淺談熱電冷聯(lián)供經(jīng)濟(jì)影響管理
摘要：本文從熱電廠、熱力輸送系統(tǒng)和制冷站以及冷負(fù)荷特性、蓄能裝置等幾方面，定性分析了對(duì)熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的主要影響因素。
關(guān)鍵詞：熱電冷聯(lián)供經(jīng)濟(jì)性影響因素
一．引言
近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些城市開(kāi)始醞釀建設(shè)熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)，即在原有熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)吸收式制冷機(jī)裝置，利用供熱汽輪機(jī)組的抽汽或背壓排汽制冷，使得整個(gè)系統(tǒng)不但可以發(fā)電和供熱，還可在夏季向用戶提供空調(diào)用冷。由于熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)規(guī)模和投資大，系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行期間能源消耗多，因而對(duì)熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行全面深入地分析和研究是非常必要的。本文從國(guó)家或一個(gè)地區(qū)的角度，分析和探討影響熱電冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的主要技術(shù)因素。
二．影響熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)因素分析
關(guān)于熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的研究目前已很成熟，故本文僅討論在熱電聯(lián)產(chǎn)基礎(chǔ)上加入制冷系統(tǒng)后影響熱電冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的有關(guān)技術(shù)因素。以下就系統(tǒng)的幾個(gè)組成部分，即熱電廠、熱力輸送系統(tǒng)和制冷站，以及冷負(fù)荷特性、蓄能裝置等幾方面對(duì)各主要技術(shù)因素加以分析。
1．熱電廠包括熱電廠機(jī)組的型式、容量、初蒸汽參數(shù)、抽汽或背壓排汽參數(shù)等。
1)機(jī)組型式機(jī)組型式對(duì)系統(tǒng)初投資和運(yùn)行費(fèi)的影響很大。燃煤熱電廠主要包括背壓機(jī)或抽凝機(jī)兩種型式。由于背壓機(jī)組初投資低，能量轉(zhuǎn)換效率高，因而對(duì)于新建熱電廠來(lái)講，背壓機(jī)組經(jīng)濟(jì)性顯然好于抽凝機(jī)組。
再看一下在原有熱電廠基礎(chǔ)上擴(kuò)建的熱電冷系統(tǒng)。假設(shè)空調(diào)負(fù)荷峰谷變化與電力負(fù)荷一致。從整體角度看，背壓機(jī)組由于制冷負(fù)荷的加入而增加了背壓排汽量，進(jìn)而增加了空調(diào)峰期的發(fā)電容量。這會(huì)減少電網(wǎng)相應(yīng)容量的電廠初投資，從而使整體系統(tǒng)的投資大幅度降。而抽凝機(jī)組在電力高峰期一般會(huì)滿功率發(fā)電，故在增加制冷用熱負(fù)荷后不會(huì)減少電網(wǎng)投資。因此，就初投資而言，背壓機(jī)組經(jīng)濟(jì)性更具優(yōu)勢(shì)。在運(yùn)行費(fèi)方面，抽凝機(jī)組所具有的經(jīng)濟(jì)性則好于背壓機(jī)組，因?yàn)槌槟龣C(jī)組由于供冷而增加的抽汽發(fā)電代替了效率低的本機(jī)組純凝汽發(fā)電，而背壓機(jī)組則是代替了效率相對(duì)較高的電網(wǎng)機(jī)組發(fā)電量。由于背壓機(jī)組初投資減少對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響大于運(yùn)行費(fèi)方面的劣勢(shì)，使得由背壓汽輪機(jī)組成的熱電冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好于抽凝汽輪機(jī)組成的系統(tǒng)[1]。順便指出，冷負(fù)荷一天之中變化幅度較大，這給熱電廠的運(yùn)行調(diào)節(jié)帶來(lái)困難。由于鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍和慣性的限制，背壓機(jī)組如何滿足冷負(fù)荷的變化是一個(gè)殛待解決的問(wèn)題。抽凝機(jī)組因抽汽調(diào)節(jié)較為靈活而使該問(wèn)題不那么突出。
隨著人們現(xiàn)代文明和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)，以油、氣等相對(duì)清潔的燃料代替污染嚴(yán)重的煤而作為城市使用的主要一次能源以成為必然趨勢(shì)，其中包括燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等型式的熱電廠在城市供熱方面的應(yīng)用。這種熱電聯(lián)產(chǎn)裝置在西方國(guó)家使用較為普遍。其特點(diǎn)是熱電比小，發(fā)電效率高，單位容量投資少。如果燃料價(jià)格較為合理，以這種熱電廠為熱源的熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)有較好的經(jīng)濟(jì)性。
2)機(jī)組容量主要指系統(tǒng)熱化系數(shù)的合理選取。空調(diào)負(fù)荷變化幅度大，可選取適當(dāng)容量的鍋爐蒸汽在負(fù)荷高峰期作為式制冷機(jī)的熱源，進(jìn)而減小供熱機(jī)組的容量。這樣，不僅可降低系統(tǒng)的初投資，而且還可提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，使熱電廠運(yùn)行工況更加穩(wěn)定。
3)熱電廠初蒸汽參數(shù)初蒸汽參數(shù)越高，系統(tǒng)的發(fā)電效率越高，熱電比越小，會(huì)使熱電冷的經(jīng)濟(jì)性越好。當(dāng)熱電冷系統(tǒng)系統(tǒng)和所代替的發(fā)電機(jī)組所用燃料的價(jià)格在正常波動(dòng)范圍內(nèi)時(shí)，熱電冷系統(tǒng)年運(yùn)行成本是隨著熱電比的降低而減小的。因此，熱電冷系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用高參數(shù)的熱電廠為熱源。
4)熱電廠抽汽或背壓排汽參數(shù)的降低，會(huì)使系統(tǒng)的發(fā)電效率增加，熱電比減小，有利于提高熱電冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于吸收式制冷機(jī)而言，抽汽或背壓排汽參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化對(duì)其熱力系數(shù)影響不大，但對(duì)冷機(jī)的出力有較大影響。當(dāng)蒸汽壓力每降低0.1MPa時(shí)，蒸汽型雙效機(jī)制冷量減少9%-11%[2]。這表明，當(dāng)蒸汽壓力降低時(shí)，為保證制冷量要選擇內(nèi)部傳熱面積更大的制冷機(jī)，從而增加了制冷站的初投資。因此，熱電廠抽汽或背壓排汽參數(shù)對(duì)于不同的具體系統(tǒng)應(yīng)有其最優(yōu)值。
2．熱力輸送系統(tǒng)包括供熱管網(wǎng)和供冷管網(wǎng)，影響因素主要有輸送介質(zhì)種類及其熱力參數(shù)、輸送系統(tǒng)運(yùn)行方式等。
1)輸送介質(zhì)種類由于技術(shù)條件的限制，供冷管網(wǎng)的輸送介質(zhì)只能采用冷水。但該介質(zhì)輸送冷量的能力小，管網(wǎng)初投資及輸送電耗巨大。近年來(lái)國(guó)外正在研制以冰漿或在冷水中加入相變材料作為輸冷介質(zhì)，可使管網(wǎng)輸送冷量的能力大大提高，較大幅度地降低管網(wǎng)初投資，但這種輸送技術(shù)目前仍處于試驗(yàn)階段[3]。
輸熱介質(zhì)主要指蒸汽或熱水。當(dāng)以蒸汽作為作為熱網(wǎng)的輸送介質(zhì)時(shí)，供冷系統(tǒng)可采用熱力系數(shù)高的雙效制冷機(jī)。同時(shí)，蒸氣在輸送中電耗低，不需要設(shè)置熱力首站換熱設(shè)備及泵等。但是，蒸汽在較遠(yuǎn)距離的熱網(wǎng)輸送中，壓力損失大，導(dǎo)致供熱機(jī)組抽汽或背壓排汽壓力較高，熱電廠熱電比大，且熱網(wǎng)的熱效率較低。這會(huì)對(duì)系統(tǒng)的'經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不利影響。以熱水作為熱網(wǎng)的輸送介質(zhì)，可使供熱機(jī)組抽汽或背壓排汽壓力較低。同時(shí)，熱網(wǎng)熱效率較高。但是，由于管道成本的限制，通常采用直埋管道的熱水網(wǎng)供水溫度大都在120℃以下，供冷系統(tǒng)只能采用熱力系數(shù)低的單效機(jī)。這會(huì)大幅度地增加供冷系統(tǒng)的初投資以及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)。另外，熱水網(wǎng)還有輸送耗電大等缺點(diǎn)。
2)輸送介質(zhì)熱力參數(shù)對(duì)于蒸汽網(wǎng)而言是指蒸汽壓力，亦即指汽輪機(jī)抽汽或背壓排汽壓力，上文對(duì)此已作分析。
對(duì)于熱水網(wǎng)而言，輸送介質(zhì)的熱力參數(shù)主要是指熱網(wǎng)供回水溫度，該參數(shù)對(duì)輸送系統(tǒng)仍至整個(gè)熱電冷系統(tǒng)的影響都很大。供水溫度選擇的小,熱電廠供熱機(jī)組抽汽或排汽壓力可以降低。但熱水溫度低會(huì)使制冷機(jī)制冷效率降低，制冷設(shè)備的投資及耗電量高。供回水溫差增大,無(wú)疑會(huì)節(jié)省熱網(wǎng)初投資及輸送能耗。但這會(huì)導(dǎo)致制冷系數(shù)降低，制冷設(shè)備初投資增加。因此，從系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性看，熱網(wǎng)供回水溫度應(yīng)有最佳選擇。
3)輸送系統(tǒng)運(yùn)行方式為保證制冷機(jī)的出力及運(yùn)行效率，不希望降低熱網(wǎng)供水溫度，熱網(wǎng)的運(yùn)行基本上依靠量調(diào)節(jié)完成。由于用戶熱負(fù)荷變化頻繁，導(dǎo)致熱網(wǎng)水的循環(huán)流量在很大范圍內(nèi)變化，且大部分時(shí)間在低負(fù)荷下運(yùn)行，常規(guī)熱網(wǎng)運(yùn)行方式將使主循環(huán)泵的電耗很大。因此，輸送系統(tǒng)的運(yùn)行方式對(duì)于熱網(wǎng)的低能耗和安全運(yùn)行有重要作用[4][5]。
3．制冷站包括供冷站位置與規(guī)模，吸收式制冷機(jī)型式、容量和運(yùn)行方式等。
1)制冷站位置與規(guī)模由于冷水管道的供回水溫差通常在10℃以內(nèi)，供冷管道輸送能量的能力遠(yuǎn)小于供熱管道，相同距離下供熱管道的投資要小于供冷管道。從這一點(diǎn)看，制冷站應(yīng)盡量靠近用戶。但用戶負(fù)荷在地理上是分散的，位置靠近用戶會(huì)使單個(gè)制冷站規(guī)模變小，數(shù)量增多，導(dǎo)致制冷設(shè)備容量增加，整個(gè)系統(tǒng)的制冷站占用空間增大，而且用戶附近的制冷站建筑造價(jià)往往更加昂貴。因此，位置靠近用戶又會(huì)使熱電冷系統(tǒng)制冷站的投資增大。合理選取制冷站位置與規(guī)模是一個(gè)較復(fù)雜的問(wèn)題，應(yīng)從整體供冷系統(tǒng)考慮，全面加以優(yōu)化。
2)吸收式制冷機(jī)的型式、容量和運(yùn)行方式制冷機(jī)的型式主要指單效或雙效。毫無(wú)疑問(wèn)，在條件允許的情況下應(yīng)盡量使用雙效機(jī)。由于空調(diào)負(fù)荷變化幅度大，制冷站內(nèi)單臺(tái)制冷機(jī)容量的選擇，制冷機(jī)的運(yùn)行方式，包括各制冷機(jī)之間的負(fù)荷分配、啟停順序等，都會(huì)影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。
4．供冷負(fù)荷特性包括負(fù)荷因子、負(fù)荷密度、用戶負(fù)荷性質(zhì)、年最大供冷負(fù)荷小時(shí)數(shù)等。
1)負(fù)荷因子指平均負(fù)荷與最大負(fù)荷之比。負(fù)荷因子越小，則設(shè)備利用率越低，單位制冷容量的供冷系統(tǒng)初投資越大。與采暖負(fù)荷相比，空調(diào)日負(fù)荷因子要小得多，這會(huì)使系統(tǒng)的容量無(wú)法得到充分利用。同時(shí)，也會(huì)給設(shè)備的運(yùn)行效率和調(diào)節(jié)手段帶來(lái)不利。解決問(wèn)題的有效辦法包括合理選取系統(tǒng)熱化系數(shù)和適當(dāng)設(shè)立蓄能裝置。
2)負(fù)荷密度指單位社區(qū)面積所擁有的冷負(fù)荷量。負(fù)荷密度大，則輸送系統(tǒng)單位負(fù)荷投資小，有利于區(qū)域供冷的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)負(fù)荷密度過(guò)小，采用區(qū)域冷熱聯(lián)供的單位負(fù)荷初投資過(guò)大，就會(huì)被分散的供冷方式取代。
3)用戶負(fù)荷性質(zhì)由于建筑物使用功能不同，用戶負(fù)荷性質(zhì)，即用戶之間最大空調(diào)負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)刻，會(huì)有所不同。這將使區(qū)域供冷系統(tǒng)與用戶獨(dú)立設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)相比，設(shè)備容量減小。工程上采用系統(tǒng)供冷負(fù)荷峰值與各用戶最大冷負(fù)荷之和的比值，即負(fù)荷同時(shí)使用系數(shù)以體現(xiàn)這一減小量。各用戶負(fù)荷性質(zhì)將直接影響制冷站的規(guī)模和分布，進(jìn)而影響熱電冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。
4)年最大供冷負(fù)荷小時(shí)數(shù)年最大供冷負(fù)荷小時(shí)數(shù)主要取決于當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和用戶負(fù)荷性質(zhì)。年最大供冷負(fù)荷小時(shí)數(shù)越大，越有利于運(yùn)行費(fèi)低的供冷系統(tǒng)發(fā)展。5．蓄能裝置
當(dāng)負(fù)荷因子較小時(shí)，增設(shè)蓄能裝置可以大幅度減小系統(tǒng)容量，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和安全穩(wěn)定性。對(duì)于在已有熱電廠基礎(chǔ)上擴(kuò)建的熱電冷系統(tǒng)，設(shè)置蓄能設(shè)備還可提高系統(tǒng)的供冷能力。蓄能裝置對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響主要取決于該裝置的形式、位置和性能等。
1)蓄能裝置形式如圖1所示，對(duì)于熱電冷系統(tǒng)，蓄能裝置有蓄熱和蓄冷兩種形式。
蓄熱按蓄存介質(zhì)的不同有直接蓄存和間接蓄存。間接蓄存采用某種中間介質(zhì)作為蓄存介質(zhì)來(lái)蓄熱。這種蓄熱方式的蓄熱溫度較高，如巖和油組成的蓄存介質(zhì)蓄熱溫度達(dá)304℃，而用一種熔化的硝酸鹽作為蓄熱介質(zhì)蓄熱溫度可達(dá)566℃[6]，但間接儲(chǔ)存方式的投資大，而采暖空調(diào)所用熱量溫度相對(duì)較低，故不宜采取這種蓄熱方式。
直接蓄熱可將待蓄存的熱水或蒸汽直接儲(chǔ)存在蓄熱容器內(nèi)。直接蓄熱又可分為無(wú)壓蓄熱和有壓蓄熱。無(wú)壓蓄熱方式最高蓄熱溫度可達(dá)95℃，且投資低。有壓蓄熱方式是將蒸汽或高溫?zé)崴苯哟嫘钤谇驙罨驁A柱形壓力容器內(nèi)，蓄熱溫度最高可達(dá)200℃，適宜于向雙效吸收式制冷機(jī)供熱。但有壓蓄熱方式投資大，相當(dāng)于無(wú)壓方式的2至5倍[7]。
蓄冷裝置主要有水蓄冷和冰蓄冷兩種方式。冰蓄冷裝置具有蓄冷量大，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。但如果供冷系統(tǒng)采用的是溴化鋰吸收式制冷機(jī)，其最低制冷溫度只能達(dá)到5℃，無(wú)法使用冰蓄冷裝置。
空調(diào)用水蓄冷是將冷水直接蓄存于蓄冷容器的顯熱蓄冷方式。主要有分層式蓄冷和隔膜法蓄冷等型式。水蓄冷溫度一般為5℃至7℃，可用于蓄存溴化鋰吸收式制冷機(jī)所制取的冷量。但由于以顯熱蓄冷，蓄冷溫度差小(約10℃左右)，因而蓄冷空間較大。
2)蓄能裝置位置蓄能設(shè)備的位置對(duì)供能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有較大影響。在熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)中，夏季供冷時(shí)蓄能設(shè)備可安置在熱電廠中作為蓄熱器，也可安置在冷暖房中作蓄冷器，也可將蓄冷設(shè)置在用戶處。蓄能裝置的設(shè)立，可使熱源至蓄能裝置之間的系統(tǒng)容量降低和運(yùn)行效率提高，而蓄能裝置至用戶之間的系統(tǒng)則無(wú)改觀。從這一點(diǎn)講，應(yīng)盡量將蓄能裝置的位置靠近用戶側(cè)。但這樣又使蓄能裝置因過(guò)于分散而加大了投資。
3）蓄能裝置性能包括裝置容量、蓄能功率、泄能功率和蓄能熱效率等因素。蓄能裝置容量增大有利于蓄能效果的提高，但會(huì)增大蓄能的投資。蓄能容量的大小取決于熱電冷系統(tǒng)的構(gòu)成和負(fù)荷特性，需經(jīng)優(yōu)化計(jì)算確定。蓄能、泄能功率則主要與蓄能容量和負(fù)荷變化頻率等因素有關(guān)。
從宏觀的角度看，熱電冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性還與電力系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)密切相連，主要指所代替的電網(wǎng)其它發(fā)電機(jī)組初投資和發(fā)電效率。所代替的發(fā)電機(jī)組初投資越大、發(fā)電效率越低，則熱電冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性越好。除技術(shù)因素外，一些政策性和市場(chǎng)因素也對(duì)熱電冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性有較大影響，例如熱電冷系統(tǒng)和代替發(fā)電機(jī)組所用的燃料價(jià)格等。熱電冷系統(tǒng)所用燃料的價(jià)格越低，代替發(fā)電機(jī)組所用燃料的價(jià)格越高，與壓縮式制冷形式的經(jīng)濟(jì)性相比，熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)越有利。由于篇幅所限，不再詳述。
三．結(jié)束語(yǔ)
熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)龐大，影響經(jīng)濟(jì)性的因素眾多。目前國(guó)內(nèi)對(duì)熱電冷系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和研究還處于初級(jí)階段。本文僅對(duì)一些影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的主要技術(shù)參數(shù)做了定性分析，對(duì)該問(wèn)題更深入認(rèn)識(shí)還需作進(jìn)一步的定量研究。
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AnalysisofEcononicFactorsImpactingonCombinedHeating，
CoolingandElectricitySystem
Abstract：Inthispaper,someimportanteconomicfactorsimpactingonCombinedHeating，CoolingandElectricity(CHCE)Systemisanalyzedqualitatively.
Keywords：CHCEEconomicFactorsQualitatively
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