燃气冷热电三联供系统节能性与经济性分析

张旭理

摘 要：燃气冷热电联供系统是分布式能源系统的主要形式，是一种建立在能量梯级利用基础上的综合产能、用能分布式系统。系统安装于最终用户端附近，首先利用一次能源驱动发电机发电，再通过各种余热利用设备对余热进行回收利用，从而向用户同时提供电力、制冷、采暖、生活热水等。燃气冷热电联供系统以其节能、削峰填谷、环保、电力可靠性高等优点而受到广泛重视。

关键词：冷热电三联供制冷系统发电效率节能

1 燃气冷热电三联供技术产生背景

中国经济建设高速发展的今天，能源短缺及环境污染问题日益突出，开发新能源，调整能源结构，以建设资源节约型和环境友好型社会一直是政府的发展目标。新能源的开发利用需要全面的考虑其经济性、社会性以及生态性，在这种大的形势下，节能减排的分布式能源系统成为我国在能源方面发展的主要对象。

国际上应对气候变化和治理空气污染一直呼声不断，近年美国页岩气的开发利用极大的增加了国际市场天然气的供应，我国自俄罗斯进口来的天然气及自身天然气的发展，使整个能源机构发生了变化，中国计划到2030年非石化资源占一次能源的比重提高到20%左右，燃气热电冷联供技术恰逢其时。天然气分布式能源，又称燃气热电冷联供系统，是一种建立在能源梯级利用概念基础上，将供热（采暖和供热水）、制冷及发电过程一体化的能源综合利用系统，其综合能源利用效率在70%以上，受到许多发达国家的重视并被称为“第二代能源系统”。

2 冷热电三联供的特点

2.1 提高能源综合利用效率：运用能量梯级利用原理，先发电，再利用余热，体现了由能量的高品位到低品位的科学用能，且使一次能源综合利用效率和效益大幅度提高

2.2 冷热电三联供CCHP可以大大提高能源利用效率：大型发电厂的发电效率一般为30%～40%;而CCHP的能源利用率可达到80%～90%，且沒有输电损耗;

2.3 降低碳和污染物排放方面具有很大的潜力：据专家估算，如果将现有建筑实施CCHP的比例从4%提高到8%，到2020年CO2的排放量将减少30%，有利于环境保护;

2.4 缓解电力短缺，平衡电力峰谷差：三联产系统采用自发电，可以避开电网用电高峰，并且大大提高了建筑供电可靠性和安全性;

2.5 布置在用户侧，燃气三联供系统解决了热电厂冬夏季负荷不均造成的热经济性低的问题，降低了发电煤耗率，提高了经济效益;

2.6 该系统布置在建筑物内或就近布置，减少了大型热电项目大电网、大热网在输送环节的能量损失;

2.7 该系统能够实现建筑用能自发自用，能源使用随用随转化、调节方便，避免了大型热电项目水利失调、冷热不均带来的能量损失;

2.8 以溴化锂吸收式制冷机取代压缩式制冷机，避免了CFC类氟利昂制冷剂的大量使用和排泄，起到了环保的作用;

3 热电冷三联供系统常见的几种配置模式

按燃气原动机的类型不同来分，常用的冷热电联供系统有两类，即燃气轮机式联供系统和内燃机式联供系统，系统的具体组成包括：燃气机组、发电机组及供电系统、余热回收及供热系统、制冷机组及供冷系统，此外还有燃气机组的空气加压、预热、冷却水、烟气排放的辅助系统。内燃机式与燃气轮机相比，内燃机的发电效率高，因而内燃机冷热电联产系统的电量输出比例高，冷电比（或热电比）通常为1.0～1.5。此外，相对于燃气轮机，内燃机的价格比较便宜，因此内燃机被广泛用于三联供系统的原动机。内燃机可回收的热量主要包括排烟余热、缸套水余热以及润滑油余热等三部分。缸套水出口温度一般略低于100℃，这部分能量品位低，但数量较大，随缸套水排出的余热量占燃料燃烧产热的30%～40%，而且即可以用于直接供热，也可以驱动吸收式除湿设备或者单效吸收式制冷机组。内燃机排烟温度一般为350～450℃，这部分烟气余热既能满足供暖需求或提供生活热水，也可以通过驱动制冷机组将热量转化为冷量，以满足供冷需求。内燃机可回收的热量组成使其在冷热电联产系统的余热利用及系统集成方面，有着自己的特点。燃料在内燃机的气缸中燃烧，产生高温高压的气体，气体在气缸内膨胀做功被转换为发电所需的动能，排气余热驱动制冷机组或者通过热交换器进行供热。内燃机的缸套水余热量大而温度较低，通常用于供生活热水。

4 设计冷热电三联供燃气机热泵

冷热电三联供燃气机热泵系统中的发动机与发电机的火用损功率比率是最大的。因此在设计冷热电三联供燃气机热泵系统时，从能量品质的角度出发应该尽量选取热效率比较高的发动机;减少发电机的发电量，因为直流发电机的发电效率比较低，通常在35%～50%之间，因此在设计时可以考虑直接用发动机带动水泵的方式，这样可以减少一次能量的转换带来的有效能的损失。根据南北方地域的不同要综合考虑冷凝温度对系统的影响。北方地区属于法定供热区域，因此在设计的时候可以适当的将供热水的水温提高一些，而在南方地区由于热泵系统的主要功能是供冷，因此只有牺牲发动机和发电机的有效能来达到比较理想供冷COP。设计冷热电三联供燃气机热泵系统时应该选用换热效果比较好的换热器，即想办法尽可能的将有冷量火用及热量火用产生和利用的换热器的火用损功率降至最低。从上述的图中便可知，所分析讨论的板式换热器的火用损功率不论在制冷或者供热工况下都比较大，有些工况下比压缩机的火用损功率还大，这是因为在板式换热器存在着双工质火用损情况。设计冷热电三联供燃气机热泵系统时不应当将发动机的转速定高，应该选择发动机的经济运转速度为好，随着发动机转速的提高，发动机与压缩机的火用损功率都在飚升，较之不同冷凝温度和不同蒸发温度下各工况时的发动机，压缩机的火用损功率要大很多，因此高转速的燃气机热泵是不经济的。

结束语

综上所述，在市场经济快速发展，资源消耗日益加重的形势下，开发新能源成为我国经济发展的主要目标。燃气热电冷联供技术是分布式能源系统中一种重要的形式，其通过燃烧天然气，充分的利用烟气排热实现了发电、供热以及制冷等功能，是对我国现有能源供应的一种补充，最大限度的实现了资源的优化配置，是资源梯级利用的重要表现形式。燃气热电冷联供技术作为一种新兴技术，不仅能够创造巨大的经济效益，同时又实现了保护环境的目的，将会是我国以后发展的主要趋势。

参考文献

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[3]王珏.天然气冷热电三联供系统热力学分析[J].中国新技术新产品，2015，（10）：85.

论文来源：《建筑工程技术与设计》 2015年28期