在我国一方面热电厂夏季热负荷不足,一方面存在夏季空调负荷过大。利用热电厂的热介质进行集中制冷使夏季与冬季负荷更加平衡,热用户与冷用户互为补充,从而提高热电厂运行的经济性,取得更好的社会效益和经济效益。然而集中制冷在我国的发展却不尽人意,本文将对其存在问题进行分析。---东北电力大学 吕太 王正;中国电力工程顾问集团公司 康慧
前 言
目前热电厂存在夏季热负荷不足的问题。我国建设的热电厂以区域性热电厂为主,企业自备热电厂为辅。自备热电厂以满足企业生产用汽为主,除少数区域性热电厂供应生产用汽和居民采暖外,大部分区域性热电厂以供应居民采暖为主。这类以供暖为主的区域性热电厂冬季供暖负荷很大,但到了非供暖期,在无工业负荷时,民用供暖负荷为零,以热定电的中小型热电厂通常会停止运行,而大型热电厂则变为纯凝发电运行。在这种情况下,前者造成热电厂闲置半年的设备资源浪费,后者造成热电厂低品位热能资源的浪费。这种现象在我国由北向南逐步加剧。
将热电联产改进为热电冷三联供,可以改变热电厂冬夏负荷不均衡性。目前,我国居民生活水平迅速提高,空调制冷负荷急剧增加。利用溴化锂吸收式制冷机为制冷设备,在热电厂中推广使用热力制冷,增加热电厂夏季负荷,使以热定电的热电厂冬夏均可以正常运行,一方面增加了热电厂发电量,创造了经济效益,另一方面提高了设备利用率,缩短投资回收年限。而对于夏季纯凝运行的大型热电厂,能有效利用汽轮机发电后的低品位蒸汽热能,则可以大大提高热电厂的热能利用率,进而提高热电厂的经济效益。
尽管热电厂集中制冷有诸多好处,可是在我国却迟迟发展不起来,下面将阐述热电厂集中制冷存在的问题。
1 冷负荷
1.1地理因素
我国规定的“严寒”与“寒冷”采暖区几乎占整个国土面积的70%和全国总建筑面积的50%。其中“严寒”地区基本上没有制冷空调的要求,而“寒冷”区如华北和西北的部分地区夏热、冬冷,除采暖外还有制冷空调的要求。我国有2/3人口居住在“非采暖区”,包括夏热冬暖的长江中下游地区和南方炎热地区,随着经济的发展和居民生活水平的提高,长江中下游地区既要采暖,也需要制冷空调。而我国东北地区的冷负荷很小,不适于搞集中供冷。如果在南方搞集中供冷,年最大供冷负荷小时数大,有利于运行费低的供冷系统发展。然而在我国南方地区绝大多数城市没有供热管网,如果为了集中供冷再铺设管道的话,初投资必然会加大很多,以深圳市为例,每铺设一米管道,其投资超过一万元,而其中75%并不是成本,而是用来赔偿的,也就是说在冷负荷大的地方却没有供热管道,而再铺设涉及部门多,初投资大,造成了热电厂集中制冷举步维艰。而在严寒地区有大量的供热管道,却没有冷负荷,这是一个矛盾体。
目前在长江流域建设大型热电联产集中供热和热电冷三联供项目,无论是以燃煤还是以燃气为动力,都存在很多的能耗不合理问题。长江流域地区冬季短夏季长,而夏季使用发电余热制冷时的制冷效率仅为电制冷效率的20%左右。采用集中供冷要依靠大型循环管网输送冷水,这直接导致循环水泵电耗增加。
1.2 公用建筑和民用建筑
公用建筑和民用建筑在空调形式和使用上有以下区别:(1)公用建筑多采用集中空调,而民用建筑以采用分体式空调机组为主; (2)公用建筑空调的同时使用率高,而民用建筑的同时使用率低;(3)民用建筑层高低,人员、新风负荷小,其冷热量指标比公共建筑小;(4)公用建筑的使用时间以白天为主,而民用建筑的使用时间以夜晚为主。公用建筑的负荷因子较大,基本处于平均冷负荷,民用建筑的负荷因子较小,基本上白天人们上班,冷负荷较小,而晚上冷负荷较大,负荷因子小,由于民用建筑一次性投资过高,运行管理复杂,应有物业管理公司专业化管理,分户计量与空调系统收费技术复杂。尽管集中供冷是小区住宅建筑空调的发展趋势,符合“绿色建筑”的要求,但是由于对造价与投资、能耗与使用费、分户计量、运行维护管理、冷热量调节、政策与法规等问题还需要进一步研究,房地产商和住户往往顾虑重重,因此目前建设的工程不多。
原则上,同时具有电力和空调需求的场所均适合于应用热电冷联产系统。如工厂、旅馆酒店、医院、休闲娱乐中心(游泳地)、学校、机场、商店(超市、购物中心)、办公楼、独立式住宅和公寓等等。但限于设备投资费用和系统运行的经济性,系统中的电负荷及空调负荷具有一定规模时采用热电冷联产系统才比较经济合理。负荷密度大,则输送系统单位负荷投资小,有利于区域供冷的经济性。当负荷密度过小,采用区域冷热联供的单位负荷初投资过大,就会被分散的供冷方式取代。
2 热介质
热电厂的供热介质主要是蒸汽和热水。以蒸汽作为供热介质时,制冷设备可采用双效机,但由于蒸汽在输送过程中,压损大,使得汽轮机抽汽或排汽的参数提高,机组效率下降;以热水作供热介质时,可使汽轮机抽汽或排汽的参数降低,机组效率提高,热网效率也较高,但制冷设备只能用单效机。
汽网的特点:对用户的适应性强,可以满足各种热负荷,输送能耗小,比水网输送热水的耗电量低得多,输送管道压损大,汽网供热距离一般在5km以内,其压降损失0.098~0.118MPa/km,直接供汽的回水率低,甚至完全不能回收,即回水率Φ=0,目前中国最好的为Φ=20%。使热电厂的外部工质损失大增,导致水处理的投资、运行费剧增,回水率Φ值对热电厂的经济性影响很大。更严重的是,它影响高压锅炉的运行可靠性。
水网的特点:供热距离远,且热网的热损失小,每公里仅降1℃左右,一般比汽网的热损失小5%~10%。水网的供热距离较大。水温150℃以下一般为15~20km,高温150℃以上可达30~49km。水网是利用供热式汽轮机的调节抽汽,在面式热网加热器中凝结放热,将网水加热并作为载热介质通过水网对外供热,该加热蒸汽被凝结成的水可以方便地在热电厂内全部回收。冷水的输送距离一般为1~2km,温差一般为5℃。
当热电厂采用蒸汽集中制冷时,由于蒸汽的输送距离一般在5km之内,而目前我国的热电厂普遍位于城市郊区,而冷负荷用户,又普遍在城市中心,因此,如果采用蒸汽供冷,不能保证能在冷用户处制冷,这也是一个普遍问题。而且采用蒸汽供冷热电厂的回水率低,也就说热电厂供出的蒸汽不能通过凝结水回收,要知道热电厂的水是经过相当繁杂的处理的,不能回收对热电厂的经济性影响很大。但目前热电厂进行集中制冷大多采用这种方式。
当热电厂采用热水集中供冷时,城市集中供热高温热水管网,一般直埋敷设,保温材料为聚胺酯,聚胺酯耐温极限为120℃,综合考虑其经济性,城市集中供热高温热水一般为120℃。城市集中供热蒸汽管网,供热半径不超过5km,每1km压降一般为0.1MPa。由此可见,城市集中供热蒸汽管网区域内,可使用双效型溴化锂吸收式水冷机组,而只有热水管网的区域,只能选用单效型溴化锂吸收式水冷机组。而双效热水溴化锂机组要求的供水温度为140℃~200℃,在我国原有二级网供热管道上通过高温热水是不可能的,如果更换管道,又要增加很大的投资,要求的管道等级也相应提高,只能使用单效溴化锂吸收式制冷机,而单效吸收式制冷机的热力系数太低,热电厂采用集中供冷不经济。
单效溴化锂吸收式制冷机一般用0.1MPa(表压)的低压蒸汽或80℃以上的热水为加热热源,热效率极低,热力系数为0.6~0.7。双效溴化锂吸收式制冷机一般用0.3~0.9MPa(表压)的蒸汽或140℃~200℃以上的热水为加热热源,机组的热效率大为提高,热力系数为0.95~1.4。随着驱动热媒温度的降低吸收式制冷机的制冷量及COP值相应降低,单位制冷量所需要的设备增多、导致了设备投资的增加;相反,过高的热媒温度将导致热电厂发电量的降低。
3 其他因素
3.1 价格
与工业、交通能耗不同,建筑能耗比较难于以提高能源价格的方法来降低,原因在于家用空调等建筑能耗不是作为生产成本,而作为商品生产过程目标和利润与成本紧密相关,提高能源价格难以控制不是生产成本的家用空调等建筑能耗,而对于工业空调等系统,能源价格应该是一个有效的控制方法。
3.2 层高
不能享受夏凉因为层高限制。
武昌“冬暖夏凉”工程,尽管武汉夏天较长,绝大多数居民初步都考虑选择“三联供”。最后却因层高限制,不得不退而求其次。
武汉楼房层高一般是3米高,该工程制冷设备末端采用风机盘管,类似宾馆、写字楼室内中央空调系统。“这套系统安装后,一般要占据层高的50-60厘米,适合在层高较高的楼层安装,如写字楼等办公区域”。素称“火炉子”的武汉,不得不使武昌“冬暖夏凉”工程首批用户大多只选择了“冬暖”服务。昨日,武汉德威热力公司公布武昌地区“冬暖夏凉”工程首批用户,因为受楼房层高限制,绝大多数用户不得不舍弃“夏凉”。很多小区居民也表示,为了“夏凉”,愿意牺牲“空间”,不计“高度”。武汉德威热力公司负责人表示,还是不能安装,因为国家建设部门有相关楼层高度标准,不可违背该标准。
3.3 维修
集中制冷供热是一个非常复杂的系统,所以日常的维护是相当重要的,尤其当这个系统出了故障的时候,立即维修恢复正常运作就是头等大事。但是在实际运作中却往往会发生维修费用无法落实的情况,物业管理公司往往会认为维修费用不在他们的责任范围之内,由此也常常会引发矛盾而耽误了维护的时间,从而影响了业主的正常生活。
3.4 溴化锂寿命
结论及建议
(1)热电厂集中制冷还与热电厂机组的型式、容量、初蒸汽参数、抽汽或背压排汽参数、供冷负荷特性、供热机组容量和初参数、电网供电煤耗率、电站锅炉效率等因素有关。
(2)在进行城市热力规划时,应考虑的优先领域和重点:
从地域上逐步扩展,首先从北方供暖地区开始,因其己有供热系统,再扩建夏季制冷,不需要太大的投入,即可实现热电冷联供并迅速推广的目的;
从基础好的大中城市开始,再发展到一般城市和城镇;
从建筑类型上考虑,首先从公共建筑(酒店、宾馆、商厦、写字楼等)开始,然后是工业企业,再扩展到豪华居住园区的居民住宅;
从新旧建筑上分,首先是新建筑,在设计、施工中直接采用热电冷联供,再对已建成的建筑逐渐进行改造。
政府部门要给予热电冷联供事业以优惠的财政政策、金融政策、价格政策,相关行业管理部门的政策应统一于国家的产业政策,积极地扶持和培育热电冷联供事业的发展。
(3)热电冷联产工程是一项涉及社会、能源、经济等多方面的庞大的系统工程,投资大,周期长。因此,这个大系统的节能性、经济性、环保性与众多的外部和内部因素有关,同时这些因素之间往往又相互影响和关联,因此要求对热电工程进行可研和规划时进行详尽的分析。