北京热电冷三联供方案分析

北京热电冷三联供方案分析2003-07-0700:00:00作者：江亿付林微博评论浏览次数：989字号：T|T一、引言在暖通空调领域采用热电冷三联供系统是城市科学用能的有效途径之一。所谓热电冷联供，即在原有以热电厂为热源的集中供热系统基础上，增设吸收式制冷装置，在发电和供热的同时，利用供热汽轮机组的抽汽或背压排汽制冷，以满足空调等城市用冷负荷。由于热电冷三联供系统在供热和制冷时充分利用热电厂排放的低品位热量，实现了能量的梯级利用，因而是一种高效的城市能源利用系统，有利于降低能耗和缓解大气污染。1、北京供热和空调现状北京拥有全国最大的采暖热水管网，现已形成了以石景山热电厂、第二热电厂和双榆树供热厂为西部热源和以高碑店热电厂、第一热电厂和左家庄供热厂为东部热源，管网总长达213公里的大型集中供热系统，供热能达2000×106kcal/h，实现采暖供热面积2877万平方米。然而，在夏季，供热系统的运行却存在着以下问题：●由于热负荷的短缺，该热水管网仅提供少数用户的生活热水负荷，其供热量远未达到热网的供热能力。北京第一热电厂、北京第二热电厂(见表1)夏季只承担约100×106kcal/h的生活热水负荷，仅为其供热能力的1/10。●各热电厂内多数供热机组因热负荷不足而停运，或以发电效率极低的纯凝汽方式运行。因此，夏季由于热负荷的缺乏而使得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。与此同时，在空调方面，由于北京是我国政治、文化和教育的中心，高大建筑鳞次栉比，且夏季气候炎热，故而拥有巨大的空调负荷。目前这些负荷基本上依靠分散的空调设备承担。在这些空调设备中，电动空调机组耗电量大，且使电力负荷的峰谷差拉大，而以锅炉为热源的吸收式制冷机或直燃机制冷效率低，造成能源的严重浪费。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，形成热电冷三联供系统，将会代替大量分散的空调设备。这不仅会减小城市峰期用电负荷，提高原有供热设备利用率，增加供热系统的经济效益，而且能够在节能和环保方面作出贡献，并最终给北京市空调行业带来一次革命性变化。2、热电冷三联供的实施方式为充分利用现有集中供热系统，北京热电冷三联供系统采用如图1所示形式。蒸汽在供热汽轮机中作功发电后的低压抽汽(0.12MPa)通过热交换器向热水网提供热量。热水由循环水泵驱动在热网中循环，不断将供热量输送至各户，用于采暖或提供生活热水，同时可驱动吸收式制冷机制冷。考虑到热电冷三联供系统的特点，热网的运行仍采用量调节方式。由于北京第一热电厂、北京第二热电厂的供热范围是商业、使馆和国家大机关汇集的地区，拥有大密度的空调负荷，是利用现有热网实现集中供冷最为理想的地段。因此，本文仅对这两个热电厂所属的供热系统实现热电冷三联供方案(见表2)，从能耗、经济性和环境保护等几方面加以分析。表2北京热电总厂供冷能力名称单位第一热电厂第二热电厂供汽量T/H400480生活热水耗汽量T/H85.03114.17供冷可用汽量T/H314.97365.83最大供冷能力MW122.06140.35最大供冷面积104×M2104.95120.68二、能耗分析在系统能耗分析中将涉及到电和热两种不同性质的能量，为建立可比性，将所有能耗折算为一次能耗。系统有关参数的确定热电冷三联供系统的供冷能耗由制冷机热耗和热网循环水泵电耗两项组成，该值的大小取决于供冷量、热电厂机组构成、吸收式制冷机性能和热网运行状况等诸多因素。供冷系统以原有北京热电总厂、北京热网为基础，因而热网和热源的结构参数均已确定。在制冷方面，采用专用于热电冷联供的大温差吸收式制冷机［1］，在热网供回水温度为95/65℃时其性能系数为0.62。热网运行参数主要取决于热网供、回水温度。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，经计算分析，热网供水温度定为95℃。热网回水温度也对系统能耗有很大影响。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(如图3a)。系统能耗在能耗的计算中，简单认为空调负荷在现有采暖负荷分布的基础上成比例增减，且两热电厂中的各供热机组平均分摊供热负荷。图3b给出了以北京第一热电厂和第二热电厂为热源的热电冷联供系统供冷年运行能耗随负荷的变化情况，并与电制冷、直燃机和以锅炉房为热源的双效吸收机等三种方案加以比较。热电冷联供系统供冷能耗包括两个热电厂能耗和热网的输送泵耗。热电厂能耗由低品位的抽汽供热量折算成一次能耗而获得，热网输送泵耗亦将电耗折算至一次能耗。其计算过程详见［１］。其中，热网回水温度取图3a的相应值，锅炉房的热效率取为0.70，双效吸收机的性能系数取为1.2，其他有关参数的取值见表6。由于制冷的需要，热网供水温度将由原来的75℃提高到95℃，生活热水负荷的一次能耗会因此而增加。故而在制冷负荷很低时，热电冷系统的供冷能耗高于电动制冷系统和直燃机。当制冷负荷大于10MW时，热电冷系统的供冷能耗小于其他制冷形式。在供冷负荷达到260MW时，热电冷系统的一次供冷能耗为19319吨标煤/年，分别相当于上述三种方案能耗的81.2%、79.2%和56.5%，节煤量分别为4164、4634和14900吨标煤/年。由此看来，当供冷达到适当规模后，热电冷三联供系统节能效果较为明显的。三、经济性分析首先从整体的角度分析北京热电冷三联供系统的经济性，然后就热电厂、热网和用户等几部分从局部的角度看该系统的经济性。1、从整体角度看北京热电冷三联供系统的经济性从整体上研究热电冷三联供系统的经济性时，做如下处理：1.将热电冷或电动制冷系统与电网作为一个整体加以研究将热电冷系统或电动制冷系统与电网作为一个整体对象加以研究，可避免对电价的讨论，进而更加全面、客观的分析热电冷联供系统经济性。2.认为空调负荷与电力负荷的峰谷期是一致的，空调用电的增加就意味着增加电网相同容量的发电机组，相应地就会增加相同容量的调峰电厂初投资。3.对运行费作简化处理，仅考虑燃料费就整体系统而言，燃料费是运行费的主要部分。经济性分析的目的是对热电冷联供、电制冷和直燃机等几种供冷系统进行比较，由于运行费中其它部分在这几种系统之间的差别与燃料费相比较小，为简化起见，仅考虑燃料费。北京热电一厂燃烧煤和重油两种燃料，考虑到新增两台2×20万kw燃煤机组即将代替原有燃油供热机组而投入运行，因此热电一厂以燃煤处理。北京热电二厂燃料费的计算以重油为对象。对于直燃机方案，则以城市天然气为燃料加以研究。在满足相同制冷负荷的条件下，比较热电冷三联供系统、电制冷和直燃机三种供冷形式的年运行成本，即系统初投资的折旧和燃料运行费之和。三种供冷系统的年运行成本随供冷负荷的变化关系，如图4a所示。其计算过程参见［２］，有关参数的取值见表6。可以看出，热电冷三联供系统的制冷年运行成本与其他两种系统相比有大幅度的降低，约为这两种系统年运行成本的一半。与电动制冷相比，虽然燃料费二者相差不大，但由于没有热电厂和热网的投资，热电冷三联供系统的初投资明显降低，从而使得三联供系统运行成本的锐减。与直燃机相比，虽然初投资二者没有显著差别，但由于天然气价格远高于煤，加之制冷能耗的差别，热电冷三联供系统的燃料运行费远低于直燃机，并最终造成三联供系统运行成本相对较小。例如，当制冷负荷为260MW时，电制冷系统和直燃机的年运行成本分别为6865.1万元和7568.5万元。热电冷三联供系统的年运行成本仅为3512.4万元，分别仅为电制冷系统和直燃机年运行成本的51.2%和46.4%。折旧率对系统运行成本影响较大，图4b给出供冷规模为260MW时三种系统年运行成本受折旧率影响情况。2、从局部角度看北京热电冷三联供系统的经济性以下分别就用户、热力公司和热电厂的经济性加以分析，有关热价和电价的取值见表6。■用户侧经济性对于用户来讲，在相同制冷负荷的前提下，系统的运行成本越低，经济性越好。下面对三种供冷系统的年运行成本加以比较。表3各制冷站投资对比(1163kw)/热电冷联供系统(万元)电动制冷站(万元)直燃机(万元)制冷机130100140冷却水泵3.81.82.64冷水泵2.11.82.1冷却塔20.99.914.5电力增容费容量(KW)11636180.6增容费20.965.014.5天然气增容费--69.8合计177.7178.5243.51)初投资对容量为1163KW的各系统初投资估计如表3。热电冷联供系统的制冷设备初投资与电动制冷系统相差不大。而直燃机的价格高，加之天然气增容费，使得其投资大于前两种系统。2)运行费表4比较了三种制冷方案的制冷方案的制冷站能耗运行费。热电冷联供形式的制冷站运行费最小，直燃机次之，电动制冷形式的运行费用最大。表4各制冷方案制冷站年运行费比较(1163kW)3)运行成本各系统的运行成本可近似视为初投资的折旧与运行费之和，如表4所示。用户采用三联供形式的制冷运行成本与电制冷和直燃机相比，分别减低了16.6%和17.5%。随着负荷的增长，热电冷形式的制冷系统和电动制冷系统年运行成本比较见图5。当制冷负荷达到260MW时，热电冷系统中用户供冷的年运行成本为7176万元，比电制冷减少1431万元。由于热水网已存在，夏季供冷时可不考虑热网的初投资。因此，热网的运行效益可做简化处理，即等于每年售出制冷用户热量的收入减去年支付热电厂热量的支出。图6给出了热网系统年运行效益随供冷负荷的变化情况。当供冷负荷达到260MW时，热网年运行效益可达938.5万元。■热电厂侧经济性在已有热电厂基础上建设热电冷联供系统，夏季供冷运行时可不考虑热电厂初投资。因此，热电厂的年运行效益可做简化处理，即等于每年售给热网热量的收入减去年燃料费的支出。考虑到因生活热水负荷加热温度提高而造成的一次能耗增加以及热网循环泵耗情况，单位制冷用供热量的一次能耗随着制冷负荷的增加而变化。图7给出了两热电厂年运行效益随制冷负荷的变化情况。由于热电二厂燃用成本高的重油，因而运行效益低于热电一厂。当制冷负荷很低时，热电厂效益为负值。例如，热电二厂承担5MW制冷负荷时，年运行效益为-3.1万元。这是因生活热水负荷加热温度提高而造成一次能耗增加而引起的。制冷负荷大于8MW后，该热电厂的效益开始变为正值。在较大制冷负荷的条件下，热电厂的效益是明显的。热电一厂在承担100MW制冷负荷时，年运行效益为438.9万元，热电二厂在承担100MW制冷负荷时的年运行效益为128.4万元。■热价的敏感性分析图8和图9为供冷负荷为260MW时的用户购入热价及热电厂售出热价对热电厂、热网和热用户经济性的影响。在图8中，用户效益取为热电冷联供系统制冷与电动制冷相比减少的年运行成本，热电厂售热价取为12.0元/GJ。随用户购入热价的增加，热网效益增加而用户效益减少，在热价为22元/GJ时热网和用户效益相等，约为1180万元。在图9中，两热电厂各承担120MW冷负荷，用户购入热价取为20.0元/GJ。当热电厂售出热价升高时，热电厂效益增加，热网效益减小。当热价增至19元/GJ时，热网效益为零。表6有关参数取值参数名称单位取值能量价格电元/KW.h0.8用户用热元/GJ20.0热电厂供热元/GJ12.0煤元/吨200.0天然气元/Nm31.8重油元/GJ21.1增容费电力元/KV.A1800.0天然气元/KW600.0制冷机性能系数电动制冷机-4.0直燃机1.2单位发电容量电力系统初投资元/KW(e)10000.0空调负荷同时使用系数-0.8最大空调负荷小时数小数/年900折旧率-0.07供热机组机电效率-0.97热网效率-0.95电网供电效率(计及电网线损)-0.306四、环保性分析在我国，能源消费以热值低、污染性高的煤为主。能源转换系统的效率低，环保投入少，使得环境污染较为严重。仅就温室气体排放而言，我国已成为仅次于美国的世界第二大排放国。在城市能源消费方面，采暖和空调是其重要的组成部分。合理地规划和管理供热和供冷系统，对于减少城市环境污染