庄闲和游戏-广州大冷热源工程讲义10冷热电三联供系统pdf

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　　在传统的热电生产过程中，虽然通过提高工质温度，采用回热、再热等措施可以提高发电效率，

　　但是，其总体热效率并不高，一般不超过40%，也就是说．燃料燃烧所放出的热量中，大部分没有

　　得到利用，其中通过凝汽冷却水或尾气排放，有50％以上的热能被白白地散发到大气中。而另一方

　　面，为了满足生产工艺及建筑对热能的需求，又不得不在工厂或建筑物附近，通过锅炉燃料燃烧为

　　其提供必要的热能。很显然，在这种热电分产能源利用方式中，一方面在不断地浪费能源，另一方

　　面又在不断地消耗燃料，是很不合理的能源利用方式，能源利用率低，能源浪费大。因此，如果将

　　发电过程中所产生的“废热”直接用于工厂或建筑供热，就能合理地利用能源，减少能源资源的消

　　耗，同时，又能减少对环境的污染，起到保护环境的作用。这种在生产电的同时，为用户提供热的

　　能源生产方式称为热电联供。如果利用热能来驱动以热能为动力的制冷装置，为用户提供冷冻水，

　　满足用户对制冷的需求，则称这种能源利用系统为冷热电三联供系统，简称冷热电联供。

　　如图10-1所示是冷热电三联供系统的示意图。燃料首先通过发电装置发电，发电所产生的废热

　　（废汽或尾气）通过热交换装置产生生活热水或采暖、空调用热水，以满足建筑对热水的需求，也

　　可生产出低压蒸汽或高温热水，供工业生产需要。通过换热器所生产的低压蒸汽或热水还可用于驱

　　动制冷装置，来生产出空调冷冻水，以满足建筑夏季空调的需要。由此可见，冷热电联供系统符合

　　能源的梯级利用，是热能利用的一种有效形式，因而，可以提高能源的利用效率，一般三联供系统

　　冷热电联供系统按照规模大小可分为集中式冷热电联供系统和建筑冷热电联供系统。

　　集中式冷热电联供系统的规模一般较大，它是以集中式热电厂为中心，中心电厂所产生的电能

　　通过区域电网输配至各级用户同时，它为某座城市或某个较大的区域提供冷热源，组成区域供热供

　　冷系统。因此，这种系统的投资规模大建设周期较长，它所产生的规模效益明显。这种系统一般采

　　用煤为燃料，通过锅炉燃烧产生高压蒸汽发电，发电一般采用以肯朗循环为基础的各种改进的蒸汽

　　动力循环。也可以以石油或天然气为燃料，通过内燃机或燃气轮机发电。为提高热效率，还可采用

　　建筑冷热电联供系统一般是在建筑内部或其附近发电，以部分或者全部地满足建筑用电需求，

　　同时为建筑提供冷热源，满足建筑对冷和热的需求。因而，这种系统的规模较小，分散分布在各建

　　筑内，所以，这种系统又称作分布式能源系统。但这种系统的投资小，使用灵活，控制方便，可以

　　减少大的输配电网和管网，减少电的传输损失和热的管路损失，因而，整体利用效率更高。建筑冷

　　热电联供系统一般采用天然气或石油为燃料，采用微型燃气轮机、小型往复式内燃机或燃料电池作

　　发展冷热电联供系统对提高能源利用效率、减少能源消耗是非常有益的。如图10-2所示是热电

　　联供系统与传统的分产系统的能源利用效率比较。传统的热电分产系统的能源利用效率只有49％一

　　56%，而联供系统的能源利用效率可高达85%。两者相比，联供系统比分产系统可减少能源消耗40

　　％左右。可见，联供系统可大大提高能源利用效率，对保护有限的能源资源，实现能源的可持续发

　　除节约能源，冷热电联供系统还具有很好的环境效应。与传统的能源系统相比，冷热电联供系

　　统每提供单位能量，可以减少石化能源消耗40%，这就意味着可以减少污染排放总量40%，这可以

　　大大减小环境保护的压力。集中式热电联供系统由于规模大，因此，可以对燃烧过程所产生的各种

　　污染进行集中处理，对污染物的排放浓度进行严格控制，起到保护环境的作用。而采用燃用天然气

　　的微型燃气轮机或燃料电池的建筑冷热电联供系统，污染物的排放浓度极低，微型燃气轮机的NOx

　　排放含量低于l0ppm（×10），燃料电池的NOx排放则更低，小于1ppm（×10），环境污染很小。

　　另外，冷热电联供系统一般采用热能为动力的吸收式制冷，可以减少对氟利昂的使用，这对减少臭

　　集中式冷热电联供系统是以中央电厂为冷热源，通过管线，以蒸汽、高温热水或冷冻水为媒介，

　　将热或者冷从中央冷热源输送至民用、商业或工业用户，为这些用户提供采暖、空调、生活热水、

　　以及工业用热等服务，满足用户对热或者冷的需求。同时，中央电厂所发出的电，通过当地电网，

　　输送给各种电用户，满足用户对电的要求。这种以集中方式生产冷能、热能和电能，并通过管网和

　　如图10-3所示是集中式冷热电联供系统的流程图。从图中可以看出，集中式冷热电联供系统由

　　三个主要部分组成：中央热电厂、输配系统和用户转换站。中央热电厂主要是负责能量的转换功能，

　　通过燃料的燃烧，将燃料的化学能转换成热能，再借助于一定的转换装置，将热能转换成电能，同

　　时回收发电所产生的废热，用于供热与供冷。输配系统主要负责能量的传输功能，利用一定的媒介，

　　通过电网和管网，将中央电厂所生产的电能和热能传输到用户。用户转换站是冷热电联供系统与建

　　1-中央热电厂；2-输配管网；3-用户转换站；4-建筑用户；5-输配电网；6-变压器

　　由于所使用的燃料和工艺不同，集中式冷热电联供系统的能量生产方式也不相同，主要有以下

　　由于煤燃烧形成的高温烟气不能直接用于做功，需要经过锅炉将热量传给做功工质—蒸汽，再

　　通过蒸汽推动汽轮机做功。如图10-4所示是锅炉加供热汽轮机三联供系统的原理图。煤燃烧所释放

　　的热能经锅炉水冷壁换热之后，传给锅炉内的水，水吸热并达到一定的温度时，产生蒸汽，饱和水

　　蒸气经过过热器进一步加热之后，变成过热蒸汽，具有做功能力的过热蒸汽进入汽轮机，膨胀并做

　　功，推动汽轮机转动，汽轮机再带动发电机转动，产生电力输出，产生的电能经进一步变频、升压

　　之后，即可通过电网传输到各种电用户。做功后的低品位蒸汽用于供热，或用于驱动吸收式制冷机

　　制冷。凝结后的凝结水再经给水泵送入锅炉，继续循环。这种循环称为热电循环。根据汽轮机供热

　　背压式热电循环中，排气压力高于大气压力，如图10-5所示。这种系统没有凝汽器，蒸汽在汽

　　轮机内做功之后仍具有一定的压力，通过管路送给热用户作为热源，放热之后，冷凝水再回到热电

　　厂。由于提高了汽轮机的排气压力，蒸汽中用于做功的热能相应减少，所以其发电效率有所降低。

　　尽管如此，由于热电循环中排汽的热量得到了利用，所以热能利用率增加了，所以从总体经济效果

　　来看，还是比单纯发电要优越得多。另外，这种系统不需要凝汽器，使设备得到了简化，但这种系

　　统的一个很大的缺点是供热与供电相互牵连，难以同时满足用户对热和电的需求，为了解决这个问

　　如图10-6所示是中间抽汽供热系统的原理图蒸汽在调节抽汽式汽轮机中膨胀至一定压力时，被

　　抽出一部分送给热用户，其余蒸汽则经过调节阀继续在汽轮机内膨胀做功，乏汽进入凝汽器，被冷

　　却水吸收热量之后，冷凝成水，然后与热用户的回水一起被送入锅炉循环。这种系统的重要优点是

　　能自动调节热电出力，从而可以同时较好地满足用户对热、电负荷的不同要求。但这种系统由于有

　　锅炉加供热汽轮机热电循环属于外燃型发电，而燃气轮机属于内燃机，因而发电效率要比外燃

　　机高。燃气轮机发电装置由三个部分组成：压气机、燃烧室和涡轮机。基本的燃气轮机循环采用布

　　雷顿循环，由绝热压缩、定压加热、绝热膨胀组成基本的燃气轮机发电循环如图10-7所示。空气经

　　压气机压缩之后进入燃烧室，与喷入的燃料相混合、燃烧，燃烧所产生的高温、高压烟气进入涡轮

　　汽轮机与压气机通常安装在同一轴上，转速可达到3000～6000r/min。大型燃气轮机的发电效率

　　可达到35%，而小型燃气轮机的发电效率只有12％～30%，为了提高燃气轮机的发电效率，通常在

　　基本循环上加装回热、再热及中间冷却装置，如图10-8所示。采用这些装置的先进燃气轮机的效率

　　可达到50％以上。燃气轮机具有体积小、重量轻、燃料使用灵活、污染小、可靠性高、起动迅速、

　　不需要冷却水、易于维护等优点，因而，得到了较广泛的应用。然而，由于燃气轮机的排气温度还

　　相当高，热能利用率较低，为了提高热能利用效率，可以利用余热锅炉或换热器对燃气轮机的尾气

　　进行热回收，用于供热或驱动吸收式制冷机，提供空调冷冻水，从而实现冷热电联供。燃气轮机冷

　　热电联供系统的原理如图10-9所示。通过回收燃气轮机发电尾气中的废热，可以大大提高热能利用

　　在上面所讲的燃气轮机单循环中，余热锅炉产生的蒸汽参数仍然很高，如果增设供热汽轮机，

　　使用余热锅炉所产生的较高参数的蒸汽在供热汽轮机中发电，可以进一步提高发电效率，其抽汽或

　　背压排汽用于供热或制冷，从而实现冷热电的三联供。这种联合循环冷热电联供系统如图10-10所

　　蒸汽和热水都可以作为供热系统的热媒。蒸汽主要是通过释放潜热来供热的，而热水则主要是

　　依靠显热传热，由于水的汽化潜热较大，因此，提供同样的热量时，热水质量流量要远远大于蒸汽

　　的质量流量，热水质量流量大约是蒸汽质量流量的10倍。尽管如此，由于蒸汽的密度很小，输送同

　　样热量的蒸汽管要比热水管大，但蒸汽的凝结回水量很小，所以，回水管也很小，从而可以弥补供

　　汽管道较大的不足。因而，从管道安装成本来看，采用蒸汽和热水为热媒的初装成本大体相当。但

　　是，与热水管道相比，蒸汽凝结回水管的腐蚀性较大，管道维修费用高。同时，供汽管还存在排除

　　管路凝结水的问题，因此，蒸汽作为热媒的集中供热系统的设计要比采用热水为热媒时复杂得多。

　　蒸汽和热水的流动都会产生流动阻力损失。对于热水系统，可采用水泵来加压，以此来克服系

　　统的阻力。由于水的密度较大，因此，由于高度变化引起的静水压力有时很大，因而，热水系统有

　　的管段静水压力很大，从而对管道质量要求较高。系统的温度和压力也会影响系统的经济性。压力

　　越大，对管壁厚度要求越高，增加了初装成本。温度越高，对管材的要求也越高，同时，温度越高，

　　管路热损失越大或对保温要求越高。因此，在满足用户要求的前提下，应使系统的温度、压力越低

　　热水系统可分为三种：温度高于180℃称为高温热水系统，温度在120～180℃之间称为中温热

　　水系统，温度低于120℃称为低温热水系统。尽可能提高供回水温差对系统节能是非常有利的，大

　　的供回水温差意味着提供同样的热量所需的热水流量较小，因而可以节约水泵的能耗。同时，低的

　　回水温度可以提高热源的换热效率，有利于节能。因此，如何实现能量的梯级利用，提高供回水温

　　冷冻水可以由吸收式制冷机提供，传统的供水温度为5～7℃，供回水温差为7℃。为减少输配

　　管网的投资，有时采用更低的供水温度，从而可以采用更大的供水温差，即大温差供水。对于水蓄

　　冷系统，水温下限为4℃，因为这时水的密度最大；对于冰蓄冷系统，水温下限可达到1℃。系统负

　　供热供冷系统的负荷随气候条件的变化而不断变化，为了节约能源，必须对系统进行调节。通

　　常，集中供热供冷系统根据室外温度的变化而调节供水温度对于供冷系统，当负荷降低时，适当提

　　高供水温度，以满足负荷变化的需要、提高供水温度，能够提高制冷机的COP值，从而减少制冷机

　　的能耗。同时，提高供水温度，可以减少管路冷量损失与供冷相反，当负荷降低时，供热系统则降

　　当然，冷水或热水温度不能无限制地提高或降低。例如，对于供冷的情况，冷负荷除了与室外

　　温度有关外，还在很大程度上与相对湿度有关这种情况尤其是对于气候比较潮湿的地区，空气调节

　　经常要涉及到除湿，也就是消除潜热负荷。因此，尽管环境温度很低，为保证除湿的需要，仍需要

　　很低的供水温度。另外，供水温度还受用户的需求限制，供水温度不能低于用户对冷、热水温度的

　　中央电厂所生产的热能必须通过管网最终传送给用户，在通过管网传送冷热水或蒸汽时，可以

　　采用直接连接或间接连接的方式或在直接连接方式中、输配管网直接将冷热媒送入建筑设备系统，

　　供建筑设备使用。而采用间接连接力式时，输配管网与用户之间不是直接相通的，而是通过中间换

　　在直接连接方式中，输配管网与用户之间没有中间设备，冷热源系统中的冷热媒直接流进建筑

　　系统，因此，输配管网系统中的冷热媒与建筑系统中的冷热媒具有同样的水质要求，而且，冷热媒

　　更容易受到污染，或者发生泄漏。通常这种系统必须对水质进行连续监测。对于用户来说，直接系

　　统可能会更经济，因为它不需要承担换热器、二级循环泵的安装及维修费用，也不需要单独的水处

　　如图10-11所示是一个简单的直接连接系统，系统包括压差控制器、温度控制阀以及各种相关

　　的控制调节阀门。对于有热计量要求的系统，还往往配置有热量测量装置，通过测量用户供回水温

　　如图10-12所示是间接连接系统示意图，除多了中间换热器之外，其他装置与直接连接系统类

　　似。安装中间换热器有多个作用，除起到热的传递作用外，它还具有隔离、缓冲的作用。因此，输

　　配管网与用户系统之间可以有不同的水质要求。在间接连接系统中，换热器的传热量可以根据建筑

　　间接式连接由于采用换热器将传输系统与用户系统相分隔开，因而具有以下几个优点：①由于

　　用户系统与输配系统是两个独立的系统，因此，传输系统可以不受建筑层高引起的静压的影响；②

　　两个水系统是隔离的，因此，两个系统可以根据要求采用不同的水质；③用户可根据自己的水量损

　　失进行补水和定压当然，间接连接也存在较大的传热温差损失和换热器增加水系统阻力，从血增加

　　发电，以部分或者全部地满足建筑用电需求，同时通过回收发电所产生的废热来驱动以热能为动力

　　的用热设备，为建筑提供冷、热、生活热水及湿度控制等服务。它通过对传统的现场发电技术与暖

　　通空调系统之间的集成，从而实现能源的梯级利用，提高了能源利用效率，因而又称作集成式能源

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