燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)熱力學(xué)性能研究

楊明亮，田貫三，2，3*，邢紅鵬，周延華

（1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東建筑大學(xué)可再生能源建筑利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；3.山東建筑大學(xué)山東省可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；4.華潤(rùn)燃?xì)猓ㄠ嵵荩┦姓O(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州450006）

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)熱力學(xué)性能研究

楊明亮1，田貫三1，2，3*，邢紅鵬4，周延華4

（1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東建筑大學(xué)可再生能源建筑利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；3.山東建筑大學(xué)山東省可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；4.華潤(rùn)燃?xì)猓ㄠ嵵荩┦姓O(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州450006）

熱力學(xué)性能是評(píng)價(jià)燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)性能的核心和基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)其他的技術(shù)性能指標(biāo)也會(huì)產(chǎn)生影響。文章引進(jìn)一種新的思路重新定義折合發(fā)電效率，結(jié)合相對(duì)節(jié)能率和節(jié)能系數(shù)組成評(píng)價(jià)模式從能量“質(zhì)和量”的角度共同評(píng)價(jià)聯(lián)供系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，闡明了機(jī)體散熱和煙氣逸漏、過(guò)?？諝庀禂?shù)、燃?xì)獠煌耆紵纫蛩貙?duì)聯(lián)供系統(tǒng)的熱力學(xué)性能的影響機(jī)理。結(jié)果表明：經(jīng)重新定義的折合發(fā)電效率與相對(duì)節(jié)能率和節(jié)能系數(shù)的組合評(píng)價(jià)模式用來(lái)評(píng)價(jià)聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能性和熱力學(xué)性能更加準(zhǔn)確；通過(guò)改善機(jī)體材料和密封泄漏處來(lái)降低機(jī)體導(dǎo)熱系數(shù)和系統(tǒng)逸漏系數(shù)，維持機(jī)體燃?xì)馊紵^(guò)剩空氣系數(shù)為1.08～1.12，控制燃?xì)馊紵隣t膛溫度在1800℃左右和分解物質(zhì)的分壓力在0.3 MPa以上，這些措施都可以提高系統(tǒng)的熱力學(xué)性能。

熱力學(xué)性能；相對(duì)節(jié)能率；過(guò)?？諝庀禂?shù)；能級(jí)系數(shù)

0 引言

評(píng)價(jià)熱力學(xué)性能時(shí)，基于熱力學(xué)第一定律的評(píng)價(jià)指標(biāo)中，能源利用率以系統(tǒng)輸出電能、熱能和冷能的代數(shù)和與輸入系統(tǒng)的一次能源能量比值作為研究思路［1］；相對(duì)節(jié)能率和節(jié)能系數(shù)是指相對(duì)于分產(chǎn)系統(tǒng)，當(dāng)聯(lián)供系統(tǒng)也滿(mǎn)足相同的能量需求時(shí)聯(lián)供系統(tǒng)比分產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)約的一次能源的數(shù)量和比例關(guān)系［2］；這兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)因沒(méi)有區(qū)分能量的能級(jí)品位而評(píng)價(jià)不夠全面，不能準(zhǔn)確體現(xiàn)能量的梯級(jí)利用關(guān)系。基于熱力學(xué)第二定律的評(píng)價(jià)指標(biāo)中，效率從能量的“質(zhì)和量”綜合考慮三種能量的品質(zhì)，但是這種權(quán)重系數(shù)的衡量標(biāo)準(zhǔn)不盡相同；折合發(fā)電效率將聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的好處都?xì)w于電這一種好處，往往會(huì)脫離實(shí)際［3］；廖春暉等和Szklo等介紹了國(guó)外對(duì)當(dāng)量供熱效率定義思路，但是定義思路不盡相同，沒(méi)有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［4－5］。熱力學(xué)性能的影響因素也因系統(tǒng)的復(fù)雜而變化多端。李壯論述了內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)兩種典型的燃?xì)夥植际侥茉吹呢?fù)荷率、負(fù)荷比、補(bǔ)燃量、購(gòu)買(mǎi)市電量，對(duì)內(nèi)燃機(jī)和抽氣量、抽氣段數(shù)、蒸汽輪機(jī)容量的熱力學(xué)性能影響［6］。楊承等分析了負(fù)荷比、供熱（冷）系數(shù)、蒸燃比、環(huán)境溫度等通用因素對(duì)能源利用率的影響［7］。學(xué)者們分析了溫比、壓比、換氣、轉(zhuǎn)速等方面對(duì)熱力學(xué)性能的影響［8－9］。

在熱力學(xué)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)中，文章采用重新定義的折合發(fā)電效率結(jié)合相對(duì)節(jié)能率和節(jié)能系數(shù)共同來(lái)評(píng)價(jià)聯(lián)供系統(tǒng)熱力學(xué)性能，其中相對(duì)節(jié)能率和節(jié)能系數(shù)可以彌補(bǔ)系統(tǒng)工藝流程差異、熱力學(xué)第二定律評(píng)價(jià)指標(biāo)的不足，重新定義的折合發(fā)電效率能夠體現(xiàn)能量的品位差異和梯級(jí)利用關(guān)系，二者結(jié)合可以更全面科學(xué)的評(píng)價(jià)聯(lián)供系統(tǒng)的熱力學(xué)性能［4－5］。在熱力學(xué)性能的影響因素研究中，文章著重于從機(jī)體散熱和逸漏熱損失、過(guò)剩空氣系數(shù)、燃?xì)獠煌耆紵确矫鎸?duì)燃?xì)獾臒崃W(xué)性能影響進(jìn)行研究分析，旨在為改善熱力學(xué)性能提出改進(jìn)措施。

1 熱力學(xué)性能常用評(píng)價(jià)指標(biāo)

燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)能量流程示意圖如圖1所示。

圖1 燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)能量流程示意圖

基于圖1的分析，熱力學(xué)性能計(jì)算綜合表達(dá)式（1）［7，10］為

式中：Qp為聯(lián)供系統(tǒng)輸出電量，kW；Qc為聯(lián)供系統(tǒng)輸出冷量，kW；Qh為聯(lián)供系統(tǒng)輸出熱量，kW；BCCHP為聯(lián)供系統(tǒng)燃?xì)庀牧浚琋·m3／s；Hu為燃料低位熱值，kJ／（N·m3），α、β分別表示冷和熱的能級(jí)系數(shù)。

1.1 能源利用率

能源利用率示意圖如圖2所示，當(dāng)α和β均為1時(shí)，式（1）反映了各種形式能源輸出總量與輸入能源總量的比值稱(chēng)之為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能源利用率；該指標(biāo)沒(méi)有考慮到能量品位和系統(tǒng)工藝流程的差異，不能體現(xiàn)出能量梯級(jí)利用的關(guān)系。

圖2 能源利用率示意圖

圖3中，考慮到系統(tǒng)輸出冷和輸出熱的品質(zhì)，當(dāng)α和β表示輸出冷能和熱能的能級(jí)系數(shù)時(shí)，α·Qc和β·Qh表示輸出的冷能和熱能的做功能力，則式（1）表示為的效率ηec，該指標(biāo)雖然體現(xiàn)出能量做功能力的差異，但是能量權(quán)衡系數(shù)確定沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 聯(lián)系系統(tǒng)效率示意圖

1.3 相對(duì)節(jié)能率和節(jié)能系數(shù)

選擇通用分產(chǎn)系統(tǒng)作為參照系統(tǒng)，一次能源節(jié)約率示意圖如圖4所示，產(chǎn)生相同冷熱電負(fù)荷時(shí)燃?xì)饴?lián)供系統(tǒng)和常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)在消耗一次能源上的差異可用相對(duì)節(jié)能率和節(jié)能系數(shù)表示。相對(duì)節(jié)能率是以參照系統(tǒng)的輸入能量為基準(zhǔn)，節(jié)能系數(shù)是以聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的輸入能量為基準(zhǔn)。相對(duì)節(jié)能率在反映熱力學(xué)性能時(shí)，不便于分析系統(tǒng)優(yōu)劣的原因，為此用節(jié)能系數(shù)進(jìn)行評(píng)估。節(jié)能系數(shù)和相對(duì)節(jié)能率正相關(guān)，增加均表示聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能更有優(yōu)勢(shì)。該指標(biāo)雖然沒(méi)有考慮到能量的品位差異，但是其可以解決聯(lián)供系統(tǒng)工藝流程差異、能量需求差異和權(quán)衡系數(shù)無(wú)法統(tǒng)一等造成評(píng)價(jià)效果的不足。

圖4 一次能源節(jié)約率示意圖

對(duì)于聯(lián)供系統(tǒng)而言，一次能源消耗量由式（2）表示為

式中：QCCHP為聯(lián)供系統(tǒng)中的一次能源消耗量，MJ；ηp（CCHP）為聯(lián)供系統(tǒng)中的發(fā)電效率，%；

對(duì)于分供系統(tǒng)而言，一次能源消耗量由式（3）表示為

式中：QFp、QFh、QFc分別表示分供系統(tǒng)提供電能、熱能和冷能所需的一次能源消耗量，MJ；QF為分供系統(tǒng)中的一次能源消耗量，MJ；ηFp為火電廠發(fā)電效率，%；ηFh為鍋爐供熱效率，%；COP為電壓縮式制冷機(jī)的性能系數(shù)。

考慮到聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)備配置與現(xiàn)實(shí)負(fù)荷需求的不匹配性，當(dāng)采用“以電定熱”的方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，冷熱不足時(shí)一般通過(guò)補(bǔ)燃方式進(jìn)行補(bǔ)充熱或冷量。相對(duì)節(jié)能率由式（4）［11］表示為

節(jié)能系數(shù)由式（5）［12－13］表示為

1.4 折合性能指標(biāo)

折合發(fā)電效率示意圖如圖5所示。當(dāng)能源動(dòng)力系統(tǒng)存在多種形式的產(chǎn)品輸出時(shí)，假定其中幾種產(chǎn)品的能量轉(zhuǎn)換利用性能指標(biāo)和參照的分產(chǎn)系統(tǒng)相同時(shí)，推導(dǎo)出剩下一種產(chǎn)品的能量利用性能指標(biāo)就稱(chēng)為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的折合性能指標(biāo)［3］。例如，假定聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中冷量和熱量輸出的能耗與參照的分產(chǎn)系統(tǒng)相同時(shí)，推算得到的發(fā)電效率就稱(chēng)為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的折合發(fā)電效率。指標(biāo)將聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的好處歸為其中的一種分產(chǎn)系統(tǒng)，其使用條件限制性大。折合發(fā)電效率用式（6）表示為

式中：ηPz（CCHP）為聯(lián)供系統(tǒng)的折合發(fā)電效率；ηFc＝Qp·ηFp為電壓縮式制冷機(jī)的制冷效率。

1.5 新定義的折合發(fā)電效率

在CCHP聯(lián)供系統(tǒng)中，綜合考慮能量轉(zhuǎn)換所需的傳熱溫差和經(jīng)濟(jì)性，高品位熱能首先用來(lái)發(fā)電，中品位熱能用來(lái)制冷和供熱，低品位熱能用來(lái)供熱（采暖）。電能作為高品質(zhì)、應(yīng)用廣泛的典型能量，本文以電能為基礎(chǔ)，引進(jìn)一種新的思路重新定義折合發(fā)電效率，即把聯(lián)供系統(tǒng)提供的熱能和冷能按照一定的比例折合為電能，與實(shí)際生產(chǎn)的電能相加，然后與相應(yīng)的一次能源總能量相比，計(jì)算出CCHP系統(tǒng)的折合發(fā)電效率。

圖5 折合發(fā)電效率示意圖

電能、熱能和冷能能級(jí)品位的不同，使得同種類(lèi)同數(shù)量的一次能源轉(zhuǎn)化為三種能量的效率有很大差異，該效率還受到系統(tǒng)工藝流程和設(shè)備種類(lèi)的影響。將需要的熱能和冷能按分產(chǎn)系統(tǒng)供熱和制冷效率求出各自需求的一次能源量，然后用這些能源用來(lái)發(fā)電，根據(jù)發(fā)電效率求出應(yīng)該得到的電能，這樣就把熱能和冷能折合成電能，因此，折合系數(shù)定義為分產(chǎn)系統(tǒng)中，相同條件下的一次能源轉(zhuǎn)化為電能和熱能的效率比，轉(zhuǎn)化為電能和冷能之間的效率比。例如，分產(chǎn)系統(tǒng)中用燃?xì)庵苯影l(fā)電的平均效率為ηFp，燃?xì)庵苯庸嵝蕿棣荈h，先用燃?xì)庥脕?lái)發(fā)電再用電壓縮式制冷機(jī)進(jìn)行制冷的效率為ηFc＝FFp·COP，折合發(fā)電效率定義用式（7）表示。該指標(biāo)考慮到能級(jí)品位差異和各種能量的做功差異，體現(xiàn)出了能量的梯級(jí)利用關(guān)系。

式中：ηEEE表示重新定義的折合發(fā)電效率。

2 熱力學(xué)性能影響因素

聯(lián)供系統(tǒng)的效率會(huì)隨著負(fù)荷率的增加而增大，所以應(yīng)盡量在滿(mǎn)負(fù)荷條件下；環(huán)境溫度越高，系統(tǒng)所處的海拔越高，空氣密度就會(huì)越小，熱力學(xué)性能會(huì)降低；由節(jié)能系數(shù)計(jì)算公式可知，補(bǔ)燃率和購(gòu)買(mǎi)市電量越高，聯(lián)供系統(tǒng)熱效率越低。以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)為動(dòng)力系統(tǒng)的的聯(lián)供系統(tǒng)，壓縮比越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率越高，但是壓縮比過(guò)大，壓縮終了溫度過(guò)高而損壞氣缸和活塞。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，總效率和一次節(jié)能率都隨著抽氣量的增加而降低［6］；在實(shí)際循環(huán)中，熱效率會(huì)隨著壓比的增大先增大后減小，會(huì)隨著壓氣機(jī)效率和透平效率的增大而增大［8，14］。文章從散熱損失、過(guò)?？諝庀禂?shù)、燃?xì)獠煌耆紵纫蛩貙?duì)不同動(dòng)力系統(tǒng)下燃?xì)饴?lián)供系統(tǒng)的熱力學(xué)性能影響進(jìn)行研究。

圖6 某聯(lián)供系統(tǒng)熱力學(xué)性能指標(biāo)隨負(fù)荷率、環(huán)境溫度和補(bǔ)燃率的變化圖

2.1 機(jī)體的散熱和逸漏

機(jī)體熱損失所包含的具體項(xiàng)隨著機(jī)體的不同而不同，一般情況下包括：機(jī)體的散熱損失和煙氣逸漏的熱量。對(duì)于連續(xù)工作的燃?xì)廨啓C(jī)或者內(nèi)燃機(jī)，機(jī)體的散熱可以看作穩(wěn)態(tài)傳熱，散熱損失計(jì)算式（8）為

式中：Qbr為機(jī)體的散熱，k J／h；Fbr為機(jī)體的散熱面積，m2；t3為爐子的內(nèi)表面溫度，℃；t0為爐子周?chē)目諝鉁囟?，℃；?、δ2分別為耐火材料的厚度和絕熱層厚度，m；λ1，λ2分別為耐火材料和絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，k W／（m·K）；壁外表面與空氣之間的熱阻（壁外表面與空氣之間的傳熱系數(shù)為118.6W／（m2·K），取值0.054。

煙氣逸漏熱量損失可以根據(jù)煙氣逸漏量和煙氣的比熱進(jìn)行求得，煙氣逸漏量可以由式（9）表示為

式中：Ldo為縫隙或開(kāi)口的煙氣逸漏量，N m3／h；H、b分別為逸漏處零壓線以上的高度和寬度，m；t為逸漏處煙氣溫度，K；μ為逸漏系數(shù)，薄墻的逸漏系數(shù)為0.6，而厚墻的逸漏系數(shù)為0.8；ρa(bǔ)，ρt分別為逸漏處外圍空氣密度和逸漏煙氣溫度下的煙氣密度，k g／m3。

逸漏散熱損失式由式（10）表示為

式中：Qdo表示逸漏散熱損失，K J；tdo為逸漏煙氣的溫度，℃；cdo為逸漏煙氣溫度下的定壓比熱，k J／（N m3·K）。

單從熱力學(xué)性能而言，改善機(jī)體材料，降低機(jī)體材料的導(dǎo)熱系數(shù)；增加機(jī)體耐火材料和絕熱層材料的厚度；減小機(jī)體的體積和散熱面積；對(duì)機(jī)體進(jìn)行密封，降低逸漏系數(shù)，會(huì)提高聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱力學(xué)性能。

2.2 過(guò)剩空氣系數(shù)

過(guò)?？諝庀禂?shù)是影響燃?xì)馊紵闹匾獏?shù)，是制約聯(lián)供系統(tǒng)熱力學(xué)性能的重要影響因素，對(duì)燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)制造具有重要意義。從化學(xué)動(dòng)力學(xué)的角度而言，當(dāng)過(guò)?？諝庀禂?shù)為1時(shí)，燃燒過(guò)程進(jìn)行的速度最快，也最容易使反應(yīng)進(jìn)行徹底，過(guò)大或過(guò)小都不利于燃燒過(guò)程的進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行改善。

聯(lián)供系統(tǒng)中動(dòng)力系統(tǒng)的燃燒室效率可由式（11）表示為

式中：α為過(guò)?？諝庀禂?shù)；L0為理論空氣量，k g空氣／k g燃料；htgg、htff、htaa分別為燃?xì)?、煙氣和空氣在各自溫度tg、tf、ta下的比焓值，J／k g；ηb表示動(dòng)力系統(tǒng)的燃燒室效率。

由式（11）可知，在煙氣比焓大于空氣比焓條件下，燃?xì)獾娜紵蕰?huì)隨著過(guò)剩空氣系數(shù)的增大而增大，由此也會(huì)使得聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能源利用率增大。

燃?xì)馊紵睦碚撊紵郎囟瓤捎墒剑?5］（12）表示為

式中：Hl為燃?xì)獾蜔嶂?，k J／N m3干燃?xì)?；Qm為化學(xué)不完全燃燒損失的熱量k J；ca、cg、cH2O分別為空氣、燃?xì)狻⑺魵獾亩▔喝莘e比熱，k J／（N m3·K）；da為空氣的含濕量，k g／N m3干空氣；tg、ta分別表示燃?xì)馀c空氣溫度，℃；dg為燃?xì)獾暮瑵窳?，k g／N m3干燃?xì)?；VRO2、VH2O、VN2、VO2分別表示每標(biāo)準(zhǔn)立方米干燃?xì)馔耆紵笏a(chǎn)生的三原子氣體、水蒸氣、氮、氧的體積，k g／N m3干燃?xì)?；CRO2、CH2O、CN2和C O2分別表示三原子氣體、水蒸汽、氮、氧的平均定壓容積比熱，k J／（N m3·k）；VO表示理論空氣需要量，m3干空氣／m3干燃?xì)狻?/p>

由上式可以看出，在過(guò)剩空氣系數(shù)小于1時(shí)，燃?xì)庥捎诓煌耆紵谷紵郎囟冉档?，隨著過(guò)?？諝庀禂?shù)的增加燃?xì)馊紵郎囟葧?huì)增大，但是過(guò)?？諝庀禂?shù)過(guò)大致使生成的煙氣量增加，分母擴(kuò)大，理論燃燒溫度降低。因此要想使得聯(lián)供系統(tǒng)有較高的效率，要在保證完全燃燒的前提下盡量降低過(guò)?？諝庀禂?shù)。過(guò)?？諝庀禂?shù)的確定可以根據(jù)煙氣分析的結(jié)果確定，并做到及時(shí)檢查和調(diào)節(jié)，使其符合燃燒的經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)燃?xì)馔耆紵龝r(shí)，過(guò)?？諝庀禂?shù)的確定可由式（13）表示為

式中：α表示過(guò)剩穿氣系數(shù)；N′2、O′2、R O′2分別表示為干煙氣中氮?dú)?、自由氧和三原子氣體（C O2和S O2）的容積成分；N2、C O2、C O、CmHn、H2S分別表示為燃?xì)庵械獨(dú)?、二氧化碳、一氧化碳、碳?xì)浠衔锖土蚧瘹涞娜莘e成分。

當(dāng)燃?xì)獠煌耆紵龝r(shí)，過(guò)?？諝庀禂?shù)的確定可由式（14）表示為

式中：C O′、C H′4分別表示為干煙氣中一氧化碳和甲烷的容積成分。

利用（14）式，只要測(cè)得燃?xì)夂蜔煔獾某煞?，就可以?jì)算出不完全燃燒時(shí)過(guò)?？諝庀禂?shù)。

2.3 燃?xì)獠煌耆紵?/p>

燃?xì)獾牟煌耆紵龘p失可以分為化學(xué)不完全燃燒損失、物理不完全燃燒損失（表現(xiàn)為燃?xì)庵形幢蝗紵奶碱w粒）和高溫?zé)岱纸鈸p失［12］。任何熱損失都會(huì)降低聯(lián)供系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，本模塊重點(diǎn)探討不完全燃燒的原因及改善措施。不完全燃燒的原因可以分為動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷和燃燒應(yīng)用不當(dāng)，具體表現(xiàn)為燃?xì)馀c空氣混合不均勻、空氣量不足、火焰溫度下降、排煙不充足等因素［16］。燃?xì)獾奈锢砘瘜W(xué)不完全燃燒主要是助燃劑的不足或與燃?xì)獾幕旌喜痪鶆虍a(chǎn)生的，可以通過(guò)過(guò)?？諝庀禂?shù)的調(diào)節(jié)進(jìn)行改善。當(dāng)燃燒溫度為1500℃、煙氣中C O2等于10%時(shí)，其分解比例也就0.7%，水蒸氣的分解量更小，所以分解消耗的熱量也就很少；當(dāng)溫度低于1500℃時(shí)，分解影響就可以忽略不計(jì)了。當(dāng)溫度大于1800～2000℃時(shí)，分解就明顯增強(qiáng)，其反應(yīng)式可以表示為

由圖7和理論燃燒溫度公式可得，高溫分解損失會(huì)隨著理論溫度的升高而快速增加，降低聯(lián)供系統(tǒng)的熱效率。因此，要想提高聯(lián)供系統(tǒng)的熱效率，考慮到動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備的構(gòu)件承受能力和高溫分解熱損失，燃燒溫度不能無(wú)限的增大，并且應(yīng)該盡量的將生成的煙氣及時(shí)排出做功。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)的熱力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在與分產(chǎn)系統(tǒng)的對(duì)比上。冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是利用一種形式的一次能源同時(shí)生產(chǎn)冷量、熱量和電力三種不同形式的能量來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)需求的技術(shù)，其主要包括驅(qū)動(dòng)、發(fā)電、供熱、制冷和控制五大系統(tǒng)；分產(chǎn)系統(tǒng)作為現(xiàn)階段傳統(tǒng)的供能方式，主要以火力發(fā)電供電、燃煤燃?xì)忮仩t供熱、電壓縮式制冷機(jī)制冷為主來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)用能需求的方式。與分產(chǎn)系統(tǒng)相比，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)直接與終端用戶(hù)融合，提高了能源供應(yīng)的安全性和可靠性，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，具有一定的環(huán)保效益和調(diào)峰性能，有效做到能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

圖7 C O2和H2O的分解程度與溫度和分壓力的關(guān)系圖

以濟(jì)南某單位控制中心大樓為例，其全年基本參數(shù)見(jiàn)表1，三聯(lián)供系統(tǒng)類(lèi)型為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)＋補(bǔ)燃型溴化鋰機(jī)組聯(lián)合循環(huán)，其工藝流程如圖8所示，按照“以電定熱”的原則，以電75%作為基本負(fù)荷進(jìn)行機(jī)組選型，不足的電能由電網(wǎng)補(bǔ)充，不足的冷和熱經(jīng)溴化鋰機(jī)組經(jīng)過(guò)補(bǔ)燃的方式進(jìn)行補(bǔ)充。若采用分供系統(tǒng)達(dá)到相同的需求，采用傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電廠進(jìn)行供電，燃煤鍋爐進(jìn)行集中供熱，電壓縮式制冷機(jī)進(jìn)行制冷，其參數(shù)如表2所示。

圖8 聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)系統(tǒng)工藝圖

表1 基本負(fù)荷信息

表2 聯(lián)供系統(tǒng)和參照的分供系統(tǒng)基本信息

由表1和2可知，全年電負(fù)荷總計(jì)為11493792MJ，冷負(fù)荷總計(jì)為8059392 MJ，熱負(fù)荷為8414280 MJ；聯(lián)供系統(tǒng)總?cè)細(xì)庀牧浚òㄑa(bǔ)燃和購(gòu)買(mǎi)市電折合后）為1278000 m3，輸入聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)總能量42813000 MJ；分產(chǎn)系統(tǒng)總?cè)細(xì)庀牧繛?431761 m3，輸入分產(chǎn)系統(tǒng)的總能量為47963993.5 MJ。根據(jù)式（1）得聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電效率為26.85%，制冷效率為18.82%，供熱效率為19.65%，能源利用率為65.32%，低于系統(tǒng)廠家提供該機(jī)型的能源利用率73.12%，但是高于分產(chǎn)系統(tǒng)下能源總利用率58.31%。與純常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)供能方式相比，聯(lián)供系統(tǒng)全年節(jié)省燃?xì)?53761 m3，相對(duì)節(jié)能率經(jīng)計(jì)算為10. 74%，節(jié)能系數(shù)為0.12，低于純聯(lián)供系統(tǒng)供能方式下的相對(duì)節(jié)能率和節(jié)能系數(shù)，這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)有補(bǔ)燃和購(gòu)買(mǎi)市電，相當(dāng)于該供能系統(tǒng)中是以聯(lián)供系統(tǒng)為主，常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)為輔的供能方式，降低了聯(lián)供系統(tǒng)熱力學(xué)性能參數(shù)。根據(jù)式（6），求得聯(lián)供系統(tǒng)的折合發(fā)電效率為42.29%，要遠(yuǎn)大于分產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)電效率35%，但是小于分產(chǎn)系統(tǒng)能源總利用率58.31%，這是由于電的能級(jí)品質(zhì)要高于冷和熱。根據(jù)式（7），求得聯(lián)供系統(tǒng)的新定義折合發(fā)電效率為39.63%，要大于聯(lián)供系統(tǒng)的純發(fā)電效率26.85%和分產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電效率35%，小于折合發(fā)電效率42.29%，這個(gè)結(jié)果能充分說(shuō)明連供系統(tǒng)在能源利用效率上更有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也彌補(bǔ)折合發(fā)電效率將好處全部歸為電的弊端。

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究可知：

（1）文章引進(jìn)了一種新思路定義的折合發(fā)電效率，將其與相對(duì)節(jié)能率和節(jié)能系數(shù)組合共同評(píng)價(jià)聯(lián)供系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，把熱力學(xué)第一定律和第二定律結(jié)合共同展開(kāi)評(píng)價(jià)，解決了能源利用率忽略能級(jí)品位和工藝差異的不足，彌補(bǔ)了折合發(fā)電效率原有定義思路的片面性，體現(xiàn)了聯(lián)供系統(tǒng)的能量梯級(jí)利用和節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

（2）機(jī)體散熱和煙氣逸漏會(huì)降低聯(lián)供系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，通過(guò)改善機(jī)體材料保溫性能、表面覆蓋保溫材料、對(duì)機(jī)體孔隙泄漏處進(jìn)行密封等方式減少機(jī)體散熱和高溫?zé)煔庑孤?/p>

（3）過(guò)剩空氣系數(shù)影響燃燒溫度和煙氣排放量，過(guò)大會(huì)增加煙氣排放量帶走更多的能量，過(guò)小會(huì)使燃?xì)獠怀浞秩紵沟没瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化熱能不充分，都會(huì)降低系統(tǒng)性能，通過(guò)煙氣成分分析和燃燒過(guò)程實(shí)際需求進(jìn)行確定、調(diào)節(jié)；燃料物理和化學(xué)不完全燃燒可以通過(guò)提高過(guò)剩空氣系數(shù)和燃料空氣的混合均勻程度進(jìn)行改善，原則上過(guò)剩空氣系數(shù)應(yīng)當(dāng)是在保證完全燃燒的前提下盡量降低，文章建議過(guò)剩空氣系數(shù)可以為1.08～1.12；高溫?zé)岱纸鈸p失可以通過(guò)調(diào)節(jié)爐膛燃燒溫度和分壓力進(jìn)行抑制，當(dāng)控制爐膛溫度為1800℃左右，分解物分壓力為0.3 MPa以上時(shí)均可以有效提高聯(lián)供系統(tǒng)的熱力學(xué)性能。

［1］ 李佩，王健，何石泉，等.天然氣分布式能源系統(tǒng)的能源綜合利用效率計(jì)算［J］.暖通空調(diào)，2014，44：13－17.

［2］ 馮志兵.燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成理論與特性規(guī)律［D］.北京：中國(guó)工程院熱物理研究所，2006.

［3］ 林汝謀，郭棟，金紅光，等.分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能量梯級(jí)利用率新準(zhǔn)則［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2010，23（1）：1－10.

［4］ 廖春暉，趙加寧，王磊.國(guó)內(nèi)外熱電聯(lián)產(chǎn)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)介紹與分析［J］.煤氣與熱力，2012，32（1）：4－9.

［5］ Szklo A.S.，Tolmasquim M.T..Analysis of Brazil's cogeneration legal framework［J］.Energy Conversion and Management，2003，44：369－380.

［6］ 李壯.兩種典型天然氣分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用研究［D］.濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2013.

［7］ 楊承，楊澤亮，蔡睿賢.基于全工況性能的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)效率指標(biāo)比較［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（2）：8－13.

［8］ 同濟(jì)大學(xué).燃?xì)馊紵c應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［9］ 陳強(qiáng).分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)全工況特性與主動(dòng)調(diào)控機(jī)理與方法［D］.北京：中國(guó)工程院熱物理研究所，2014.

［10］李先瑞.對(duì)天然氣分布式能源系統(tǒng)能源利用評(píng)估指標(biāo)的探討［J］.區(qū)域供熱，2014（1）：6－10.

［11］王衛(wèi)琳，李潔，賴(lài)建波，等.天然氣分布式能源系統(tǒng)節(jié)能減排效益分析［J］.煤氣與熱力，2013，33（8）：23－26.

［12］金紅光，鄭丹星，徐建中.分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)裝置及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

［13］Horlock J.H..Cogeneration-combined heat and Power（CHP）［M］.Malabar：Krieger Pub Co，1997.

［14］De Biasi V..Air injection restores gas turbine power lost to hot day operation［J］.Gas Turbine World，2013，43（6）：14－19.

［15］任建興，鄧萬(wàn)里，梁松彬，等.過(guò)?？諝庀禂?shù)對(duì)多種燃?xì)馊紵郎囟扔绊懙姆治觯跩］.節(jié)能，2011，30（1）：21－24.

［16］王崢.燃?xì)忮仩t不完全燃燒現(xiàn)象的淺析［J］.區(qū)域供熱，2015（1）：97－98.

（學(xué)科責(zé)編：吳芹）

The study of thermodynam ic performance of gas CCHP system

Yang Mingliang1，Tian Guansan1，2，3*，Xing Hongpeng4，et al.
（1.School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Building，Ministry of Education，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.Shandong Provincial Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Building，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；4.Huarun Gas（Zhengzhou）Municipal Design Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou 450006，China.）

Thermodynamic performance is the core and foundation to evaluate the gas distributed energy system，which will also affect other technical performance indicators.This paper introduces a kind of new train thought to redefine conversion efficiency combined with relative energy saving rate and coefficient of energy conservation from the perspective of energy“quality and quantity”and verify some indicators，making up for shortcomings of energy efficiency and conversion efficiency intrinsically.The article focuses on researching the body heat and smoke from leakage，excess air coefficient and incomplete combustion gas affecting thermodynamic performance.Results show that the redefined conversion efficiency and relative energy saving rate and coefficient of energy conservation are accurate and scientific.Reducing the coefficient of thermal conductivity and escape and leakage coefficient by improving the bodymaterials and seal leak，keeping the coefficientof excess air as1.08－1.12，controlling combustion temperature under 1800℃and decomposition's partial pressuremeasures as 0.3MPa can make the body has high thermodynamic performance.

thermodynamic performance；primary energy-saving rates；excess air coefficient；coefficient of energy

TU996

A

2015－09－11

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（NO2012BAJ15B05）

楊明亮（1988－），男，在讀研究生，主要從事動(dòng)力工程等方面的研究.E-mail：1042146055＠qq.com

*：田貫三（1963－），男，教授，博士，主要從事燃?xì)廨斉浼皯?yīng)用等方面的研究.E-mail：tgs4170＠sdjzu.edu.cn

1673－7644（2015）05－0445－07