天然气冷热电三联供系统热力学分析

王 珏

（中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 404100）

天然气冷热电三联供系统热力学分析

王 珏

（中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 404100）

摘 要：天然气先通过燃气轮发电机进行发电，再通过燃气轮机排出的高温烟气促使吸收式制冷剂工作，进行制冷，最后通过换热器所回收的温烟气的余热将生活用水加热，这就是冷热电三联供方式，它突显的是能源的充分利用，同时还能起到经济环保的作用，使得大力推广和应用。本文就对天然气冷热电三联供系统的热力学进行了研究和分析。

关键词：天然气；冷热电三联供；分布式能源；能量效率；烟效率

一、天然气的冷热电三联供系统及其运行方式

冷热电三联供是一种基于能源梯级利用概念上建立的集发电、制冷和供热过程为一体的多联供总能系统。首先将燃料用于发电，然后将发电中所生成的高温烟气作为制冷的推力，最后将烟气中还存有的余热将生活用水加热成热水，因为它能够在很大程度上将能源加以充分利用，将能源加以充分利用，同时节约能源，所产生的有害气体排放量也很少，设备的利用率也会有所提高，具有较高的经济效益，所以对于那些需要同时使用冷热电的场所是特别适用的，例如居民区、宾馆以及办公楼等，同时在夏季的用电高峰期期间，它能够有效缓解电网超负荷运行情况。天然气的冷热电三联供系统的基本原理和运行方式基本与上述保持一致。而且为了满足不同的使用目的以及用户具体所需负荷变化组合不同形式的燃料补充结构，但其燃气发电设备、制冷系统以及供热系统这个基本设备均会被保留。

二、冷热电三联供系统的能量以及㶲的分析

（1）能量分析

这里对该系统的能源利用特性进行分析所采用的方法是能量平衡法，为了便于分析，这里假设该系统的运行稳定，同时其设备效率也保持稳定不变。天然气的燃气轮发电机在进行发电的同时会将高温烟气提供给吸收式制冷机，此时燃气轮发电机Qf和Pe的关系应该

其中ηe是由发电机性能所决定的发电效率，当燃烧天然气后的能量，一部分用作发电，一部分则被损耗用于散热，剩余的则会被烟气带走。根据发电机能量平衡的关系可以得到Q1的关系式为

制冷剂的制冷量在单位时间内的关系表示为

其中ηc是高温烟气向吸收式制冷剂中提供的余热回收效率，ε是制冷剂制冷系数。而高温烟气经过制冷剂的能量关系式为

当制冷机将中温烟气排入到换热器中，烟气中的余热将会被进一步回收，并提供热水，此时所用的热量为

其中ηh为换热器的回收效率。设定换热器和制冷机的热回收效率是吸收高温烟气的热量与烟气相对环境温度的热能之间的比值。当不出现烟气泄露，比热容不变，两者处于稳定工作的热回收效率为

该系统的能量利用效率则是有效能源与被消耗能源之间的比值为

（2）㶲分析

在制定环境状态中，该系统对外做的最大有用功的能力就是㶲，通过对系统㶲的分析，可以对该系统的能量系统设计、性能评价等进行了解，也就是分析该系统能量的最大工作效率，以及能量损失部位，对最大工作效率与实际工作之间存在的差别进行判断，进而为系统的设计提供优化方向。对于天然气的冷热电三联供系统来说，通过㶲分析能够准确的将系统的工作状态反映出来，同时㶲损失的部位及其量的大小也能加以确定。从系统的能量流程图中可知，天然气的㶲应该是该系统所消耗的总㶲，通常也于天然气的低燃烧值近似，定义为Qr。电能与电㶲是同等的，因此系统在单位时间内的电㶲输出为Ee=Pe，而制冷工质从环境温度冷却到一定温度的过程中也会吸收热量，也就是制冷机输出的制冷量，热㶲与输出制冷量的关系为

其中输出冷量工质的温度为Tc。

换热器加热生活热水的输出热㶲Eh为

对于系统的各部位损失㶲的主要原因是散热和泄露，同时也是运转过程的不可逆性。

三、冷热电三联供系统的讨论

该系统的工作效率应该是由实际机器设备性能、具体运行环境条件以及操作工况所决定的，不过就目前而言，使用的机器设备及其运行环境大致一致，因此操作工况才是该系统效率的主要影响因素。操作工况主要涉及三种输出负荷比以及各个环节所处环境温度和压强，在系统实际运行的时候，烟气中的压强会比环境大气压略高1%，但是与温度相比，压强产生的变化影响到系统运行热力学性能的程度要小。将烟气看做理想气体，那么单位物质量的烟气中与压强相应的压㶲和压能应该分别是RT0ln（p/p0）-p0（Vm0-Vm）和RT0ln（p/p0），其中气体常数为R，烟气压强为p，环境压强为p0，当前状态的摩尔体积为Vm，寂态下摩尔体积Vm0。燃气轮发电机的烟气出口压强通常都是1.02×105Pa，与出口烟气温度770K相比，压能占总能的0.2%，压㶲只占总㶲的0.005%。因此该系统主要是回收利用烟气中的热能，并且操作温度对系统效率的影响最大。

从上述所列关系式中可以找到环境温度、系统制冷量、供热量、能量利用率以及㶲效率之间的关系，当制冷机的制冷量与换热器供热量随着环境温度的上升而逐渐增加，环境温度每上升10K，制冷量和供热量均上升2%。当制冷机的绝对增加量比换热器供热增加量高，那么就代表制冷过程用去了绝大部分的烟气能量。而且随着环境温度的上升，系统的能力利用率和㶲效率也会随之增加，这是因为热量和冷量都处于增长状态。而且当环境温度上升10K的时候，能量效率的增加倍数大约是0.014倍，同时㶲效率也会增加0.043倍。再结合㶲的定义来看，随着环境温度的上升，该系统的总㶲效率也会随之增加。

参考文献

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[3]陈拓发.生物质与天然气冷热电联供系统的优化研究[D].2013.

中图分类号：TE01

文献标识码：A