分布式冷热电联供系统集成及应用分析

洪文鹏，滕 达

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

人类的每一次发展进步都离不开能源，然而伴随着人口数量的增加，能源短缺、环境污染等一系列问题逐渐成为制约当今世界经济和社会发展的重要因素[1].在我国不可再生能源的消耗占比中煤炭占所有消耗量中的66%、石油占所有消耗量中的18%、然而污染物排放量最少的天然气仅占6%，而世界的平均水平是燃煤比例为26.5%[2].我国由于煤炭消耗所占比重过高，导致我国碳排放总量占全球范围碳排放总量的1/4.不仅是二氧化碳，煤炭、燃料油等燃烧产生大量硫氧化物、氮氧化物以及大量固体颗粒物的排放，导致近年来我国频出现酸雨和雾霾天气[3～5].调整能源消费结构已成为我国当前面临的紧迫问题.

1 分布式冷热电联供系统简介

1.1 分布式冷热电联供系统的基本含义

分布式冷热电联供系统(Distributed Combined Cooling Heating and Power，DCCHP)不同于传统集中供能(Concentrated Energy System，CES)，是指以小规模、小容量(数千瓦至50 MW)、模块化、分散化的方式安装在用户附近，同时在向用户输出热能、电能、冷能时，可以采用单供或联供的方式[6～7].这是一种新型的能源系统，采用“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”的原则，提高化石能源的综合利用效率，符合国家可持续发展战略，也可称之为“第二代能源系统”[8].

天然气作为分布式冷热电联供系统的主要燃料，天然气经过燃烧后，内在化学能转化为700 ℃～1 500 ℃的高品位热能，首先利用这部分热能驱动发电机组发电；然后对中、低位热能逐级利用，200 ℃～500 ℃的热能可以作为吸收式热泵的驱动热源进行供冷或对外供应高压蒸汽，而200 ℃以下的热能则可以通过换热器供应热水或低压蒸汽，实现对天然气多级多次利用[9～15].

图1 典型分布式冷热电联供系统

分布式冷热电联供系统既可以并网模式运行，也可以离网模式运行.

1.2 分布式冷热电联供系统的特点

依据“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”，分布式冷热电联供系统具有以下显著特点[16～20]：

(1)节能环保.传统大型发电厂的发电效率虽已经可以达到40%～58%，然而能源供给侧与用户侧距离较远，能量在输送线路上的损耗高达7%，同时其余42%～60%的能量也很难被充分利用.但是分布式冷热电联供系统不仅可以提供40%的电能，还能回收30%～40%的余热用来供暖、供冷，避免了能量输送过程中的损耗，其综合利用率高，在保证满足相同负荷的情况下，减少了一次能源的消耗，也就相当于降低了污染物的排放水平.分布式冷热电联供系统的能耗为传统供能系统的60%左右，污染物排放水平仅为传统供能系统的20%～30%，如表1所示.

表1 能源综合利用比较表

(2)削峰填谷.随季节周期性变化，冬季采暖用气量较大，电量相对较小；夏季电空调用电量大，用气量相对较小.在夏季分布式冷热电联供系统利用吸收式制冷机能有效减少用电量，在冬季分布式冷热电联供系统利用余热回收装置有效供暖，减少燃气消耗.同时，冷热电联供系统的蓄能系统在用能低谷时蓄能，在用能高峰时输出能量，既经济又缓解了电网峰谷的不稳定性.

(3)方便快捷.一座600 MW的火电厂建设周期施工时间长，同时严重受地域条件的制约.分布式冷热电联供系统规模小，安装布置方便，从计划到投入使用周期短，同时移动式冷热电联供移动平台非常适合有短期用能需求的场所.

1.3 分布式冷热电联供系统的集成与分类

分布式冷热电联供系统主要包括动力系统、发电系统、余热回收利用系统、电子监测控制系统.动力系统提供机械动力，以天然气为燃料的动力机主要有燃气轮机、微燃机以及燃气内燃机；发电系统输出稳定电能；余热回收利用系统回收原动力机的余热，又可分为带补燃与不带补燃两种形式用以供暖、制冷或者提供生活热水；蓄能系统调节系统的运行状态，尽量维持系统稳定；电子监测控制系统为系统的自动安全稳定运行提供保障[21].

根据动力机种类以及余热回收方式的不同主要有以下几种集成方案[22～28]：

图2 燃气轮机发电机+余热锅炉+汽轮发电机+吸收式溴化锂制冷机

(1)由图2可知，以燃气轮机为原动力机的双发电机系统，以这种方式集成的分布式冷热电联供系统由于采用燃气—蒸汽联合循环机组，可以充分利用不同品位的能源，配备有两个不同方式的发电机组，对进一步提高整个机组的经济效益起到了良好的促进作用.当这个系统投入到实际工程应用时，可以根据当地的上网电价、冷热负荷以及燃料供应成本等实际情况，余热锅炉还可以分为补燃式或非补燃式，汽轮机又可以分为背压式或者抽凝式.

例如，位于广州市的广州大学城分布式能源站装机容量为2*78 MW，配备了美国普惠公司生产的FT8-3 Swift Pac燃气轮机发电机组和中国长江动力公司生产的抽汽凝汽式蒸汽轮机发电机组.

(2)由图3可知，以燃气轮机为原动力机的单发电机系统，这种集成方式的分布式冷热电联供系统主要优点在于燃机单循环运行，整个系统的供热供冷输出比例较大，即热(冷)电比高；而且主要设备的选型配置以及维修相对简单，可以降低系统的初投资费用，减小了运行成本.

图3 燃气轮机发电机组+吸收式溴化锂机组+余热锅炉 图4 燃气内燃发电机+烟气吸收式溴化锂机+换热器

图5 燃油内燃机发电机组+单压余热锅炉+换热器+蒸汽型溴化锂吸收式制冷机组

图6 分布式冷热电联供系统余热深度回收利用方案图

例如，上海浦东国际机场一期能源中心即属于此类集成系统，该能源中心配备一台4 MW燃气轮机，同时搭配9.7 t/h的余热蒸汽锅炉.

(3)由图4可知，以燃气内燃机产生双余热的系统，这种集成方式的分布式冷热电联供系统的优点在于采用燃气内燃机，内燃机的发电效率明显高于相同功率的燃气轮机，效率可达32%～38%；而且内燃机的可回收余热分为两部分，除了与燃气轮机一样回收排烟余热外，还可以回收内燃机的缸套水(80 ℃～110 ℃)产生的余热.

例如，北京南站冷热电三联供系统的集成方式即属于此种，该系统配备了两台1 600 kW的内燃发电机，同时搭配两台烟气热水型溴化锂机，制冷量为1 622 kW，制热量为2 221 kW.

(4)由图5可知，以燃油内燃机为原动力机的系统，该系统的特点是发电效率可达35%～40%，烟气排放量较小选择单压余热锅炉，蒸汽作为吸收式制冷机的驱动热源，同时缸套水温度较低，在换热器内完成热量传递提供生活热水.

在以上分布式冷热电联供系统的集成方式中，都体现了能源的高效综合利用，可其中排烟温度仍在60 ℃～100 ℃之间，还有一定的回收利用潜力.如图6所示，分布式冷热电联供系统动力机排烟经过余热回收装置回收后进入列管式空气预热器，空气吸收低温烟气余热后作为热泵蒸发器的低温热源，有利于进一步提高能源利用率.

空气源热泵依据逆卡诺循环原理，压缩机消耗少量的高品位电能，将低温低压的冷媒气体压缩成高温高压气体，经过冷凝器向用户释放热量后转变为常温液态制冷剂，流经节流阀后进入蒸发器，吸收低温侧的热量转化为低压制冷剂气体，再经压缩机开始新的循环，热泵因此被美誉为“大自然能量的搬运工”[29～36].

然而随着蒸发器侧低温热源的温度不断降低，甚至到零下20℃，导致蒸发换热器表面结霜，影响传热，制热量减少，热泵的运行效率降低[37～40].借鉴于热泵回收电厂循环水余热[41～42]，将热泵技术与分布式冷热电联供技术相耦合，可以有效的取长补短，经预热后的空气作为空气源热泵蒸发器侧的低温热源，即降低了排烟损失，又可以提高热泵的运行性能，具有良好的经济效益、环境效益.采用空气源热泵深度回收动力机排烟余热，以10 kW内燃机冷热电联供系统为例，在环境温度-10 ℃时，低温烟气流经热泵机组时温度由60 ℃降为-5 ℃，进一步回收动力机的排烟余热0.78 kW，提高能源利用率2.4%，同时热泵COP为3.78，较热泵单独运行COP值2.86高出32.17%，实现分布式冷热电联供系统能源利用率与热泵COP的双提升.

2 评价指标与方法

分布式冷热电联供系统的评价指标及方法主要有以下7个方面[43～49]：

(1)一次能源消耗量

一次能源消耗量是指分布式冷热电联供系统消耗的燃气能量加上购买电量转换为一次能源消耗的能量

(1)

式中：Q为一次能源消耗量，kJ；Qi为分布式能源系统中单体设备消耗的一次能源量，主要包括有燃气轮机、内燃机、补燃锅炉等，kJ；Ein为从电网中购入的电量，kW·h；ηL为输电线路线损率；θ为发电厂发电效率.

(2)一次能源利用率

一次能源利用率(Primary Energy Rate，PER)是指系统输出能量与一次能源消耗量的比值

(2)

式中：ηPER为一次能源利用率；E为分布式能源系统整体输出电能，包括系统自身输出电能以及从电网接入电能，kW·h；H为分布式能源系统输出热能，kJ；C为分布式能源系统输出冷能，kJ；Q为一次能源消耗量.

(3)相对节能率

相对节能率是指在满足相同用能需求的前提下，分布式冷热电联供系统一次能源消耗量相对于分产系统一次能源消耗量的差值与分产系统一次能源消耗量的比值

(3)

式中：ηFESR为相对节能率；QDES为分布式能源系统一次能源消耗量；QCES为传统分产系统一次能源消耗量.

一次能源利用率、相对节能率等都属于热力学第一定律的范畴，只是从能的数量角度对分布式冷热电联供系统展开评价分析.由于电能与热能的品位不同，同样售价也存在很大的差异，考虑到热、冷与电之间的折算系数，引入当量效率以及经济效率等热力学第二定律范畴内的评价指标.

(4)

式中：fHμ为燃料燃烧的低位热值；系数Ac与Ah为考虑到能量品位时冷、热与功的比值；ω、C、H为分布式冷热电联供系统的发电量、供冷量以及供热量.

(5)

式中：Pe、Pc、Ph、P为电价、冷价、热价以及燃料单位热值价格，元/kW.

除了以上各种能源利用的评价指标，还有投资成本、运行成本以及污染物排放水平等指标体系.

(6)设备投资及运行成本

ηDES=KCi+Co+Cm，

(6)

式中：ηDES为分布式能源系统年运行成本，元.

(7)

式中：K为投资回收系数；L为年利率；n为设备使用年限.

Ci=∑Pi×Ri，

(8)

式中：Ci为分布式冷热电联供系统设备投资总额，元；Pi为分布式能源系统中设备的设备容量，kW；Ri为设备的单位容量价格，元/kW.

Co=Rf×∑Gi+PBE×EBE-PSE×ESE，

(9)

式中：Co为分布式冷热电联供系统年消耗的燃气和电量的费用，元；Rf为天然气价格，元/m3；Gi为分布式冷热电联供系统的耗气量，m3；PBE、EBE为分布式冷热电联供系统向电网购电和售电价格，元/(kW·h)；PSE、ESE为分布式能源系统消耗和出售给电网的电量，kW·h.

Cm=∑Mi×Hi，

(10)

式中：Cm为分布式冷热电联供系统的维护管理费用，元；Mi为设备单位容量的年维护管理费用，元/kW；Hi为分布式冷热电联供系统中各设备的容量，kW.

(7)污染物排放量

分布式冷热电联供系统排放的污染物主要来源于燃气轮机、内燃机、补燃锅炉、溴化锂吸收式制冷机、购买电量(折合燃煤发电生产的污染物)等，主要研究NOx和CO2的排放量[50～51].

各个主要设备的NOx排放量,如表2所示.从表2中可以清晰看出：无论是在单体设备还是整个能源系统，分布式冷热电联供系统的NOx排放量远远低于传统的集中式燃煤电厂.

同时CO2年排放量(t/a)为

MCO2=0.059 82V+0.096 081E，

(11)

式中：V、E分别为年耗天然气的热量(GJ/a)和年购电量(MW·h).

表2 NOx的排放因子 kg/(MW·h)

3 发展现状

美国从1978年颁布《公共事业管理政策法案》开始步入分布式供能系统发展行列，截至到2016年热电联供系统发电量已经达到530亿千瓦时，占发电总量的26%.在欧洲截至到2004年，欧盟占有9000多套分布式供能系统，占总发电量的13%.日本预计到2030年分布式供能系统发电量占比将达到20%[52～55].

我国以天然气为主要燃料的分布式能源起步于2002年，相对于美国、日本、德国等国家起步较晚.2010年由国家发展和改革委员会、财政部、住房和城乡建设部、国家能源局联合发布《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，之后我国的分布式能源在政策支持下得到了快速的发展.按照分布式能源专委会数据库大致的统计分析显示，截止到2014年底，国内分布式冷热电联供系统能源的装机容量已经达到3.8 GW，包括已建、在建、筹建项目157个[56～58].

截止2014年底，北京市分布式冷热电联供项目共有北京市燃气集团控制中心大楼(480 kW内燃发电机&725 kW内燃发电机)、北京蟹岛三联供能源中心(2*1 200 kW内燃发电机&2*300 kW内燃发电机)北京南站(2*1570内燃发电机)、北京奥运会能源展示中心(13 300 kW燃气轮机发电机).上海市分布式冷热电联供项目有上海浦东国际机场(4 000 kW燃气轮机发电机)、上海黄浦区中心医院(1 014 kW内燃发电机).广东省分布式冷热电联供项目有广州大学城天然气分布式能源站，能源站总体规划为4*78 MW，一期完成2*78 MW.

图7 全国重点地区楼宇型天然气分布式能源项目装机规模(装机容量150 MW)

图8 全国重点地区区域型天然气分布式能源项目装机规模(装机容量3.65 GW)

从图7、图8中各省区的柱状图显示来看，以天然气为主要燃料的分布式能源的发展趋势大致为东部沿海地区(环渤海+长三角+珠三角)>川渝地区>华中地区>东北地区.同时结合以往国外分布式能源发展的经验主要得出以下结论：

(1)分布式冷热电联供系统由于技术相对以往传统供能系统更新颖，更具有探索性，系统初投资费用更高，需要足够的资金支持其发展，所以往往首先会在经济发展水平相对较高的地区获得稳步快速发展.同时，随着生活水平的提高，人们对生活质量的要求也逐渐提升，更加刺激了节能环保性较好的分布式能源系统的发展.

(2)对电力稳定供应安全系数要求较高的地区更容易发展分布式能源.分布式能源启停灵活，不受大电网的影响，可以作为各企业、工厂、大型建筑的备用电源，有效减小因停电带来的经济损失、社会损失.

(3)传统化石能源(煤、石油)贫乏的地区更容易发展以天然气为主要燃料的分布式能源，天然气的输送相对于煤、石油等化石燃料更安全更快速，同时输气管路可以有效降低恶劣天气及劳动力成本增高对运行成本的影响.

同时，在2017年政府工作报告中明确指出全面实施散煤综合治理，推进北方地区冬季清洁取暖，完成以电代煤、以气代煤300万户以上，全部淘汰地级以上城市建成区燃煤小锅炉.在煤改气的政策支持下，以天然气为清洁能源的分布式冷热电联供系统也将迎来新的发展机遇.

4 亟待解决的关键问题

(1)分布式冷热电联供系统变工况运行性能下降较快

在设计工况下，联供系统各设备的运行效率及环保特性均能达到最佳值.但是受天气变化或用户需求等因素的影响，用能负荷往往会出现较大的波动.由于分布式冷热电联供系统内设备自身固有运行特性的影响，产能与用能的不协调，降低了设备运行效率，减小了分布式冷热电联供系统的实际应用价值.同时由于对负荷评估的不准确，设计并安装设备的容量过大或过小，引起分布式冷热电联供系统一直处于偏离设计工况下运行，节能性与经济性达不到预期值[59～65].

(2)分布式冷热电联供系统发电并网及上网困难

分布式冷热电联供系统具有良好的环境效益、经济效益以及社会效益.但是，分布式冷热电联供系统并没有得到很好的发展，其中一个关键问题就是剩余电量的并网以及上网问题.目前，我国的发电及售电模式比较固定，几大发、售电集团几乎掌握着全国的电力运营.分布式冷热电联供系统所发电并网及上网过程十分繁琐，面对层层的阻碍.再者，在并网及上网运行模式下，考虑到设备的使用寿命及技术局限性，分布式冷热电联供系统无法像传统火电厂那样长时间稳定可靠运行，这就导致其频繁的冲击电力网络，影响了大电网的安全稳定运行[66～67].

(3)投资运营成本过高限制了天然气分布式能源的推广

我国天然气分布式能源项目的关键设备依然依赖进口，造成项目成本较高.此外，由于天然气分布式能源尚属新兴能源行业，具有管理经验和安装维护经验的工程师和技术工人较为稀缺，人工成本也不可忽略.而且，天然气分布式能源的发电成本是煤炭发电成本的2倍至3倍，已超过全国大多数工商业电价，使其很难和传统发电行业竞争.

(4)小型分布式冷热电联供系统的发展速度缓慢

分布式冷热电联供系统相对于传统集中式供能系统其装机容量相对较小，但是受设备功率及余热回收方式的限制，目前还没有实现船舶式联供、可移动式联供等小型分布式冷热电联供系统(5kW-30kW)的应用.小型分布式冷热电联供系统其设备运行性能相对较低，同时余热量较小，回收利用困难，这些都会导致系统能源利用率低，不符合分布式冷热电联供系统节能高效的特点.攻克小型联供系统应用技术难题，是进一步推广分布式冷热电联供系统的关键性问题.

5 总结与展望

本文从分布式冷热电联供系统的定义、特点、集成方案、发展现状以及面临的关键问题更加全面的介绍了分布式冷热电联供能源系统.同时，借助于热泵的应用本文还提出了烟气余热深度回收利用技术，从一次能源利用率、经济效益等方面进一步提高了分布式冷热电联供系统的可利用性.针对目前分布式冷热电联供系统的发展状况，主要有以下几点总结[68]：

(1)分布式冷热电联供系统的原动力机主要有燃气轮机、燃气内燃机以及燃油内燃机三种，其中燃气轮机的余热主要是排烟余热，而燃气内燃机和燃油内燃机的主要余热包括排烟余热和缸套水余热两种.

(2)分布式冷热电联供系统的评价指标主要分为能耗指标、经济指标以及环境指标.

(3)分布式冷热电联供系统的发展主要集中在经济水平相对较高的地区，这是因为分布式冷热电联供系统的主要设备价格较高，同时技术并没有达到与传统火电同等水平.

(4)分布式冷热电联供系统变工况与设计工况运行性能较大，导致达不到预期的节能环保效果.因此在分布式冷热电联供系统的变工况运行特性方面还有待继续研究，深化提高.

进入20世纪以来，大家普遍认为发电效率、单位功率的投资、发电成本等指标随着发电机组容量的增大而减小，国内动力、电力行业应该向大机组、大电厂及大电网方向发展.然而，就实际发展情况来看，分布式冷热电联供系统能够很好的弥补集中供能系统的不足之处，两种能源系统有机结合才是未来能源发展的关键之路.

再者，按照《能源发展“十三五规划”》提出“到2020年把能源消费总量控制在50亿吨标准煤以内，天然气消费比重力争达到10%”，相当于到2020年我国天然气消费规模可能在3600亿立方米，同时随着西气东输和液化天然气的引进，天然气供气量得到保证，以天然气为燃料的分布式冷热电联供系统将得到良好的发展契机，从而我国能源结构调整将进一步加快，所以说分布式冷热电联供能源系统增长空间非常大.

总的来讲，积极合理的发展分布式冷热电联供系统对实现我国节能降耗，减少环境污染，加强能源供应的安全可靠，优化能源结构具有重要的意义，是实现我国可持续发展道路的关键之路.