此，優先采用雙效機，是降低熱電冷三聯供系統能耗的有效措施。這對制冷站設在熱電廠或熱量輸送系統為蒸汽網的熱電冷三聯供形式是容易實現的。但熱電冷三聯供形式之一是熱電廠提供的熱量通過熱水網輸送到各建筑物，提供吸收式制冷機所需熱量。對不宜修建蒸汽熱網的市區，這是可行的方案之一。由于目前普通的直埋熱水管道所允許的最高供水溫度不超過130℃，這種情況下只能采用單效機，其代價是增大了熱電冷系統的能耗。
（5）熱和冷兩者對熱電冷三聯供系統能耗的影響是不同的
通常所講的熱電聯產供熱是節能的，這是相對于鍋爐直接供熱而言的，因為熱電聯產供熱方式利用的是作功發電后的低品位蒸汽，而鍋爐供熱是直接利用高品位的燃料能。而在熱電冷三聯供系統中，吸收式制冷機雖然也是利用低品位的蒸汽熱能制冷，但與壓縮式制冷相比卻不一定節能，因為壓縮式制冷的COP遠高于吸收式制冷。如圖5所示，從一次能源利用的角度看，無論熱電冷系統的吸收式制冷還是壓縮式制冷，都要經過兩個能源轉換環節。熱電冷三聯供制冷方式第一個環節是一次能源（燃料）通過熱電廠轉換成熱量和電量，第二個環節是熱量通過吸收式制冷機轉換成冷量；壓縮式制冷方式第一個環節是一次能源通過電廠轉換成電量，第二個環節是電量通過壓縮式制冷機轉換成冷量。熱電冷三聯供制冷方式的第一個環節能量轉化效率高于壓縮式制冷制冷方式，而第二個環節能量轉化效率則低于壓縮式制冷制冷方式。因此須根據具體情況通過定量計算來評價熱電冷三聯供系統的能耗，進而才能得出是否節能的結論，而文獻[2]僅憑定性分析，認為冷和熱性質相同，因而對系統節能性的影響相同，進而得出熱電冷三聯供制冷方式一定節能的結論，這是欠妥的。
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