几种溴化锂制冷机组应用型式的能耗分析

1、几种溴化锂制冷机组应用型式的能耗分析付林江亿(清华大学热能系100084)摘要:,的节能性。:EnergyConsumpionAnalysisofSeveralTypesofLithiumbromideAbsorptionChllersApplicationsAbstractByintroducingtheconceptionofequivalentelectricitygenera2tionefficiency,somecasesareanalyzedinthispaperaboutenergycon2sumptionofseveraltypesofLithium2bromideabsorp

2、tionchllersapplica2tions.Energyconservationoftri2generationsystem(combinedheating,electricityandcooling)isdiscussedespecially.KeywordsEquivalentelectricitygenerationefficiencyLithium2bromideabsorptionChillerTri2generationEnergyconsumption一、前言近年来,随着经济的飞速发展及人们生活水平的日益提高,空调应用亦日益发展。其中溴化锂吸收式制冷机组的应用在国内迅速普及

3、尤为引人注目。87年国务院有关文件曾明确提出有热源的大面积空调单位,装设溴化锂装置。的确,溴冷机的应用与压缩式制冷机相比有许多优势。如耗电少,不使用破坏大气臭氧层的制冷工质,操作简单,运行平稳可靠等。然而,从一次能源利用率的角度来分析,溴化锂制冷机的能耗往往要大于压缩式制冷。在我国,尽管人均一次能源拥有量远低于世界平均水平,但仍有大量以锅炉为热源的溴冷机、直燃式溴冷机用于中央空调系统。这主要是因为我国电力供应紧张,造成压缩式制冷的电力运行费与增容费之和高于溴冷机的运行费用,使得溴冷机在中央空调中的应用仍有较大市场。1󰃗1998制冷学报47从充分利用一次能源的角度看,溴化锂吸收式

4、制冷机适宜的应用领域应是在其有以工业废热、热电厂汽轮机组抽汽或背压排气等低品位热能为热源的场合。目前我国许多热电厂设备效率及利用率低,其主要原因是夏季供热负荷不足。若空调系统中常用的溴化锂吸收式制冷机以热电厂为热源,则可以使热电厂夏季供热负荷增加,提高整个系统的运行效率。同时,热电厂增加发电量及溴化锂制冷代替压缩式制冷节省用电,又可以缓解城市供电紧张的局面。这种由发电系统及空调供热系统组成,由做功后的低品位热量驱动吸收式制冷机运行的系统,即所谓热电冷联产系统冷合理。14。文献1以当量热力系统ea来判断溴化锂吸收式制冷机相对于压缩式制冷的节能性,即(1)ea=up其中参数为溴吸机的制冷系数,p为

5、管道输送效率。u表示1KJ燃料燃烧产生的高位热量相当于汽轮机抽汽处低位热的KJ数。设由汽轮机抽汽口得到的1KJ热能所耗热能本应为TKJ,由于蒸汽因抽汽口前已做功KWh,而每1KWh在凝汽机组所耗热能为vKJ,则由抽汽得到的每1KJ热能真正耗用燃料热能的KJ数为T-vKJ燃料热󰃗KJ抽汽从而可由下式获得u:kJ抽汽󰃗u=kJ燃料热T-v(2)该文献给出了抽汽压力不超过016MPa时三个不同新汽参数的u值。根据该值计算出的溴化锂吸收式制冷机当量热力系数远大于压缩式制冷机,从而说明199848制冷学报1󰃗以热电厂汽轮机抽汽或背压排汽为热源的溴冷机是节能

6、的,许多文献在说明溴冷机的节能性时也均以参数u为依据。然而,由于许多双效溴冷机组热源蒸汽的设计压力为016MPa(表压),低于016MPa将会使制冷机的出力及性能下降,再考虑到热网的输送压损(以蒸汽为工质)或换热温差(以热水为工质),双效溴冷机组运行需要的抽汽压力往往要高于016MP,由此会使u值变小。同时,由于溴冷机的性能系数远小于压缩式制冷机,在进行能耗比较时,应,而这些在多数文献中都未涉及。本文将发电、制冷作为一个整体,系统地对几种不同的溴化锂吸收式制冷机的应用形式进行一次能源消耗量的分析。二、系统能耗分析1溴化锂吸收式制冷机的等效发电效率若仅考虑在夏季空调负荷下运行,则热电冷系统中一次

7、能源的产出为电和冷。这是两种不同质的产出,在进行分析时,应将其转换成同一种产品,即要么是电,要么是冷。为此本文引入溴冷机组等效发电效率概念。图1为吸收式制冷机与外界环境󰃜WQh吸收机l图1吸收机能量平衡图间的各种能量交换。它从外界吸收可用热量Qh,电量W,向外界提供冷量Ql。若常规压缩式制冷电量输入为W0,则与常规压缩式制冷方式比较,在产出同样冷量时,吸收机多耗热量Qh,少耗电能W0-W,因此可认为Qh换来的是电量W0-W,由此可定义溴化锂吸收式制冷机热耗量等效的转化为电的效率c:c=Qhsp(3)017,双效机为1115,表1给出当制冷量为1163kW时,与活塞式制冷机组相比

8、,溴冷机等效发电效率c分别为01276和01156。该效率表示溴化锂吸收式制冷机每消耗单位热量而换取的电量。它等效于发电厂中以该热量为动力的汽轮发电机组热效率,故可称之为溴冷机的等效发电效率。当使用离心机或螺杆机时其COP还高于活塞机,从而使吸收机的c降低,因此这里所得到的是吸收机最高可能达到的等效发电效率。其中sp-电网输配效率,本文可取为019。若取单效溴冷机的性能系数COP为表11163kW压缩式机组()COP134132134261968125()170(蒸汽型)1115量(kW)冷却塔风机溶液泵小计3481732134631151610951011615816612571910115

9、63213448158121385109813101127812201276热耗Qh(kW)节电量(W-W0)󰃗sp等效发电效率c注3压缩式机组及双效溴冷机组的能耗数据取自文献5。2系统等效发电效率将溴冷机组及热源组成的整体作为一个系统,若仅考虑系统的发电和制冷而不研究供热,系统的能源输入与产出如图2,=Q0Q0(4)其中Wry热源的发电量(扣除自用电)kWQ0系统输入的一次能源热量kWgd管道(包括热网)热输送效率可取为019系统等效发电效率表示将该系统视为一个发电厂而相当的电厂发电效率。因而,判断制冷系统是否节能,可依据其等效发1󰃗1998制冷学报49图2吸

10、收式制冷系统的能量平衡图则该系统的等效发电效率可定义如下:电效率,判断该效率是否大于参考电厂的发电效率ck即可。即系统的节能条件为:>ck这等同于将该系统与由参考电厂及压Q0。(6)=E+(b-E)c式中E-原动机发电效率,E=Wry󰃗缩式制冷机组成的系统作能耗比较。以下就几种溴冷机的运行方案加以分析。1)以锅炉为热源的溴冷机组或直燃式溴冷机组对于这种制冷型式,式(4)中Wry为零,即系统不直接对外发电。系统等效发电效率=c=bcQo(5)其中b为系统一次能源转换效率。对于直燃双效溴冷机,b为高压发生器中的燃烧效率,可取为0185;源的溴冷机,b,1651,5)机,=1则

11、对于以锅炉为热源的单效机,=01101,对于以锅炉为热源的双效机,=01179。以1996年12月份全国平均水平电厂发电效率为参考,即ck=013256(设发电煤耗为378g󰃗kw.h),则直燃式-BA-,溴冷机、以锅炉为热源的溴冷机的能耗都远大于以全国平均水平发电煤耗的电厂及压缩式制冷机组组成的系统。故这些目前在国内普遍使用的溴冷机运行方式均造成一次能源浪费。2)燃油、燃汽热电冷联产系统直燃式溴冷机组虽然等效发电效率较高,但其能耗仍大于压缩式制冷机,这是因为将燃烧后的高品位热能直接用于溴冷机制冷的缘故。若燃料先在原动机中燃烧做功发电,而排烟作为溴冷机的制冷热源(如图3),由此

12、形成的热电冷联供系统,其等效发电效率将会比直燃式溴冷机组有较大提高。为分析问题的方便,不考虑备用锅炉的运行及系统的供热,并忽略管道热损失,可将式(4)变形为199850制冷学报1󰃗原动机可为内燃机、燃气轮机等型式。若c按双效溴冷机取值,b取值为0186,则系统等效发电效率随着原动机发电效率的增大而增大(见图4),当原动机发电效率大于01123时,这种溴冷机的运行方案较以全国平均水平发电煤耗的电厂及压缩式制冷机组成的系统能耗低。而一般内燃机、燃气轮机等原动机发电效率均在012以上,从而以油,燃汽为燃料的热电冷联产图4系统等效发电效率与热电厂发电效率之间的关系系统具有较理想的节能性

13、。然而,国内以油、气等燃料为动力的空调系统大都采用直燃机为制冷装置。直燃机相对于以锅炉为热源的溴冷机具有结构紧凑,运行方便,效率高,污染低等优点而倍受国内广大用户青睐。但这种制冷方式仍存在能耗大的缺点。这就是为什么在欧美等西方国家,大多数情况是采用以燃烧后的高位热量在原动机作功,余热作为溴冷机制冷动力的热电冷联产型式,或是用原动机直接带动压缩式制冷机,再以余热驱动溴冷机的联合制冷方式,而不是直燃式溴冷机供冷型式。3)燃煤热电冷联产系统简单的以煤为燃料的热电冷联产系统由热电厂、输送系统及冷暖站等组成。其中热电厂由燃煤锅炉及抽凝或背压汽轮发电机组组成,这是我国目前最常见的热电厂型式。随着汽机进汽、

14、抽汽或背压排气参数,溴冷机组形式等因素的不同,耗显然也不一样。那么化,:);(2)由于抽汽或背压排汽传热过程中的过冷水显热与蒸汽潜热相比很小,在这里将其忽略,即抽汽回水温度认为是抽汽或排气压力下的饱和温度;(3)不计热网的输送能耗;(4)忽略由于冷负荷变化较大使得机组运行偏离设计工况而导致的机组相对内效率的下降。如果是研究热电冷联产的不足,作上(4)假设是允许的,这同时也相对弥述(3)、补了假设(1)所忽略的系统有利条件,使得上述假设更趋合理。于是,对于以煤为燃料的热电冷联产系统,其等效发电效率可由式(4)转化成如下形式(对于抽凝机组,仅考虑其抽汽部分):=(h0-t3)󰃗b(

15、7)式中h0新汽焓kJ󰃗kgh2抽汽或背压排汽焓kJ󰃗kgt3抽汽或背压排汽回水焓kJ󰃗kgKzy电厂自用电率可取为0108m汽轮发电机组机电效率,可取为0195判断热电冷联供系统是否节能,首先应选择参考电厂作为比较对象,设该参考电厂的发电效率为ck(相应的发电煤耗为bck)。对于不同型式的供热机组可选取不同的参考对象。例如,对于抽凝式机组,若不采用其抽汽作为溴冷机热源则这部分,故可对于背压式;由式(7)可以看出,影响系统等效发电效率的因素主要是新汽焓,抽汽焓,回水焓以及溴冷机等效发电效率等。考虑到假设(2),(4),则系统等效发电效率可表示成如

16、下几个参数的函数,即(8)=f(h0,P2,c)随着新汽的参数升高,系统等效发电效率增大,实际上这是由于新汽的升高增大了热电厂发电的循环热效率的缘故的缘故。汽轮机背压排气或抽汽压力P2的提高,将使热电厂机组热电比减少,有使系统等效发电效率下降的趋势。同时,P2的增大,对于同一型式溴冷机而言,使其性能系数增加,从而提高其等效发电效率,只是这种提高幅度较小。但随着P2的提高,系统中抽汽或背压排气参数从原来仅适用于单效溴冷机到适用于双效溴冷机。而溴冷机由单效到双效的这种型式上的改变,会使等效发电效率c有一个阶跃性提高。因而系统中P2的选择存在一个优化问题。若汽轮机相对内效率取为018,对于不同新汽参

17、数,可将公式(7)转换成如图5、图6形式。1󰃗1998制冷学报51图5热电冷联产系统(P0=918MP,T0=)图6热电冷联产系统(P0=315MP,T0=435)等效发电煤耗(g󰃗kW.h)实例:某热电冷联产系统具有新汽参数分别为压力P0=918MPa温度T0=535以及P0=315MPa,T0=435两种形式的抽凝式汽轮发电机组,其抽汽参数均为P2=0198MPa。由于热网选用120高温水为介质,用户处溴冷机只能采用单效热水机组,其等效发电效率按表1取值,即c=01156。对于高新汽参数的系统(如图4),其发电煤耗约为490g󰃗kW.h,没有

18、199852制冷学报1󰃗明显的节能效果,而对于低新汽参数系统(如图5),其系统等效发电煤耗则高达630g󰃗kW.h左右,明显高于一般的凝汽发电能耗。因此,该热电冷联产系统在上述条件下并不节能。改进方案(1):将输送热水温度提升至160以上,从而可使系统采用双效溴冷机制冷,等效发电效率c由01156增加至01276。对于高新汽参数的系统(如图4),其系统等效发电煤耗可降至380g󰃗kW.h左右。为440g󰃗kW.h(如图5),(2):016MPa,并采用双效。对于高新汽参数系统其等效发电煤耗降至约360g󰃗kW.h(

19、见图4)。对于低新汽参数系统其等效发电煤耗降至约410g󰃗kW.h(见图5)。由此看出,改进方案(2)与改进方案(1)相比,系统能耗有用进一步的降低。由上例看出,原有热电冷联产系统抽汽参数高,又采用单效溴冷机组,使得一次能源耗量较大。改进后的系统能耗有大幅度的下降,其一次能源耗量一般会低于通常发电煤耗较高的抽凝机组凝汽发电方式。尤其改进方案(2)中高新汽参数的热电冷系统,即使相对于全国平均水平电厂发电煤耗也是节能的。这说明只要合理选择系统运行参数及溴冷机型式,燃煤热电冷联产系统是具有节能优势的。三、结束语通过以上对几种溴化锂吸收式制冷机应用型式的分析可知(见表2),以锅炉为热源

20、的溴化锂吸收式制冷机系统及直燃式溴化锂制冷机的能耗大于压缩式制冷机,而这两种形式的空调系统却在我国发展迅速,使用普遍,这一现象的存在是由于我国电力紧张,能源市场结构不完善等状况造表2各种溴冷机应用型式的系统等效发电煤耗系统等效发电煤耗(g󰃗kW.h)1218687526322360也应看到热电冷联产系统节能的相对性,全面地考虑影响系统能耗的诸因素,以实现热电冷联产系统的经济运行。另外,由于直燃机及直接以锅炉为热源的溴冷机制冷方式能耗高,今后随着能源结构的不断完善,政府应以经济手段为杠杆,控制这两种制冷方式的使用,从而更加有效地利用有限的宝贵资源,为国家现代化建设服务。符号说明Wry热源的发电量(扣除自用电)kWQ0kWh0kJ󰃗kgMP系统形式锅炉+单效溴冷机组锅炉+双效溴冷机组直燃溴冷机组燃油、燃气热电冷3燃煤热电冷333取原动