區域供冷系統制冷方式的經濟成本分析

區域供冷技術是為滿足特定區域內多個建筑的空調需求而設計的。冷水由專門的冷廠集中，并通過區域管網供應。這是現代城市的基礎設施之一。與每個獨立建筑的中央系統相比，區域供冷系統（sd）的總安裝能力減少了約20%30%，有效降低了整個空調系統的投資。同時，sdc采用集中選擇高效設備，采用先進的節能控制和調節技術，克服了不同建筑單元中使用中間鎖的效率低、質量不平等等缺點。此外，sd還可以避免由于自身的戶外系統和中央系統塔的干擾、傾斜和局部熱島的影響，從而美化城市環境。日本多年來的cd實踐與經濟核算結果表明，sd比單個獨立建造的中央系統節能約12.2%。DCS可以由熱電廠或區域冷熱電聯供系統的蒸汽或電力供能,也可由熱泵系統供能等.對于DCS,由于冷用戶的分布不同,而冷凍水的經濟輸送半徑一般不超過1.5km,所以制冷站需要散布在各個冷負荷中心目前評價制冷循環的熱力特性通常采用制冷系數(COP),即單位功耗所能產生的制冷量.大型電壓縮式制冷循環的COP可以達到5以上但是,COP這個評價標準只反映了能量在數量上的平衡和利用率,不能反映制冷循環各熱力過程中發生的不可逆損失的大小,而且沒有考慮能量的“質”.電壓縮式制冷利用高品位的電能制冷,而蒸汽吸收式制冷利用的是低品位的熱能,因此單純利用COP這個指標并不能判定兩個系統的優劣.基于熱力學第二定律的分析法是一種基于能質平衡的分析方法,它不僅能深刻揭示能量在數量上的平衡,而且能反映能量質量或品位的變化和損耗.通過對蒸汽吸收式和電壓縮式兩種制冷循環的熱力學分析可知,以制冷循環ue006效率為指標時,COP遠小于電壓縮式制冷的蒸汽吸收式制冷循環的ue006效率與電壓縮式的基本相同,且只要選擇合適壓力等級的飽和蒸汽作為驅動熱源,蒸汽吸收式制冷循環的ue006效率甚至會高于電壓縮式制冷循環電壓縮式制冷采用區域能源系統的自發電,而蒸汽吸收式制冷的驅動能源是蒸汽.由于各地區的上網電價以及不同生產成本的蒸汽價格均存在差別,因此制冷效率高的制冷系統其制冷成本不一定更低.同時,各制冷站與區域能源站(發電站)的距離不同,若制冷站采用蒸汽吸收方式供冷,則需要根據制冷站與能源站的距離差異抽取不同壓力等級的蒸汽供應給制冷站制冷.不同壓力等級蒸汽的品位不同,即其所含的是不一樣的,其熱價也就不同,所以蒸汽吸收式制冷系統的制冷成本在使用不同壓力等級的蒸汽作為驅動熱源時也不一樣.ue006經濟成本分析是經濟優化技術和ue006分析法相結合的一種有效的成本計算方法.以ue006經濟成本為指標對制冷方式進行評價時,不僅同時考慮了能量“量”和“質”的轉換,深刻揭示了高品位能源在使用過程中產生的有效能損耗,而且應用經濟學中“成本”的概念,克服了分析為單純的熱力學分析、無法反映系統經濟性的缺點目前對電壓縮式制冷和蒸汽吸收式制冷的研究大部分是單獨進行的,且主要集中于對制冷循環各熱力學過程ue006損失的分析隨著中國城鎮化和工業化進程的加快,區域能源系統的規劃建設也迅速發展,不同用戶群的DCS如何選擇合適的制冷方式這一問題日益凸顯.文中以所建立的電壓縮式制冷系統和蒸汽吸收式制冷系統的ue006分析模型為基礎,以制冷系統的單位冷量ue006經濟成本最低為目標,對比研究了兩種制冷方式在不同電價和蒸汽熱價下的經濟成本,以期為DCS規劃建設時如何選擇制冷方式和選擇哪種制冷方式最優提供一定的理論依據和工程指導.1sd中兩種冷卻方式的分析模型1.1管網輸送中蒸汽的輸送ue006在吸收式制冷系統的實際應用中,蒸汽雙效型溴化鋰吸收式制冷系統應用較多,因此文中選取此類型機組與電壓縮式制冷系統進行對比研究.DCS中,從能源站抽取的蒸汽是通過蒸汽管網輸送到制冷站的,故蒸汽吸收式制冷系統應包括蒸汽輸送系統和制冷站(蒸汽吸收式制冷循環)兩部分.在蒸汽輸送過程中,蒸汽溫度和壓力的下降會產生一定的ue006損失,這部分ue006損失須算在蒸汽吸收式制冷系統的成本中.蒸汽吸收式制冷系統的總輸入是從能源站抽取的過熱蒸汽ue006與制冷站返回的蒸汽冷凝水ue006之差,它由兩部分組成:①制冷站(蒸汽吸收式制冷循環)的輸入ue006;②蒸汽在管網輸送過程中的ue006損失.蒸汽吸收式制冷系統的總輸入ue006為式中:E對于蒸汽吸收式制冷循環,其驅動蒸汽的壓力等級一般在0.4~0.8MPa之間式中:Q從能源站抽取的蒸汽均為過熱50℃以上的過熱蒸汽,蒸汽的溫度和壓力在輸送過程中都會下降.工程上常用的蒸汽輸送壓降系數大約在0.03~0.05kPa/m之間,文中取蒸汽管網中的蒸汽輸送壓降系數為0.05kPa/m式中:p為能源站抽汽壓力,MPa;X為蒸汽輸送距離,km.蒸汽在管網輸送過程中的ue006損失是能源站抽取蒸汽與制冷站的驅動蒸汽(即0.4MPa的飽和蒸汽)之間的物流ue006差.物流ue006E的定義如式(4)所示:式中:H根據物流ue006的定義和上述參數設定,假設制冷站與能源站之間的距離為X,可推導出蒸汽輸送過程的ue006損失如下:式中:γ能源站抽取蒸汽的比焓和比熵可以根據能源站抽取蒸汽的壓力和過熱度,采用水和水蒸汽性質軟件查詢得到(該軟件利用IAPWS-IF97公式進行計算).由式(2)和(5)可得蒸汽吸收式制冷系統的總輸入ue006如下:從式(6)可以看出,供冷量和機組COP確定后,只有能源站抽取蒸汽的比焓和比熵是變量,所以蒸汽吸收式制冷系統的總輸入ue006只受能源站抽取蒸汽的比焓和比熵影響.蒸汽的比焓、比熵都是狀態參數,它們由抽取蒸汽所處的狀態決定,即只要能源站抽取蒸汽的壓力等級和溫度確定后其比焓和比熵便確定了,而能源站抽取蒸汽的壓力等級和溫度取決于蒸汽輸送距離X,因此蒸汽吸收式制冷系統的總輸入ue006歸根到底只受蒸汽輸送距離的影響,是蒸汽輸送距離的函數.由此可知,在不同的制冷站與能源站距離下,根據抽取的蒸汽壓力等級和過熱度,便可計算出相應的蒸汽吸收式制冷系統的總輸入ue006.1.2電壓縮式制冷站與能源站的距離比對于電壓縮式制冷系統,由于電力輸送損耗小,所以DCS中能源站與制冷站的距離對電壓縮式制冷的影響可以忽略不計,文中電壓縮式制冷系統的COP取值為4.22式中:E2蒸汽熱價對cs中蒸汽輸送距離的影響電壓縮式制冷需要能源站的自發電,而抽取蒸汽做吸收式制冷的驅動熱源時,能源站會減少等效的蒸汽發電量.由于各地區的上網電價存在差異,不同生產成本及壓力等級的蒸汽價格也不一定相同,因此制冷效率更高的制冷方式并不意味著制冷成本一定更低.鑒于此,文中采用ue006經濟學法對兩種制冷系統單位冷量的ue006經濟成本進行研究分析.ue006經濟成本分析以成本分析理論為基礎,用消耗多少外部ue006轉換成相應的經濟參數來表示成本,即同時考慮能量“量”和“質”的轉換以及能量的成本,是經濟優化技術和基于熱力學第二定律的分析法相結合的一種有效的成本計算方法制冷系統的ue006經濟成本包括能量成本和非能量成本兩部分,蒸汽吸收式制冷和電壓縮式制冷系統的驅動能源分別為蒸汽和電能,所以影響其能量成本的主要因素分別為蒸汽熱價和電價.而非能量成本一般為固定資產折舊、修理費用及工資福利等按年匯總后均攤到每小時的費用.因目前DCS中電壓縮式制冷系統每1萬冷噸的非能量成本約為1億元人民幣,吸收式制冷系統每1萬冷噸的非能量成本中制冷站成本約為8800~9000萬元人民幣,加上蒸汽管道投資后兩種制冷系統的非能量成本基本相同,故文中僅考慮能量成本.根據蒸汽吸收式制冷系統的總輸入ue006計算式(6),蒸汽熱價對DCS中蒸汽吸收式制冷系統單位冷量的ue006經濟成本的影響可以由式(8)表示:式中:C根據電壓縮式制冷循環的總輸入ue006計算式(7),其單位冷量的ue006經濟成本只取決于電價,是電網電價的正比例函數:C蒸汽吸收式制冷系統與電壓縮式制冷系統單位冷量的經濟成本的比值可以用函數f(X)表示,即令f(X)=1,便可求解出不同蒸汽熱價和電價下兩種制冷系統單位冷量ue006經濟成本相等時的蒸汽輸送距離,若f(X)恒大于1,則表示蒸汽吸收式制冷系統單位冷量的ue006經濟成本恒高于電壓縮式系統.DCS中兩種制冷系統的單位冷量ue006經濟成本對比分析問題可通過圖1所示的算法流程來求解.對兩種制冷系統單位冷量的ue006經濟成本的對比研究主要是進行蒸汽熱價和電價對蒸汽輸送距離的靈敏度分析,研究蒸汽熱價和電價對兩種制冷系統ue006經濟成本的影響,從而為DCS項目中各個冷站分別選取合理的制冷方式提供依據.進行靈敏度分析前,需要先確定蒸汽熱價和電價的變化范圍.從發電能源成本考慮,天然氣聯合循環發電1標準立方米天然氣約發電5kWh,目前冷熱電聯供能源系統的每標準立方米天然氣供氣價格約為2.5~3.5元,按此計算能源站每千瓦時電的發電能源成本大約為0.50~0.70元,而國內天然氣發電每千瓦時的上網電價均超過0.70元,其中以廣東地區的最高,為0.82元工業蒸汽基本是按流量計算價格.DCS中用于蒸汽吸收式制冷的蒸汽是從能源站抽取的,按其等效發電量和能源站上網電價計算,其成本大多數為150元/t左右.目前蒸汽售價約在190~250元/t之間,按飽和蒸汽所含的ue006可將蒸汽售價換算成相應的蒸汽熱價,約為2.0×10不同蒸汽熱價和電價下DCS中蒸汽吸收式制冷和電壓縮式制冷系統的單位冷量ue006經濟成本相等時所對應的蒸汽輸送距離計算結果如表1所示.從表1可以看出:①同一蒸汽熱價下,電價越高,相應的蒸汽輸送距離越長.當蒸汽熱價為2.0×10假設蒸汽熱價/電價比為ω,即根據前文蒸汽熱價和電價的取值范圍可知,0.87<ω<1.34.不同ω值下DCS中蒸汽吸收式制冷和電壓縮式制冷系統的單位冷量ue006經濟成本相等時所對應的蒸汽輸送距離計算結果如圖2所示.從圖2可看出:隨著ω值的增大,兩種制冷系統ue006經濟成本相等時的蒸汽輸送距離不斷減小,即蒸汽熱價相對電價越高,蒸汽輸送距離越小;當ω≥1.13時,蒸汽輸送距離無解,即電壓縮式制冷系統恒優于蒸汽吸收式制冷系統.3蒸汽輸送距離對ue006經濟成本的影響另外,DCS需根據具體的側重點選擇制冷系統.出現以下情況應優先選擇電壓縮式制冷:冷負荷需求是間歇性時,選擇電壓縮式制冷更靈活;冷負荷需求量非常大時,由于蒸汽輪機抽汽量受機組限制,故應優先選擇電壓縮式制冷.從式(8)可以看出,當COP確定后,蒸汽吸收式制冷系統單位冷量的ue006經濟成本主要受蒸汽熱價和能源站抽汽比焓、比熵的影響,其中抽汽比焓和比熵又是由蒸汽輸送距離決定的,因此蒸汽吸收式制冷系統單位冷量的經濟成本是蒸汽熱價和蒸汽輸送距離的函數.對于一定的蒸汽輸送距離,其單位冷量的ue006經濟成本與蒸汽熱價成正比;對于一定的蒸汽熱價,其單位冷量的經濟成本隨著蒸汽輸送距離的增加而增大.文中建立了電壓縮式和蒸汽吸收式制冷系統的分析模