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燃气内燃机与燃气轮机冷热电联产系统的比较左 政, 华 贲(华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东广州510141) 摘 要: 介绍了美国建筑燃气内燃机与燃气轮机冷热电联产系统的应用现状。
从变工况下的热电效率和火用效率两个方面比较了MW 级燃气内燃机和燃气轮机冷热电联产系统的技术性能,分析了两者在不同冷热电需求下的一次能耗。
对1～3MW 建筑冷热电联产系统,燃气内燃机具有明显的节能和经济效益,而燃气轮机联合循环适用于规模更大的系统。
关键词: 冷热电联产; 燃气轮机; 燃气内燃机; 节能中图分类号:T U995 文献标识码:A 文章编号:1000-4416(2005)01-0039-04Co m par ison Between Ga s Eng i n e and Ga s Turb i n e CCHP System sZ UO Zheng, HUA Ben(Key L ab of Hea t Transfer and Energy Conservation,South China U niversity of Technology,Guangzhou 510141,China ) Abstract: App licati on situati on of gas engine and gas turbine CCHP syste m s app lied in American buildings is p resented .Based on ther moelectric and exergy efficiencies under variable operati on condi 2ti ons,technical perf or mance of MW class gas engine and gas turbine CCHP system s is compared,and p ri m ary energy consump ti on of above t w o syste m s is analyzed under different de mand f or cooling,heat and power .It can be concluded that gas engine has more advantages in energy saving and econo m ic bene 2fits f or 1～3MW building CCHP syste m ,and gas turbine combined cycle would be app licable f or larger CCHP syste m. Key words: CCHP; gas turbine; gas engine; energy saving 基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(G2*******); 广东省科技攻关项目(133-B27380) 随着我国天然气的快速开发,大力发展以天然气为一次能源的分布式冷热电联产系统的时机已经成熟。
热负荷热效率
燃气灶热火力是通过两个指标：热负荷和热效率来衡量的。
1、热负荷：也称热流量，表示单位时间内燃气燃烧释放的能量，它是决定灶具加热能力的重要指标之一，产品上标示的热负荷值一般为最大热负荷。
（国标规定嵌入式家用燃气灶最大热负荷应≥3.5KW)
2、热效率：是指燃气灶燃烧过程中所释放能量的利用率（被锅底吸收），它是衡量的是燃气灶加热能力的重要指标之一，同时也体现是否节能。
国家标准的要求是：（台式灶：>58%，嵌入式：>55%），我们目前都能达到
解释：
①关于爆炒：并不是热负荷标值越大或热效率越高就加热能力越强，必须一同考虑，衡量加热能力最简单有效的方法即：有效火力=热负荷*热效率（如：HA系列有效火力为
4.1kW*63%=2.58kW）。
如需猛火爆炒，有效负荷至少应大于
2.4kW，可以说有效火力越大，炒菜火力越旺。
②关于炖煮：燃气灶除了考虑最大热负荷外，还可以根据烹饪习惯考虑最小热负荷，比如平常会煲汤或小火炖煮的用户，还需要了解灶具能调节的最小负荷值。
如最小火力不够小，一方面不利于小火炖煮（如烧汤收汁），一方面会产生不必要的能量浪费。
小火煲汤的最小负荷应小于300w
③关于节能：耗气量不热负荷直接相关，热负荷越大耗气量越高。
但中式烹饪需要足够大的有效火力，因此节能的最好方式是尽量提高热效率从而增大有效火力值。
通俗的话：热效率煤气用的省一点就是热效率高;热负荷高就是炒菜快。
锅炉燃烧过程中的能量转化与效率分析燃烧是锅炉工作中最基本的过程之一，它将燃料中的化学能转化为热能，提供给锅炉中的工质，如水或蒸汽。
在这个过程中，能量的转化与效率的分析对于锅炉的设计和运行至关重要。
首先，让我们了解一下燃烧是如何进行的。
当燃料与空气中的氧气接触时，发生氧化反应，释放出热量。
在火焰中，燃料的氢和碳与氧气结合形成水和二氧化碳，并释放出大量的热能。
这个过程被称为完全燃烧。
然而，在实际的锅炉燃烧过程中，完全燃烧是难以实现的。
燃料中的杂质、燃料颗粒的大小和形状，以及燃烧过程中的温度和压力变化等因素都会影响燃烧的效率。
因此，锅炉的设计和操作需要考虑如何最大限度地提高燃烧效率。
为了分析能量的转化和效率，我们需要引入一些基本概念。
首先是燃料的热值，即单位质量燃料所释放的热量。
热值通常以热量单位来表示，如焦耳/克或千焦/千克。
燃料的热值可以通过试验或理论计算得出，对于不同种类的燃料有所差异。
其次是锅炉的热效率，它衡量了燃料中的化学能转化为热量的效率。
热效率通常以百分比表示，是燃料消耗的化学能和输入锅炉的热能之比。
热效率越高，说明锅炉的能源利用效率越好。
然而，锅炉在实际运行中会有一些损耗，降低了热效率。
例如，燃料在进入炉膛之前需要经过预处理，如干燥和破碎，这些过程会消耗一定的能量。
此外，燃料在燃烧时还会产生烟气，其中携带了大量的热量。
这些烟气排放到大气中，造成了热能的损失。
因此，锅炉的热效率需要减去这些损耗来计算。
为了进一步提高燃烧效率，可以采取一些措施。
首先是优化燃烧过程。
通过调整燃料与空气的比例，确保燃料能够被充分燃烧。
此外，可以采用先进的燃烧技术，如流化床燃烧和低氮燃烧，来提高燃烧效率和减少污染物的排放。
同时，锅炉的结构设计也需要考虑热能的传递和损耗，如合理设置炉排、炉管和热交换面积等。
除了燃烧效率，锅炉的运行效率也需要关注。
运行效率是指锅炉在实际工作中的能量利用效率。
它是热效率和其他损耗之间的差值，包括热损失、机械摩擦、泄漏和污染物的排放等。
(火用)效率在电站锅炉方面的分析作者：刘世宏学号：0804110017指导老师：徐桂转院系：机电学院热动一班关键词：电站锅炉；（火用）损失；（火用）效率；热量平衡析。
摘要：通过对电站锅炉进行（火用）分析，得出了锅炉的（火用）效率及其各部位、各过程的（火用）损失大小，并把所得到的结果与锅炉热量平衡分析得到的结果进行了对比，发现锅炉的（火用）损失主要包括燃烧过程的（火用）损失和传热过程的损失，这就为进一步提高锅炉的效率指明了方向，即主要从燃烧、传热过程人手，通过富氧燃烧、提高蒸汽初参数等方法来减小锅炉的煤耗。
正文前言众所周知，能源问题已是当今世界瞩目的重要课题，能源的短缺促使人们的节能意识迅速提高，除了认真研究和大力开发各种新的能源资料外，还把合理用能即节能工作放在了重要的地位，而做好耗能设备的节能工作显然是非常重要的。
电站锅炉是火力发电厂的主要耗能设备，因此，对电站锅炉进行节能分析，具有十分重要的意义。
目前，热平衡方法被广泛应用于电站锅炉，它从能量的数量方面分析能量的利用情况。
随着科学技术的发展，一种更准确揭示锅炉热利用的方法一一（火用）分析方法开始应用于电站锅炉。
它从能量的量和质两个方面分析能量的利用情况。
与热平衡分析方法相比较，（火用）平衡分析方法不但能反映电站锅炉的外部损失如排烟、散热等损失，而且能揭示能量转换利用过程的内部损失，即不可逆过程损失。
此外，（火用）平衡分析法可以较为完善的分析电站锅炉中各受热面的能量利用情况。
因此。
采用（火用）分析方法可以更完善、更具体的衡量电站锅炉的热力学完善程度，准确的揭示系统中损失最大的环节或过程，为节约能源提供目标及对策。
1 电厂锅炉（火用）效率的计算方法在用（火用）方法分析锅炉效率时把锅炉的（火用）损失分为外部（火用）损失和内部（火用）损失，其中外部（火用）损失是指系统工质排离系统时所损失的（火用），包括：排烟（火用）损失1I 、化学未完全燃烧（火用）损失3I 、物理不完全燃烧（火用）损失4I 、散热（火用）损失5I 和灰渣（火用）损失6I ；内部（火用）损失是指由于系统内部各过程不可逆所造成的（火用）损失，主要包括：燃烧过程的（火用）损失7I 、传热过程的（火用）损失8I 。
必须建立在热力学第一定律和第二定律基础之上答：热力学第一定律是从能量转换的数量关系来评价循环的热经济性；它可对各种理想循环进行分析，而实际的各种热力循环中都存在原因不同的不可逆损失，找出这些损失的部件、大小、原因、及其数量关系，提出减少这些不可逆损失的措施，以提高实际循环热效率就应采用以热力学第二定律为基础的方法来完成。
因此对发电厂热功转换效果作出全面的评价，必须建立在热力学第一定律和第二定律的基础之上。
1.评价实际热力循环的方法有几种它们之间有什么区别和联系答：评价实际热力循环的方法有两种：一种是热量法（既热效律法），另一种是火用（或熵）方法。
热量法是以热力学第一定律为基础。
用能量的基本特性提出热力循环能量转换的数量关系的指标，着眼于能量数量上的平衡分析，它主要通过计算各种设备及全厂的热效率来评价实际循环的优劣。
这种评价方法的实质是能量的数量平衡。
火用方法是以热力学第一，第二定律为依据，不仅考虑能量的数量平衡关系，也考虑循环中不可逆性引起作功能力的损失的程度。
它是一种具有特定条件的能量平衡法，其评价的指标是火用效率，这种评价方法实质是作功能力的平衡。
两种方法之间的区别：热量着重法考虑热的数量平衡关系，而火用方法不仅考虑热的量，而且也研究其质的数量关系，即热的可用性与它的贬值问题。
因此，两种方法所揭示出来的实际动力装置不完善性的部位、大小、原因是不同的。
3．热力发电厂主要有哪些不可逆损失怎样减少这些过程的不可逆损失以提高热经济性答：主要不可逆损失有过炉内打礁、吹灰等措施减少热阻减少不可逆性。
2）主蒸汽中的散热和节流引起的不可逆性；可通过保温、减少节流部件等方式来减少不可逆性。
3）汽轮机中不可逆膨胀引起的不可逆损失；可通过优化汽轮机结构来减少不可逆性。
4）锅炉散热引起的不可逆损失；可通过保温等措施减少不可逆性。
5）凝汽器有温差的换热引起的不可逆损失；可通过清洗凝汽器减少热阻以减少不可逆性。
4．某一朗肯蒸汽循环，汽轮机进汽参数为：p0=,温度为t0=435℃,排气压力p c=,环境温度为t en=0℃，环境压力为p en=,试求：（1）朗肯循环的热效率；（2）同温限的卡诺循环的热效率；（3）该朗肯循环与温限、吸热量相同的卡诺循环相比熵增及火用的损失解：根据机组参数查焓熵图和水蒸汽图表可得h0=3310 kj/kg h c=2110 kj/kg h c‘ = kj/kgt c’= kj/kg s c= kj/kg s1‘= kj/kg.（1）郎肯循环的热效率为ctc hhhch'--=η=7,137331021103310--=（2）同温限卡诺循环热效率为11TTctc-=η=1-+273)/(435+273)=（3）对卡诺循环：熵增为k kg kj T c h h s ./48.42374357.13733100=+-=-=∆ 火用损失为k kg kj s T E en ./04.122348.4237=⨯=∆=∆（4）对朗肯循环熵增为=-=∆'1s sc s = 火用损失为k kg kj s T E en ./99.178********.6=⨯=∆=∆二1. 为什么纯凝汽式汽轮发电机的汽耗率小于回热式汽轮发电机的汽耗率,而热耗率则大于回热式 答：在机组功率相同的条件下，由于回热抽汽的作功不足使机组的发电功率减少,若保持功率不变，则必需增大机组的汽耗量D 0 和汽耗率d 0。
《热力发电厂》习题解答第一章 发电厂热力过程的理论基础思考题及习题1. 对发电厂热功转换效果做出全面正确的评价,为什么必须建立在热力学第一定律和第二定律基础之上?答：热力学第一定律是从能量转换的数量关系来评价循环的热经济性；它可对各种理想循环进行分析，而实际的各种热力循环中都存在原因不同的不可逆损失，找出这些损失的部件、大小、原因、及其数量关系，提出减少这些不可逆损失的措施，以提高实际循环热效率就应采用以热力学第二定律为基础的方法来完成。
因此对发电厂热功转换效果作出全面的评价，必须建立在热力学第一定律和第二定律 的基础之上。
2. 评价实际热力循环的方法有几种？它们之间有什么区别和联系？答：评价实际热力循环的方法有两种：一种是热量法（既热效律法），另一种是火用 （ 或熵）方法。
热量法是以热力学第一定律为基础。
用能量的基本特性提出热力循环能量转换的数量关系的指标，着眼于能量数量上的平衡分析，它主要通过计算各种设备及全厂的热效率来评价实际循环的优劣。
这种评价方法的实质是能量的数量平衡。
火用方法是以热力学第一，第二定律为依据，不仅考虑能量的数量平衡关系，也考虑循环中不可逆性引起作功 能力的损失的程度 。
它是一种具有特定条件的能量平衡法，其评价的指标是火用效率，这种评价方法实质是作功能力的平衡。
两种方法之间的区别：热量着重法考虑热的数量平衡关系，而火用方法不仅考虑热的量，而且也研究其质的数量关系，即热的可用性与它的贬值问题。
因此，两种方法所揭示出来的实际动力装置不完善性的部位、大小、原因是不同的。
3. 热量火用和工质火用的含义和区别？为什么说火用可作为一个状态参数？答： 温度为T 的恒温热源释放热量q,则q 在热源温度T 和环境温度T en 之间实现卡诺 循环时所做的最大技术功，称为热量火用。
在发电厂的绝大部分热力设备中，工质都是在稳定流动中，流体由状态（p 1,t 1）可逆的变到与环境状态（p en,t en ）相同时所做的最大技术功，称为工质火用，而两者均以环境状态为变化的基础，而只是热源的性质不同。
对常用集中供热方式的火用效率和热效率比较1、常用的集中供热方式(1) 区域锅炉供热方式。
按照热源燃料的不同， 区域供热可分为：燃煤锅炉房集中供热系统、 燃气锅炉房集中供热系统、 燃油锅炉房集中供热系统和热泵集中供热系统。
它们的特点和使用范围不同， 因此也具有不同的适用范围， 经济、 社会和节能效益及发展前景。
(2) 热电联产供热方式。
热电联产是以热电厂作为热源的供热方式， 即由热电厂产生的能源， 一部分提供电能， 而另一部分提供热能， 它是一项能源综合利用技术。
热电联产不仅可以节约能源， 而且在运行时可以减少二氧化碳的排放， 具有节能环保、 供热质量稳定及电力供应增强的综合效益， 和国家可持续发展战略相一致。
就经济效益和社会效益方面考虑，热电联产是极好的供热方式， 国家的产业结构政策明确指出:热电联产为鼓励类。
2、火用、火无以及火用效率的引入火用又可称为有用能，是指当系统由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换为任何其他能量形式的那部分能量，即理论上可转化为最大有用功的能。
而火无则是不能转化为有用功的能量，即无效能。
火用作为一种评价能量价值的参数，从“量”和“质”两个方面规定了能量的“价值”，解决了热力学中长期以来没有一个参数可以单独评价能量价值的问题，改变了人们对能的性质、能的损失和能的转换效率等问题的传统看法，提供了热工分析的科学基础。
对于不同供热方式热力学分析， 可以采用热效率， 这种分析方法是如今广泛应用的评价方法。
但是热效率只能在数量上反应能量的差异， 而在品质上的差异有所欠缺， 不能全面的反应能量利用的真实情况。
因此引入火用效率， 可以在能量平衡时既考虑数量， 也考虑到质量， 采用热效率和火用效率相结合的方法对不同供热方式进行热力学折算， 从而真实的反应出不同供热方式热力学的完善程度。
3、基于锅炉火用效率和热效率之间的联系火用效率是指在某 一过程(包括循环) 中，体系对外输出的有效火用与所获得的有效火用之比。
热泵供热系统的(火用)评价方法
1热泵供热系统专业评价
热泵供热系统是当前大力发展的环保热水热源采暖方式，可节约能源，安全高效，受到越来越多消费者的青睐。
因此，有必要建立一套专业的热泵供热系统评价标准，来对热泵供热系统的火用能力作出准确的评价。
2专业评价标准
1.燃料热量：由燃料的比热容及其热值来计算。
2.燃料组成：根据燃料的比重分析和比例测定，对燃料的组成成份进行细分。
3.热效率：评价热泵供热系统从燃料至用户使用热水的整个过程中，消耗的热量及转化的热量。
4.动力特性：评价热泵供热系统的能力，确定热泵供热系统的最佳运行状态和工作状态。
5.水质性能：涉及热泵供热系统的水分配、蒸发、换热等各项性能，评估其中污染物控制能力，为热泵供热系统的可靠运行提供评价依据。
3能效评价方法
1.能效比：按照冷、热目标计算系统所释放的各部件能效比，用以评价热泵供热系统的效率和可靠性。
2.热用效率：严格计算系统产生的热量及对用户使用的热水的热能产量，以表征热泵供热系统的热能利用水平。
3.额定耗电量：依据热泵供热系统的运行模式及其用电量，进行综合评估，评价热泵供热系统的运行效率。
4.系统控制：考察系统控制部件及其控制能力，及特性控制条件评价某种热泵供热系统的可靠性。
热泵供热系统的评价方法针对不同的系统火用情况，需要进行综合考核，把火用能力、能源利用率、耗能及运行质量等方面系统地汇总起来，以便为使用者提供准确的热泵供热系统的评价结果。
对常用集中供热方式的火用效率和热效率比较
1、常用的集中供热方式
(1) 区域锅炉供热方式。
按照热源燃料的不同， 区域供热可分为：燃煤锅炉房集中供热系统、 燃气锅炉房集中供热系统、 燃油锅炉房集中供热系统和热泵集中供热系统。
它们的特点和使用范围不同， 因此也具有不同的适用范围， 经济、 社会和节能效益及发展前景。
(2) 热电联产供热方式。
热电联产是以热电厂作为热源的供热方式， 即由热电厂产生的能源， 一部分提供电能， 而另一部分提供热能， 它是一项能源综合利用技术。
热电联产不仅可以节约能源， 而且在运行时可以减少二氧化碳的排放， 具有节能环保、 供热质量稳定及电力供应增强的综合效益， 和国家可持续发展战略相一致。
就经济效益和社会效益方面考虑，热电联产是极好的供热方式， 国家的产业结构政策明确指出:热电联产为鼓励类。
2、火用、火无以及火用效率的引入
火用又可称为有用能，是指当系统由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换为任何其他能量形式的那部分能量，即理论上可转化为最大有用功的能。
而火无则是不能转化为有用功的能量，即无效能。
火用作为一种评价能量价值的参数，从“量”和“质”两个方面规定了能量的“价值”，解决了热力学中长期以来没有一个参数可以单独评价能量价值的问题，改变了人们对能的性质、能的损失和能的转换效率等问题的传统看法，提供了热工分析的科学基础。
对于不同供热方式热力学分析， 可以采用热效率， 这种分析方法是如今广泛应用的评价方法。
但是热效率只能在数量上反应能量的差异， 而在品质上的差异有所欠缺， 不能全面的反应能量利用的真实情况。
因此引入火用效率， 可以在能量平衡时既考虑数量， 也考虑到质量， 采用热效率和火用效率相结合的方法对不同供热方式进行热力学折算， 从而真实的反应出不同供热方式热力学的完善程度。
3、基于锅炉火用效率和热效率之间的联系
火用效率是指在某 一过程(包括循环) 中，体系对外输出的有效火用与所获得的有效火用之比。
即
火用效率=体系对外输入的有效火用 / 体系获得的有效火用 =1 - 体系损失的有效火用 / 体系获得的有效火用 即 in
l in out ex ex w
ex ex -==
1η
换句话说，在能量的传递过程中，当输入能量已经确定时，从能量输出的角度分析 最大输出火用=输入火用
故 火用效率=实际输出火用 / 最大输出火用 即 max
out
out
ex ex ex =
η 当输出能量的要求已经明确时，从能量输入的角度分析 最小输入火用=输出火用 故 火用效率=最小输入火用 / 实际输入火用
即 in
in
ex ex ex min =η
以锅炉为例，分析其能量传递过程中的火用效率。
按照上述定义火用效率的原则和火用效率的定义，锅炉火用效率为
bu
ex
tr ex f
f g g f g g f wa st f f wa si bo
ex ex G ex G G ex G G ex ex D ex G ex ex D ηηη∙=∙∙∙∙∙∙-=∙-=
)()( 式中 D ——锅炉蒸发量；
f G 、
g G ——分别为燃料和烟气的质量；
st ex 、wa ex 、g ex 、f ex ——分别为蒸汽、给水、烟气和燃料的火用； bo ex η、tr ex η、bu
ex η——分别为锅炉、传热和燃烧的火用效率；
即 锅炉火用效率=产生蒸汽的火用 / 燃料的火用
=（产生蒸汽的火用 / 燃气的火用 ）* （燃气的火用 / 燃料的火用） =传热火用效率 * 燃烧火用效率 大家十分熟悉的锅炉的热效率为 L
f wa st bo
t Q G h h D ∙-=
)
(η
式中 st h 、wa h ——蒸汽与给水的焓； L Q ——燃料低发热值
即 锅炉热效率=蒸汽吸收的热量 / 燃料燃烧放出的热量
可见，锅炉热效率只反映了能量传递中的数量关系，而锅炉火用效率则进一步表现出了量传递过程中质量变化和不同过程的效益。
从以上锅炉两种效益的比较中，可以很容易地建立起火用效率和热效率之间的联系，从而大大减化了火用效率的计算，使火用分析更加简便易行。
()()()()wa st wa st L f wa st f f L f f f wa st bo ex
h h D ex ex D Q G h h D ex G Q G ex G ex ex D --∙∙-∙∙∙=∙-=η
()()⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛-∙∙=----∙∙=
m o bo t f L wa st wa st o wa st bo t f L
T T ex Q h h S S T h h ex Q 1ηη 式中 st S 、wa S ——水蒸气和给水的熵； wa
st wa
st m S S h h T --=
——锅炉定压加热过程中蒸汽平均吸热温度
又由于 L o L f Q S T Q ex ≈∆+=
故 ⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-
∙≈m o bo t bo
ex T T 1ηη 这样，便找到了锅炉的火用效率与热效率之间的联系。
4、实例分析
热源形
式 热电联产 大型燃煤锅炉 大型燃气锅炉 大型燃油锅炉 小型燃煤锅炉 小型燃气锅炉 小型燃油锅炉 热泵 热效率 64.8 87.38 90 88 69 85 85 —— 火用效率
46.98
44.23
48.21
45.93
7.01
9.13
8.91
50.07
通过表我们可以看出：虽然每种供热方式的热效率都很高， 但是火用效率却不高， 要想从能质上综合评价需两者都考虑到；不管是大型还是小型区域供热中， 燃气锅炉的火用效率最高， 其次是燃油锅炉和燃煤锅炉；对于大型区域供热火用效率比小型高很多， 因此， 我们可以看出，随着锅炉容量的增大，火用效率越大，被有效利用的功就越多，就意味着更加节能;对于热电联产， 其热效率和火用效率之间的差值较小，说明这种情况下的不可逆损失相对较少，热能利用的效率很高，体现了一定的优势，应该提倡使用;热泵系统的火用效率很高，是一种新型的供热方式，在将来会得到很快的发展。
