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热电厂余热制冷的经济性分析
卢玫 王刚 余敏 杨茉
上海理工大学 热工程研究所
（上海市军工路516号 200093；Tel：[phone]）
(Email：Rose_luu@)
摘 要：利用某热电厂的原有供热系统实现夏季区域供热、供冷的热电冷三联供，通过与分散式电压缩制冷的经济性比较分析，三联供收益在合理的煤价、热价时高于分散式电压缩制冷，采用三联供可以提高热电厂经济性。
关键词：热电冷联供 背压 经济性分析
1 引言
随着国民经济持续增长及日常生活能耗不断提高，能源供需矛盾日益突出。东北某热电厂就目前运行情况来看，夏季运行时存在着以下问题：.热负荷短缺，热水管网仅提供工业用汽和用户的生活热水负荷，其所需热量远小于热网的供热能力；热电厂内部分供热机组因热负荷不足而停运，使机组及供热系统的大量设备闲置，运行效率低下，造成巨大的资源浪费和经济损失。
热电冷联供系统实现了能量的逐级利用，提高了一次能源利用率。如果利用现有的热电厂和热水网，在夏季向用户提供热量用于吸收式制冷，代替大量分散的空调设备，不仅会平衡厂区峰期用电负荷，提高原有供热设备利用率，增加供热系统的经济效益；而且，热电冷联供技术的实施可以大量减少CO2、SO2和烟尘等污染物的排放，改善环境[1] ，在环保方面做出贡献。
2 热电冷三联供系统
东北某热电厂的集中供热系统担负着工业生产用汽和百姓生活用热及冬季采暖任务，表1列出热电厂机组组成。
表1. 热电厂机组组成
机组型号
功率
（MW）
初压
（MPa）
初温
（℃）
抽汽压力
（MPa）
台数
AПГ-12-1
12
3.40
435
0.8,0.12
2
31-12
12
3.40
435
0.08
1
B6-35/10
6
3.40
435
0.8
1
CB12-35/10/3
12
3.40
435
1.0,0.3
2
热电厂主要由背压机组、抽凝机组组成，缺点是热电负荷互相制约，即形成自由热负荷“强迫”电负荷，偏离设计工况时，其相对内效率会降低，做功能力损失大。由于冬、夏两季热负荷差值大，夏季机组低负荷运行降低了经济性。热电厂地处工业园区及居民区中心，热负荷的地理位置集中、密度大，这些特点具备了利用现有热网实现集中供冷的初步条件。
图1 热电冷联供系统图
现以该厂原机组、供热网为基础，采用三联供系统如图1，原热网和热源的结构参数均已确定，热网供回水设计温度为90/60℃，实际运行时采暖供热温度通常在85℃。热网供水温度高有利于制冷机性能的提高，但会使电厂抽汽参数提高，降低供热机组的热经济性。热网回水温度对系统能耗有很大影响[3]，回水温度低会减小热网泵耗，但又会降低制冷机性能。因此热网回水温度随供冷设计负荷的变化而存在不同的最优值，使得系统总能耗最小。这里假定空调负荷在现有采暖负荷分布的基础上成比例增减，采用单效溴化锂吸收式制冷机则要求热源回水温度在80℃左右，经济性较差；而采用热源温度为90/70℃，性能系数COP=0.52的两级溴化锂吸收式制冷机（根据上海孙桥农业开发区利用低温核供热堆三联供设计资料）可以充分利用原供暖网的设计参数，使系统匹配经济运行。
3 热电冷联供系统的经济性分析
3.1热电厂三联供与分散制冷的能耗与收益比较
热电厂的厂区与住宅区需求制冷量接近2：3，厂区制冷高峰主要集中在白天用电高负荷时间段，而居民区晚间占有相当制冷负荷，可以认为制冷机组基本能够在稳定的负荷下运行。热电厂在夏季、冬季运行时月负荷数据如表2，以此数据及状态参数为依据计算夏季三联供满负荷运行月变化。
表2 热电厂夏季和冬季月负荷表
比较参数
计量单位
夏季运行
冬季运行
发电量
MW·h
24112
38350
供热量
GJ

801278
制冷热量
GJ

发电煤耗率
Kg/（kw·h）
0.54
0.27
供热煤耗率
Kg/GJ
41.5
41.5
发电煤耗
t
13032.5
10354.5
发热煤耗
t
10861
45209
在原热电厂基础上建立热电冷三联供系统，根据电厂运行参数由热量法计算三联供时月运行的数据如表3，计算中采用和原系统相同外部条件参数，回水系数相同取0.896。三联供系统增加了夏季发电量，降低了发电耗标煤率，原热网实际供暖温度由85℃提高至90℃，供热的能耗因此增加。
表3 热电冷联供月负荷
发电量
W
MW·h
制冷热量
Qr
GJ
发电煤耗率
bd
kg/(kW·h)
供热煤耗率
br
kg/GJ
发电煤耗
Bd
t/月
发热煤耗
Br
t/月
261710
581000
0.272
52.2
10397.7
43989
建立热电冷联供系统夏季供冷是否有好的经济性，与厂区和居民用户的分散电压缩制冷系统相比较整个热电厂满负荷条件下运行一个月的能耗和电厂收益，确立两个系统制冷时的能耗与收益方程。
基于原热电厂改造而成的热电冷联产系统用于制冷的燃料消耗量：
（1）
式中：—制冷用热源燃料消耗量，且，kg；
—制冷泵功的燃料消耗量，且，kg，泵功包括制冷机的溶液泵功和网络水泵功
、—分别为供热煤耗率、供电煤耗率，kg/GJ, kg/（kW·h）。
热电冷联产时制冷所耗燃料费用和分散电压缩制冷所耗燃料费用分别为：
（2）
（3）
现行的热电厂收费体制是建立在市场的电价和热价基础上的，如果建立供冷时冷价不易被用户所接受，因此计算热电厂采用吸收式制冷方案的净收益时仍以现在热价为参考，同时不考虑运行、检修的人工费用和给水、补给水的费用。热电冷联产系统的热电厂净收益为：
（4）
式中：表示制冷（热源）的收益，表示多发电收益，表示节煤收益，元。
热电厂原分散电压缩制冷系统制冷时的热电厂的净收益
（5）
式中：，，，，，，分别代表了热价(元/GJ)、电价[元/(kW·h)]、煤价(元/t)、制冷耗热量(GJ)、耗电功（kW·h）、制冷多发电量(kW·h)和发电节煤量(t)。
在月满负荷运行情况下，计算得出两种制冷系统的消耗与收益如表4。这里，，分别取当地值20元/GJ，0.6元/（kW·h），340元/t。从表4中我们可以看出与分散式制冷系统比较时热电冷的燃料消耗远大于分散式空调系统，联供系统制冷收益小于分散式空调，而热电冷联供系统总净收益与分散空调接近。在相同的制冷量条件下，热水型的吸收式制冷与分散式空调相比在一次能源消耗上是不经济的，同时联供系统的收益也小于分散式空调系统。对热电厂来说实施热电冷联产系统的存在一定的收益可以解决热电厂的低效运行，而用户享受热电冷联供系统或分散式空调制冷系统的花费存在不同，影响不同的系统接受程度。
表4热电冷联供与分散式空调耗能比较
比较参数
计量单位
热电冷联供
分散式空调
性能系数

0.52
2.34
制冷耗标煤
t
30328.2

耗电量
kwh
932469.1
35864197.5
耗燃料总价
万元
1039.78
660.91
制冷收益
万元
1217.95
2151.85
发电节煤价
万元
89.58.

多发电收益
万元
790.95

净收益
万元
1058.7
1490.94
上表中的热价、电价、煤价都取了定量分析，热电厂的耗煤市场价格和供应的热源价格在现在政策下不断地调整，因此要了解煤价和热价对推行吸收式制冷系统的影响，建立分散电压缩制冷时热电厂收益与吸收式制冷系统制冷收益的比值。
（6）
建立吸收式制冷净收益与吸收制冷耗燃料价比，分散式制冷净收益与供电耗燃料价比。
（7）
（8）
图2热电厂分散制冷与吸收制冷收益比
图3 热电厂制冷收益与耗燃料比
下面比较热电厂随着煤价、热价的波动，分散式电压缩制冷制冷系统与热水型吸收式制冷的系统收益比，如图2；热电冷联供系统制冷净收益与系统的一次能源消耗比如图3。热电厂分散制冷与吸收制冷收益比随着煤价的升高比值呈下降趋势；相同的煤价时，随着热价的升高热电厂收益比i下降，说明采用分散制冷的热电厂收益优势逐步丧失。当热价大于26元/GJ时，随着热价升高吸收制冷系统的收益大于分散制冷系统，电厂提高了效益，有利于推广热电冷联供系统。图3所示，热电厂采用不同方式制冷时其收益与耗燃料比n随着煤价的升高而迅速下降，热价的升高使电厂的吸收制冷收益与耗费比值逐步接近分散式电压缩制冷的比值，同时热价的升高会增加用户的负担影响使用吸收制冷的积极性。
3.2两种制冷系统中的用户支付比较
图4 用户采用分散与吸收制冷支付比
用户如果使用吸收式制冷系统需要支付热价或者支付热价和系统耗电价，而使用分散式制冷只支付电价，在使用这两个系统时用户会优先考虑选择支付小的制冷方式，因此有必要对用户使用不同制冷系统时的热价和电价接受程度的敏感性分析。采用用户相同制冷条件下分散式与吸收式制冷的支付比。
（9）
式中、分别为分散制冷支出，吸收式制冷支出且，在吸收式制冷的支出方式中考虑了两种情况：a只支付热价；b支付热价和系统泵耗电价。
计算时热价取随市场的不同波动值，电价0.6元/kw·h，计算比较结果如图4所示。随着热价的不断增加，用户支出比m不断下降，也就是用户使用两种不同方式制冷时的支出花费逐渐接近，在热价16~34元/GJ之间时用户会积极使用吸收式制冷，而电厂此时净收益不断增加超过了采用分散制冷的收益，热价的提高促进了热电厂推广热电冷系统的积极性。当热价大于34元/GJ时用户两种消耗支出近似相等，用户使用吸收制冷的积极性开始下降，热电厂的净收益不断增加。因此选择合理的热价、煤价、电价有利于推广热电冷联供系统，在合理的可接受范围内，用户，热电厂都能够对推广热电冷联供系统持有很高的热情，同时这需要政府的政策支持。
3.3热电冷联供与分散式制冷的投资比较
虽然联供系统的收益小于分散制冷系统，但对用户来说联供系统花费更低由以上计算得出热电冷联供系统比分散式电压缩制冷系统节能，为了衡量该热电厂在原热网基础上扩建的热电冷联供系统投资经济性的优劣，有必要与分散式电压缩式制冷系统的投资进行比较。投资经济性的好坏主要取决年成本优劣的大小，进一步决定于系统的初投资、折旧率、最大负荷小时数、及燃料价格等因素。年成本由年投资成本、年残值和年运行费用三部分组成：
年投资成本
； (10)
年残值
； (11)
年运行费用
(12)
总的年成本评价方程

(13)
上述各式中：P为系统初投资（元/kw）；n为设备使用年限（年）；i为年利率（％），年利率为4％；r为折旧率（％）；D为年运行费用（元/kw年）等于耗电量W（元/kw年）、耗热量Q（元/kw年）与其他费用Y（人工费、检修费、管理费）[4]之和。热电冷联供年运行费用取自用户侧，耗热量Q以制冷的热价计算，电压缩制冷年运行费用仅耗电量W一项。这里以满负荷对两种制冷进行比较。热电冷联供的初投资参数、使用年限、折旧率取自文献[5]，计算参数如表4列出的值。表5列出了计算结果，可看出热电冷联供系统运行费用大于分散式电压缩制冷。热电冷联供系统虽然初投资较大，但使用年限大于分散空调的使用年限，单位制冷量的年运行成本小于分散式。制冷负荷较为集中且利用了原有的热网，使得热电冷联供在经济方面有利，如果冷负荷过于分散，会导致初投资大幅度增大而使系统经济性降低。
表6 制冷方案年成本比较

初投资
元/kW冷量
使用年限
年
年折旧率
（％）
年运行费用
元/kW冷量
年成本
元/kW冷量
热电冷联产
859.8
20
4.5
199.3
305
电压缩制冷
817
8
12
197.1
315

5结论
通过和分散式电压缩制冷的比较，在原有供暖网基础上扩建的热电冷联供系统的可以降低发电煤耗率，改变系统的低负荷运行，在原有的收费标准上虽然与分散制制冷相比热电厂的收益下降了，但是从用户角度来看更有其节省消费支出的好处，吸收式制冷容易得以推广应用。热价的提高增加了电厂的收益，但是也增加了用户的负担，因此合理的选择热价与电价可同时满足双方的利益。从电厂降低了收益上看，联供的推广还需要政府政策的支持。两种系统用户年成本比分散电压缩制冷节省10元/（kw冷量）更可以提高热电冷推广时用户的积极性。热电冷联供运行时怎样平衡由于昼夜温差引起的供冷负荷的变化，这对系统的经济运行有着重要的影响。
参考文献:
[1]. 薛梅，董华，天然气热电冷联供系统的效益分析，煤气与热力，2003.5
[2]. 高鄂，刘鉴民，热力发电厂
[3]. 付林，热电冷联供系统经济性的影响因素分析和，区域供热，1999.
[4]. 李先瑞，住宅区三联供系统的研究，建筑热能通风空调，1999(4)
[5]. 余敏，李美玲，卢玫，李冰，低温核供热堆驱动的制冷系统方案研究，工程热物理学报，2001，22（6）：1－3