冷热电三联供系统的发展现状和应用综述

2019-04-11任德财濮晓宙俞祥俊徐俊君

制冷 2019年1期

解鸣，任德财，濮晓宙，俞祥俊，徐俊君

（国网上海市电力公司闸北发电厂，上海210093）

1 前言

能源是影响人类生存和发展进步的关键因素之一，尤其是现阶段化石燃料开采和利用。然而人们大量开采和使用化石燃料，不仅使化石能源面临紧缺状况，而且对地球环境也造成严重破坏。因此，在当前能源结构没有发生根本性转变之前，如何提高能源利用率、节约能源和发展新能源等问题，成为现全球能源环境重要的发展趋势。冷热电三联供系统（Combined Cooling Heating and Power，简称CCHP系统）通过能量梯级利用，同时向用户提供电能、热能、冷能和生活热水等，有效提高能源的利用效率。如果采用并网电力能源互补方式，还可增加系统整体的经济收益和利用效率。因此冷热电三联供的发展和应用符合能源与环境的协调发展大趋势，世界范围内都在不断的探索和深化研究。

2 CCHP系统发展政策与发展历程

2.1 国外CCHP系统的发展

美国、日本、英国等发达国家是应用CCHP系统较早，且应用经验比较丰富的国家，由于CCHP系统不同于传统的集中供能系统，且一次能源主要是天然气，在节约能源、改善环境和增加电力供应上的综合效益更加明显，因此通过几十年的发展，这些国家的综合能源效率和空气质量均得到了空前的改善。

美国是最早摸索和发展CCHP系统的国家，一直以来积极倡导CCHP的发展。自1978年发展小型热电联产以来，经过不断地探索发展，逐步开拓CCHP系统的市场。截止2002年底，美国有约为6000座分布式能源站，美国能源部为进一步推进发展分布式能源CCHP系统提出发展时间表，联合各领域多角度发展，在 “建筑用冷热电联产系统2020年远景规划”中提出，2020年实现50%新建筑和15%的现有建筑均采用CCHP系统。

与美国相比，欧洲对热电联产应用更多，且分布式能源发展居全球发展水平的前列。2000年时，丹麦、荷兰、芬兰的分布式能源供能超过其国家总发电量的50%。其中，丹麦近20年来GDP大幅度提升，能源消耗基本没增加，与CCHP系统的应用有直接关系。英国约有1000座分布式能源站，如白金汉宫、汤宁街官邸采用CCHP系统［1］。

日本的资源相对缺乏，对CCHP技术的发展更是十分重视。截止2007年底，有86个供热营运者和148个供热服务区域。其中总供热面积达到4400万平方米，供热总建筑面积为4800万平方米［2］。如日本芝浦地区采用CCHP系统的东京瓦斯大楼，被当作高效节能的范例。

2.2 中国CCHP系统的发展

传统上我国的电力能源消耗主要来自煤炭，存在效率偏低和污染严重的问题，特别是近年来全国范围内发生的严重 “雾霾”污染问题，迫使我国急需发展高效、节能和清洁的能源利用技术。因此，近十年，CCHP系统的研究和应用在国家配套政策的鼓励和支持下，如雨后春笋，蓬勃发展起来。虽然相比国外发达国家发展的晚一些，但发展速度却比国外现阶段的应用更多。

政策方面，国家发展计划委员会、国家经济贸易委员会、建设部等部委2000年联合发出了《关于发展热电联产的规定》的通知，明确了 “统一规划、分布实施、以热定电和适度规模”的发展原则。上海在2005年正式发布了国内首部《分布式供能系统工程技术规程》，从此上海开始大力推进分布式供能系统建设，优化上海能源供应结构，构建多元化、安全的能源供应体系。根据国家发展和改革委员会颁布的《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，到 “十三五”末，全国要实现分布式能源系统装机规模达5000万千瓦，在全国规模以上城市能得到广泛应用［3］。

经过不到20年快速发展，我国CCHP供能市场逐渐打开，在北京、上海等大中型城市中，多类型楼宇项目的CCHP系统已经投入使用多年，如上海市舒雅良子休闲中心、北京天然气控制中心大楼、上海市紫竹科学院区软件大楼、上海浦东国际机场、北京太阳宫热电厂、上海世博B片区央企总部中心等。其中应用最早的是，1998年在上海浦东中心医院建立的国内首例公共建筑冷热电三联供系统。然而，由于设计以及运营经验方面的不足，也存在因为实际运行和设计工况的不匹配、机组选型过大等因素，造成能源浪费和运行成本高等问题，部分系统现已整改停用。

根据前瞻《2018－2023年中国分布式能源行业商业模式创新与投资前景预测分析报告》数据显示，2016年，全国天然气分布式发电累计装机容量为1200万千瓦，不到全国总装机容量的2%，距离《关于发展天然气分布式能源的指导意见》中，到2020年装机规模达到5000万千瓦的目标差距很大。根据《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，我国将建设1000个左右天然气分布式能源项目，拟建设10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。到2020年，在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统，装机规模达到5000万千瓦，初步实现分布式能源装备产业化。

目前来说，由于我国对于冷热电三联供系统的相关政策和法规仍不完善，支持和技术因素不够等原因，对冷热电三联供技术的发展造成一定的影响。已有调研结果显示，国内虽已大力发展冷热电三联供系统，但试点运行效果仍存在着不足，特别是区域性CCHP系统，资源配置和运行优化依然是现在的主要任务。但已经应用的CCHP系统在减少环境压力、提高能源效率、满足国家能源战略需求等方面的效果已经逐步显现，仍具有广阔的发展和应用前景。

3 CCHP系统的工作原理

冷热电三联供系统一般由发电、制冷和供热三大系统构成。发电装置驱动由发电原理不同可分为燃气轮机、内燃机、斯特林发动机、有机朗肯循环、燃料电池等；制冷系统通常包含蒸汽吸收式制冷机、吸附式制冷机或喷射式制冷机等；用于供热的余热回收系统包含余热锅炉或余热直燃机等。现以天燃气冷热电三联供系统的发电、供冷、供热流程工作为例说明，供冷和供热的原理流程，如图1所示。

供冷工况：冷水机组和热泵等设备由发电设备和市电联合供电，冷水机组和水源热泵机组以电制冷、溴化锂机组利用发电设备的高温余热制冷，分别或共同给用户供冷。

供热工况：供空气源热泵、水源热泵及水泵辅机等设备由发电设备发电和市政电网联供电；溴化锂机组的热源为发电设备的高温余热；水源热泵机组的热源为燃气内燃发电机组低温余热（低温冷却水及低温烟气）和空气源热泵机组制热的低温热水，经过再热提高温度后，给用户供热。

供电系统：采用 “并网上网”达到供电系统平衡，系统发电设备发电供应，供电不足时，从市政电网购电进行补充；供电多余时，上网售电［4］，当然，很多地区由于电力上网政策和技术的约束，仍处于孤网运行状态，并未实际达到最大提高能源利用效率的建设初衷。

4 CCHP系统的研究现状

在世界范围内国家能源政策的鼓励下，CCHP系统的发展得到前所未有的重视，与之相关的技术研究也取得了显著进展。研究的重点主要集中在系统性能优化、系统性能评价以及系统仿真研究等方面。

4.1 CCHP系统的性能研究

图1 系统供冷、供热流程图（虚线为燃气冷热电三联供系统）［4］

冷热电联供系统实现了能量阶级利用，具有节能、环保等特性，其设备选择和系统集成方案的多样化，使得系统性能表现各不相同。郑莆燕［5］等人对系统进行优化设计，鉴于系统受设备类型、系统结构和设备参数等关键因素变化的影响。其研究选用优化设计的变量是微型燃气轮机和溴化锂制冷机的关键参数，基于热水型溴冷机和烟气型溴冷机两种情况，采用夹点理论引优化系统结构，进而达到了对系统整体优化的效果。其研究方法适用于理论优化冷热电联产系统，为工程实际优化奠定了理论基础。

Zhang［6、7］等人分析常规冷热电三联供系统的经济可行性。结果表明系统性能受较低的一次能源效率限制，引起汽－水传热过程中不可逆损失，吸收式制冷机的能效比差，热水输送成本高。Tiantian Z［8］等人提出新型燃煤系统，该系统最开始提取蒸汽，并通过小型涡轮机发电，再驱动吸收式制冷机。新型系统比传统系统更高效，可显著减少汽－水传热过程中的不可逆损失。Li［9］等人用单效吸收式制冷机代替双效吸收式制冷机，可达到1.2的高能效比，经计算得出结论是在同制冷模式下系统效率仍然不高。

总体而言，在系统优化方面因设备选择和系统集成方案的不同而不同，如何选择配置，决定了系统中冷热电负荷的供应能力及投资费用，并对优化运行的经济性有着重要的影响；系统的运行方式可以对已有的配置方案进行优化，提高系统的能源效率和经济效率。因此两者是相辅相成的，对CCHP系统都是很重要的组成。

4.2 CCHP系统的评价研究

CCHP系统是一个复杂的系统，具有能量形式多输入多产出的特点，因此对该系统的比较及优化评价研究是目前的热点和难点。研究一般是采用层次分析（AHP）法，从系统的经济性、环境性和社会性等多方面综合评价，如用计算系统的经济·效率来评价系统的优越性。因此，合理的评估研究是要有科学性和可靠性。

顾明［10］等人从分布式能源系统的特点，和天然气冷热电联供系统三种配置方案展开评价研究。其三联供系采用小型或中小型燃气轮机，分别对燃气轮机＋直燃溴化锂吸收式空调机组方案、燃气轮机＋余热锅炉＋蒸汽溴化锂吸收式空调机组方案和燃气－蒸汽轮机联合循环＋吸收式制冷机组方案进行了综合研究与评价。方案1可减少余热锅炉和蒸汽排泄系统等设备，提高机组的运行效率，适用于燃气轮机电厂或自备电站的改造；方案2中可利用燃气轮机的乏汽余热进行制冷，提高系统能源综合利用率，且制冷负荷能够灵活调节，能够合理匹配各类建筑物的不同负荷需求。方案3利用余热锅炉回收利用高温烟气转化为蒸汽，发电后用于制冷和热水供暖，提高了能源利用率。

孙文彬［11］的团队采用理论分析的方式，对制冷系统的一次能耗、一次能耗节能率和μ值进行了分析，并通过相关具体案例分析，对CCHP系统的吸收式制冷系统和压缩式制冷系统进行比较。结果分析表明：CCHP系统运行工况与节能能力密切相关，运行时根据用能需求变化，设置适当的相关参数，有利于三联供系统制冷节能性发挥。

董军［12］在CCHP系统中运用·成本法进行研究，提出按能级分配成本的方程式，在实际工程中对CCHP系统进行热经济性的全面评价，经济性遵循按质论价的公平原则，得出科学合理的热力学分析结果，为深入研究提供参考。

杨晓丽［13］等人提出数据中心采用天然气三联供系统取代传统方式供能，以北京某机房为例，采用基础应用方案及运行模式，得出结果：三联供系供能性能不亚于传统供能方式；每年可节约标准煤24.6%减排CO238.4%；初始投资明显增加，但年运行成本降至约75%，大大降低整个生命周期能源成本。天然气三联供系统为数据中心供能，可行且优势明显，应推广应用。

冯志兵［14］提出基于传统CCHP系统原则，联供使用化石燃料和可再生能源供能，并有机结合周边资源、针对用户需求采取相应的系统运行策略，按需供能。以低成本的能源消耗得到高效利用，并显著提升系统的性能，值得推广使用。

以上研究均是基于某一种CCHP系统，并不适合于所有的CCHP系统。总体而言，CCHP系统的各种评价方法各有长短，基于此浙江工业大学的凌莉、钟英杰［15］等人研究了如何建立CCHP系统的综合评价指标体系问题，并提出了一种建立方法：（1）构建设计框架；（2）将指标整理并按属性归类，形成多层次的指标体系；（3）用主成分分析法对指标体系进行修正。根据该方法建立的多层次指标体系，分为固定指标体系和灵活性指标两部分，可对不同场合的CCHP系统进行综合评价。

4.3 CCHP系统的仿真研究

CCHP系统是一个能量形式多输入多产出的复杂系统，包括动力系统、制冷系统、供热系统、控制系统等。实现各系统优化匹配，发挥系统经济性和环境性的综合潜力，满足全年逐时动态负荷需求，如果采用真实系统实验对系统性能评估和优化，工作量巨大、耗时长、成本高。而采用系统仿真研究的方法，可解决真实实验的不足，拥有耗时少、节省成本、易操作等极大优势。目前仿真研究受到越来越多的学者的青睐，通过对系统性能预测和分析优化，从而便捷地得到系统的安全性、质量和经济性的相关信息。

张雪梅［16］等人利用Dymola软件建立了关于设备性能参数的微燃机冷热电联产系统动态仿真模型库，用于解决微燃机CCHP系统中供能侧和用能侧难以逐时匹配的问题，从而实现全年动态能耗仿真，预测及评估系统的能效、经济性以及二氧化碳排量等指标。并结合某工程实例进行了模型验证，得到系统仿真结果处于工程可接受精度范围。其结果表明，建立的动态仿真模型库相对完整，可以通用和可扩展，并有可部件模型重用性高的特点，方便又快捷地建立不同的微燃机冷热电联产系统，还可以对已有项目进行技术诊断和优化运行，能够有效提高系统设计性能。

Bao［17］等人建立有日前调度和实时调整的三联供微电网系统优化模拟，该模拟考虑了制冷和电力分布的不同时刻，采用改进的粒子群优化算法以实现最小的操作成本。Wu［18］等人提出进行了同时实现多目标的最佳运行模拟，该模拟采用混合整数非线性规划法计算关于能源节省比和成本节省比分层次优化解决方案。Zheng［19］等人建立了地源热泵与三联供结合系统实现多目标优化模拟，该模拟采用等质法和多种群遗传算法求解最优解。多方位优化问题通常采用多种群遗传算法给运行商提供一个全面的优化解决方案。

5 CCHP系统的发展趋势和前景

5.1 CCHP发展趋势

当前，随着新能源的广泛应用和控制技术的快速进步，CCHP系统也逐步向多种能源形式的耦合和集成方向发展。

（1）耦合可再生能源利用的冷热电三联供系统

以太阳能为唯一热源用于加热气体工质，进行闭式Brayton循环称为太阳能冷热电三联供系统。该系统利用透平释放余热，以余热制冷供冷或换热器直接供热的形式，实现了独立建筑的三联供。将热动力系统和燃料电池组合使用，就可实现独立建筑24h连续供应冷能、热能和电能。太阳能联供系统无需消耗化石能源，环境友好，能源利用效率高，因此具有极高研究价值，值得大力推广应用［20］。其原理性系统图如图2。

Ju等人［21］建立了一个混合三联供系统以风能、太阳能、天然气为能源，由太阳能光伏发电机组，太阳能热收集器，燃气轮机，吸收式制冷机等组成。Boyaghchi［22］等人提出了以太阳能为能源的三联供系统，系统的电能和冷能分别由有机朗肯循环和喷射式制冷循环提供。Wang等人［23］提出采用生物质能的三联供系统，该系统包含生物质空气气化炉和热管换热器，从高温气体产物中回收废热。Maraver等人［24］分别分析了在斯特林发动机和有机朗肯循环技术下不同生物质能三联供系统。

（2）基于天然气三联供的能源集成系统

能源集合系统是指三联供技术结合其他技术组成系统，对系统运行的稳定性和经济学均有改善。其他技术组成可以为：蓄能系统、热回收系统、地源或空气源热泵系统及江水水源热泵系统等。它们以三联供系统为基础，综合运用蓄能、新能源等系统的集成系统发挥各自优势，实现多能互补，从而提供安全可靠、经济的冷热源及电能需求。如张曦［25］等人以浙江青山湖科技城区域能源站为案例，在地源热泵结合冰蓄冷技术的基础上，补充天然气冷热电三联供系统，探讨了其多能互补系统的优化方案，为区域能源站提供多能互补系统的经验。

5.2 CCHP系统的发展前景

图2 太阳能热动力电热冷联供系统

目前，CCHP系统作为第二代能源系统的重要载体，全世界都在推动建设和积极试点。它具有燃料的多元化、设备的小型、微型化、冷热电联产化、网络化、智能化控制和信息化管理和高标准的环保水平的特征。这些特征代表了能源技术发展的重要方向，这包括了对可再生能源的开发及利用、分布式供电技术与冷热电三联产系统的兴起及发展。分布式供电和可再生能源的开发和利用对其提供了更加广阔的发展前景。

虽然发展CCHP系统在我国的发展具有良好的机遇，但是其发展是长期的。需可研人员不断深度研究相关课题，发展建设其规范、标准和相关法规，完善分析和总结实际工程经验和教训。相信通过社会各界的长期努力，我国CCHP系统技术会不断发展至成熟，以天然气为一次能源的CCHP系统将得到快速的发展，为我国能源及环保事业的发展注入活力。