微燃机冷热电联供系统的分析

物质平衡方程式：
∑ ∑ Min - Mout = ΔM；
（1）
能量平衡方程式：
(∑ ∑ ) (∑ ∑ ) (∑ ∑ ) Qin - Qout +
Hin - Hout +
Win - Wout = ΔQ；
（2）
㶲平衡方程式：
∑ ∑ ∑ Ein - Eout - Ii = ΔE .
（3）
式（1）~（3）中，M 为质量流，kg/s；E 为㶲流，kJ/s；Q 为能流，kJ/s；H 为焓，kJ/s；W 为功，kJ/s；∑Ii 为系统各部件
文献标识码：A
Exergy Analysis of Micro-turbine CCHP System
Yue Zenghe1，2， Yang Yanzhu3， Sun Yincong1， Men Chao2， Yu Xianjing1，2
（1. Energy Research Institute Co. Ltd.，Henan Academy of Sciences，Zhengzhou 450008，China； 2. Henan Key Lab of Biomass Energy，Zhengzhou 450008，China；
3 联供用能系统分析
某居民楼负荷情况：夏季运行 2640 h，冷、热、电负荷分别为 640，192，280 kW；冬季运行 3672 h，冷、热、 电负荷分别为 0，592，280 kW；春秋季运行 2448 h，冷、热、电负荷分别为 0，192，280 kW . 该地的夏季、冬季 和春秋季节的平均温度分别取 28，0，15 ℃ . 微型燃气轮机在夏季、冬季和春秋季平均气温下发电出力分 别为 58，60，60 kW，发电效率分别为 25.5%、29%和 28%，排烟温度为 306 ℃ . 余热补燃型吸收式制冷机计 算参数按照国内某公司提供数据选取，制冷系数为 1.1，出口烟气温度为 145 ℃，发生器燃烧效率为 85%； 余热锅炉出口烟气温度为 130 ℃，补燃时燃烧效率为 85% . 由式（11）可得余热锅炉和吸收式制冷机烟气 余热回收效率分别为夏季：63.3%和 57.9%；冬季：57.5%和 52.6%；春秋季：60.5%和 55.3% . 天然气的低位发热 量为 35 MJ/m3 .
收稿日期：2014-08-26 作者简介：岳增合（1973-），男，河南民权人，助理实验师，主要从事能源研究与利用 .
2014 年 11 月
岳增合，等：微燃机冷热电联供系统的㶲分析
- 2329 -
1 㶲分析的基本方法
可将能量系统中的各项物质、能量及经济值看作是在系统中流动的流 . 物流、能流、㶲流都是按照一定 方向流动的［5］.
微燃机冷热电联供系统以气轮机为核心装置，以天然气、沼气、汽油、柴油、生物质气体等为燃料，通过 微燃机燃烧做功，其余热烟气驱动余热利用设备实现供电、供热、制冷和生活卫生用水等［1］. 冷热电是一种 建立在能量梯级利用概念上，将制冷、供热、发电等过程一体化的能源系统，其规模小于许多大型电站的冷 热电联产，具有节能、环保、安全等优势，是第二代能源系统和分布式能源发展的重要方向［2］. 依据热力学第 一定律的节能是对能的量的节约，追求的是用能的合理性，依据热力学第一和第二定律对能的质的节省是 尽量减少做功能力的损失，可以称为节㶲［3-4］. 从节㶲的角度对微燃机冷热电联供系统进行分析，可以确定 其㶲效率及各部位㶲损系数，从而揭示能量利用的薄弱环节，找出节约能质的主要方向 . 本文采用㶲分析方 法对微燃机冷热电联供系统进行了分析，得出了各个子系统在不同季节的㶲效率，为微燃机冷热电联供系 统节约能质提供一定的参考 .
天然气 补燃
微型燃气 轮机组
余热烟气
余热锅炉
吸收式 制冷机
电力 供热 制冷
图 1 微型燃气轮机冷热电联供系统的热经济学分析示意图 Fig.1 Sketch map for thermal economic analysis of micro-turbine CCHP system
1
2
①
3
4
5
9 8
②
电网
E 不再是㶲流而变成㶲损［6］.
2 微型燃气轮机冷热电联供㶲分析模型
微型燃气轮机冷热电联供系统主要由微型燃 气轮机、余热补燃型吸收式制冷机和余热锅炉组 成，如图 1 所示 . 联供系统利用天然气燃烧驱动微 型燃气轮机发电、供电，微型燃气轮机发电后的高 温烟气送入排气再燃型溴化锂吸收式冷温水机， 根据季节不同供热或制冷 . 根据冷、热负荷的需 求，不足的冷量或热量由天然气补燃得到 . 联供 系统依据“发电不售电”原则，供电量的不足从电 网购买 .
进行㶲分析的联供系统不考虑电网供电，则 㶲分析的子系统划分图如图 2 所示 .
图 2 中，子系统①为微型燃气轮机，子系统② 为余热锅炉，子系统③为吸收式制冷机；进入微型 燃气轮机的燃料㶲流为 1，微型燃气轮机输出轴功 㶲流为 2，微型燃气轮机排烟㶲流为 3，进入余热 锅炉的烟气㶲流为 4，进入余热锅炉的补燃㶲流为
在各子系统中的㶲损向量记作 I，它是各子系统中的㶲损按其序号排列起来的 n 维列向量（n×1）. 根据㶲与
∑ 矩阵元素的定义，子系统 i 的㶲损为 Ii = aij Ej ，Ej 为第 j 股㶲流的㶲值，所以㶲流向量 E 和㶲损向量 I 之
间关系为 I = A × E . 当子系统的排放不再利用时，
该能量系统的事件矩阵 A（3×11）可写成：
é 1 -1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 ù
A
=
ê ê
0
0
0 1 1 -1 -1 0 0 0
0
ú， ú
ë 0 0 0 0 0 0 0 1 1 -1 -1û
㶲流向量为：E=［E1，E2，E3，E4，E5，E6，E7，E8，E9，E10，E11］. 为便于对联供系统进行分析，作以下假设：①微型燃气轮机、排气再燃型溴化锂吸收式冷温水机排烟温
6
7
③
10
11
图 2 微型燃气轮机冷热电联供系统的子系统划分图 Fig.2 Sketch map for subsystem division of micro-turbine CCHP system
- 2330 -
河南科学
第 32 卷 第 11 期
5，用于供热的㶲流为 6，供热时排烟损失的㶲流为 7，进入吸收式制冷机的补燃㶲流为 8，进入吸收式制冷机 的烟气㶲流为 9，用于制冷的㶲流为 10，制冷时排烟损失㶲流为 11 .
3. Suzhou Thermal Power Research Institute Co. Ltd.，Suzhou 215004，Jiangsu China； 4. Henan Academy of Sciences，Zhengzhou 450002，China）
Abstract：In the paper，micro-turbine cooling heating and powe（r CCHP）system were analyzed using exergy analysis method. The CCHP system was constituted of micro-turbine，exhaust and direct-fired reffigeration unit and waste heat boiler. A building using cooling heating and power was selected，whose exergy loss and exergy efficiency of different season and subsystem were gotten. The result shown that exergy loss of reffigeration unit was the biggest and there was more improved space for reffigeration unit. Exergy loss of waste heat boiler was big in every season and it should be improved. Some references may be provided for improvement of energy quality of CCHP system according to the exergy analysis. Key words：micro-turbine；CCHP；exergy analysis
析 . 以某用能建筑为例，分析得出了不同季节和联供系统子系统的 损失和 效率 . 夏季时，吸收式制冷机的 损失最大， 效率有很大的提高空间；在不用季节，余热锅炉的 损失也较大，应作为主要的改进设备 . 通过 效率分析，为联供系统的能质改进提供了一定的参考 .
关键词：微燃轮；冷热电联供系统； 分析
中图分类号：TK 6
（7）
Q fh
=
Qh - Qeh ηsCOPah
；
（8）
制冷时：
( ) Qec = 1 - θ Qeηrec,hCOPah ，
（9）
Q fc
=
Qc - Qec ηsCOPah
，
（10）
η rec
=
T1 T1
-
T2 T0
.
（11）
式（5）~（11）中，T1 ，T2 分别为余热回收装置余热烟气进出口温度，K；Qc ，Qh 分别为联供系统应用场合冷负 荷和热负荷，kW ；Qec，Qeh 分别为微型燃气轮机烟气余热提供的制冷量或供热量，kW . ηrec 为余热回收效率， 供热时 ηrec,h = ηrec ，制冷时 ηrec,c = ηrec ；ηs 为补燃效率 . 当 θ =1 时，微型燃气轮机余热烟气全部流入余热锅炉， 当 θ =0 时微型燃气轮机余热烟气全部流入吸收式制冷机 .