基于热力学的利用烟气余热冷热电三联供供给侧优化方法

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Thermodynamic derived supply side optimization methodology for cooling, heating and power co-generation using flue gas heat

　　

• 提出了一种新型热力学推导方法用于CHPC系统
• 建立了具有多温区划分和优化功能的MINLP模型
• 利用热烟气的梯度提取与转化进行强化
• 对冷热电三联供的?效率进行优化

**引言**

化石燃料消耗量的不断增加带来了严重的环境污染和气候变化问题[1]。化石燃料占全球能源消耗的80%，其中煤炭贡献约24%[2]。在"双碳"战略目标的背景下，许多国家正迫切寻求解决大量化石燃料消耗与向低碳发展转型之间的矛盾。化工过程本质上属于能源密集型过程，需要大量化石燃料来提供电力、供热和制冷。因此，通过过程集成实现公用工程的统一管理是提高能源转换效率、实现资源节约和减排的重要手段。

燃煤电厂是工业电力最重要的来源。然而，燃煤发电只能将燃烧后烟气中约30%的内能转化为电力，导致大量余热和能源损失。同时，燃煤电厂排放大量二氧化碳[3]、[4]。即使通过亚临界、超临界和超超临界发电技术，?效率也只能略有改善[5]、[6]、[7]。同时，化工过程中供热公用工程的主要介质是蒸汽，主要来自于燃煤电厂的常规锅炉或余热锅炉[8]。此外，典型的工业制冷技术包括压缩制冷[9]和吸收式制冷（AR）[10]。压缩制冷可以由电力或蒸汽驱动，其性能指标较高，可以实现深度低温制冷温度。与压缩制冷相比，AR是一种利用低温余热产生制冷负荷的非深度低温技术。然而，AR的?效率相对较低[11]。为了实现两种制冷技术的优势互补，将两者结合的?效率仅略有改善[12]、[13]。上述分析表明，单一的能源生产系统只能生产一种形式的能源介质，效率低下且碳排放过高。因此，整体煤气化联合循环（IGCC）发电系统、热电联产（CHP）系统和冷热电三联供（CCHP）系统是提高整体?效率的重要手段。

IGCC发电系统主要包括煤气化和燃气-蒸汽轮机联合发电部分[2]，能够实现电力、供热和化学品的联产。与传统燃煤电厂相比，它是一种清洁高效的发电技术，具有广阔的前景，提供了更高的?效率、更低的碳排放和较低的碳捕获成本[14]。Choudhary等[15]利用有机朗肯循环（ORC）回收400 MWe IGCC电厂的烟气余热，实现了比单独IGCC电厂更高的能量和?效率。Zou等[16]将传统IGCC电厂中的氧气气化改为空气吹扫气化，使?效率提高了3.09%。然而，单一的IGCC发电系统仍无法同时提供供热、制冷和电力。

CHP系统可以同时发电和供热[17]，并可以提高其?效率。它不仅可以减少发电过程中的大量直接排放，还可以减少化石燃料燃烧供热造成的空气污染物排放。Wang等[18]提出了一种中间级抽气方法，以提高CHP系统的调峰性能，节约天然气。Yu等[19]研究了一种基于沼气驱动的斯特林发动机微型CHP系统模型。在优化换热结构后，电力输出增加了142.8%，而热效率和整体效率分别提高了20.5%和10.5%。Liu等[20]开发了一种与太阳能集成的新型CHP系统，将白天和夜间的平均净?效率分别提高了2.43%和2.59%。Sun等[21]基于超临界二氧化碳布雷顿循环，从背压和抽汽供热路径方面优化了CHP系统的构型参数。Chong等[22]对改造后的CHP系统中背压汽轮机（BPST）和抽汽汽轮机（EST）进行了比较。结果表明BPST优于EST。上述研究表明，CHP系统可以通过结合可再生能源、优化设备结构和参数以及与碳捕获系统耦合来进一步提升。然而，CHP系统无法进行充分的?利用，也无法同时满足化工行业的综合能源需求。

CCHP系统是一种高效的能源梯级利用系统，由于其高?效率和低碳排放的优势而受到广泛关注[23]、[24]、[25]。它具有良好的经济和环境效益，同时满足用户的多样化能源需求[26]、[27]。在CCHP系统中，离开燃气轮机的烟气不进入烟囱，而是为供热或制冷提供输入能量。Ren等[28]建立了一个多目标混合整数线性规划（MILP）模型，以协助决策者选择最佳配置、容量和运行条件。结果表明，与传统单一生产系统相比，CCHP系统在经济性、环境性和能源利用方面表现更优。Li等[29]提出了一种具有冷凝热回收的CCHP系统，并使用遗传算法进行优化，增强了能源梯级利用。与传统CCHP系统相比，其一次能源节约率（PESR）、成本节约率（CSR）和二氧化碳减排率（ERR）分别提高了5.0%、6.36%和2.74%。Ma等[30]比较了三种能源指标：一次能源率（PER）、PESR和年平均综合能源利用效率（EUE）。分析表明，PER和PESR在能源消耗方面具有相同的优化效果，而EUE不建议用于CCHP系统的单目标优化，建议用于多目标优化。Jia等[31]提出了一种与ORC和太阳能集热器（ST）耦合的CCHP系统，使用太阳能和余热作为ORC的驱动热源。分析表明，提高ORC的蒸发温度和ST的数量可以提高?效率。Xu等[32]提出了一种基于能-?匹配的CCHP系统评估方法，定量阐明了性能提升或下降的内在原因。Mo等[33]提出了一种与级联潜热储能耦合的CCHP系统，考虑了能量和?的供需匹配。Mirzaei等[34]关注了带有碟式集热器和ORC的CCHP系统，该系统具有减少燃料消耗、提高能源效率、节约成本和减少生态足迹等效益。Akbarnataj等[35]为教育建筑开发了一种经济可行的CCHP系统，二氧化碳排放量最低。

现有的CCHP系统可分为燃气轮机驱动的CCHP系统，以及使用煤、地热、太阳能、风能等燃料的系统。上述CCHP系统的燃料均为天然气，具有高热值、低成本和高?效率的优势。此外，使用煤作为燃料的CCHP系统也得到了众多学者的广泛研究。煤燃烧后的高温高压烟气通过不同的技术手段转化为多种输出，包括制冷、供热和发电。Liao等[36]提出了一种集成ORC的CCHP系统，用于回收燃煤电厂炉底渣的余热。Li等[37]在CCHP系统中考虑了地源热泵（GSHP）和空气源热泵（ASHP），使用可再生能源、天然气或煤作为燃料来减少排放。Zhang等[38]提出了一种生物质-煤耦合CCHP系统的低碳经济调度模型，结合天然气深度调峰和碳捕获技术，以最小化总运行成本。

基于现有文献综述，当前大多数CCHP系统中高温烟气的热量被传递给单一工质或固定的一组技术来生产冷、热和电，缺乏基于热力学分析的多温区定量划分依据。尽管一些研究集成了多种技术（如ORC、ST、热泵）并采用优化技术（如MILP、遗传算法）来提高系统性能，但通常预先定义了温区的数量和边界，或固定了各温区的生产路径。不同技术组合的?效率提升潜力尚未通过过程集成进行比较。因此，现有的CCHP系统仍然存在能源浪费问题。为了避免能源损失并进一步提高能源效率，迫切需要将不同温区的烟气热量传递给不同的工作介质，实现能源梯级利用与冷热电三联供之间的精确匹配。

本文开发了一种冷热电三联供（CHPC）系统，以实现能源介质的多联产和?效率提升。构建了一个超级结构，以灵活选择利用高温烟气热量的工业技术能量转换路径。此外，采用热力学分析评估所有路径的综合?效率。建立了一个混合整数非线性规划（MINLP）模型，以最大化整体?效率，同时考虑多温区划分和级联热提取。所提出的方法为充分利用烟气热量和综合能源供应提供了重要指导。

本文的创新主要包括：(1) 开发了CHPC系统的统一框架，考虑烟气热量的充分利用和灵活的生产路径选择。(2) 建立了新型MINLP模型用于最大化整体?效率，同时考虑多温区划分和冷热电三联供。

本文其余部分组织如下：第2节为CHPC系统的优化方法，第3节为数学模型，第4节为案例分析，第5节为全文结论。

**超级结构**

根据公开文献，热电联产系统的?效率可达41.22%–46.48%[39]，工业蒸汽锅炉的?效率为38.57%[40]，AR系统的?效率为19.63%–22.48%[11]。单温区和多温区中不同路径的输入和输出?比较见图1。由图1可知，传统单温区是将烟气热量一次性转移给一种介质以生产...

**数学模型**

在图2中，热源入口温度Tin等于第一温区的入口温度，出口温度Tout等于最后一个温区的出口温度，如公式(5)所示。其中，ΔT表示各温区进出口温度之间的统一最小温差。

对于制冷、供热和发电路径的工作流体，它们应有各自的最小温差。和值不同，需要针对具体路径进行分析以满足公式要求。

**案例分析**

燃煤电厂的高温烟气温度为1400°C，输出温度在本文中设定为100°C。基于企业生产数据，选择了六条发电路径（不同温度和压力）以及煤化工装置的高压、中压和低压蒸汽，如表1所示。为回收和利用低温余热，还采用了ORC和AR技术，其规格参数列于表2[43]。

**结论**

本文提出了一种CHPC系统的热力学推导优化方法，结合过程模拟和数学优化，实现冷热电多联供并最大化高温烟气热量的利用。在多温区划分和烟气级联热提取的基础上，建立了MINLP模型，可以获得理论最优和折中最优解的最大整体?效率。

**讨论**

该优化方法可以为CHPC系统的实际应用和优化提供有价值的指导。然而，在当前研究中，各生产路径的运行参数（如蒸汽发电系统中的蒸汽压力和温度）基于实际工业数据处理为离散固定值。

将这些参数视为连续变量可能有助于实现更加灵活高效的系统设计。与此同时，当前研究仅聚焦于以下CRediT作者贡献声明。

Wenting Duan：撰写–原创草稿、验证、软件、形式分析、数据管理、概念构思。Xiao Feng：撰写–审阅与编辑、指导。Qiao Zhang：撰写–审阅与编辑、指导。Yang Yang：撰写–审阅与编辑、指导、方法论。

利益声明
? 作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢
感谢国家自然科学基金（编号：21736008）提供的经费支持。

Wenting Duan｜Qiao Zhang｜Xiao Feng｜Yang Yang