区域供冷系统制冷方式的经济成本分析

区域供冷系统制冷方式的经济成本分析

区域供冷技术是为满足特定区域内多个建筑的空调需求而设计的。冷水由专门的冷厂集中，并通过区域管网供应。这是现代城市的基础设施之一。与每个独立建筑的中央系统相比，区域供冷系统（sd）的总安装能力减少了约20%30%，有效降低了整个空调系统的投资。同时，sdc采用集中选择高效设备，采用先进的节能控制和调节技术，克服了不同建筑单元中使用中间锁的效率低、质量不平等等缺点。此外，sd还可以避免由于自身的户外系统和中央系统塔的干扰、倾斜和局部热岛的影响，从而美化城市环境。日本多年来的cd实践与经济核算结果表明，sd比单个独立建造的中央系统节能约12.2%。DCS可以由热电厂或区域冷热电联供系统的蒸汽或电力供能,也可由热泵系统供能等.对于DCS,由于冷用户的分布不同,而冷冻水的经济输送半径一般不超过1.5km,所以制冷站需要散布在各个冷负荷中心目前评价制冷循环的热力特性通常采用制冷系数(COP),即单位功耗所能产生的制冷量.大型电压缩式制冷循环的COP可以达到5以上但是,COP这个评价标准只反映了能量在数量上的平衡和利用率,不能反映制冷循环各热力过程中发生的不可逆损失的大小,而且没有考虑能量的“质”.电压缩式制冷利用高品位的电能制冷,而蒸汽吸收式制冷利用的是低品位的热能,因此单纯利用COP这个指标并不能判定两个系统的优劣.基于热力学第二定律的分析法是一种基于能质平衡的分析方法,它不仅能深刻揭示能量在数量上的平衡,而且能反映能量质量或品位的变化和损耗.通过对蒸汽吸收式和电压缩式两种制冷循环的热力学分析可知,以制冷循环ue006效率为指标时,COP远小于电压缩式制冷的蒸汽吸收式制冷循环的ue006效率与电压缩式的基本相同,且只要选择合适压力等级的饱和蒸汽作为驱动热源,蒸汽吸收式制冷循环的ue006效率甚至会高于电压缩式制冷循环电压缩式制冷采用区域能源系统的自发电,而蒸汽吸收式制冷的驱动能源是蒸汽.由于各地区的上网电价以及不同生产成本的蒸汽价格均存在差别,因此制冷效率高的制冷系统其制冷成本不一定更低.同时,各制冷站与区域能源站(发电站)的距离不同,若制冷站采用蒸汽吸收方式供冷,则需要根据制冷站与能源站的距离差异抽取不同压力等级的蒸汽供应给制冷站制冷.不同压力等级蒸汽的品位不同,即其所含的是不一样的,其热价也就不同,所以蒸汽吸收式制冷系统的制冷成本在使用不同压力等级的蒸汽作为驱动热源时也不一样.ue006经济成本分析是经济优化技术和ue006分析法相结合的一种有效的成本计算方法.以ue006经济成本为指标对制冷方式进行评价时,不仅同时考虑了能量“量”和“质”的转换,深刻揭示了高品位能源在使用过程中产生的有效能损耗,而且应用经济学中“成本”的概念,克服了分析为单纯的热力学分析、无法反映系统经济性的缺点目前对电压缩式制冷和蒸汽吸收式制冷的研究大部分是单独进行的,且主要集中于对制冷循环各热力学过程ue006损失的分析随着中国城镇化和工业化进程的加快,区域能源系统的规划建设也迅速发展,不同用户群的DCS如何选择合适的制冷方式这一问题日益凸显.文中以所建立的电压缩式制冷系统和蒸汽吸收式制冷系统的ue006分析模型为基础,以制冷系统的单位冷量ue006经济成本最低为目标,对比研究了两种制冷方式在不同电价和蒸汽热价下的经济成本,以期为DCS规划建设时如何选择制冷方式和选择哪种制冷方式最优提供一定的理论依据和工程指导.1sd中两种冷却方式的分析模型1.1管网输送中蒸汽的输送ue006在吸收式制冷系统的实际应用中,蒸汽双效型溴化锂吸收式制冷系统应用较多,因此文中选取此类型机组与电压缩式制冷系统进行对比研究.DCS中,从能源站抽取的蒸汽是通过蒸汽管网输送到制冷站的,故蒸汽吸收式制冷系统应包括蒸汽输送系统和制冷站(蒸汽吸收式制冷循环)两部分.在蒸汽输送过程中,蒸汽温度和压力的下降会产生一定的ue006损失,这部分ue006损失须算在蒸汽吸收式制冷系统的成本中.蒸汽吸收式制冷系统的总输入是从能源站抽取的过热蒸汽ue006与制冷站返回的蒸汽冷凝水ue006之差,它由两部分组成:①制冷站(蒸汽吸收式制冷循环)的输入ue006;②蒸汽在管网输送过程中的ue006损失.蒸汽吸收式制冷系统的总输入ue006为式中:E对于蒸汽吸收式制冷循环,其驱动蒸汽的压力等级一般在0.4~0.8MPa之间式中:Q从能源站抽取的蒸汽均为过热50℃以上的过热蒸汽,蒸汽的温度和压力在输送过程中都会下降.工程上常用的蒸汽输送压降系数大约在0.03~0.05kPa/m之间,文中取蒸汽管网中的蒸汽输送压降系数为0.05kPa/m式中:p为能源站抽汽压力,MPa;X为蒸汽输送距离,km.蒸汽在管网输送过程中的ue006损失是能源站抽取蒸汽与制冷站的驱动蒸汽(即0.4MPa的饱和蒸汽)之间的物流ue006差.物流ue006E的定义如式(4)所示:式中:H根据物流ue006的定义和上述参数设定,假设制冷站与能源站之间的距离为X,可推导出蒸汽输送过程的ue006损失如下:式中:γ能源站抽取蒸汽的比焓和比熵可以根据能源站抽取蒸汽的压力和过热度,采用水和水蒸汽性质软件查询得到(该软件利用IAPWS-IF97公式进行计算).由式(2)和(5)可得蒸汽吸收式制冷系统的总输入ue006如下:从式(6)可以看出,供冷量和机组COP确定后,只有能源站抽取蒸汽的比焓和比熵是变量,所以蒸汽吸收式制冷系统的总输入ue006只受能源站抽取蒸汽的比焓和比熵影响.蒸汽的比焓、比熵都是状态参数,它们由抽取蒸汽所处的状态决定,即只要能源站抽取蒸汽的压力等级和温度确定后其比焓和比熵便确定了,而能源站抽取蒸汽的压力等级和温度取决于蒸汽输送距离X,因此蒸汽吸收式制冷系统的总输入ue006归根到底只受蒸汽输送距离的影响,是蒸汽输送距离的函数.由此可知,在不同的制冷站与能源站距离下,根据抽取的蒸汽压力等级和过热度,便可计算出相应的蒸汽吸收式制冷系统的总输入ue006.1.2电压缩式制冷站与能源站的距离比对于电压缩式制冷系统,由于电力输送损耗小,所以DCS中能源站与制冷站的距离对电压缩式制冷的影响可以忽略不计,文中电压缩式制冷系统的COP取值为4.22式中:E2蒸汽热价对cs中蒸汽输送距离的影响电压缩式制冷需要能源站的自发电,而抽取蒸汽做吸收式制冷的驱动热源时,能源站会减少等效的蒸汽发电量.由于各地区的上网电价存在差异,不同生产成本及压力等级的蒸汽价格也不一定相同,因此制冷效率更高的制冷方式并不意味着制冷成本一定更低.鉴于此,文中采用ue006经济学法对两种制冷系统单位冷量的ue006经济成本进行研究分析.ue006经济成本分析以成本分析理论为基础,用消耗多少外部ue006转换成相应的经济参数来表示成本,即同时考虑能量“量”和“质”的转换以及能量的成本,是经济优化技术和基于热力学第二定律的分析法相结合的一种有效的成本计算方法制冷系统的ue006经济成本包括能量成本和非能量成本两部分,蒸汽吸收式制冷和电压缩式制冷系统的驱动能源分别为蒸汽和电能,所以影响其能量成本的主要因素分别为蒸汽热价和电价.而非能量成本一般为固定资产折旧、修理费用及工资福利等按年汇总后均摊到每小时的费用.因目前DCS中电压缩式制冷系统每1万冷吨的非能量成本约为1亿元人民币,吸收式制冷系统每1万冷吨的非能量成本中制冷站成本约为8800~9000万元人民币,加上蒸汽管道投资后两种制冷系统的非能量成本基本相同,故文中仅考虑能量成本.根据蒸汽吸收式制冷系统的总输入ue006计算式(6),蒸汽热价对DCS中蒸汽吸收式制冷系统单位冷量的ue006经济成本的影响可以由式(8)表示:式中:C根据电压缩式制冷循环的总输入ue006计算式(7),其单位冷量的ue006经济成本只取决于电价,是电网电价的正比例函数:C蒸汽吸收式制冷系统与电压缩式制冷系统单位冷量的经济成本的比值可以用函数f(X)表示,即令f(X)=1,便可求解出不同蒸汽热价和电价下两种制冷系统单位冷量ue006经济成本相等时的蒸汽输送距离,若f(X)恒大于1,则表示蒸汽吸收式制冷系统单位冷量的ue006经济成本恒高于电压缩式系统.DCS中两种制冷系统的单位冷量ue006经济成本对比分析问题可通过图1所示的算法流程来求解.对两种制冷系统单位冷量的ue006经济成本的对比研究主要是进行蒸汽热价和电价对蒸汽输送距离的灵敏度分析,研究蒸汽热价和电价对两种制冷系统ue006经济成本的影响,从而为DCS项目中各个冷站分别选取合理的制冷方式提供依据.进行灵敏度分析前,需要先确定蒸汽热价和电价的变化范围.从发电能源成本考虑,天然气联合循环发电1标准立方米天然气约发电5kWh,目前冷热电联供能源系统的每标准立方米天然气供气价格约为2.5~3.5元,按此计算能源站每千瓦时电的发电能源成本大约为0.50~0.70元,而国内天然气发电每千瓦时的上网电价均超过0.70元,其中以广东地区的最高,为0.82元工业蒸汽基本是按流量计算价格.DCS中用于蒸汽吸收式制冷的蒸汽是从能源站抽取的,按其等效发电量和能源站上网电价计算,其成本大多数为150元/t左右.目前蒸汽售价约在190~250元/t之间,按饱和蒸汽所含的ue006可将蒸汽售价换算成相应的蒸汽热价,约为2.0×10不同蒸汽热价和电价下DCS中蒸汽吸收式制冷和电压缩式制冷系统的单位冷量ue006经济成本相等时所对应的蒸汽输送距离计算结果如表1所示.从表1可以看出:①同一蒸汽热价下,电价越高,相应的蒸汽输送距离越长.当蒸汽热价为2.0×10假设蒸汽热价/电价比为ω,即根据前文蒸汽热价和电价的取值范围可知,0.87<ω<1.34.不同ω值下DCS中蒸汽吸收式制冷和电压缩式制冷系统的单位冷量ue006经济成本相等时所对应的蒸汽输送距离计算结果如图2所示.从图2可看出:随着ω值的增大,两种制冷系统ue006经济成本相等时的蒸汽输送距离不断减小,即蒸汽热价相对电价越高,蒸汽输送距离越小;当ω≥1.13时,蒸汽输送距离无解,即电压缩式制冷系统恒优于蒸汽吸收式制冷系统.3蒸汽输送距离对ue006经济成本的影响另外,DCS需根据具体的侧重点选择制冷系统.出现以下情况应优先选择电压缩式制冷:冷负荷需求是间歇性时,选择电压缩式制冷更灵活;冷负荷需求量非常大时,由于蒸汽轮机抽汽量受机组限制,故应优先选择电压缩式制冷.从式(8)可以看出,当COP确定后,蒸汽吸收式制冷系统单位冷量的ue006经济成本主要受蒸汽热价和能源站抽汽比焓、比熵的影响,其中抽汽比焓和比熵又是由蒸汽输送距离决定的,因此蒸汽吸收式制冷系统单位冷量的经济成本是蒸汽热价和蒸汽输送距离的函数.对于一定的蒸汽输送距离,其单位冷量的ue006经济成本与蒸汽热价成正比;对于一定的蒸汽热价,其单位冷量的经济成本随着蒸汽输送距离的增加而增大.文中建立了电压缩式和蒸汽吸收式制冷系统的分析模