生物質(zhì)混煤冷熱勒聯(lián)產(chǎn)糸統(tǒng)能效分析摘要：對以生物質(zhì)混煤為燃料的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，綜合考慮其節(jié)能性、經(jīng)濟性和環(huán)保性等多種影響因素，建立多目標評價體系進行系統(tǒng)能效分析；并從能值角度出發(fā)，對不同的能值指標進行分析，探究混摻生物質(zhì)對冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的影響，以確定生物質(zhì)的最佳混摻比例。結(jié)果表明：在相同的負荷條件下，以生物質(zhì)混煤為燃料的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不僅可以節(jié)約系統(tǒng)的運行成本，SOx、NOx、CO2減排潛力較大，兼具良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益；在10%、15%、20%3個混摻比例當中，生物質(zhì)混摻比為20%時的生物質(zhì)混煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能值產(chǎn)出率最大，環(huán)境效益最高，經(jīng)濟性和環(huán)保性都有比較好的發(fā)展前景。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源的需求量與日俱增，能源短缺問題與經(jīng)濟快速發(fā)展之間的矛盾日益增大。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(combinedcooling，heatingandpower，CCHP)作為一種新型的綜合能源系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)冷、熱、電3種形式的能量同時供給，有效提高系統(tǒng)的一次能源利用率和經(jīng)濟效益，還能夠消納可再生能源，使電力系統(tǒng)的運行更加靈活與清潔。目前，國內(nèi)外對CCHP系統(tǒng)的研究主要以系統(tǒng)評價體系、系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)重點裝置的研發(fā)與應(yīng)用為主。周任軍等[1]以冷熱電系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合生產(chǎn)成本和環(huán)境成本構(gòu)建目標函數(shù)，分析冷、熱、電負荷需求量特點。江麗霞等[2]通過研究冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能原因，分析比較了多種聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案，揭示了系統(tǒng)能量的基本運行規(guī)律、轉(zhuǎn)換特點、評價準則。安志偉等[3]分別對冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能因素進行探究，結(jié)果表明補燃率越大，節(jié)能率越小。馮志兵等[4]從熱力學角度出發(fā)，對冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行分析，并比較了多種評價準則，結(jié)果表明燃氣輪機溫比的升高有利于提升系統(tǒng)的節(jié)煤率和一次能源利用率。GorsekK等[5]通過分析冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)常見的經(jīng)濟性評價指標，比較這兩種系統(tǒng)的優(yōu)異性。MarcA.Rosen等[6]從系統(tǒng)的能效性指標出發(fā)，對冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能進行了綜合分析，結(jié)果表明選取的評價指標不同，評價結(jié)果也有所差異。ArmandoFontalvo等[7]從壓比、透平效率等參數(shù)對系統(tǒng)炯效率的影響出發(fā)建立了系統(tǒng)計算模型，結(jié)果表明透平效率的提高可減少總煙損。綜上所述，目前大部分研究是基于煤炭或生物質(zhì)直燃的供電方式，通過建立評價模型，分析系統(tǒng)的運行策略和設(shè)備的運行工況對系統(tǒng)能源利用率、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的影響，而并未探究生物質(zhì)煤炭混燃供能方式對系統(tǒng)能效性的影響。我國作為農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)產(chǎn)量十分豐富，發(fā)展生物質(zhì)混煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，不僅可以有效地解決我國能源短缺危機和大氣污染問題，還可以提升生物質(zhì)發(fā)電的經(jīng)濟效益。為此，本文以生物質(zhì)混煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)作為案例，研究不同容量下生物質(zhì)混煤系統(tǒng)的性能特點，從“節(jié)能-經(jīng)濟-環(huán)?！苯嵌瘸霭l(fā)，建立冷熱電系統(tǒng)綜合評價模型，基于多指標分析方法，探究系統(tǒng)指標隨生物質(zhì)與煤混摻比的變化規(guī)律，確定最佳混摻比，從而為制定最佳的系統(tǒng)運行方案，提供理論基礎(chǔ)。1冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的實質(zhì)是有效地實現(xiàn)了能源的梯級利用[8]，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。燃料燃燒產(chǎn)生的高品位能源用于燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)向用戶供電；所產(chǎn)生的高溫煙氣一部分輸送至蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，生產(chǎn)的電量再次輸送給用戶，另一部分煙氣進入供冷、供熱系統(tǒng)，以滿足用戶的冷熱需求。相比于常規(guī)火力發(fā)電系統(tǒng)或冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)由于高效地實現(xiàn)了能源的梯級利用，其能源利用效率得到了大幅度的提高。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)一次能源利用率可達到80%以上[9]。2冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)綜合評價2.1評價方法熱力學第一定律、第二定律評價方法是常用的CCHP系統(tǒng)評價方法。其中，熱力學第一定律分析法主要根據(jù)能量之間的互相轉(zhuǎn)化和守恒定律來評價聯(lián)產(chǎn)的節(jié)能性和經(jīng)濟性。熱力學第二定律分析法主要以功損失和煙效率為評價指標[10]。上述這2種評價方法都比較注重熱經(jīng)濟性的分析和評價。在冷熱電系統(tǒng)的綜合評價中，根據(jù)評價角度不同，衍生出以下指標類別：1）經(jīng)濟性指標包括年能耗費用、年一次能源節(jié)約費用等；2）節(jié)能性指標包括煤耗量、節(jié)能率、一次能源利用等；3）環(huán)境性指標包括CO2排放量、NOx排放量、SO2排放量等。2.2評價實例2.2.1節(jié)能性分析節(jié)能性分析方法可用來分析聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)煤量和一次能耗率等指標[11]。1）一次能耗率一次能耗率是指消耗的一次消耗能源量與輸岀能量的比值，一次能耗率越小，系統(tǒng)的一次能源節(jié)能性越好。分產(chǎn)系統(tǒng)一次能耗率的計算包括制冷、供熱、發(fā)電3部分。2）節(jié)煤量節(jié)煤量是指在相同的熱、冷、電負荷條件下，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相較于分產(chǎn)系統(tǒng)所節(jié)約的煤量，該指標可直接反映系統(tǒng)的經(jīng)濟性和節(jié)能性。2.2.2經(jīng)濟性分析1）運行費用2）環(huán)境費用環(huán)境費用指大氣污染物（SO2和NOx減排所帶來的經(jīng)濟效益。根據(jù)2017年頒布實行《中華人民共和國環(huán)境保護稅法》，具體的污染物減排量和相關(guān)收益計算公式如下。2.2.3環(huán)保性分析冷熱電系統(tǒng)的大氣排放物中99.5%為CO2，因此CO2減排潛力成為評價系統(tǒng)中重要的環(huán)境指標。冷熱電系統(tǒng)CO2減排率Eer可表示為：2.2.4案例分析本文案例中冷熱電聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)分別包括汽輪機發(fā)電機、高溫煙氣供熱、漠化鋰制冷機組。冷熱電分產(chǎn)子系統(tǒng)分別為汽輪機發(fā)電機組、高溫煙氣供熱、壓縮式制冷機。將冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與分產(chǎn)系統(tǒng)進行綜合比較，系統(tǒng)具體技術(shù)參數(shù)[12]見表1?；诒疚南到y(tǒng)評價模型，計算多種評價指標，計算結(jié)果見表2。由表2可知：在供應(yīng)相同冷、熱、電負荷的條件下，從節(jié)能指標來看，冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)的一次能耗率為1.48煤耗量為13192.28kg/h；冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的一次能耗率為1.10，煤耗量為10092kg/h。對比可知，采用冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)后，節(jié)煤量可達3100.28kg/h。從環(huán)保的指標來看，冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)CO2排放量為34.56t/h，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)CO2排放量為26.44t/h，CO2減排率為0.23。同時，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)還可以減少排放27.90kg的SO2和33.48kg的NOx。從經(jīng)濟指標來看，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)境保護稅可節(jié)約740.21元/h，節(jié)約煤費用達1240.11元/h。綜上所述，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不僅可以提升一次能源的利用率，減少耗煤量，節(jié)約生產(chǎn)升本，還能有效的減少CO2、SO2、NOx等溫室氣體和大氣污染物的排放。2.2.5生物質(zhì)混煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)多目標分析從上述可以看出，相比于冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在節(jié)能性指標、經(jīng)濟性指標和環(huán)保性指標分析中優(yōu)勢明顯。在此基礎(chǔ)上，將進一步對常規(guī)燃煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和生物質(zhì)混煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運行性能進行對比分析。3生物質(zhì)混煤冷熱電系統(tǒng)能效分析由于生物質(zhì)混煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)境效益更佳，故探尋不同的燃料混摻比，對發(fā)揮生物質(zhì)能的最大作用具有重要研究意義。能值概念及能值分析理論[15]最早由美國著名系統(tǒng)生態(tài)學家H.T.Odum提出，能值分析理論作為一個能夠同時考慮自然系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)，并比較它們產(chǎn)品的分析方法，已被廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟等領(lǐng)域的研究[15-17]。本文基于能值分析理論，以100、200、300MW燃煤發(fā)電機組為例[18-19]，通過計算不同系統(tǒng)的能值產(chǎn)出率、可再生能源利用率和能值可持續(xù)性指標，研究不同容量混生物質(zhì)燃煤系統(tǒng)中的最佳生物質(zhì)混摻比。當生物質(zhì)混摻比例過大時，容易造成鍋爐結(jié)渣，且生物質(zhì)混摻比高于20%時，系統(tǒng)性能主要受燃燒升溫速率和燃燒工況的影響[20-21]，因此本文選擇生物質(zhì)混摻比例分別為10%、15%、20%（質(zhì)量分數(shù)）。3.1能值分析指標3.2結(jié)果分析3.2.1能值產(chǎn)出率圖2為當生物質(zhì)混摻比為10%、15%和20%時不同生物質(zhì)混煤冷熱電系統(tǒng)的能值產(chǎn)岀率。如圖2所示：當混摻相同比例的生物質(zhì)時，隨著機組負荷的增加，能值產(chǎn)出率呈先升高后降低的變化規(guī)律；對于同一機組，隨著混摻生物質(zhì)比例的增加，能值產(chǎn)出率呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢；3種機組負荷下，200MW機組的能值產(chǎn)出率最高，即生物質(zhì)系統(tǒng)生產(chǎn)效率最大?？梢?，僅從能值產(chǎn)出率角度來看，混摻20%生物質(zhì)的200MW生物質(zhì)混煤冷熱電系統(tǒng)更具有競爭力。3.2.2環(huán)境負載率圖3為當生物質(zhì)混摻比為10%、15%和20%時不同系統(tǒng)的環(huán)境負載率。如圖3所示：當混摻相同比例生物質(zhì)時，對于不同系統(tǒng)，隨著機組負荷的增加，環(huán)境負載率逐漸升高；對于同一機組，隨著混摻生物質(zhì)比例的增加，環(huán)境負載率逐漸降低。這可能是因為混摻生物質(zhì)的能值整體占比較小，對于混煤冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)影響較小。3種機組負荷下，100MW機組的環(huán)境負載率最小，即承受環(huán)境的壓力最小。這是由于100MW的生物質(zhì)混煤冷熱電系統(tǒng)的產(chǎn)能相對較小，因此產(chǎn)生的環(huán)境污染物也最少?？梢?，僅從環(huán)境負載率角度來看，混摻20%生物質(zhì)的100MW生物質(zhì)混煤冷熱電系統(tǒng)更具有競爭力。3.2.3能值可持續(xù)指標圖4為當生物質(zhì)混摻比為10%、15%和20%時不同系統(tǒng)的能值可持續(xù)指標。如圖4所示：當混摻相同比例生物質(zhì)時，隨著機組負荷的增加，能值可持續(xù)指標逐漸降低，即系統(tǒng)越小，能值可持續(xù)指標升高越明顯，對應(yīng)系統(tǒng)的能值可持續(xù)性越好；對于同一機組，隨著混摻生物質(zhì)比例的增加，能值可持續(xù)指標值逐漸升髙，不同機組能值可持續(xù)性上升趨勢相當。對于300MW生物質(zhì)混煤冷熱電系統(tǒng)，當生物質(zhì)混摻比為10%時，能值可持續(xù)指標值小于1；當混摻比為15%、20%時，能值可持續(xù)指標值均大于1。這表明隨著生物質(zhì)混摻比例的增加，該系統(tǒng)的所屬狀態(tài)發(fā)生了改變，即從長遠角度來看，該系統(tǒng)具有較強的發(fā)展活力以及可持續(xù)性。對比3種負荷生物質(zhì)混煤冷熱電系統(tǒng)，100MW負荷機組的能值可持續(xù)指標值最大，即可持續(xù)性最強。綜上