冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用

王小春，寇建玉，史艷輝

(內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

1 概述

分布式能源系統(tǒng)(Distributed Energy System)在許多國(guó)家、地區(qū)已經(jīng)是一種成熟的能源綜合利用技術(shù)，它以靠近用戶、梯級(jí)利用、一次能源利用效率高、環(huán)境友好、能源供應(yīng)安全可靠等特點(diǎn)，受到各國(guó)政府、企業(yè)界的廣泛關(guān)注、青睞。分布式能源系統(tǒng)有多種形式，區(qū)域性或建筑群或獨(dú)立的大中型建筑的冷、熱、電三聯(lián)供(Combined Cooling Heating and Power，簡(jiǎn)稱CCHP)系統(tǒng)是其中一種十分重要的方式。

燃?xì)饫?、熱、電三?lián)供系統(tǒng)是一種建立在能量的梯級(jí)利用概念基礎(chǔ)上，以天然氣為一次能源，產(chǎn)生冷、熱、電的聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)。它以天然氣為燃料，利用小型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、微燃機(jī)等設(shè)備將天然氣燃燒后獲得的高溫?zé)煔馐紫扔糜诎l(fā)電，然后利用余熱在冬季供暖；在夏季通過(guò)驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)供冷；同時(shí)還可提供生活熱水，充分利用了排氣熱量。提高到75%左右，大量節(jié)省了一次能源。

2 國(guó)內(nèi)外分布式能源應(yīng)用現(xiàn)狀

美國(guó)：截止2002年末，美國(guó)分布式能源站已近6000座。美國(guó)政府把進(jìn)一步推進(jìn)“分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)”的發(fā)展列為長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，并制定了明確的戰(zhàn)略目標(biāo)：力爭(zhēng)在2010年，20%的新建商用或辦公建筑使用“分布式熱電聯(lián)產(chǎn)”供能模式；5%現(xiàn)有的商用寫字樓改建成“冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)”的“分布式熱電聯(lián)產(chǎn)”模式。2020年在50%的新建辦公樓或商用樓群中，采用“分布式熱電聯(lián)產(chǎn)”模式，將15%現(xiàn)有建筑的“供能系統(tǒng)”改建成“分布式熱電聯(lián)產(chǎn)”模式。

歐盟：據(jù)1997年資料統(tǒng)計(jì)，歐盟擁有9000多臺(tái)分布式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，占?xì)W洲總裝機(jī)容量的13%，其中工業(yè)系統(tǒng)中的分布式熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)總?cè)萘砍^(guò)了33GW，約占熱電聯(lián)產(chǎn)總裝機(jī)容量的45%，歐盟決定到2010 年將其熱電聯(lián)產(chǎn)的比例增加1倍，提高到總發(fā)電比例的18%。

日本：重視節(jié)能工作，節(jié)能系統(tǒng)的研究程度很高，以天然氣為基礎(chǔ)的分布式冷、熱、電聯(lián)供項(xiàng)目發(fā)展最快，而且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。日本政府從立法、政府補(bǔ)助、建立示范工程、低利率融資以及給予建筑補(bǔ)助金等角度來(lái)促進(jìn)能源開發(fā)及節(jié)能事業(yè)的發(fā)展。對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目給予諸多減免稅。截止2000 年底，已建冷、熱、電系統(tǒng)共1413個(gè)，平均容量477kW，以小型系統(tǒng)為主。

中國(guó)：我國(guó)政府將天然氣的開發(fā)和利用作為改善能源結(jié)構(gòu)，提高環(huán)境質(zhì)量的重要措施。西氣東輸、廣東進(jìn)口液化天然氣、東海天然氣開發(fā)等大型項(xiàng)目的全面實(shí)施，推動(dòng)了全國(guó)天然氣的建設(shè)。北京已建成的燃?xì)獯髽?、次渠門站，在建的中關(guān)村軟件園、生命園、中關(guān)村國(guó)際商城，上海已建成的浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)、環(huán)球國(guó)際金融中心、上海理工大學(xué)等；武漢、南京、廣州、深圳、成都等城市的冷、熱、電項(xiàng)目也正在規(guī)劃，所以我國(guó)還處于分布式能源系統(tǒng)的初級(jí)階段并且發(fā)展迅速。

3 三聯(lián)供系統(tǒng)的分類及優(yōu)化研究

燃?xì)饫?、熱、電三?lián)供系統(tǒng)按照供應(yīng)范圍，可以分為區(qū)域型和樓宇型兩種。區(qū)域型系統(tǒng)主要是針對(duì)各種工業(yè)、商業(yè)或科技園區(qū)等較大的區(qū)域所建設(shè)的冷、熱、電能源供應(yīng)中心。設(shè)備一般采用容量較大的機(jī)組，往往需要建設(shè)獨(dú)立的能源供應(yīng)中心，還要考慮冷、熱、電供應(yīng)的外網(wǎng)設(shè)備。樓宇型系統(tǒng)則是針對(duì)具有特定功能的建筑物，如寫字樓、商廈、醫(yī)院及某些綜合性建筑所建設(shè)的冷、熱、電供應(yīng)系統(tǒng)，一般僅需容量較小的機(jī)組，機(jī)房往往布置在建筑物內(nèi)部，不需要考慮外網(wǎng)建設(shè)。

冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢(shì)，但是如何能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)負(fù)荷及負(fù)荷的平衡，是目前主要存在的技術(shù)問(wèn)題，也是制約我國(guó)三聯(lián)供系統(tǒng)的一瓶頸。當(dāng)熱能和電能需求達(dá)到平衡時(shí)，冷、熱、電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)才是最經(jīng)濟(jì)的。系統(tǒng)擬定應(yīng)根據(jù)日、月、年不同時(shí)段變化的冷、熱、電負(fù)荷曲線，制定出最佳的系統(tǒng)配置方案，并提出合理的運(yùn)行模式和運(yùn)行方案，是一個(gè)十分復(fù)雜的研究課題。

國(guó)內(nèi)對(duì)于冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)以兩種原則定主機(jī)容量為主，分別是傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)的原則“以熱定電”的原則和中國(guó)電機(jī)工程協(xié)會(huì)熱電專業(yè)委員會(huì)王振銘秘書長(zhǎng)的原則：“以基本負(fù)荷電力定容量，不足電力從電網(wǎng)補(bǔ)充，不足熱量補(bǔ)燃解決，電力并網(wǎng)不上網(wǎng)售電，不足電力從市網(wǎng)取，采取友好同步發(fā)電的設(shè)計(jì)觀念”。上述兩種原則哪種更適用于冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)市場(chǎng)化還值得我們繼續(xù)研究探討。不管選擇那種原則，都應(yīng)該以基本負(fù)荷為主，作為主機(jī)選型配置的原則。

為了協(xié)調(diào)冷、熱、電三種動(dòng)態(tài)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)最佳的整體系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)往往需要設(shè)置壓縮式制冷機(jī)和蓄能裝置等，或者增加制冷負(fù)荷，如滑冰場(chǎng)和冷庫(kù)等。

各個(gè)地區(qū)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮地域的氣候，經(jīng)濟(jì)狀況，對(duì)供冷、供熱的需求以及天然氣、電的供應(yīng)條件和價(jià)格，因地制宜，而不是生搬硬套。冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)的推廣首先要保證經(jīng)濟(jì)效益。由于分布式能源的初投資大、技術(shù)含量相對(duì)較高，對(duì)維護(hù)人員的素質(zhì)要求相應(yīng)嚴(yán)格，所以適合在人才聚集經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)開展，并不是所有的情況都適合發(fā)展冷、熱、電三聯(lián)供。

4 三聯(lián)供系統(tǒng)的特點(diǎn)

⑴ 與集中式發(fā)電——遠(yuǎn)程送電比較，燃?xì)饫?、熱、電三?lián)供可以大大提高能源利用效率：大型發(fā)電廠的發(fā)電效率一般為28%～43%；而經(jīng)過(guò)能源的梯級(jí)利用CCHP使能源利用效率從常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的40%左右提高到70%～80%，甚至更高。

⑵ 燃?xì)饫?、熱、電三?lián)供在降低碳和污染空氣的排放物方面具有很大的潛力：據(jù)有關(guān)專家估算，如果將現(xiàn)有建筑實(shí)施燃?xì)饫?、熱、電三?lián)供的比例從4%提高到8%，到2020 年CO2的排放量將減少30%，有利于環(huán)境保護(hù)。

分布式冷、熱、電三聯(lián)供貼近用戶進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，將溫度向下利用，利用發(fā)電后的余熱，而不是用電來(lái)交換，通過(guò)提高能源的綜合利用效率來(lái)彌補(bǔ)發(fā)電效率的降低。雖然分布式熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的發(fā)電效率一般在27%左右，但綜合利用效率在75%～90%之間。而且，氣體燃燒生成氮氧化物量極小，排放量也很小，極易被周圍植被吸收，是改善大氣環(huán)境的有效措施。

⑶ 緩解電力短缺，平衡電力峰谷差。燃?xì)饫?、熱、電三?lián)供采用自發(fā)電，可以避開電網(wǎng)用電高峰，并且大大提高了建筑供電可靠性和安全性。

⑷ 擴(kuò)大了燃?xì)馐褂昧?，平衡燃?xì)夥骞炔睢?/p>

⑸ 投資回報(bào)率較高，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

⑹ 國(guó)家正在出臺(tái)一系列政策，鼓勵(lì)并保護(hù)三聯(lián)供系統(tǒng)。

5 典型的燃?xì)饫洹帷㈦娙?lián)供系統(tǒng)

典型的燃?xì)饫?、熱、電三?lián)供系統(tǒng)一般包括：動(dòng)力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等。天然氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)的模式有許多種，這主要取決于能源需求結(jié)構(gòu)。針對(duì)不同用戶需求，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案可選擇范圍很大。

本文以國(guó)家863計(jì)劃，北方地區(qū)MW級(jí)分布式冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng)集成技術(shù)與示范工程的可行性研究的系統(tǒng)為依托，重點(diǎn)分析系統(tǒng)節(jié)能及設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

北方地區(qū)MW級(jí)分布式冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng)集成技術(shù)與示范工程依托于呼和浩特市大盛魁文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園(位于呼市舊城區(qū)中心)，屬自治區(qū)和市政府重點(diǎn)規(guī)劃的產(chǎn)業(yè)園區(qū)，是著名商號(hào)“大盛魁”的舊址所在地，將建設(shè)成為集文化、旅游、休閑為一體的多功能園區(qū)。園區(qū)規(guī)劃總占地面積約200畝、總建筑面積約20萬(wàn)m2。

系統(tǒng)擬定：燃?xì)廨啓C(jī)＋余熱鍋爐＋蒸汽型雙效溴化鋰機(jī)組＋氨制冷機(jī)組＋電制冷機(jī)組＋水源熱泵機(jī)組。天然氣送入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒發(fā)電后，高溫排氣送入余熱鍋爐制取蒸汽，蒸汽經(jīng)分汽缸至蒸汽型雙效溴化鋰機(jī)組和氨制冷機(jī)組，向項(xiàng)目園區(qū)提供熱源和冷源，冷源不足時(shí)由電動(dòng)壓縮制冷機(jī)提供；為了進(jìn)一步提高一次能源的轉(zhuǎn)化率，余熱鍋爐尾部煙道設(shè)置低溫?zé)煔鈸Q熱器為園區(qū)提供生活熱水；由于國(guó)產(chǎn)蒸汽型雙效溴化鋰機(jī)組技術(shù)不是非常成熟，因此設(shè)置一臺(tái)普通管式換熱機(jī)組，滿足冬季采暖供熱安全要求。

系統(tǒng)擬定主要節(jié)能措施采用了熱泵疊加技術(shù)和加設(shè)煙氣低溫?fù)Q熱器，提高了能源轉(zhuǎn)化效率，降低了排煙損失。其中熱泵疊加技術(shù)，極大提高溴化鋰機(jī)組及氨制冷機(jī)組的能效比(COP)，目前該技術(shù)國(guó)內(nèi)尚無(wú)應(yīng)用。從理論上說(shuō)，該技術(shù)新型能源利用的典范，具有很好的發(fā)展?jié)摿屯茝V價(jià)值。

根據(jù)冷、熱、電負(fù)荷情況，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)擬定的優(yōu)化、主、輔機(jī)設(shè)備選型的優(yōu)化，初步計(jì)算本工程機(jī)組一次能源綜合利用效率(HHV)達(dá)到75%以上，系統(tǒng)額定工況節(jié)能率達(dá)到29% 以上，均達(dá)到國(guó)家863計(jì)劃要求。

6 結(jié)論

⑴ 以天然氣為能源的冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)能量的梯級(jí)利用，是節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的用能方式，有利于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。

⑵ 冷、熱、電三聯(lián)供的節(jié)能是有條件的，并不是所有的情況都適合發(fā)展分布式能源，應(yīng)在氣源供應(yīng)充足，經(jīng)濟(jì)條件允許，有冷、熱、電負(fù)荷需求的情況下，因地制宜，而不能盲從。

⑶ 在電力上網(wǎng)允許的條件下，應(yīng)該按照“以熱定電”的原則對(duì)余熱進(jìn)行充分的利用，提高冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的綜合利用效率，達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效益，提高冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

⑷ 為鼓勵(lì)發(fā)展天然氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展，政府部門給予更多的政策鼓勵(lì)支持，如電力并網(wǎng)，收購(gòu)多余電力，環(huán)境效益補(bǔ)貼等。在天然氣供應(yīng)、熱供應(yīng)、電力上網(wǎng)及財(cái)政政策等方面，給分布式能源創(chuàng)造一個(gè)有利的發(fā)展環(huán)境。

⑸ 國(guó)家863計(jì)劃對(duì)冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)的推廣提供了強(qiáng)大的動(dòng)力。但制約發(fā)展的一些因素也依然存在，通過(guò)宣傳，加深人們對(duì)天然氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)越性的認(rèn)識(shí)，借鑒國(guó)外有益經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)天然氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)在全國(guó)的發(fā)展，尤其是北方地區(qū)。

⑹ 燃?xì)饫洹?、電三?lián)供系統(tǒng)采用自發(fā)電，可以避開電網(wǎng)用電高峰，并且大大提高了建筑供電可靠性和安全性。

⑺ 熱泵疊加技術(shù)在典型冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)中的應(yīng)用，極大提高溴化鋰機(jī)組及氨制冷機(jī)組的能效比(COP)。

⑻ 冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)與簡(jiǎn)單的供電系統(tǒng)相比，可以在大幅度提高系統(tǒng)能源利用率的同時(shí)，降低了環(huán)境污染，明顯改善系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性。

(9) 在我們看到冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也應(yīng)該看到該系統(tǒng)的缺點(diǎn)，其初投資大、技術(shù)含量相對(duì)較高，對(duì)維護(hù)人員的素質(zhì)要求相應(yīng)嚴(yán)格、運(yùn)行費(fèi)用過(guò)高、設(shè)備檢修費(fèi)用昂貴、網(wǎng)電與自發(fā)電切換等問(wèn)題。

[1]中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所.大盛魁冷、熱、電項(xiàng)目方案討論方案，2009.

[2]內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院.北方地區(qū)MW級(jí)分布式冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng)集成技術(shù)與示范工程可研報(bào)告，2009.