淺談熱電冷聯供經濟影響管理
摘要：本文從熱電廠、熱力輸送系統和制冷站以及冷負荷特性、蓄能裝置等幾方面，定性分析了對熱電冷聯供系統經濟性的主要影響因素。
關鍵詞：熱電冷聯供經濟性影響因素
一．引言
近幾年來，國內一些城市開始醞釀建設熱電冷聯供系統，即在原有熱電聯產系統基礎上增設吸收式制冷機裝置，利用供熱汽輪機組的抽汽或背壓排汽制冷，使得整個系統不但可以發電和供熱，還可在夏季向用戶提供空調用冷。由于熱電冷聯供系統規模和投資大，系統復雜，運行期間能源消耗多，因而對熱電冷聯供系統的經濟性進行全面深入地分析和研究是非常必要的。本文從國家或一個地區的角度，分析和探討影響熱電冷系統經濟性的主要技術因素。
二．影響熱電冷聯供系統經濟性的技術因素分析
關于熱電聯產經濟性的研究目前已很成熟，故本文僅討論在熱電聯產基礎上加入制冷系統后影響熱電冷系統經濟性的有關技術因素。以下就系統的幾個組成部分，即熱電廠、熱力輸送系統和制冷站，以及冷負荷特性、蓄能裝置等幾方面對各主要技術因素加以分析。
1．熱電廠包括熱電廠機組的型式、容量、初蒸汽參數、抽汽或背壓排汽參數等。
1)機組型式機組型式對系統初投資和運行費的影響很大。燃煤熱電廠主要包括背壓機或抽凝機兩種型式。由于背壓機組初投資低，能量轉換效率高，因而對于新建熱電廠來講，背壓機組經濟性顯然好于抽凝機組。
再看一下在原有熱電廠基礎上擴建的熱電冷系統。假設空調負荷峰谷變化與電力負荷一致。從整體角度看，背壓機組由于制冷負荷的加入而增加了背壓排汽量，進而增加了空調峰期的發電容量。這會減少電網相應容量的電廠初投資，從而使整體系統的投資大幅度降。而抽凝機組在電力高峰期一般會滿功率發電，故在增加制冷用熱負荷后不會減少電網投資。因此，就初投資而言，背壓機組經濟性更具優勢。在運行費方面，抽凝機組所具有的經濟性則好于背壓機組，因為抽凝機組由于供冷而增加的抽汽發電代替了效率低的本機組純凝汽發電，而背壓機組則是代替了效率相對較高的電網機組發電量。由于背壓機組初投資減少對經濟性的影響大于運行費方面的劣勢，使得由背壓汽輪機組成的熱電冷系統經濟性好于抽凝汽輪機組成的系統[1]。順便指出，冷負荷一天之中變化幅度較大，這給熱電廠的運行調節帶來困難。由于鍋爐負荷調節范圍和慣性的限制，背壓機組如何滿足冷負荷的變化是一個殛待解決的問題。抽凝機組因抽汽調節較為靈活而使該問題不那么突出。
隨著人們現代文明和環境保護意識的不斷增強，以油、氣等相對清潔的燃料代替污染嚴重的煤而作為城市使用的主要一次能源以成為必然趨勢，其中包括燃氣輪機、內燃機等型式的熱電廠在城市供熱方面的應用。這種熱電聯產裝置在西方國家使用較為普遍。其特點是熱電比小，發電效率高，單位容量投資少。如果燃料價格較為合理，以這種熱電廠為熱源的熱電冷聯供系統有較好的經濟性。
2)機組容量主要指系統熱化系數的合理選取。空調負荷變化幅度大，可選取適當容量的鍋爐蒸汽在負荷高峰期作為式制冷機的熱源，進而減小供熱機組的容量。這樣，不僅可降低系統的初投資，而且還可提高系統運行效率，使熱電廠運行工況更加穩定。
3)熱電廠初蒸汽參數初蒸汽參數越高，系統的發電效率越高，熱電比越小，會使熱電冷的經濟性越好。當熱電冷系統系統和所代替的發電機組所用燃料的價格在正常波動范圍內時，熱電冷系統年運行成本是隨著熱電比的降低而減小的。因此，熱電冷系統應優先選用高參數的熱電廠為熱源。
4)熱電廠抽汽或背壓排汽參數的降低，會使系統的發電效率增加，熱電比減小，有利于提高熱電冷系統的經濟性。對于吸收式制冷機而言，抽汽或背壓排汽參數在一定范圍內變化對其熱力系數影響不大，但對冷機的出力有較大影響。當蒸汽壓力每降低0.1MPa時，蒸汽型雙效機制冷量減少9%-11%[2]。這表明，當蒸汽壓力降低時，為保證制冷量要選擇內部傳熱面積更大的制冷機，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對于不同的具體系統應有其最優值。
2．熱力輸送系統包括供熱管網和供冷管網，影響因素主要有輸送介質種類及其熱力參數、輸送系統運行方式等。
1)輸送介質種類由于技術條件的限制，供冷管網的輸送介質只能采用冷水。但該介質輸送冷量的能力小，管網初投資及輸送電耗巨大。近年來國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，可使管網輸送冷量的能力大大提高，較大幅度地降低管網初投資，但這種輸送技術目前仍處于試驗階段[3]。
輸熱介質主要指蒸汽或熱水。當以蒸汽作為作為熱網的輸送介質時，供冷系統可采用熱力系數高的雙效制冷機。同時，蒸氣在輸送中電耗低，不需要設置熱力首站換熱設備及泵等。但是，蒸汽在較遠距離的熱網輸送中，壓力損失大，導致供熱機組抽汽或背壓排汽壓力較高，熱電廠熱電比大，且熱網的熱效率較低。這會對系統的經濟性產生不利影響。以熱水作為熱網的輸送介質，可使供熱機組抽汽或背壓排汽壓力較低。同時，熱網熱效率較高。但是，由于管道成本的限制，通常采用直埋管道的熱水網供水溫度大都在120℃以下，供冷系統只能采用熱力系數低的單效機。這會大幅度地增加供冷系統的初投資以及整個系統的運行費。另外，熱水網還有輸送耗電大等缺點。
2)輸送介質熱力參數對于蒸汽網而言是指蒸汽壓力，亦即指汽輪機抽汽或背壓排汽壓力，上文對此已作分析。
對于熱水網而言，輸送介質的熱力參數主要是指熱網供回水溫度，該參數對輸送系統仍至整個熱電冷系統的影響都很大。供水溫度選擇的小,熱電廠供熱機組抽汽或排汽壓力可以降低。但熱水溫度低會使制冷機制冷效率降低，制冷設備的投資及耗電量高。供回水溫差增大,無疑會節省熱網初投資及輸送能耗。但這會導致制冷系數降低，制冷設備初投資增加。因此，從系統的經濟性看，熱網供回水溫度應有最佳選擇。
3)輸送系統運行方式為保證制冷機的出力及運行效率，不希望降低熱網供水溫度，熱網的運行基本上依靠量調節完成。由于用戶熱負荷變化頻繁，導致熱網水的循環流量在很大范圍內變化，且大部分時間在低負荷下運行，常規熱網運行方式將使主循環泵的電耗很大。因此，輸送系統的運行方式對于熱網的低能耗和安全運行有重要作用[4][5]。
3．制冷站包括供冷站位置與規模，吸收式制冷機型式、容量和運行方式等。
1)制冷站位置與規模由于冷水管道的供回水溫差通常在10℃以內，供冷管道輸送能量的能力遠小于供熱管道，相同距離下供熱管道的投資要小于供冷管道。從這一點看，制冷站應盡量靠近用戶。但用戶負荷在地理上是分散的，位置靠近用戶會使單個制冷站規模變小，數量增多，導致制冷設備容量增加，整個系統的制冷站占用空間增大，而且用戶附近的制冷站建筑造價往往更加昂貴。因此，位置靠近用戶又會使熱電冷系統制冷站的投資增大。合理選取制冷站位置與規模是一個較復雜的問題，應從整體供冷系統考慮，全面加以優化。
2)吸收式制冷機的型式、容量和運行方式制冷機的型式主要指單效或雙效。毫無疑問，在條件允許的情況下應盡量使用雙效機。由于空調負荷變化幅度大，制冷站內單臺制冷機容量的選擇，制冷機的運行方式，包括各制冷機之間的負荷分配、啟停順序等，都會影響系統的經濟性。
4．供冷負荷特性包括負荷因子、負荷密度、用戶負荷性質、年最大供冷負荷小時數等。
1)負荷因子指平均負荷與最大負荷之比。負荷因子越小，則設備利用率越低，單位制冷容量的供冷系統初投資越大。與采暖負荷相比，空調日負荷因子要小得多，這會使系統的容量無法得到充分利用。同時，也會給設備的運行效率和調節手段帶來不利。解決問題的有效辦法包括合理選取系統熱化系數和適當設立蓄能裝置。
2)負荷密度指單位社區面積所擁有的冷負荷量。負荷密度大，則輸送系統單位負荷投資小，有利于區域供冷的經濟性。當負荷密度過小，采用區域冷熱聯供的單位負荷初投資過大，就會被分散的供冷方式取代。
3)用戶負荷性質由于建筑物使用功能不同，用戶負荷性質，即用戶之間最大空調負荷出現的時刻，會有所不同。這將使區域供冷系統與用戶獨立設置空調系統相比，設備容量減小。工程上采用系統供冷負荷峰值與各用戶最大冷負荷之和的比值，即負荷同時使用系數以體現這一減小量。各用戶負荷性質將直接影響制冷站的規模和分布，進而影響熱電冷系統的經濟性。
4)年最大供冷負荷小時數年最大供冷負荷小時數主要取決于當地的氣候條件和用戶負荷性質。年最大供冷負荷小時數越大，越有利于運行費低的供冷系統發展。5．蓄能裝置
當負荷因子較小時，增設蓄能裝置可以大幅度減小系統容量，提高系統運行效率和安全穩定性。對于在已有熱電廠基礎上擴建的熱電冷系統，設置蓄能設備還可提高系統的供冷能力。蓄能裝置對系統經濟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，對于熱電冷系統，蓄能裝置有蓄熱和蓄冷兩種形式。
蓄熱按蓄存介質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作為蓄存介質來蓄熱。這種蓄熱方式的蓄熱溫度較高，如巖和油組成的蓄存介質蓄熱溫度達304℃，而用一種熔化的硝酸鹽作為蓄熱介質蓄熱溫度可達566℃[6]，但間接儲存方式的投資大，而采暖空調所用熱量溫度相對較低，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存在蓄熱容器內。直接蓄熱又可分為無壓蓄熱和有壓蓄熱。無壓蓄熱方式最高蓄熱溫度可達95℃，且投資低。有壓蓄熱方式是將蒸汽或高溫熱水直接存蓄在球狀或圓柱形壓力容器內，蓄熱溫度最高可達200℃，適宜于向雙效吸收式制冷機供熱。但有壓蓄熱方式投資大，相當于無壓方式的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，結構緊湊等優點。但如果供冷系統采用的是溴化鋰吸收式制冷機，其最低制冷溫度只能達到5℃，無法使用冰蓄冷裝置。
空調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備的位置對供能系統的經濟性有較大影響。在熱電冷聯供系統中，夏季供冷時蓄能設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，也可將蓄冷設置在用戶處。蓄能裝置的設立，可使熱源至蓄能裝置之間的系統容量降低和運行效率提高，而蓄能裝置至用戶之間的系統則無改觀。從這一點講，應盡量將蓄能裝置的位置靠近用戶側。但這樣又使蓄能裝置因過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，但會增大蓄能的投資。蓄能容量的大小取決于熱電冷系統的構成和負荷特性，需經優化計算確定。蓄能、泄能功率則主要與蓄能容量和負荷變化頻率等因素有關。
從宏觀的角度看，熱電冷系統的經濟性還與電力系統有關參數密切相連，主要指所代替的電網其它發電機組初投資和發電效率。所代替的發電機組初投資越大、發電效率越低，則熱電冷系統的經濟性越好。除技術因素外，一些政策性和市場因素也對熱電冷系統經濟性有較大影響，例如熱電冷系統和代替發電機組所用的燃料價格等。熱電冷系統所用燃料的價格越低，代替發電機組所用燃料的價格越高，與壓縮式制冷形式的經濟性相比，熱電冷聯供系統越有利。由于篇幅所限，不再詳述。
三．結束語
熱電冷聯供系統龐大，影響經濟性的因素眾多。目前國內對熱電冷系統的認識和研究還處于初級階段。本文僅對一些影響系統經濟性的主要技術參數做了定性分析，對該問題更深入認識還需作進一步的定量研究。
參考文獻
1．付林江億熱電冷系統三聯供系統的經濟性分析（待發）
2．戴永慶溴化鋰吸收式制冷技術及應用機械工業出版社
3．GoranMornhedInnovationsinDistrictHeatingandCooling1984-1994andTheirEconomicImpactASHRAETransaction1995
4．付林江億承擔冷負荷的熱水網水力工況模擬計算及其應用熱能動力工程1999.4
5．江億冷熱聯供熱水網的用戶回水加壓泵方案區域供熱1996.2
6．G.培克曼等著蓄熱技術及其應用機械工業出版社
7．S.HORIIetl.OptimalPlanningofGasTurbineCogenerationPlantsBasedonMixed-integerlinearLinearProgramming.IaternationalJournalofEnegyResearchVol.11.1987
AnalysisofEcononicFactorsImpactingonCombinedHeating，
CoolingandElectricitySystem
Abstract：Inthispaper,someimportanteconomicfactorsimpactingonCombinedHeating，CoolingandElectricity(CHCE)Systemisanalyzedqualitatively.
Keywords：CHCEEconomicFactorsQualitatively
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