包哲，王旭，吳楠楠，李薇

(華北電力大學環境科學與工程學院，北京102206)

　　摘要：對以生物質混煤為燃料的冷熱電三聯產系統，綜合考慮其節能性、經濟性和環保性等多種影響因素，建立多目標評價體系進行系統能效分析；并從能值角度出發，對不同的能值指標進行分析，探究混摻生物質對冷熱電聯產系統的影響，以確定生物質的最佳混摻比例。結果表明：在相同的負荷條件下，以生物質混煤為燃料的冷熱電聯產系統不僅可以節約系統的運行成本，SO_x、NO_x、CO₂減排潛力較大，兼具良好的環境效益和經濟效益；在10%、15%、20%3個混摻比例當中，生物質混摻比為20%時的生物質混煤冷熱電聯產系統能值產出率最大，環境效益最高，經濟性和環保性都有比較好的發展前景。

　　隨著我國經濟的快速發展，能源的需求量與日俱增，能源短缺問題與經濟快速發展之間的矛盾日益增大。冷熱電聯產系統(combined cooling，heating and power，CCHP)作為一種新型的綜合能源系統，不僅可以實現冷、熱、電3種形式的能量同時供給，有效提高系統的一次能源利用率和經濟效益，還能夠消納可再生能源，使電力系統的運行更加靈活與清潔。目前，國內外對CCHP系統的研究主要以系統評價體系、系統優化、系統重點裝置的研發與應用為主。周任軍等^[1]以冷熱電系統為研究對象，結合生產成本和環境成本構建目標函數，分析冷、熱、電負荷需求量特點。江麗霞等^[2]通過研究冷熱電聯產系統的節能原因，分析比較了多種聯產系統方案，揭示了系統能量的基本運行規律、轉換特點、評價準則。安志偉等^[3]分別對冷電聯產系統、熱電聯產系統、冷熱電聯產系統的節能因素進行探究，結果表明補燃率越大，節能率越小。馮志兵等^[4]從熱力學角度出發，對冷熱電聯產系統進行分析，并比較了多種評價準則，結果表明燃氣輪機溫比的升高有利于提升系統的節煤率和一次能源利用率。

　　Gorsek K等^[5]通過分析冷熱電聯產系統和分產系統常見的經濟性評價指標，比較這兩種系統的優異性。Marc A.Rosen等^[6]從系統的能效性指標出發，對冷熱電聯產系統的性能進行了綜合分析，結果表明選取的評價指標不同，評價結果也有所差異。Armando Fontalvo等^[7]從壓比、透平效率等參數對系統炯效率的影響出發建立了系統計算模型，結果表明透平效率的提高可減少總煙損。綜上所述，目前大部分研究是基于煤炭或生物質直燃的供電方式，通過建立評價模型，分析系統的運行策略和設備的運行工況對系統能源利用率、經濟效益和環境效益的影響，而并未探究生物質煤炭混燃供能方式對系統能效性的影響。

　　我國作為農業大國，生物質產量十分豐富，發展生物質混煤冷熱電聯產系統，不僅可以有效地解決我國能源短缺危機和大氣污染問題，還可以提升生物質發電的經濟效益。為此，本文以生物質混煤冷熱電聯產系統作為案例，研究不同容量下生物質混煤系統的性能特點，從“節能-經濟-環保”角度出發，建立冷熱電系統綜合評價模型，基于多指標分析方法，探究系統指標隨生物質與煤混摻比的變化規律，確定最佳混摻比，從而為制定最佳的系統運行方案，提供理論基礎。

　　1冷熱電聯產系統

　　冷熱電聯產系統的實質是有效地實現了能源的梯級利用^[8]，冷熱電聯產系統工作原理如圖1所示。

　　燃料燃燒產生的高品位能源用于燃氣輪機發電系統向用戶供電；所產生的高溫煙氣一部分輸送至蒸汽發電系統，生產的電量再次輸送給用戶，另一部分煙氣進入供冷、供熱系統，以滿足用戶的冷熱需求。相比于常規火力發電系統或冷熱電分產系統，冷熱電聯產系統由于高效地實現了能源的梯級利用，其能源利用效率得到了大幅度的提高。據相關數據統計，冷熱電聯產系統一次能源利用率可達到80%以上^[9]。

　　2冷熱電聯產系統綜合評價

　　2.1評價方法

　　熱力學第一定律、第二定律評價方法是常用的CCHP系統評價方法。其中，熱力學第一定律分析法主要根據能量之間的互相轉化和守恒定律來評價聯產的節能性和經濟性。熱力學第二定律分析法主要以功損失和煙效率為評價指標^[10]。上述這2種評價方法都比較注重熱經濟性的分析和評價。在冷熱電系統的綜合評價中，根據評價角度不同，衍生出以下指標類別：1）經濟性指標包括年能耗費用、年一次能源節約費用等；2）節能性指標包括煤耗量、節能率、一次能源利用等；3）環境性指標包括CO₂排放量、NO_x排放量、SO₂排放量等。

　　2.2評價實例

　　2.2.1節能性分析

　　節能性分析方法可用來分析聯產系統的節煤量和一次能耗率等指標^[11]。

　　1）一次能耗率

　　一次能耗率是指消耗的一次消耗能源量與輸岀能量的比值，一次能耗率越小，系統的一次能源節能性越好。分產系統一次能耗率的計算包括制冷、供熱、發電3部分。

　　2）節煤量

　　節煤量是指在相同的熱、冷、電負荷條件下，聯產系統相較于分產系統所節約的煤量，該指標可直接反映系統的經濟性和節能性。

　　2.2.2經濟性分析

　　1）運行費用

　　2）環境費用

　　環境費用指大氣污染物（SO₂和NO_x減排所帶來的經濟效益。根據2017年頒布實行《中華人民共和國環境保護稅法》，具體的污染物減排量和相關收益計算公式如下。

　　2.2.3環保性分析

　　冷熱電系統的大氣排放物中99.5%為CO₂，因此CO₂減排潛力成為評價系統中重要的環境指標。冷熱電系統CO₂減排率Eer可表示為：

　　2.2.4案例分析

　　本文案例中冷熱電聯產子系統分別包括汽輪機發電機、高溫煙氣供熱、漠化鋰制冷機組。冷熱電分產子系統分別為汽輪機發電機組、高溫煙氣供熱、壓縮式制冷機。將冷熱電聯產系統與分產系統進行綜合比較，系統具體技術參數^[12]見表1。基于本文系統評價模型，計算多種評價指標，計算結果見表2。

　　由表2可知：在供應相同冷、熱、電負荷的條件下，從節能指標來看，冷熱電分產系統的一次能耗率為1.48煤耗量為13192.28kg/h；冷熱電聯產系統的一次能耗率為1.10，煤耗量為10092kg/h。對比可知，采用冷熱電聯產系統后，節煤量可達3100.28kg/h。從環保的指標來看，冷熱電分產系統CO₂排放量為34.56t/h，聯產系統CO₂排放量為26.44t/h，CO₂減排率為0.23。同時，冷熱電聯產系統還可以減少排放27.90kg的SO₂和33.48kg的NO_x。從經濟指標來看，冷熱電聯產系統環境保護稅可節約740.21元/h，節約煤費用達1240.11元/h。綜上所述，冷熱電聯產系統不僅可以提升一次能源的利用率，減少耗煤量，節約生產升本，還能有效的減少CO₂、SO₂、NO_x等溫室氣體和大氣污染物的排放。

　　2.2.5生物質混煤冷熱電聯產系統多目標分析

　　從上述可以看出，相比于冷熱電分產系統，冷熱電聯產系統在節能性指標、經濟性指標和環保性指標分析中優勢明顯。在此基礎上，將進一步對常規燃煤冷熱電聯產系統和生物質混煤冷熱電聯產系統的運行性能進行對比分析。

　　3生物質混煤冷熱電系統能效分析

　　由于生物質混煤冷熱電聯產系統環境效益更佳，故探尋不同的燃料混摻比，對發揮生物質能的最大作用具有重要研究意義。能值概念及能值分析理論^[15]最早由美國著名系統生態學家H.T.Odum提出，能值分析理論作為一個能夠同時考慮自然系統和經濟系統，并比較它們產品的分析方法，已被廣泛應用于生態系統、農業生產和社會經濟等領域的研究^[15-17]。本文基于能值分析理論，以100、200、300MW燃煤發電機組為例^[18-19]，通過計算不同系統的能值產出率、可再生能源利用率和能值可持續性指標，研究不同容量混生物質燃煤系統中的最佳生物質混摻比。當生物質混摻比例過大時，容易造成鍋爐結渣，且生物質混摻比高于20%時，系統性能主要受燃燒升溫速率和燃燒工況的影響^[20-21]，因此本文選擇生物質混摻比例分別為10%、15%、20%（質量分數）。

　　3.1能值分析指標

　　3.2結果分析

　　3.2.1能值產出率

　　圖2為當生物質混摻比為10%、15%和20%時不同生物質混煤冷熱電系統的能值產岀率。如圖2所示：當混摻相同比例的生物質時，隨著機組負荷的增加，能值產出率呈先升高后降低的變化規律；對于同一機組，隨著混摻生物質比例的增加，能值產出率呈現逐漸升高的趨勢；3種機組負荷下，200MW機組的能值產出率最高，即生物質系統生產效率最大。可見，僅從能值產出率角度來看，混摻20%生物質的200MW生物質混煤冷熱電系統更具有競爭力。

　　3.2.2環境負載率

　　圖3為當生物質混摻比為10%、15%和20%時不同系統的環境負載率。如圖3所示：當混摻相同比例生物質時，對于不同系統，隨著機組負荷的增加，環境負載率逐漸升高；對于同一機組，隨著混摻生物質比例的增加，環境負載率逐漸降低。這可能是因為混摻生物質的能值整體占比較小，對于混煤冷熱電聯產系統影響較小。3種機組負荷下，100MW機組的環境負載率最小，即承受環境的壓力最小。這是由于100MW的生物質混煤冷熱電系統的產能相對較小，因此產生的環境污染物也最少。可見，僅從環境負載率角度來看，混摻20%生物質的100MW生物質混煤冷熱電系統更具有競爭力。

　　3.2.3能值可持續指標

　　圖4為當生物質混摻比為10%、15%和20%時不同系統的能值可持續指標。如圖4所示：當混摻相同比例生物質時，隨著機組負荷的增加，能值可持續指標逐漸降低，即系統越小，能值可持續指標升高越明顯，對應系統的能值可持續性越好；對于同一機組，隨著混摻生物質比例的增加，能值可持續指標值逐漸升髙，不同機組能值可持續性上升趨勢相當。

　　對于300MW生物質混煤冷熱電系統，當生物質混摻比為10%時，能值可持續指標值小于1；當混摻比為15%、20%時，能值可持續指標值均大于1。這表明隨著生物質混摻比例的增加，該系統的所屬狀態發生了改變，即從長遠角度來看，該系統具有較強的發展活力以及可持續性。對比3種負荷生物質混煤冷熱電系統，100MW負荷機組的能值可持續指標值最大，即可持續性最強。綜上所述，從能值可持續性綜合指標來說，混摻20%的100MW生物質混煤系統更有利于總體發展，競爭力也更強。

　　4結論

　　1)考慮多種影響因素，建立了基于一次能源節約率、運行費用節約率和CO₂減排率三者相結合的冷熱電聯產系統多目標評價體系。

　　2)綜合分析生物質混煤冷熱電聯產系統的能效性，并兼顧良好的環境效益和經濟效益，3個混摻比例當中，20%為最佳生物質混摻比。本文對于選擇合適的能源利用方式和生物質混合比例提供了重要依據和方法。