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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。燃气冷热电联供系统是一个复杂的能源系统，存在冷、热、电多种能量输出，受到可燃性气体价格、电价、建筑负荷波动等多种因素影响，不同的容量配置和运行方式也会直接影响系统的性能。因此结合项目具体情况，从节能性与经济性的角度对具体的燃气冷热电联供系统进行分析，就更显得必要。
关键词：冷热电三联供 制冷系统 发电效率 节能
冷热电三联供是实现能源梯级利用的高效能源利用形式，它可将发电之后的低品位热能用于制冷供热，以提高能源的综合利用效率。冷热电联供发展较迅速的主要有英国、美国、加拿大、法国等国家； 早在上世纪 30 年代，美国就建成了第一个冷热电联供系统，现如今分布式能源站总数已超过6000 座。关于冷热电联系统的节能性问题，各方意见不一，多数认为系统是节能的，某些认为节能是有条件的，而另一些认为不节能。文章从一次能耗的角度出发，通过计算制冷工况的吸收式制冷系统和电压缩式制冷系统的一次能耗，分析冷热电三联供制冷系统的节能性。
一、燃气冷热电三联供制冷系统的背景
我国1998年起实施的《中华人民共和国节约能源法》明确指出：“推广热电联产、集中供热，提高热电机组的利用率，发展热能梯级利用技术，热、电、冷联产技术和热、电、煤气三联供技术，提高热能综合利用率”。2000年原国家计委、原国家经贸委、建设部、国家环保总局联合发布的《关于发展热电联产的规定》指出：“以小型燃气发电机组和余热锅炉等设备组成的小型热电联产系统，适用于厂矿企业、写字楼、宾馆、商场、医院、银行、学校等较分散的公用建筑。它具有效率高、占地小、保护环境、减少供电线损和应急突发事件等综合功能，在有条件的地区应逐步推广”。2005年起实施的国家标准《公共建筑节能设计标准》规定：“具有充足的天然气供应的地区，宜推广应用分布式热电冷联供和燃气空气调节技术，实现电力和天然气的削峰填谷，提高能源的综合利用率”。大量采暖锅炉导致冬季天然气高峰，季节性峰谷差造成设备和管网利用率低，运行成本提高。发展燃气空调和冷热电三联供可降低电网夏季高峰负荷，填补夏季燃气的低谷，同时降低电力和燃气的峰谷差，平衡能源利用负荷，实现资源的优化配置。分布式天然气冷热电三联供技术是以小型燃气发电机组为核心，配以余热锅炉及吸收式制冷机的系统。它首先利用天然气燃烧产生的高温烟气在燃机中做功，将一部分热能转变为高品位的电能，再利用发电后的余热制冷和供热。三联供系统为建筑或区域提供电力、供冷、供热三种需求，实现天然气能源的梯级利用，能源利用效率可达到80%以上，大大减少二氧化硫、固体废弃物、温室气体的排放，减少占地面积和耗水量，还可应对突发事件确保安全供电，在国际上已经得到广泛应用。近年来国内在上海、北京等城市已有少量天然气冷热电三联供项目投入运行，为开发天然气资源合理利用的途径进行了一些尝试。
二、冷热电三联供的特点
1.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%，且没有输电损耗；
2.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；
3.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；
4.扩大了燃气使用量，平衡燃气峰谷差；
5.投资回报率高，具有良好的经济性。
三、热电冷三联供系统常见的几种配置模式
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。
1.分类
（1）蒸汽轮机+蒸汽型溴化锂吸收式
冷热水机组利用发电后的乏汽驱动蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组，进入汽水换热器换热，可以对外供热水或者直接对外供热蒸汽；
（2）燃气轮机+烟气（补燃型）溴化锂吸收式
冷热水机组燃料进入燃气轮机燃烧产生高温、高压烟气，推动燃气轮机发电机组发电，排烟进入烟气补燃型溴化锂吸收式冷热水机组，驱动机组制冷（制热），对外提供空调冷（热）水。当排烟量较小时可以启动补燃系统，由补燃提供机组热量；
（3）燃气轮机+（补燃型）余热锅炉+蒸汽轮机+蒸汽型溴化锂吸收式
冷热水机组燃料进入燃气轮机燃烧产生高温、高压烟气推动燃气轮机发电机组发电，排烟进入（补燃型）余热锅炉，产生高温、高压蒸汽，推动蒸汽轮机发电机组发电，发电后的乏汽用于驱动蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组，进入汽水换热器换热对外供热水或者直接对外供蒸汽；
（4）内燃机+烟气热水(补燃型)溴化锂冷热水
机组燃料进入内燃机燃烧室燃烧，内燃机输出机械功，带动发电机组发电；内燃机排放的高温烟气及缸套热水直接进入烟气热水（补燃型）溴化锂冷热水机组，驱动机组制冷（制热），对外提供空调冷（热）水。
2.理论分析
燃气冷热电三联供（CCHP）是指以燃气（现也有以沼气、页岩气等气体）作为一次能源，通过燃气轮机、燃气内燃机或燃气微燃机等动力设备驱动发电机发电，而产生的高温烟气和缸套水的热量可以被余热回收装置回收利用后向用户供冷或供热，满足终端用户对电、冷、热等能源方面的需求。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆本文计算所研究的三联供系统是“燃气内燃机+余热直燃机”的供能形式，其工艺流程是天然气进入内燃机燃烧，内燃机将燃料的热能转化为气缸的机械能，从而带动发电机组发电，提供电力负荷。天然气燃烧后的高温烟气以及缸套水的热量被余热回收装置再回收利用后，根据用户的要求为用户提供冷、热负荷。其系统原理图如图1所示：该系统具有的优点如下：
（1）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）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；
（3）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；
（4）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；
（5）该系统与建筑同步建设，建设周期短；
（6）可以实现区域内能源供应的模块化建设。
3.燃气三联供与传统供能方式的对比
在供给终端用户等量的符合需求时，分别采用燃气三联供系统和常规能源系统，通过相应的计算，对比分析其氮氧化物的生成量，具体分析如下。
（1）燃气三联供（燃气内燃机）
燃气内燃机以天然气作为一次能源进行发电，同时可以利用余热进行供热（制冷）。按照三联供系统效率80%（发电效率为40%）进行计算，提供1kWh的电量，需要天然气为0.256m3，同时可以提供1kWh的热（冷）。在氧浓度为5%时，不加脱氮设备的内燃机的NOX排放为500mg/m3，根据其理论产生的烟气量可得其产生的NOX量为1713.41mg。即燃气三联供系统产生1kWh的电和1kWh的热（冷），其耗气量为0.256m3，折合为标煤是0.307kg，产生的NOX量为1713.41mg。
（2）常规供能方式（单纯依靠燃煤电厂发电）
按照全国燃煤电厂平均发电效率为35%计算，同时要扣除输送电损大约为10%，最终终端用户得到的发电效率为30%。根据相关文献数据[7-8]，选取火电厂的煤耗量为360g/kWh。1kWh的电，由燃煤电厂产生需要耗煤360g，等热值折合耗气为0.3m3，按照不加装脱氮设备来说其产生NOX为3.1g；1kWh的热，由燃气锅炉提供，耗气量为0.114m3，产生NOX为152.6mg；1kWh的冷，由电空调提供，电制冷机的COP取5，即终端用户获取1kWh的冷量需要消耗0.2kWh的电量，等热值折合耗气量为0.06m3，产生的为0.62g。综上所述，采用传统供能方式使得终端用户获得1kWh的电和1kWh热时，需要天然气体积为0.414m3，产生的NOX总量为3152.6mg，终端用户获得1kWh的电和1kWh冷时，需要天然气体积为0.36m3，产生的NOX总量为3620mg。
（3）计算结果对比分析
a.满足终端用户等量的能源需求，提供1kWh电+1kWh热，采用燃气三联供消耗一次能源量比常规能源方式少0.158m3，折合标煤为0.19kg，约为38%；产生的NOX量比常规能源方式少0.4565mg，约为45.65%；
b.满足终端用户等量的能源需求，提供1kWh电+1kWh冷，采用燃气三联供消耗一次能源量比常规能源方式少0.104m3，折合标煤为0.12kg，约为28.9%；产生的NOX量比常规能源方式少1906.6mg，约为52.67%。
四、结论
从以上的计算分析可以得出以下结论:
1.在空调工况或普通供暖工况下,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。
2.设计冷热电三联供燃气机热泵系统时,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,这样使得系统的冷凝温度也适当的提高,从图5可以知道此时发动机和发电机的火用损功率可以降低;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。
3.设计冷热电三联供燃气机热泵系统时,需要考虑蒸发温度对系统的影响,尤其是针对南方供冷为主的地区,选取一设计冷凝温度后,虽然蒸发器的火用损随着蒸发温度的升高而减小,但是考虑到系统的制冷剂流量也在不断的增加的原因,实际上蒸发器的火用损功率并不是一直在下降,如图8所示应该有一个拐点,因此可以选择在此拐点的附件寻找合适的设计蒸发温度,本文选取的蒸发温度为2.5℃。若左偏离拐点太远会造成蒸发温度过低,影响系统的COP;但若右偏离拐点太远则又达不到设计冷负荷的要求。
4.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。
5.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。
五、结论
对于由小型燃气轮机、余热锅炉、吸收式制冷机等设备组成的联供系统，燃气轮机的类型和电网发电效率都对其节能性有较大影响，而且它们之间是相互影响的。当采用双效吸收式制冷机组，以性能比较好的燃气轮机作为动力装置，并且平均发电效率较低时，吸收式制冷系统的节能效果明显。研究结果表明:当全国平均发电效率提高到40%时，多数机组还能体现出节能优势，但最小时已达0．6%;当发电效率取55%时，多数机组已不能满足节能性要求。在进行冷热电三联供系统设计时，要充分考虑当地的发电效率，选择合适的燃气轮机和制冷机机组配置。在一定程度上减少空调设备的使用和能源消耗，为建筑节能做出贡献。本文对于制冷系统节能效果的分析是以联供系统中的余热制冷与直接用电的电压缩式制冷进行对比，存在一定的不完善性，还可以将联供系统发电用来制冷，同时利用余热制冷，对比其总制冷量与直接电压缩制冷量相同时的能耗，进行更深入的研究。
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论文作者:阚海丽
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年1月
论文发表时间:2017/4/18
标签：系统论文; 热电论文; 燃气论文; 余热论文; 机组论文; 内燃机论文; 燃气轮机论文; 《建筑学研究前沿》2017年1月论文;