“能源岛”供能系统余热利用的几个问题
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0.前言
能源和环境问题，关系到社会和经济的可持续发展。经济高速度发展和人民生活水平的提高，也使能源的消耗迅速地增长。近年来，我国在一次能源和电力工业上有很大的发展，但与年增长率8%左右的国民经济相比较，尚有较大缺口，能源和电力的供需矛盾仍很突出。对日益突出的能源问题，必须从开源和节流两方面来解决。节能的观念已朝着能源的多级利用、提高能源的利用率方向转变，以不增加或少增加能源的消耗来满足人们日益增长的能源需求。“能源岛”系统建设就是针对当前能源利用和发展趋势提出的。用于能源的转换、利用和提高能源利用率及环保方面等进行研究。
1.“能源岛”系统及发展背景
1.1“能源岛”系统的特点
“能源岛”系统是一个小型燃气机或燃气轮机为主体的发电系统和余热锅炉及利用余热的制冷装置所组成的内燃烧式热、电、冷三联产的系统。系统的内燃烧式主机通过交流发电机发出电能，经余热锅炉间接地利用燃气机或燃气轮机排出烟气所带热量；或对燃气机或燃气轮机排出烟气直接加以利用，驱动溴化锂吸收式制冷机，也可通过换热器、蓄热器等设备，利用余热向用户提供生活热水。
同时，由于小型热电冷联产的“能源岛”系统是分散式的，贴近用户的。它可在用户所在地，例如办公楼、住宅小区、医院等处安装，不需要太长的输送距离，使与发电相联的低品位热能够得到充分利用。由于该系统把原来废弃的能量收集利用，其能源利用率大大提高，经测算主机的机械效率在25～35%，而整个系统的能源利用率可达70～80%。
1.2“能源岛”系统与天然气的应用同步发展
为改善由经济高速发展和城市人口快速增长给环境带来日趋严重污染，开发和利用低碳和无碳的清洁能源，逐步过渡到可再生能源（renewable energy resource），成为可持续发展的重要环节。天然气作为一种清洁、方便、高效的化石燃料，各国都在加快对天然气资源的勘探和利用。近年来我国也大力发展天然气，规划将天然气在能源消耗上的比重从现在的2%提高到10%，特别陕北和东海等气田的开发，天然气的探明储量和产量大幅度增长，天然气具有良好的发展和应用前景，将在我国的主要城市普及利用。然而，天然气的消耗特性和电力负荷特性类似，也有存在峰谷差，燃气的使用高峰在冬季，夏季处于谷底。“能源岛”系统的应用，正好与电力的负荷特性有互补作用，能够削减电力的高峰负荷，从而减少电力投资。同时，“能源岛”系统对燃气也起到了填谷作用，可提高天然气管网的利用率，推进天然气工业的发展。
1.3“能源岛”系统对环保有利
在所有的能源中，电是高品位的，应合理地加以使用。对空调的冷、热源可以不用电驱动时，应该尽可能不采用电驱动。由于我国目前的电力主要来自于煤炭，引起我国煤烟型大气污染主要因素的SO2以及烟尘排放量的21%～35%，均来自于发电的燃煤电站锅炉。“能源岛”系统采用天然气清洁燃料，并用余热的形式提供空调冷、热源，其产生单位制冷量的污染物的排放量与提供相同冷量所需电力折算的污染物排放量相比， SO2、烟尘的排放量不到后者的1/4，NOX、TSP等也只有1/3～1/2，对控制环境污染相当有利。
“能源岛”系统提供制冷量，采用以热源为动力的吸收式制冷机形式，不涉及电力制冷中的氟利昂制冷剂，不存在CFCs制冷工质的替代问题。“能源岛”系统的使用，也减少了CO2的排放，有利于防止地球温暖化。因此，“能源岛”系统利用余热制取的制冷量来取代电力提供空调冷源，具有明显的环保意义。
2.“能源岛”系统余热利用方式
以热为驱动源的制冷方法有吸收式制冷、吸附式制冷和蒸汽喷射式等。
2.1采用吸收式制冷技术
吸收式制冷机是以热能为动力，利用液体汽化连续制冷，其中最常见的是氨水吸收式制冷机和溴化锂吸收式制冷机。氨水吸收式制冷机能制取0℃以下的低温，但氨、水的沸点比较接近，制冷机要提高效率，就必须增设精馏和分凝设备，来提高氨气的浓度和纯度，使制冷机系统复杂、结构庞大。“能源岛”系统的主要对象是改善室内环境的空调系统，一般不需要0℃以下的低温，所以余热利用不采用氨水吸收式制冷机，而采用溴化锂吸收式制冷机。
溴化锂吸收式制冷机的特点是能源利用范围广，能利用诸如余热、废热、排热等低势热能。在“能源岛”系统中，溴化锂吸收式制冷机对燃气轮机排烟余热的回收有借助余热锅炉的间接回收和直接回收两种方式。
a用余热锅炉收集发电主机排出烟气所带的热量，把烟气所带的热量转变为溴化锂吸收式制冷机组所需的热源蒸汽，来驱动吸收式制冷机组，制取冷量。当“能源岛”系统发电主机的排气温度比较高，经过余热锅炉能产生0.4～0.6MPa的蒸汽，可采用双效溴化锂吸收式制冷机组，以提高吸收式制冷机组的热效率。若发电主机的排气温度不太高，只能产生压力在0.15Mpa以下的蒸汽或150℃以下的热水，可采用单效溴化锂吸收式制冷机组。
b采用烟气直接加热型溴化锂吸收式制冷机组即直燃式溴化锂吸收式制冷机组。省却了余热锅炉的中间环节，省却了余热锅炉的设备，余热不经蒸汽转换直接使用，使余热利用效率进一步提高。
当选用的溴化锂吸收式制冷机组为热泵型时，不仅在夏季为空调提供冷源，还可在冬季为空调提供热源。
2.2采用吸附式制冷技术回收废热
吸附式制冷也是以热源作为驱动源，特别是对温度较低的废热、太阳能，在能量的回收上发挥作用。吸附式制冷根据吸附剂和吸附质之间的作用关系不同，有物理吸附和化学吸附之分，但是不论物理吸附还是化学吸附，一般对热源的温度要求不超过120℃，使能源可实现梯级利用。尽管吸附式制冷在余热利用上有许多优点，但是制冷量小，体积较大和吸附工质对的使用寿命短、系统循环周期长等关键问题尚需解决，与吸收式制冷技术相比，实用性方面还有差距。
2.3采用蒸汽喷射式制冷机利用废热
蒸汽喷射式制冷机和余热锅炉配合，用余热锅炉产生的高压蒸汽高速流动经过喷嘴，在喷嘴出口处造成很低的压力，为蒸发器内的冷剂水在低温下蒸发创造了条件。但是这种制冷机所需的工作蒸汽的压力高，喷射器的流动损失大，供热系数低。在相同的可利用余热的条件下，溴化锂吸收式制冷机比蒸汽喷射式制冷机有明显的优势。