（江苏华润燃气新能源有限公司 江苏无锡 214024）
摘要：天然气冷热电三联供系统的应用显著提高了能源利用率，具有经济环保的作用，被大力推广。其工作原理是先利用燃气轮发电机将天然气的内能转化为电能带动发电，再将燃气轮的高温烟气用于推动制冷剂制冷，然后用换热器回收烟气中残余的热量进行生活用水的加热，从而使得能源被充分利用，节约能源，有利于可持续发展。
关键词：天然气；冷热电三联供；热力学分析
1、前言
目前，全球面临着能源枯竭，物种多样性减少，环境污染严重，全球气候改变等紧迫问题，给人类的进一步发展进步带来严重的威胁。其中，能源储量降低，能源日益枯竭问题是影响全球经济发展的最紧迫问题之一，而分布式能源的出现给问题的解决提供了一定的方向。分布式能源能量利用率高、性能可靠、方便灵活且污染小，在当前各大城市得到了普遍的应用，冷热电三联供技术作为分布式能源系统的基础，在分布式能源的推广中具有十分重要的价值。
2、天然气冷热电三联供系统
典型的天然气冷热电三联供系统表现为对能量的充分利用，首先三联供系统利用燃烧天然气的热量带动发电机工作为建筑物内提供电能，燃烧之后排出的高温烟气可以直接驱动溴化锂吸收式制冷机或者利用烟气的余热加热锅炉为建筑物制冷、供暖或提供生活热水。一般来说，一个完整的天然气冷热电三联供系统包括的装置为原动机（燃气内燃机、燃气轮机等）和发电机组成的动力装置、吸收式制冷剂和离心式制冷机等设备组成的制冷装置、辅助锅炉热泵和余热锅炉等组成的供热装置。
3、天然气冷热电三联供系统热量分析
上文中提到，天然气冷热电三联供系统由供电系统、制冷系统和供热系统三部分装置组成，在运行过程中实现了能量的充分利用。在研究中，我们利用能量平衡法来分析三联供系统能源利用的特点，在这里，首先假设系统稳定运行，设备效率不发生改变。在工作过程中，燃气轮发电机燃烧天然气进行发电，同时会把高温烟气排放进吸收式制冷机推动制冷机工作。那么此时Pe与燃气轮发电机Q的关系如式3-1所示。
式3-1
式中 为发电效率，根据发电机能量平衡关系可以得到式3-2。
式3-2
单位时间内制冷机制冷量可以用下式来表示：
式3-3
式3-3中，ɛ表示的是制冷机制冷系数，是一个常数，ηc代表吸收式制冷机中高温烟气通过的余热回收效率，这两个参数都由设备的性能来决定。我们可以利用高温烟气通过制冷机过程中的能量平衡求出Q2。[2]
式3-4
回收制冷机排出的中温烟气中的热能，将烟气通过换热器，提供生活热水，Qh可以用下式表示：
式3-5
式3-5中，ηh表示的是换热器的热回收效率。
我们把高温烟气相较于环境温度所包含的热能与高温烟气中吸收的能量的比值定义为换热器与制冷机之间的热回收效率。如果说工作中烟气没有泄露，而且整个系统中的比热容不发生变化，则制冷机热回收效率表示为式3-6，而换热器热回收效率可以表示为式3-7。[3]
式3-6
式3-7
综上所述，天然气冷热电三联供系统的能量利用效率可以表示为式3-8，即系统运行过程中有效利用的能量和总的消耗的能量的比值。
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式3-8
4、㶲分析
在特定的环境状态中，㶲指的是系统能够对外做的最大有用功的能力。对天然气冷热电三联供系统的㶲进行分析，能够对系统的性能评价和系统设计进行充分的了解，能够明确该系统能量主要损失的部位和环节，从而可以对实际工作与最大工作效率的差距进行全面的诊断，为系统的优化提供科学的理论指导。系统的整个工作状态和运行水平可以通过㶲分析准确表示出来，此外还可以利用㶲分析确定㶲损失的部位和量级。天然气冷热电三联供系统的总㶲应该是天然气的㶲，以Qf来表示，由于电㶲和电能的数值相等，所以有Ee=Pe。制冷机在冷却到一定温度时也会从环境中吸收热量，即制冷机的制冷量，制冷机的输出制冷量与热㶲之间的关系可以表示为式4-1所示。[4]
式4-1
式4-1中，Tc表示输出冷质工质的温度，Eh为换热器加热生活热水的输出热㶲，关系式如4-2所示。
式4-2
热量的泄露和散热是系统中各个环节㶲损失的主要原因，具有不可逆性。
5、发展趋势分析
5.1 天然气三联供能源集成系统
天然气三联供系统在运行时与用能特点的关系密切，向三联供技术与其他技术结合起来，构成天然气三联供能源集成系统，可以有效提高系统运行的稳定性和安全性。目前，能源集成系统一般包括蓄能系统、地源热泵系统、热回收热泵系统和江水源热泵系统功能等。其中，海水泵和地源热泵为系统提供稳定的冷热源，既可以制冷，也能够供暖并提供生活热水。蓄能系统具有一定的智能性，利用用电低峰期或者晚上的廉价电力为日间需要的空调冷热能进行提前储备工作，从而缓解用电紧张问题，提高电能利用效率。潮汐能、太阳能以及风能等绿色能源能独立于能源集成系统为用户提供清洁、安全、稳定的冷热能。[5]
5.2 可再生能源三联供系统
太阳能冷热电联供系统利用的是Brayton循环发电模式，系统唯一的热源加热气体工质是太阳能，系统将释放的余热用于换热器直接供热或者进行制冷机的制冷工作，从而为建筑物提供稳定的冷热电联供服务。将太阳能冷热电联供系统与燃料电池系统结合起来，可以为用户提供二十四小时独立的冷热电联供。太阳能联供系统具有能源利用率高、无污染以及不消耗化石能源的优点，具有很大的市场价值，同时该系统能源可再生，环保性强，对环境内的保护具有重要意义。
太阳能三联供系统的工作模式与天然气冷热电联供系统的相似，只是所用的能源不同，太阳能三联供系统通过太阳能集热器驱动闭式的Brayton循环完成发电，从燃料装置排除的废气温度可以高达180摄氏度，利用换热器对送风系统中的空气进行加热，将其作为热源直接使用。当冬季气候寒冷室内供热需求量大是，可以通过散热器和管路进行建筑物内供热或者利用气-水换热器对管道中的水进行加热或者直接提供热水，从而维持室内的温度。
6、结束语
在本文中，我们对天然气三联供系统的主要构成和运行方式进行了简单的介绍，并对其热力学行为进行了详细的分析，确定系统运行过程中能量损失的主要环节和主要部位，从而可以针对性的对三联供系统进行改造，最大化的提高能量的利用率。同时我们也对未来天然气冷热电三联供系统的发展做出了部分设想，希望能够合理利用三联供系统，提高人民的生活水平，并减少对环境的破坏。
参考文献：
[1]冯志兵, 金红光. 冷热电联产系统节能特性分析[J]. 工程热物理学报, 2016, 27(4):541-544.
[2]张万坤, 陆震, 陈子煜, 等. 天然气热、电、冷联产系统及其在国内外的应用现状[J] . 流体机械, 2015, 30:50-53.
[3]高茜. 冷热电三联供方案可行性及技术经济分析[D]. 2011.
论文作者:何宁
论文发表刊物:《电力设备》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/23
标签：系统论文; 制冷机论文; 烟气论文; 能源论文; 热电论文; 换热器论文; 能量论文; 《电力设备》2017年第15期论文;