（工程热物理专业论文）燃气空调能量系统优化分析.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 自进行的研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均以在文中以明确的方式标明。本 声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 邀 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或国家有关部门或机构送交论文的复印和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩编或其它复制手段保存 论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：忸导师签 山东大学硕士学位论文 摘要 热电联产是一种众所周知较成熟的能源利用方式，它的发展已有五十多年的 历史，在热电联产基础上发展起来的楼宇热电冷三联产b c h p ( b u i l d i n gc o o l i n g ， h e a t i n g p o w e rg e n e r a t i o n ) 则是一项新的技术采用以天然气为动力的楼 字热电冷三联供技术，其燃气空调系统内的动力装置既可以向建筑物内发电送 电，又可以把发电后的余热输向建筑物内供暖或作为空调的制冷能力，有效实现 能量阶梯利用，从而获得更高的燃料利用率这种方式，可以解决大型建筑物内 的部分用电负荷，提高建筑物用电的可靠性，同时还降低了输配电网的输配电负 荷，减少了长途输电的输电损失等。 本文首先对燃气空调的应用与发展作了介绍，并重点介绍了燃气型双效溴化 锂吸收式制冷机的系统构成与工作原理。在此基础上，分析了九种楼宇热电冷三 联产系统优化组合方式及其不同组合方式所具有的优点和不足。通过选取系统的 一次能源利用率、热电效率等物理量，对“燃气一蒸汽联合循环热电冷三联产 系统”这一实例的分析，揭示了机组效益与抽气量、热电比、节能率等的关系， 即：随着汽轮机抽气量的增加，供暖热量与制冷量都成比例增加，但汽轮机的内 效率随着汽轮机抽气量的增加却加速减少；系统的热电比由2 0 5 0 之间时， 联合循环热电效率增加最大，超过5 0 * , 4 之后，联合循环热电效率下降较快，由 此可知，在燃气一蒸汽联合循环热电冷三联产系统中，不能单靠增加系统的热电 比来提高系统的联合循环热电效率同时，并对实例系统中各部分的火甩效率、太 月损率进行了分析，找出火用损失大的原因，并提出了改进与优化方法。例如，在 燃气系统中燃烧室火用损占了整个三联产系统总吠用损的一半以上，指出主要跟燃 气温度有一定的关系，从而提出了在设计燃烧室的结构时，采用耐高温的材料， 提高燃气使用温度，从而可以提升燃烧效率，降低此部分火用损；汽轮机的火用效率 也较低，其火甩损失主要是由于气体在透平中的不可逆膨胀以及管道损失引起的； 溴化锂吸收式制冷机的火用效率也是比较低的，其原因是传热温差和吸收混合的不 可逆造成的，因此在完善装置设计的同时，合理选择热源温度是非常必要的。对 于选用“电主热从”还是“以热限电”的热电冷三联产系统，文章也给与了说明 与论证。 。 一次能源的梯级利用是楼宇热电冷三联产系统高效节能的实质，系统的优化 组合是楼宇热电冷三联产系统高效节能的前提，科学合理的运行管理是楼宇热电 冷三联产系统高效节能的保证 山东大学硕士学位论文 关键词：燃气空调，热电冷三联产，优化，梯级利用 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h p ( c o m b i n e dh e a ta n dp o w e rp l a n t ) i sa no l da n dw e l l k n o w nt e c h n i q u e f o r t h er a t i o n a lu s eo fe n e r g ya n di th a sm o r et h a nf i f t yy e a r so f e x p e r i e n c e t h ed e v e l o p m e n to fb c h p ( b u i l d i n gc o o l i n g , h e a t i n g p o w e r g e n e r a t i o n ) d e p e n do nt h ec h p 。a n dn o wt h eb c 呻b a sb e c o m eaq u i t er e c e n t t e c h n o l o g y b c 胛i sp o w e r e db yn a t u r a lg a s i tc a ns u p p l yt h ee n t i r e b u i l d i n gw i t hc o o l i n g ，h e a t i n ga n de l e c t r i cp o w e r ，a m o n gt h e mt h ee n e r g y s o u r c eo fh e a t i n ga n dc o o l i n gi st h ew a s t eh e a tf r o mp o w e rg e n e r a t i o n t h i sk i n do fe n e r g yu s ec a ne f f e c t i v e l yr e a l i z ee n e r g y ss t e p p e d u t i l i z a t i o n ，a n dc a na c q u i r eh i g h e rp r i m a r ye n e r g yr a t i o ( p e r ) t h i sk i n d o fe n e r g yu s ec a na l s os o l v et h ep r o b l e mo fe l e c t r i c i t yl o a do fl a r g e b u i l d i n g ，i n c r e a s et h ep o w e ru s es e c u r i t y ，r e d a c et h el o a do fe l e c t r i c n e t w o r k ，a v o i d t h ep o w e rl o s ec a u s e d b yl o n gd i s t a n c ee l e c t r i c t y t r a n s p o r t a t i o n ， e t c t h ep a p e ri n t r o d u c e d t h ea p p l i c a t i o n , r e c e n td e v e l o p m e n to fg a s a i r c o n d i t i o n n e ra n dt h ep r i n c i p l eo fg a s f i r e dd o u b l e e f f e c ta l i t h i u m - b r o m i d ea b s o r p t i o n t y p er e f r i g e r a t i n gm a c h i n e b a s eo ni t ，t h e a u t h o ra n a l y z e dn i n ek i n d so fb c h ps y s t e m sa n dt h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tc o m b i n a t i o n b yc h o o s i n gs o m ep h y s i c a l c o n c e p t s ，s u c ha se n e r g yu t i l i z a t i o nr a t i o , h o te l e c t r i c i t ye f f i c i e n c y a n ds oo n ，t h e a u t h o ri l l u s t r a t e dag a s s t e a mc o m b i n e d c y c l eo f h e a t i n g c o o li n g 。e l e c t r i c i t yc o g e n e r a t i o ns y s t e m ,a n a l y z e d t h e r e l a t i o n s h i p so ft h eu n i te f f i c i e n c yw i t ht h ee x t r a c t i o nf l o wr a t e ， h e a t e l e c t r i c i t yr a t i o ，e n e r g ys a v i n gr a t i o b yt h ei n c r e a s eo ft h e e x t r a c t i o nf l o wr a t e ，t h ea c c e l e r a t i o no ft h eu n i te f f i c i e n c ys l o w s d o w n t h em a x i m u mm u m b e ro ft h eu n i te f f i c i e n c ya p p e a rb e t w e e n2 0 5 0 蜘5 0p e r c e n to ft h eu n i t e f f i c i e n c y ，t h e m t l m b e r d r o p p e s s h a r p l y t h e r e f o r e w ed o n t d e p e n d o nt h e i n c r e a s i n go ft h e h e a t e 1 e c t r i c i t yr a t i ot oi n c r e a s et h eu n i te f f i c i e n c y b a s e do nt h e a n a l y s i so fe a c hp a r to ft h ee x e r g ye f f i c i e n c yr a t i oa n dt h ee x e r g yl o s s r a t i o ，t h ea u t h o rp o i n to u tt h er e a s o no fe x e r g yl o s s ，a n dp u tf o r w a r d 3 山东大学硕士学位论文 am e t h o do fi m p r o v e m e n to ro p t i m i z a t i o n f o re x a m p l e ，i nt h ef i r e b o x ，t h e e x e r g yl o s si sh a l fa sm u c ha si ti nt h ee n t i r es y s t e mt h ea u t h o rg i v e s t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ee x e r g yl o s sa n dt h eb u r n i n gt e m p e r a t u r e ，p o i n t s o u tb e t t e r m e n tm e a s u r e s ，s u c ha si m p r o v i n gd e s i g no ft h ef i r e b o x ，a d o p t i n g t h em a t e r i a lo fe n d u r i n gh i g ht e m p e r a t u r e t h es t e a m - e n g i n e s e x e r g y l o s sr a t i oi sl o w t o o t h em a i nr e a s o ni st h ee x p a n do ft h es t e a mi nt h e e n g i n e a n dl o s si nt h ep i p e l i n e t h e e x e r g yl o s s r a t i oo ft h e l i t h i u m - b r o m i d e a b s o r p t i o n t y p er e f r i g e r a t i n g m a c h i n ei s l o w - l y i n g ，w h i c hr e s u l tf r o m t h ed i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r ew h e nt h eh e a t p a s s e s s oi t i sn e c e s s a r yt oc h o o s ef e l i c i t yt e m p e r a t u r e t h ea u t h o ra l s o g i v e sa no p i n i o na b o u th o wt om a k et h ec h o i c ef r o m “e l e c t r i c i t yf i r s t ， h e a ts e c o n d ”o r “h e a tf i r s t ，e l e c t r i c i t ys e c o n d ” p r i m a r ye n e r g y ss t e p p e du t i l i z a t i o ni st h ee s s e n t i a lp a r to fh i g h e f f i c i e n c yb c h ps y s t e m t h eo p t i m i z a t i o no ft h es y s t e m si sap r e m i s eo f h i g he f f i c i e n c yb c h ps y s t e ma n dt h es c i e n t i f i cm a n a g e m e n ti st h eg u a r a n t e e o fj t k e y w o r d s ：g a s b u r nc o n d i t i o n e r ，c o g e n e r a t i o ns y s t e mo fc o m b i n e dh e a t ， c o o la n dp o w e rp r o d u c t i o n ，s y s t e mo p t i m i z a t i o n ，e n e r g y ss t e p p e d u t i l i z a t i o n 4 山东大学硕士学位论文 符号说明 酝一燃气空调系统热能输出，k w q 一燃气空调系统冷量输出，k w 呢一燃气空调系统发电量，k w 札一燃气空调系统电功率输出，k w l 一火甩损失，k j r , 一燃气空调系统电效率 巩一燃气空调系统热效率 仉一燃气空调系统制冷工况下效率 刁。一燃气空调系统火甩效率 f 一燃气空调系统火用损率 饱如一供热时燃气空调一次能源利用率 p e r , 一供冷时燃气空调一次能源利用率 c o p e 一制冷机的制冷系数 舰一热电比 月酷发一燃料节能比 5 山东大学硕士学位论文 c p 一工质定压比热，k j k g ，一工质潜热，k j k g r 一工质温度，k 矗一环境温度，k 一燃烧温度，k 一气体常数，j ( k g k ) 6 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 随着社会生产力的发展和人们生活水平的提高，空调已成为国民经济的个 重要组成部分。由于空调是一种大量消耗能量且严重依赖国家能源基础设施的设 备，所以其发展方向正确与否，将直接影响国民经济的发展规划、能源与节能技 术的运用与开发、空调工业的发展规模、空气调节质量的确定以及环境保护等一 系列问题。 燃气空调，即燃气直燃型溴化锂吸收式制冷机组，是以燃气( 人工煤气、液 化气、天然气等) 为热源，水为制冷剂，溴化锂溶液为吸收剂，在真空状态下交 替制取或同时制取空气调节和工艺用冷媒水的设备燃气空调可以制取7 1 2 的冷水和供生活与采暖用的热水。所以燃气空调可以实现一机多用。即制冷与 采暖并存的一机两用和制冷、采暖和提供生活日用热水的一机三用。 燃气空调的工作原理如下图l l 所示 一 q t q t 图1 l 燃气空调系统组成 1 一加热器；2 一燃烧器；3 一冷凝器；4 一蒸发器；5 一吸收器；6 一减压阀； 7 一循环泵；8 一热交换器；丑一高压；忍一低压 制冷剂在蒸发器4 内，从低温热源吸收热量瓯后变成低压蒸气，然后进 7 山冻太学碗士学位论丈 入吸收器5 ，被来自加热器1 的浓溶液吸收，与此同时，向外放出热量瓯； 离开吸收器的溶液，由于吸收了制冷剂而成为稀溶液，此溶液在循环泵7 的作 用下，经热交换器8 送人加热器1 中；在加热器l 从外部吸收热量瓯使制冷 剂蒸发而分离出去，余下的浓溶液经热交换器8 、减压阀6 返回到吸收器5 中； 在发生器里发生的制冷剂蒸气到冷凝器3 向外放出热量q ，后冷凝成液态，它 通过减压阀6 使其从高压p 。减至低压r ，此时制冷剂变成了液态和气态，通过 这一循环过程，燃气空调从低温热源处吸取热量q 。，导致此处温度下降，起到 制冷作用。在冬季，可关断冷凝器中的冷却水，让高温蒸气加热空气，此时燃气 空调起到制热作用。 目前在燃气空调领域中应用最多的是直燃式双效溴化锂吸收式制冷机组。直 燃式双效溴化锂吸收式制冷机( 并联型) 的系统构成图如图1 2 所示。 图1 2 并联双效燃气空调的工作流程图 1 高温发生器；2 一低温发生器：3 一冷凝器；4 一蒸发器；5 一吸收器；6 一高 温热交换器l7 一低温热交换器；8 一热水器；9 一溶液泵；1 0 一冷剂泵；1 1 一冷 水阀( 开) 1 2 一温水阀( 关) ；1 3 一冷热切换阏( 开) ；1 4 一燃烧机 宣燃式双效溴化锂吸收式制冷机的制冷系数c o p c 值可达到1 2 0 ，较单效机 提高6 0 以上；系统结构科学合理，自控程度高，技术成熟，普及率较高 ； 0 山东大学硕士学位论文 1 2 燃气空调的优越性 燃气空调可减少环境污染 由于环境污染的不断加重，全球气候日益恶化，环境保护问题亟待解决所 以迫切需要发展和应用环保型能源及设备的燃气空调。 燃气空调制冷比电空调制冷有明显的环境优势：因为天然气中不含硫。如 1 0 0 0 u s r t 燃气制冷机比同等电制冷机( 燃煤电厂提供电力) 将减少二氧化硫排 放1 0 0 、减少氧化氮6 8 、减少二氧化碳5 7 、减少其它微粒9 7 。同时。 每年还将减少8 1 7 2t 的二氧化硫、3 1 7 8l ( g 氧化氮、6 8 1t 二氧化碳及1 5 8 9t 微 粒的排放。这对于环境保护是极为有利的。 人们自2 0 世纪8 0 年代初在南极上空发现臭氧黑洞以来，对c f c s 的使用采 取了越来越多的限制。并规定到2 0 1 3 年禁止c f c s 的生产和应用。为寻找完全 取代c f c s 的制冷剂，人们早就开始作了大量的工作。到目前寻找完全替代c f c s 的制冷剂研究虽有所进步，但仍未有所突破。吸收式制冷机不使用c f c s 或 h c f c s 作为制冷剂，而是采用水作为制冷剂，水为天然冷媒，无味无毒，对环 境和人体均不产生任何危害；无水溴化锂( 作为系统的吸收剂) 系白色块状，也 无毒、无臭、无公害。所以选用燃气空调，就可以很好地避免由于空调中采用了 c f c s 为制冷剂而被禁止使用的危险。故燃气空调早被学术界誉为2 1 世纪环保节 能经济型的“绿色空调” 1 2 2 燃气空调可合理使用能源 首先，燃气空调可以充分利用地球上现有的各种资源，均衡燃气和电力的能 源利用。其次，燃气空调的能源利用率高如燃气直燃机是在高压发生器中直接 燃烧。其燃烧完全、效率高、传热损失小对于天然气来说，通常是通过管道直 接被传输到最终用户，减少了大量的中间环节与路端损耗，使其能源在最终使用 效率方面可以高达9 0 以上，也就是说每1 0 0k j 的天然气井的能源将得到9 0 k j 的最终使用能；但是如果以燃煤电厂方式为能源传递方式，则每1 0 0k j 的井 煤炭热量最终能利用的则只有2 5k j 3 0 k j 。由此可见，从一次能源传递运输方 山东大学硕士学位论文 面看，燃气空调也是非常有竞争力的。 燃气空调的另一个更大的优势就是可实现热、电、冷三联供这种系统由于 充分利用了燃气发动机的余热，其效率可以提高4 0 以上这种方式对独立的 小区、住宅有相当大的发展前景。可带来很大的经济价值和使用价值其经济价 值主要是不需要备用电，这样可以使电力成本大幅度下降。而且热、电、冷三联 供“全能系统”的意义不仅仅在于节能，还是一场能源产业的革命：散布在千万 座楼宇中的小型燃气发电机，使对国民经济、国家安全至关重要。而又极为脆弱 的纽带大电网不再孤立而笨拙。大电网与分散的小型发电机并存被全球专家 公认为投资省、能耗低、可靠性高的能源系统。预计到2 0 2 0 年，楼字能源的最 主要的形式有一半会被热、电、冷联产的形式代替，这是2 1 世纪能源发展方向。 1 2 3 燃气空调有利于调整燃气峰谷负荷 随着我国天然气工业的发展，更多的地方将用上天然气但所有应用天然气 的地区均面临同一难题，即冬季用气高峰与夏季用气低谷对供气造成的压力。全 国夏季累积的富余气量是相当大的，靠一般罐储存不太现实，地下存储或低温液 化存储还受地质条件、投资和管理等限制。也不易实现。因此如何提高夏季用气 量，提高经济效益，成为人们关心的焦点。如果扩大燃气消费新领域、发展燃气 空调，就可以弥补城市在夏季燃气用量的低谷，能起到平衡调峰作用。 1 2 4 燃气空调可以削减电力高峰 国家电力部负责人宣布：2 0 0 4 年是中国电力供求失衡形势最为严峻的一年， 全国有2 4 个省级电网出现了拉闸限电，据不完全统计，2 0 0 4 年全国高峰期间用 电缺口至少达3 0 0 0 万千瓦造成这一用电缺口的主要原因是夏季空调用电量大 增。这为燃气空调的发展提供了难得的发展机遇与广阔的市场前景。这是因为燃 气空调根据其工作原理可知用电量极少，完全可以利用夏季燃气的“谷”去面对 夏季电力的“峰”，一箭双雕，社会效益明显。资料显示：中国海洋石油总公司 在进入新世纪之初，就加快了中下游燃气发展的步伐，依托丰富的海上天然气资 源和进口l n g ( 液化天然气) 资源，大力发展天然气能源利用项目这为天然 气能源利用指明了方向。j 山东大学硕士学位论文 另外，资料显示：天然气基础设施投资与同负荷的电力投资相比只有l o 。a 。 因此发展和应用燃气空调不仅可以缓解电力紧张的局面，还可以提高电力负荷 率，削峰填谷，大幅度降低电力成本，减轻国民经济的负担。 1 2 5 燃气空调可一机多用 燃气空调可实现夏季制冷，冬季供暖，同时提供生活用热水的功能，这就克 服了因机组性能单一又为满足不同需求而导致的重复建设投资。另外，燃气空调 不是以机械压缩做功而是以热交换的形式进行能量转换，因此运行维护费用低， 设备寿命长。燃气空调还具有嗓音低、安装方便等优点。燃气空调的输气管道埋 于地下，地上不占有空间，尾气直接排至大气，也不需要煤及灰渣的堆放场所， 这在寸土寸金的市区也尤为重要。 1 3 发展和应用燃气空调的可行性 1 3 1 能源储备的可行性 在未来5 1 0 年中，天然气消费的增长速度将是最快的。随着“西气东输” 等工程的建设，我国对天然气的需求将以每年1 5 左右的速度增长石油工业 “十五”规划进行了具体的阐述：2 0 0 5 年，天然气需求量达到6 0 0 7 0 0 亿矗； 2 0 1 0 年，天然气的需求将超过1 0 0 0 亿m 3 ；2 0 2 0 年，天然气的需求将达到2 0 0 0 亿m 3 ，占我国整个能源构成的1 0 。虽然未来2 0 年中国天然气行业将快速发展， 产量增长较快，但由于需求增长旺盛，进口天然气数量也会迅速增长 目前，我国基本形成了以四川、鄂尔多斯、塔里木、柴达木、莺琼、东海六 大盆地为主的气层气资源区和渤海湾、松辽、准噶尔3 大盆地气层气与溶解气共 存资源区的格局。另外，我国周边国家俄罗斯、乌兹别克斯坦、士库曼斯坦、哈 萨克斯坦等国的天然气资源丰富，这些国家每年尚有4 0 0 6 0 0 亿m 3 产量的天然 气需寻找新市场。我国已与上述各国迸行了多年的向我国输送天然气的可行性研 究工作 根据资源状况和市场需求，目前我国正处于天然气管道建设高潮期。就国家 天然气发展总体规划看，到2 0 0 5 年，全国有1 4 0 个城市已通天然气，预计到2 0 1 0 山东大学硕士学位论文 年，这一数字将扩展到2 7 0 个城市戮零世纪中期，全国将有6 5 的城市通上 天然气。此辨，各缀地方政府在发展城市燃气方面也非常积极由此可见，无论 是下游的市场空间还是上游的资源储备，天然气都具备大发展的条件。 1 3 2 国家政策的保障 中国国家计委早在1 9 9 9 年4 月就发出通知，提出：今后全国上下将大力调 整能源生产和消费结构，加大天然气在我国一次能源中的应用比重。同年，全国 各大城市如上海、北京等地方政府，对国家纪委的这一通知极为重视，先后出台 了相关措施，如：上海市调整了燃气增容费，由过去的1 8 0 0 元m - 3 h _ 1 降为现在 的1 9 8 元m 。h _ 1 ；并对发展燃气空调也极为重视，鼓励采用在空调领域节电节能 技术，增加热、电、冷三联供技术开发与应用等。 i 3 3 技术上的可行性 在国内，燃气空调除受到技术设备及配套水平的限制外，同时也受到燃气开 发和输送的制约。所以，从研制到开发使用都很缓慢，直到2 0 世纪9 0 年代前可 以说还是空白。 近几年国内各大城市也开始走从进1 ：3 燃气集中空调设备到使用国内产品的 路子。1 9 9 2 年第一台国产直燃机闯世，1 9 9 6 年吸收式制冷机已成为中国中央空 调市场的主导产品? 目前国内最大的直燃机是2 5 x i 0 7 k w ，制冷系数达1 2 5 。 2 0 0 3 年，长沙远大空调有限公司生产的第一台b c t 燃气空调已下线，标志着燃 气空调的应用，又进入了一个崭新的时期2 0 0 5 年3 月，大连三洋制冷有限公 司筹建的年生产能力1 0 0 0 0 台的g h p ( g a s e n g i n e h e a t p u m p ) 燃气商用，家用中 央空调生产线建成并投入生产，使产品的质量不断提高，而价格则不断降低。在 全国上下广泛开展燃气空调的应用技术条件已经成熟 ， 1 4 国内外燃气空调的应用和发展 2 0 0 5 年，上海市制冷学会对上海市市区公共建筑能耗与运行管理现状进行 调查，发现8 0 的调查建筑在夏季以电作为空调的唯一能源，8 以天然气作 山东大学硕士学位论文 为唯一能源，采用复合能源的建筑占8 ，另有4 的建筑以蒸汽作为空调能 源。上海市公共建筑的主要能源是电力，随着电力供需矛盾和电网负荷峰谷矛盾 的日益突出，上海市供电安全形势日益严峻。2 0 0 5 年4 月8 日，上海市制冷学 会在上海市科学会堂召开了。上海市率先提高空调冷水机组能效等级”研讨会， 研讨会的中心议题是在“上海市率先提高空调冷水机组能效级的重要意义及节电 削峰效果预测”，提出上海今后应大力发展复合能源的建筑，尤其是推广使用高 效燃气空调，这为确保上海市电力安全，协调发展具有重要现实意义 与会专家一致认为，推广使用高效燃气空调，即b c h p ( b u i l d i n gc o o l i n g ， h e a t i n g p o w e rg e n e r a t i o n ) 系统，是发展高效燃气空调应用的首要课题。 采用以天然气为动力的楼宇热电冷三联供技术，使燃气空调系统内的动力装置既 可以向建筑物内送电，又可以把发电后的余热向建筑物供热或作为空调的制冷能 源，有效实现能量阶梯利用，从而获得更高的燃料利用率。这种方式，可以解决 大型建筑物内的部分用电负荷，提高建筑物用电的可靠性，同时还降低了输配电 网的输配电负荷，减少了长途输电的输电损失。美国为解决其电力输配和供电安 全闯题，近年来大力推广b c 船技术美国能源部预测到2 0 2 0 年新建建筑的5 0 、 现有建筑的2 0 都将采用这种方式解决建筑物内的能源问题，日本在1 9 9 2 年就由政府领导组织了一个居宅小区的试点工程，对象为1 3 2 个住户、平均面积 为7 8m 2 p 的居宅，采用6 0 k w 的燃气机实验结果：除了调节冬夏用电峰值外， 一次能源节约在1 3 以上。我国的户式燃气驱动的热电冷联产方式的家用空调近 几年发展顺速，长沙某公司的产品已经走在世界前列，美国能源部门吸收该公司 为b e h p 项目的合作单位，大连三洋制冷建成中国最大的g h p 燃气商用家用中 央空调生产基地，年生产能力1 0 0 0 0 台，且供不应求的局面 国际著名学者、美国世界观察研究所高级副总裁克里斯福弗莱文在1 9 9 9 年发表的( 2 1 世纪的能源中指出：新能源革命是以能源供应分散化为标志的。 利用天然气可以实现小型热电联产和无燃烧的电池技术。此举对发展中国家特别 有利。我国人口众多，多数地区需要解决制冷、供暖的问题，要解决能源消费增 长与可持续发展的矛盾，发展b c i - i p 无疑是一种最有效、最可行甚至是唯一的 手段大力发展燃气空调，同时积极推广b c h p 技术应用，对于改善我国的能 源供需结构，提高电网与能源利用率，避免夏季用电高峰拉闸限电现象发生；具 有重要的现实意义 ， 山东大学硕士学位论文 - t rri 第二章楼宇热电冷联产( b c t i p ) 系统优化组合 b c i d p 系统主要由燃气发电机组、热交换器、燃气锅炉、热水储存器、冷水 储存器、吸收式制冷机组、离心式制冷机组、冷却塔、水泵等组成 b c h p 产品的主要特征有：一是b c h p 产品所需燃料的多元化；二是b c h p 产品的小型化、正向产品的微型化方向发展；三是热电冷联产化与一机多用化； 四是b c t t p 产品可实现监控网络化；五是b c h p 产品可实现智能化控制；六是 b c h p 产品可实现充分利用可再生能源和创造出高标准的环保水平。 其中，燃料的多元化、设备的小型化、微型化、热电联产化和环保等方面代 表了能源技术今后发展的重要方向；可再生能源的开发与利用、分布式能量供给 技术的兴起与热电冷三联产系统的发展是目前我国能源领域面对的三大热点问 题。 根据b c h p 产品的特征与今后技术发展方向，b c h p 系统优化组合产生了以 下九种形式：一是燃气轮机为动力的热电冷联产组合系统；二是燃气空调+ 天然 气直燃型溴化锂吸收式冷热水机组合流程方式；三是“燃气轮机+ 天燃气型直燃 机+ 电动压缩式热泵”能量组合方式；四是燃气轮机驱动离心式制冷机热电冷三 联产组合系统；五是燃气轮机+ 汽轮机联合循环动力组合方式；六是内燃发动机 式燃气空调热电冷三联产组合系统；七是燃料电池驱动动力方式；八是燃气空调 的全能量利用组合方式；九是b c t 户式燃气空调组合方式等以下分别加以介 绍 2 1 燃气轮机为动力的热电冷联产组合系统 2 1 1 系统组合流程图 燃气轮机为动力的热电冷联产系统目前常广泛采用的是“以电定热”的设计 思路。其工作流程如4 l 图所示。 1 4 山东大学硕士学位论文 ， 图4 l 攫气轮机为动力的热电净三联产常用工作流程图 2 1 2 系统工作过程 天然气进入燃气轮机做功，带动发电机组发电；经燃气轮机做功后排出的高 品位余热进入锅炉( 燃气轮机的排气温度一般为5 0 0 6 0 0 c ) 经余热锅炉产生 蒸汽并驱动吸收式冷水机，夏季供冷；另一部分余熟锅炉蒸汽通过汽水热交换 器供应全年生活热水冬季供暖热水由天然气热水锅炉供应。 2 1 3 系统特点 1 燃气轮机发电，可作为楼字夏季电力供应的调峰负荷，补足电力的短缺； 2 燃气轮机的废气用于蒸汽型双效吸收式冷水机的夏季供冷，起着电力削 峰作用，且燃气轮机余热除了供蒸汽型双效吸收式冷水机的夏季供冷，还可以通 过热交换器，供给生活用水从而使燃气轮机余热得到充分利用； 。3 能源使用效率高，一般运行综合效率在7 5 8 5 以上； 4 设备体积小、重量轻、启动迅速、便于自控等。 2 1 4 存在的问题 1 吸收式制冷机在冬季停用，设备利用率不高； 2 冬季供暖由天然气热水锅炉单独供应，该工况下无废( 余) 热利用，导 自豢大学硕士学位论文 致热水锅炉选型容量大，热负荷负担重。 2 2 燃气空调+ 直燃型吸收式冷热水机组合流程方式 2 2 1 系统组合流程图 其工作流程如图4 2 所示 图4 2 燃气轮机为动力的热电冷三联产常用系统流程图 2 2 2 系统工作过程 天然气进入燃气轮机做功，带动发电机组发电；经燃气轮机做功后排出的高 品位余热( 2 5 0 1 2 ) 主要部分代替常温空气进入直燃机加热高压发生器中的溶 液，使天然气燃料用量大幅度降低；燃气轮机排出的多余烟气( 或称为尾气) ， 通过气水换热器，向建筑楼宇提供生活用水，不足时由直燃机提供直燃机夏 季供冷、冬季供暖并可兼提供生活热水，其驱动能源为天然气和部分燃气轮机排 出的余热( 尾气) 。 ， 2 2 3 系统特点 1 燃气轮机发电，在楼宇夏季电力供应中起到调峰负荷作用，补足电力短 山东大学硕士学位论文 2 直燃机夏季供冷，有电力削峰作用；冬季又能供暖，因而设备利用率高 i 2 2 4 系统不足 1 直燃机仅能部分采用燃气轮机的排出余热，因而综合热效率不高； 2 当采用小型或微型燃气轮机单循环发电装置时存在发电效率不高的缺点； 3 冬季电力需求减少，燃气轮机出力不足，余热减少，发电效率更要降低， 一次能源利用率相对更低。 i 2 3 “燃气轮机+ 直燃机+ 电动压缩式热泵”畿量组合方式 2 3 1 系统组合流程图 其工作流程框图如图4 3 所示。 图4 3 撼气轮机+ 直攫机十电动热泵热电冷三联产系统流程图 2 3 2 系统工作过程 天然气进入燃气轮机做功，带动发电机发电，电力主要用于驱动电动压缩式 ( 活塞式或螺杆式) 热泵机组，部分电力用于该大楼的动力及照明。直燃机和余 热锅炉采用燃气轮机排出的高温烟气，直燃机用于溴化锂吸收剂溶液进入高压发 生器之前预热，以减少天然气燃料耗量，承担夏季供冷和冬季供暖；余热锅炉内 1 7 山东大学硕士学位论文 高压蒸汽经汽一水热交换器后供应生活热水 2 3 3 其应用特点 i 采用大楼自身燃气轮机发出的电力，用于电动压缩机式热泵的夏季供冷， 只是直燃机夏季承担的主要冷负荷的一种补充； 2 冬季供暖时，利用电动压缩式供暖，可以起到“以电补热0 从而保持燃 气轮机发电负荷冬夏季保持不变，使燃气轮机在高发电效率下运行； 3 系统供暖供应又是直燃机在冬季的一种补充，且可增可减，使调节变得 较为灵活； 4 系统充分利用了燃气轮机发电时排放的高温烟气中的废热，从而使能源 利用更加合理，综合热效率更高。 2 4 燃气轮机驱动离心式制冷机热电冷三联产组合系统 2 4 1 系统组合流程图 其工作流程框图如图4 4 所示 图4 4 燃气轮机驱动离心式冷水机热电冷三联产系统流程图 2 4 2 系统工作过程 山东大学硕士学位论文 在这种燃气轮机双机并联的动力系统中，一台燃气轮机发电，承担大楼的主 电力供应；另一台燃气轮机直接驱动离心式冷水机组两台燃气轮机排出的高温 烟气，均进入余热锅炉加热热水生产蒸汽其中一部分蒸汽用于驱动蒸汽型双效 溴化锂吸收式制冷机供冷；另一部分蒸汽经过换热器后，可以供暖和供应热水。 2 4 3 其应用特点 1 该系统采用一台燃气轮机直接驱动一台离心式冷水机，故使其能效比较 高； 2 系统组合更加灵活因为两台燃气轮机做功后排出的高温余热全部用于 加热一台余热锅炉，余热得以充分利用。夏季通过吸收式冷水机组供冷，冬季靠 余热锅炉承担主要的供暖和热水供应，从而实现较灵活和有效的能源利用率。 2 4 4 存在不足 1 离心机和吸收式的冷水机，仅能夏季有限时间内运行，冬季处于停机状 态，同时燃气轮机2 也处于停机状态，设备利用率不高； 2 冬季取暖时利用一台燃气轮机排出的余热，因而出现供热量不足的情况； 3 冬季可能出现多余电力为此，若采用电力供暖，必出现能源利用率降 低等问题。 2 5 燃气轮机+ 汽轮机联合循环动力组合方式 2 5 1 系统组合流程图 这是一种以“天然气燃料的燃气轮机+ 余热锅炉+ 汽轮机+ 各类制冷机或热 泵装置”的热电冷三联产运行系统。其工作流程如图4 5 所示 山东大学硕士学位论文 西4 5 燃气轮机与蒸汽轮机联合热电玲三联产系统流程图 2 5 2 系统工作流程 该系统采用两台燃气轮机并联方式，其中一台燃气轮机发电，与该燃气轮机 排出的烟气进入余热锅炉产生蒸汽再进入一台背压式汽轮机一发电机所发的电 一起，共同承担大楼的电力负荷；另一台燃气轮机直接驱动压缩式冷水机组( 或 热泵) ，与汽轮机排出的余热驱动的吸收式冷水机，共同承担大楼的供冷负荷。 冬季汽轮机排出的背压蒸汽供供暖用。 2 5 3 其使用特枣 1 该系统中燃气轮机与汽轮机共同发电，而汽轮机利用燃气轮机排出的高 品位余热( 5 0 0 6 0 0 c ) 发电，而汽轮机的余热蒸汽或抽汽又用于驱动吸收式冷 水机夏季供冷或冬季供暖，形成良好的能量梯级利用，综合热效率可达8 0 9 0 ，为几乎完美的全能量、全资源的利用率； 2 由于燃气轮机发电后排放的高品位余热可以作为余热汽轮机发电的热源， 使该联合循环的发电效率高达5 5 以上； 3 本系统可以有多种变化方式，都能使其能源利用率保持在较高水平。例 如：把余热汽轮机的排热，运用到吸收式热泵中，也能提高系统能源利用率；辅 助燃气轮机2 直接驱动活塞( 螺杆、离心) 式冷水机组，其能源利用率也较高。 山东大学硕士学位论文 2 5 4 存在的不足 j 1 设备利用率低； 2 系统内含有两台燃气轮机，设备的造价较高。 2 6 内燃发动机式燃气空调热电冷三联产组合系统 2 6 1 系统组合流程图 这是一种“内燃发动机+ 余热锅炉+ 汽轮机+ 蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水 机+ 辅助锅炉”的热电冷三联产应用方案。其工作流程如图4 6 所示。 l 目4 6 内燃发动机式热电净三联供燃气空调系统流程图 2 6 2 系统工作过程 该系统中由天然气内燃机发动机一发电机组发电提供大楼的电力负荷，其废 气经余热锅炉产出高压蒸汽驱动汽轮机离心式冷水机组供冷；同时汽轮机抽出 的背压蒸汽用于驱动蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机供冷。天然气内燃发动机排 出高温( 4 0 0 ( 2 ) 废气外，还有一部分内外套管的冷却水热量通过热交换器，直 接得到普通生活热水和由余热锅炉的部分高压蒸汽减压后经热交换器提供大楼 嚣露 山东大学硕士学位论文 冬季的供暖热水。辅助锅炉烧天然气，补充余热锅炉的蒸汽量。 本系统也可以采用天然气内燃发动机直接驱动压缩式热泵( 如风冷式活塞式 热水机组) ，而电力负荷由汽轮机一发电机组承担，其它余热利用同上。 2 6 3 其应用特点 1 由于天然气内燃机发电装置的发电功率与废热排量二者均比较小，适应 于高层建筑的小规模区域内的自备用电及集中供冷供热用； 2 该系统的发电效率较高，一般有3 2 4 0 。 2 6 4 存在不足 1 冬季汽轮机停止运行，其驱动的压缩式冷水机及背压蒸汽驱动的吸收式 冷水机亦停止，故设备利用率不高； 2 而且该系统日常维护费用较大 2 7 燃料电池驱动动力方式 2 7 1 燃料电池驱动动力方式简介 燃料电池驱动的发电装置是一种无燃烧的、由燃料( 天然气、甲烷等) 的化 学能经过电化学反应直接转化为电能的发电方式。燃料电池主要依靠氢的化学反 应，在氢气和氧气反应生成水的同时就产生电，而没有碳的燃烧，对生态环境的 污染最少燃料电池被认为今后一段时期主宰人类服务的主流能源。 燃料电池的表现形式有很多种，其中最接近商业化应用的是磷酸盐燃料电 池磷酸盐燃料电池的工作温度是2 0 4 1 2 。这种电池目前的发电容量在2 0 5 k w 以 内；正在试验的2 m w 的装置，以适用5 1 0 万秆建筑的需要 山东大学硕士学位论文 2 7 2 其工作流程框图如图4 7 所示。 图4 7 燃料电池驱动的热电冷三联产工作流程图 、 2 7 3 系统工作流程 供入的天然气( 或含氢量高达6 0 7 0 n 的煤气、地下煤层气等) 燃料在 燃料改质装置中脱去硫、氮等有害成份，反应生成c 0 2 和h 2 0 。在燃料电池本 体装置中有正负电极，中间为电解质。水在电解质反应中负极产生氢气，正极产 生氧气在水的电解反应过程中停止直流电源的供应时，氢进入正极( 阳极) ， 在催化剂作用下氢原子分裂成一个质子和电子。质子进入电解质，电子产生电流 ( 在它尚未回到负极前被利用) 在负极，质子与电子重新结合成氢，并与氧反 应生成水( 与产生电流同时) 外界不断提供氢气和氧气时，就可以连续发电( 直 流电) ，经逆变器变成交流电后使用。而燃料电池本体装置中制氢气时的余气和 反应不完全的氢气、一氧化碳等可燃气体就供微型燃气轮机燃烧做功发电，提供 大楼的电力负荷。燃气轮机的余热，在余热锅炉中用来提升燃料电