燃气热电冷三联供系统与传统能源的经济性分析

黎　兵

（重庆燃气集团股份有限公司北碚分公司，重庆 400700）

燃气热电冷三联供系统与传统能源的经济性分析

黎兵

（重庆燃气集团股份有限公司北碚分公司，重庆 400700）

本文以燃气热电冷三联供系统的节能性和经济性为研究点，介绍了燃气热电冷三联供系统的流程，分析了国内外热电冷联供系统的研究现状，并以某工业园区为例，通过与传统方案对比，具体计算和分析了采用联供系统取得的经济效益，最后根据作者实践经验，阐述了燃气热电冷三联供系统技术研究工作的发展趋势。

传统能源；燃气三联供系统；经济性

1.燃气热电冷三联供系统流程模式

作为能源系统的常见形式，天然气分布式冷热电联供系统也凭借其节能、环保、电力可靠的优良特性得到了广泛运用和发展。天然气分布式热电冷联供系统具有极为复杂的结构形式，并且在热电冷等能量的输出方面，极易受到相关因素的影响，如天然气价格、建筑负荷波动等，此外，系统运行方式以及容量配置在一定程度上也会影响到系统的工作性能。

热电冷三联供系统是一种能在产生电能的同时也能利用热能和冷能的能源系统，系统通过燃气轮机，达到对燃气合理利用的目的，即利用高品位的热能发电以及利用低品位的热能取暖和制冷效果。在该系统中，热、电、冷被逐级利用，能够在很大程度上减少电厂污染物的排放，产生巨大的社会效益和经济效益。

燃气内燃机发电以满足用户基本电力需求，热水进入余热锅炉产生热水，在外界温度较高时，热水驱动热水型吸收式制冷机达到制冷目的，在严寒天气时，余热进入换热器供暖。通常，燃气热电冷三联供系统运行方式是以热定点，带动设备根据用户所需的热量运行，而若发电量比所需电量高时，则将剩余电量卖出，大电量不足时，则购买补充。

2.国内外热电冷三联供系统应用情况

热电冷联供系统是建立在能量梯级利用的前提下，结合供热、发电以及供冷过程为一体的多联供系统。实践证明，热电冷联供系统作为第二代能源系统，具有提高能源利用效率，减少有害气体的排放的优势，目前，已在国内外得到了迅速发展。欧美等发达国家对热电冷联供系统的研究，明显领先于世界其他国家的水平，此外，就美国而言，多年来美国一直重视并持续对热电冷技术的研究，从技术和政策上寻求联供领域的支持，走在了世界上其他国家的前面。

相对而言，我国对热电冷联供系统技术的发展起步较晚，且存在明显差距。改革开放后，我国经济得到了快速发展，另一方面也使得我国对世界先进技术的发展有了更高的重视和发展的资本，受到能源结构、环境、经济条件等因素的制约，热电冷联供系统首先在沿海城市得到了快速发展，并且积累了很多经验。现阶段，我国的热电冷联供项目通常是在热电厂基础上修建的，其中山东省淄博时的热电冷三联供工程极具代表性。此外，北京奥运能源展示中的热电冷项目很大程度上综合了相应资源，并显现出了极好的节能效果。

3.工业园应用燃气热电冷三联供系统的经济性分析

以某工业园区为例，通过与传统功能方式进行比较，分析燃气热电冷三联供系统的节能型和经济性。具体流程如下：

3.1方案设计与原理

方案1为内燃机冷热电联供功能方案，采用制冷量为800kW的热水型吸收式制冷机一台，以及发电量为250kW、460kW的燃气内燃机一台，余热锅炉一台和换热器。方案2为燃气锅炉供热传统功能方案，有制冷量为800kW的电制冷机，800kW的燃气热水锅炉和换热器。方案3为电网购电，电制冷机制冷，热电联产集中供热的传统方案，有制冷量为800kW的电制冷机。根据市场价格计算，得各方案的初期投资：方案1为280万，方案2为80万，方案三为150万元。

内燃机消耗天然气量V可根据下式计算：

其中：Qh为系统热负荷，Qc为系统冷负荷，Pc为系统电负荷，COP为吸收式制冷机制冷系数，ηh为换热器换热效率，ηb为余热锅炉余热回收效率，ηc为燃气内燃机组发电效率，HVg为天然气地位发热量。

全年耗电量为：Vg=V1t1+V2t2+V3t3

式中：t1为供暖期系统运行时间，t2为制冷期系统运行时间，t3为过渡期系统运行时间。

本文基于热力平衡原理，并以热效率为原则，利用一次能源利用率作为评价指标。通常，一次能源利用率越高，表明系统节能性越强。

方案1中，一次能源利用率

方案2中，一次能源利用率

方案3中，一次能源利用率

其中：

Pel为系统发电量；Qcooling为系统制冷量；Qheat为系统供热量；Qin为系统输入能量；ηboiler 为燃气锅炉效率；COPchiller为电制冷机制冷系数；ηel为分供系统供电总效率；ηCHP为热电联产集中供热效率。

之后对3种方案进行经济性分析，经济性分析主要从投资回报期以及费用年值计算和评估。所谓的投资回报期指的是工程中净收益的累计值偿还投资总额的时间，而费用年值指功能系统对设备的投资均为到运行周期的各年份，并将此费用相加得到的总费用。其中，投资资金时间价值动态投资回收期Nd满足：

表1　费用年值构成

式中：A为每年的净收益，i为年利率，F为系统初投资总额。

采用费用年值分析中，三联供系统费用年值

式中：R为投资回收系数，Cw为设备维护费，Cg为天然气费用，Cr为年人工费，Ce为电费。

其中，投资回收系数

式中，n为设备寿命。

3.2经济性分析与评价

首先通过费用年值进行评估，费用年值是将供能系统各设备的初投资均摊到设备寿命周期内的各个年份，然后将此费用与每年的运行费用相加，构成系统的年费用。经过计算，得出3种方案的费用年值见表1。

经过计算得出结论，方案1的费用年值明显低于方案2与方案3的费用年值，可以说，经济性优势依然是明显的。热电冷三联供系统在此工业园的成功应用也证明，燃气联供是一种高效节能的供能技术，满足了温度对口，梯级利用的能量使用原则，在高品位电能产生的同时，回收了余热，能源利用率显著提升。尽管在使用初期，设备运行费用较高，但能源费用少，并且在当下市场能源价格下的费用年值较传统分供系统低很多。

3.3燃气热电冷三联供系统的发展前景展望

目前，国外对热电冷技术的研究工作大都在以下3个方面：（1）开发研制高性能的末端设备。（2）提高管网传输能力，即研究减少管网系统阻力损失、优化管网布局。（3）研究集中供冷技术：减少传输过程中的能量损失以及控制制冷成本的技术。笔者认为，今后我国在热电冷联供系统的研究方面依然会在目前取得的成果上继续深入研究，其中主要包括：（1）联供系统形式的配置，包括组成热电冷联供系统的各子系统主要设备的配置选择，整体系统最佳配置的选择和比较。（2）优化研究以及热单冷联供系统评价指标研究两个方面，部分学者根据我国实际情况，初步建立起了一套技术相对成熟的热电冷联供系统评价体系，可以对系统进行项目可行性、节能性、运行经济性做出评价，之后会继续对其精确和完善。

［1］冯继蓓，梁永建，杨杰.燃气内燃机的余热利用形式分析［J］.中国建设信息供热制冷，2006（6）：41-44.

［2］吕慧.热电冷三联供系统的方案选择及分析［D］.哈尔滨工业大学，2011.

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