焦炉煤气冷-热-电三联供系统构建及能量和火用分析

毛 成，冯明杰，郭 奕

（东北大学 冶金学院，沈阳 110819）

我国能源结构主要以煤为主，其中焦炭产量约占世界总产量的60%，作为炼焦副产品的焦炉煤气，年产约850亿m3.焦炉煤气主要成分是H2和CH4，并含有少量CO，CO2，N2，O2和其他烃类，低热值约为16 720～18 810 kJ／m3，属中热值煤气，具有较高的利用价值，大多作为一种燃料来应用［1－3］.冷-热-电三联供系统（CCHP）是一种分布式能源系统，系统中的燃气轮机发电设备产生电力，发电后排出的余热通过余热回收设备向用户供热、供冷，可极大提高整个系统的一次能源利用率，是减少大气污染和提高能源综合利用率的重要手段［4－6］.传统的CCHP系统以天然气为燃料，与天然气相比，焦炉煤气不仅产量大，而且具有很大的价格优势.其发热量虽稍低于天然气，但其他特性与天然气极为相似，同时以焦炉煤气为燃料的燃气轮机发电技术已经成熟［7］.如果在CCHP系统中采用焦炉煤气，既可以消耗掉富余的焦炉煤气，又能降低能源成本，但目前关于这方面的研究相对较少.因此，本文借鉴传统天然气CCHP系统成功的经验，设计了一套以焦炉煤气为燃料的CCHP系统，并借助Aspen Hysys10模拟平台，搭建了流程模拟系统［8－10］，详细研究了该系统在冬、夏及春秋过渡季节典型工作日运行时的能量流和火用流，并对其能损和火用损情况进行了分析［11］，以期为该系统的应用提供参考依据.

1 系统设计

1.1 系统简介

所设计的焦炉煤气冷-热-电三联供系统如图1所示.该系统包括3个子系统：燃气轮机发电子系统、蒸汽动力循环发电子系统和LiBr-H2O吸收式制冷循环子系统，可同时为用户供电、供冷和供热.主要设备和部件包括压缩机、燃气轮机、多组换热器、汽轮机、LiBr-H2O吸收式机组，以及连接管道、各种阀门等.在燃气轮机发电子系统中，焦炉煤气和空气分别通过煤气压缩机和空气压缩机升压后在燃烧室内反应产生高温高压烟气，该烟气膨胀做功驱动发电机组发电后变为低温低压烟气，然后通过余热锅炉和热水换热器进一步释放能量后排入大气.其中的余热锅炉为蒸汽动力循环提供高温高压的水蒸气，热水换热器给用户提供生活热水.在蒸汽循环发电子系统中，循环工质水通过余热锅炉后成为高温高压水蒸气，该水蒸气首先通过高压蒸汽轮机膨胀做功，其压力和温度也随之降低，然后进入蒸汽分配器.在蒸汽分配器的出口，蒸汽被分为3路：一路进入供暖换热器来为用户供暖，另一路进入低压蒸汽轮机继续做功发电，最后一路进入吸收式制冷供热器为LiBr-H2O吸收式机组提供热能；然后这3路蒸汽经混合器后进入冷却器被冷却成水，再通过泵加压后进入余热锅炉，从而完成一个循环.在LiBr-H2O吸收式制冷子系统中，低质量浓度LiBr水溶液在发生器内加热，随着溶剂水的不断汽化，LiBr的质量浓度逐渐升高变为高质量浓度LiBr-H2O溶液，然后进入吸收器（混合器＋冷却器来模拟）.来自蒸发器的水蒸气首先进入冷凝器变为液态水，再通过节流阀等熵膨胀后变为低温低压的汽水混合物，而后进入蒸发器吸热转化为低温低压水蒸气，在此过程中给用户提供冷能.低温低压水蒸气进入吸收器被高质量浓度LiBr-H2O溶液吸收，降低溶液质量浓度，由泵加压后送回发生器，从而完成该循环.

图1 焦炉煤气三联供系统示意图Fig.1 Sketch of the CCHP system of coke oven gas

1.2 运行模式

不同季节，人们对冷、热、电有不一样的需求.默认冷负荷只出现在夏季，热负荷只出现在冬季，电负荷和生活热水全年供应.因此，在不同季节应采用不同的运行模式，在满足人们用能需求的同时达到最佳的节能效果.不同季节CCHP的运行模式如图2所示.

图2 不同季节CCHP的运行模式Fig.2 Operation mode of CCHP in different seasons

（1）夏季运行模式.在夏季，由于所需冷负荷较多，运行模式如图2中A区所示.此时阀门1处于开通状态，阀门2和3处于关闭状态.电负荷由燃气轮机和高压蒸汽轮机来提供，用户采暖系统处于停用状态，流出高压蒸汽轮机的低压蒸汽，由经吸收式制冷系统中的供热器回收余热，为LiBr-H2O吸收式制冷机组提供能量.生活热水负荷由流出余热锅炉后的烟气来提供.在夏季典型日，该系统可提供5～7℃冷风负荷300 kW，75℃生活热水负荷200 kW，生活用电负荷为3 000 kW.

（2）冬季运行模式.在冬季，由于所需采暖热负荷较多，运行模式如图2中B区所示.此时阀门2处于开通状态，阀门1和阀门3（节流阀）处于关闭状态.电负荷也由燃气轮机和高压蒸汽轮机来提供，此时低压蒸汽轮机和LiBr-H2O吸收式制冷机组处于停用状态，流出高压蒸汽轮机的低压蒸汽通过供暖换热器回收余热送入用户采暖系统，生活热水负荷由流出余热锅炉后的烟气来提供.在冬季典型日，该系统可提供的60℃的采暖热负荷为430 kW，生活用电负荷为3 000 kW，75℃的生活热水负荷为200 kW.

（3）春秋过渡季节运行模式.在春秋过渡季节，由于用户不需要供冷和供热，故该系统主要用来提供电负荷，运行模式如图2中C区所示，此时阀门3处于打开状态，阀门1和2处于关闭状态，电负荷由燃气轮机、高压蒸汽轮机和低压蒸汽轮机来提供，生活热水负荷由流出余热锅炉后的烟气来提供.在春秋过渡季接的典型日，该系统可提供的生活用电负荷为3 200 kW，75℃的生活热水负荷为200 kW.

1.3 系统模拟条件

系统模拟计算条件如表1所列.

表1 模拟计算条件Table 1 Parameters of simulation

2 热力学分析模型

2.1 能量分析模型

焦炉煤气的组成如表2所列.

表2 焦炉煤气的成分（体积分数）Table 2 Composition of coke oven gas（volume fraction） %

助燃空气和高炉煤气带入煤气压缩机和空气压缩机的能流表示为［12－13］：

煤气压缩机和空气压缩机输出的能流表示为：

式中，q为工质所携带的能流，kW；Qh分别为焦炉煤气的高位热值，MJ／kg；ηcog和ηair分别为焦炉煤气和空气压缩机的效率，%；Pcog和Pair分别为焦炉煤气和空气压缩机的功率，kW；m为工质的质量流量，kg／s；h为工质的比焓，kJ／kg；1，2，3，…数字下标表示状态点.

进出燃烧室的能流表示为：

式中，ηbur为燃烧室的效率，%.

燃气膨胀机输出电功率表示为：

式中，Etur是燃气膨胀机输出电功率，kW；ηe为燃气膨胀机的发电效率，%.

余热锅炉的能量平衡表示为：

式中，qhrb，rel和qhrb，arb分别为高温工质释放的热流和低温工质吸收的能流，kW；ηhrb余热锅炉的热效率，%.

供暖换热器的能量平衡表示为：

式中，qhs，rel和qhs，arb分别为高温蒸汽释放的能流和生活热水吸收的能流，kW；ηhs为供暖换热器的效率，%.

吸收式制冷供热器的能量平衡表示为：

式中，W15为吸收式制冷供热器给LiBr-H2O吸收式制冷机组提供的热流，kW；ηcooler为吸收式制冷供热器的效率，%.

在夏季，LiBr-H2O吸收式制冷机组能量平衡表示为：

式中，q32－33为LiBr-H2O吸收式制冷机组冷冻水提供的冷负荷，kW；ηc为制冷系数，%.

系统的综合能效表示为：

式中，Pcool为系统提供的冷负荷，kW；Phot为系统提供的热负荷，kW；Pele为系统提供的电负荷，kW；ηsys为系统综合能效，%.

2.2 火用分析模型

单位质量工质的总火用为：

式中，ex，exph，exch，exki和expo分别为单位工质的总火用、物理火用、化学火用、动力火用和潜在火用，KJ／kg.动力火用和潜在火用相对很小，可忽略不计.

对燃料而言，其物理火用远小于化学火用，故焦炉煤气的物理火用可忽略不计，总火用仅考虑其化学［14］：

式中，excog为单位质量焦炉煤气的总火用，kJ／kg；为单位质量焦炉煤气的化学火用，kJ／kg；Qd为焦炉煤气的低位热值，MJ／kg.

对其他工质而言，主要考虑其物理火用，其值由式（19）～（21）计算得到［15－16］：

式中，i为工作状态；0为参考环境状态；s为工质的比 熵， kJ／kg；R 为 通 用 气 体 常 数，R =8.314 kJ／kg·K；P为工质的压力，Pa.

系统的综合火用效率表示为：

式中，exgain为系统收益火用，kJ／kg；extot为系统的总火用，kJ／kg；ηex，sys为系统的综合火用效率，%.

3 结果与分析

3.1 夏季运行性能

系统在夏季典型日运行时的能量流和火用流桑基图分别如图3（a）（b）所示.由图3（a）可知，焦炉煤气所携带的化学能，54.3%转化成电能，2.1%转化成冷能，6.4%转化成生活热水的热能.夏季运行模式下系统的能量综合利用效率约为63.5%.从图中还可以看出，在该运行模式下，需要给系统提供4 600 m3／h的焦炉煤气才可以满足用户的用能需求.由图3（b）可知，焦炉煤气所携带的火用能，57.3%转化为净电能，1.1%用于生产冷冻水，1.8%用于生产生活热水，系统火用效率为57.1%.

图3 夏季系统运行时的能量流和火用流桑基图（MJ／s）Fig.3 Energy flow and exergy flow of the CCHP system during the summer

3.2 冬季运行性能

系统在冬季典型日运行时的能量流和火用流桑基图分别如图4（a）（b）所示.冬季的能流与夏季相似，在冬季供暖换热器取代LiBr-H2O吸收式制冷机组为用户提供采暖热负荷，在该运行模式下，需要给系统提供5 200 m3／h的焦炉煤气才可以满足用户的用能需求.从图中可以看出，在冬季典型日，系统的综合能效为63.3%，其中52.4%用于发电，7.4%用于供暖，3.5%用于热水.系统的火用效率为56.5%，其中52.4%用于电力，2.6%用于供暖，1.5%用于热水.与夏季相比，冬季的总能源效率和火用效率都小于夏季.

图4 冬季系统运行时的能量流和火用流桑基图（MJ／s）Fig.4 Energy flow and exergy flow of the CCHP system during the winter

3.3 春秋过渡季运行性能

图5为系统在春秋过渡季典型日运行时的能量流和火用流桑基图.在该运行模式下，需要给系统提供4 900 m3／h的焦炉煤气才可以满足用户的用能需求.在春秋过渡季，除热水换热器回收热量用来给用户提供热水预热生活用水外，其余能量都用来发电，系统的综合能效约为62.2%，火用效率59.1%，综合能效略低于冬季，但火用效率是一年最高的.

图5 过渡季系统运行时的能量流和火用流桑基图（MJ／s）Fig.5 Energy flow and exergy flow of the CCHP system during the spring and autumn

3.4 系统各单元损失情况

系统在夏季、冬季和春秋过渡季典型日运行时各单元的能量和火用损失情况如图6所示.其中，单元代号1，2，3，5分别为燃气轮机、余热锅炉、高压蒸汽轮机、冷却器，单元代号4在图6（a）（b）（c）分别为制冷机组、低压蒸汽轮机、供暖换热器.

从图6（a）可以看出，系统在夏季典型日运行时，最大的能损出现在燃气轮机中，约占系统总能损的39.8%，其次是余热锅炉，约占总能损的18.1%，高压汽轮机约占总能损失的9.5%，制冷机组占总能损失的13.4%，冷却器占总能损失的19.2%.火用损也主要出现在燃气轮机中，约占系统总火用损的44.2%，高压汽轮机和吸收制冷单元分别占总火用损的8.4%和9.1%，而吸收式制冷单元和冷却器分别占9.1%和16.1%.

从图6（b）可以看出，系统在冬季典型日运行时，最大能损也出现在燃气轮机中，占总能损的37.76%，余热锅炉约占总能损的23.56%，高压蒸汽轮机占9.5%，供暖换热器和冷却器分别占9.2%和19.98%.在火用损中，燃气轮机的火用损失也是最大的，约占系统总火用损的51.50%，余热锅炉的火用损失由夏季的18.1%升高到了23.56%，其他单元与夏季大致相同，由于吸收式制冷单元在冬季不工作，其能损失和火用损都是0.

图6 不同季节下各单元能损／火用损占总能损／火用损的百分比Fig.6 Percentage of energy／exergy loss to total energy／exergy loss in different seasons

系统在春秋过渡季典型日运行时各单元的能量和火用损失情况如图6（c）所示.在春秋过渡季，燃气轮机的能损和火用损失也都是最大的，约占总能损和总火用39.6%和55.3%，余热锅炉能损和火用损都比夏季高而比冬季低，分别占总能损和总火用损的19.2%和23.59%，由于既不供冷也不供暖，LiBr-H2O制冷单元和供暖换热器单元的能损失和火用损都是0.

由此可知，在焦炉煤气CCHP系统中，燃气轮机需要消耗大量的能量并造成很大的火用损失，在系统优化中需要着重考虑.

4 结 论

（1）该系统在不同季节典型日运行时，由于所提供的负荷不同，所需要的焦炉煤气量也不一样，夏季约需4 600 m3／h，冬季约需5 200 m3／h，过渡季节约需4 900 m3／h.

（2）系统的综合能效在夏季最高，约为63.5%，冬季次之，约为63.3%，在春秋过渡季节最低，约为62.2%.而火用效率在春秋过渡季最高，约为59.1%，夏季次之，约为57.1%，冬季最低约为56.5%.

（3）在所有的运行单元中，汽轮机和燃气轮机的能损和火用损都占有很大的比例，其次是余热锅炉，在设计和运行中应给予足够的重视.