天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)工業(yè)案例應(yīng)用

周曉波 陶志強(qiáng) 王 芳上海置信節(jié)能環(huán)保有限公司

天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)工業(yè)案例應(yīng)用

周曉波 陶志強(qiáng) 王 芳
上海置信節(jié)能環(huán)保有限公司

根據(jù)自身生產(chǎn)車間及辦公樓的用能需求，江蘇某造紙公司新建廠房采用了天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，該項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)首例工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)燃機(jī)天然氣冷熱電聯(lián)供項(xiàng)目。該項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)電容量為600 kW、制冷量/制熱量為1 725/217 kW，平均年能源利用率達(dá)75%以上，與傳統(tǒng)供能方式相比較，不僅提高供能的穩(wěn)定性，每年還節(jié)約能源費(fèi)用約120萬(wàn)元，節(jié)約標(biāo)煤約480 t，經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境保護(hù)效果顯著。

天然氣；冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)；穩(wěn)定性；經(jīng)濟(jì)性

冷熱電聯(lián)供技術(shù)(Combined Cooling Heating and Power, CCHP)以天然氣等清潔燃料為一次能源，按照能源梯級(jí)利用的原則，采用高品位能源發(fā)電、低品位能源供熱、制冷或除濕的方式，在滿足用戶多種形式用能需求的同時(shí)，提高了能源利用率，降低了排放污染。燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)適用于人口密集、有大量穩(wěn)定能源需求的區(qū)域，如賓館、商場(chǎng)、工業(yè)和物流園區(qū)等場(chǎng)所。

目前國(guó)內(nèi)天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)較多應(yīng)用于樓宇區(qū)域領(lǐng)域，提供部分電力負(fù)荷和制冷/制熱負(fù)荷，但是大部分系統(tǒng)容量較小，主要設(shè)備為微型燃?xì)廨啓C(jī)和吸收式溴化鋰機(jī)組等，具有效率高、占地小、保護(hù)環(huán)境、可減少供電線損和應(yīng)急突發(fā)事件等綜合功能[1]。

1 典型天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

典型的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)包括：動(dòng)力和發(fā)電系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)及集中控制系統(tǒng)，如圖1所示。

（1）動(dòng)力和發(fā)電系統(tǒng)的核心裝置是燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，利用城市管道天然氣作為發(fā)電機(jī)組的燃料，產(chǎn)出的電能接入用戶變壓站的低壓端，以并網(wǎng)的方式向用戶供電。

（2）余熱回收系統(tǒng)利用發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)缸套水的余熱，通過(guò)換熱器產(chǎn)生生活熱水，供用戶使用。

（3）空調(diào)系統(tǒng)的核心設(shè)備為余熱吸收式溴化鋰制冷機(jī)組，可利用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組排出的煙氣和缸套水余熱制冷或供熱給用戶。

（4）集中控制系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分，一個(gè)是對(duì)電力并網(wǎng)的控制，實(shí)現(xiàn)用戶并網(wǎng)不上網(wǎng)的功能，也就是不向電網(wǎng)饋電，不足部分可從電網(wǎng)上補(bǔ)充。另外的控制系統(tǒng)是對(duì)余熱利用的控制，主要是根據(jù)用戶冷熱負(fù)荷的變化，實(shí)時(shí)對(duì)回收的煙氣和缸套水的溫度、流量進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)能源的最高利用效率。

2 發(fā)電機(jī)組的選型及原則

目前冷熱電聯(lián)供發(fā)電機(jī)組主要有燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組、小型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組多應(yīng)用于105㎡以上的區(qū)域供能，燃?xì)鈨?nèi)燃?xì)鈾C(jī)組可應(yīng)用于104㎡～105㎡的樓宇或者區(qū)域供能項(xiàng)目[2]。

圖1 典型天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程圖

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)基本采用“以熱定電”原則，首先確定區(qū)域內(nèi)熱負(fù)荷，再根據(jù)熱負(fù)荷確定發(fā)電功率。如果區(qū)內(nèi)無(wú)法消耗電功率，則需要并網(wǎng)將富裕電量上網(wǎng)消耗。

2.1 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)

燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組的突出的優(yōu)勢(shì)是發(fā)電效率高、環(huán)境變化（海拔高度、氣溫）對(duì)發(fā)電效率影響力較小、所需燃?xì)鈮毫Φ?、單位造價(jià)低，缺點(diǎn)主要是煙氣余熱利用較為復(fù)雜、NOx排放量略高。相比較其他原動(dòng)力機(jī)，其優(yōu)勢(shì)比較明顯，主要為以下幾個(gè)方面：

（1）單機(jī)能源轉(zhuǎn)化效率較高，發(fā)電效率可達(dá)46%，能源消耗率低；

（2）地理環(huán)境造成動(dòng)力輸出影響最小，高溫、高海拔下可正常運(yùn)行；

（3）發(fā)電負(fù)載波動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)；

（4）操作運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)簡(jiǎn)單易掌握；

（5）可直接利用低壓天然氣進(jìn)入燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組燃燒。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組優(yōu)點(diǎn)集中在發(fā)電效率高，通常在30%～40%之間，發(fā)電效率隨負(fù)載負(fù)荷的響較小。從100%負(fù)荷降到50%負(fù)荷時(shí)，內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率從40%變化到約34%，其次是設(shè)備集成度高，安裝快捷，對(duì)于氣體粉塵要求不高，基本不需要水，設(shè)備的單位千瓦造價(jià)也比較低，再次，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)較快，0.5～1 min即可完成啟動(dòng)。

2.2 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是：體積小、運(yùn)行成本低和壽命周期較長(zhǎng)(大修周期大于6×104h）、出口煙溫較高、NOx排量較低。

（1）燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電電壓等級(jí)較高、功率大、供電半徑大，適用于電負(fù)荷較大的場(chǎng)所，發(fā)電機(jī)組輸出功率受環(huán)境溫度影響較大；

（2）燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組余熱利用系統(tǒng)簡(jiǎn)單高效；

（3）燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間較燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)；

（4）燃?xì)馄啓C(jī)發(fā)電機(jī)組需要次高壓或高壓燃?xì)猓?/p>

（5）在停電啟動(dòng)時(shí)，需要配備一臺(tái)小型啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組，啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。

燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)點(diǎn)是余熱利用較為簡(jiǎn)單高效，啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。發(fā)電效率受環(huán)境溫度影響較大，投資較大，對(duì)燃?xì)鈮毫σ筝^高。

3 項(xiàng)目概況

該造紙廠冷熱電聯(lián)供項(xiàng)目建設(shè)地是世界500強(qiáng)企業(yè)在中國(guó)設(shè)定的唯一一家紙機(jī)織物生產(chǎn)基地，因生產(chǎn)擴(kuò)建與用能安全考慮，在新建廠區(qū)內(nèi)建設(shè)天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。項(xiàng)目已于2012年10月順利調(diào)試完成，該項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)首例工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)燃機(jī)天然氣冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總發(fā)電容量為1.2 MW，其中一期發(fā)電量為600 kW、制冷量為1 725 kW、制熱量（導(dǎo)熱油）為217 kW，即由1臺(tái)德國(guó)曼海姆（MWM）TCG2016V12C燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組、1套工藝用導(dǎo)熱油加熱裝置、1臺(tái)熱水補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組、一套智能控制系統(tǒng)等部件組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以“并網(wǎng)不上網(wǎng)”的方式運(yùn)行，與市政電網(wǎng)一起滿足廠內(nèi)的用電需求，系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)流程圖

該造紙廠廠房不僅經(jīng)濟(jì)實(shí)用，而且環(huán)保節(jié)能。施工期間所產(chǎn)生的建筑垃圾回收利用率高達(dá)98%;建成后，新織物廠房的用電量主要依靠一座利用清潔天然氣發(fā)電的節(jié)能高效綜合熱電廠。該熱電廠的廢熱經(jīng)吸收式制冷機(jī)作用后用于重要工藝?yán)鋮s。項(xiàng)目投產(chǎn)后可年節(jié)約能源費(fèi)用120萬(wàn)元，節(jié)約標(biāo)煤480 t，減排CO2量1 214.87 t，年平均能源利用率約達(dá)80%，經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益顯著。

目前該廠房已通過(guò)由美國(guó)綠色建筑協(xié)會(huì)頒發(fā)的LEED綠色建筑金級(jí)認(rèn)證，這是為數(shù)不多的榮獲該認(rèn)證的中國(guó)工業(yè)建筑之一。

2014年7月21日，全球領(lǐng)先的技術(shù)與工業(yè)服務(wù)供應(yīng)商福伊特集團(tuán)近日憑借其位于中國(guó)昆山的全新節(jié)能環(huán)保建筑—昆山某造紙廠房榮獲了由德國(guó)Econique集團(tuán)頒發(fā)的 “2014年能源大師獎(jiǎng)”(Energy Master Award 2014)。該項(xiàng)行業(yè)大獎(jiǎng)是對(duì)該集團(tuán)推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展所做出的努力的充分肯定。

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4 余熱利用系統(tǒng)

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的余熱主要以高溫?zé)煔猓?00℃以上）和缸套水（90℃以上）的形式存在，這兩部分余熱一般可以用來(lái)制冷和供熱，除此之外，還有少量的中冷器和潤(rùn)滑油冷卻器的余熱（約50℃），由于溫度較低只能用來(lái)供應(yīng)生活用水。本項(xiàng)目不考慮生活用水供熱[3]。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組通常有兩種余熱利用形式：

（1）余熱鍋爐+蒸汽/熱水雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)、換熱器方式；

（2）煙氣熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)。

前者更適合有較大蒸汽或熱水負(fù)荷需求的場(chǎng)合，這種工藝尤其適用于有一定蒸汽和熱水需求的場(chǎng)合，可以通過(guò)調(diào)節(jié)從余熱鍋爐產(chǎn)出的蒸汽量方便的調(diào)節(jié)負(fù)荷分配；后者系統(tǒng)簡(jiǎn)單且能源綜合利用率高，應(yīng)用日益廣泛。該項(xiàng)目考慮到實(shí)際工藝需要，選擇第二種余熱利用方式。

5 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

（1）能源綜合利用效率較高

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)由于建設(shè)在用戶附近，不但可以獲得40%左右的發(fā)電效率，還能將中溫廢熱回收利用供冷、供熱，其綜合能源利用率可達(dá)80%以上。另外，與傳統(tǒng)長(zhǎng)距離輸電相比，它還能減少6%～7%的線損。

（2）對(duì)燃?xì)饧半娏τ须p重削峰填谷作用

我國(guó)大部分地區(qū)冬季需要采暖，夏季需要制冷。大量的空調(diào)用電使得夏季電負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)冬季，一方面給電網(wǎng)帶來(lái)巨大的壓力，另一方面造成冬季發(fā)電設(shè)施大量閑置，發(fā)電設(shè)備和輸配設(shè)施利用率降低。

以某地為例，電力供應(yīng)夏季峰值用電負(fù)荷達(dá)8.24 GW，而冬季峰值只有5.8 GW。夏季峰值是冬季峰值的1.4倍，并且負(fù)荷差逐年加大。燃?xì)馐褂玫母叻鍎t出現(xiàn)在冬季。目前50%以上的天然氣消費(fèi)量用于冬季采暖，而夏季天然氣最大日使用量?jī)H約為冬季的1/9，造成夏季天然氣管網(wǎng)的利用率極低，還需要設(shè)法儲(chǔ)存。

采用燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)，夏季燃燒天然氣制冷，增加夏季的燃?xì)馐褂昧?，減少夏季電空調(diào)的電負(fù)荷，同時(shí)系統(tǒng)的自發(fā)電也可以降低大電網(wǎng)的供電壓力。

（3）具備良好的經(jīng)濟(jì)效益

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和燃?xì)忮仩t供熱方式每消耗1m3天然氣所能得到的經(jīng)濟(jì)效益如表1所示。

表1 1m3天然氣供熱經(jīng)濟(jì)性比較

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，采用冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，寫(xiě)字樓類建筑可減少運(yùn)營(yíng)成本12%，商場(chǎng)類建筑可減少運(yùn)營(yíng)成本11%，醫(yī)院類建筑可減少運(yùn)營(yíng)成本21%，體育場(chǎng)館類建筑可減少運(yùn)營(yíng)成本32%，酒店類建筑可減少運(yùn)營(yíng)成本23%[4]。

（4）具有良好的環(huán)保效益

天然氣是清潔能源，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)均采用先進(jìn)的燃燒技術(shù)，燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)的排放指標(biāo)均能達(dá)到相關(guān)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)相關(guān)研究，與煤電相比，天然氣發(fā)電的環(huán)境價(jià)值為8.964分/kWh。考慮了環(huán)境價(jià)值后，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)將具有更好的經(jīng)濟(jì)性。天然氣發(fā)電的環(huán)境價(jià)值見(jiàn)表2。

表 2 天然氣發(fā)電的環(huán)境價(jià)值

（5）增強(qiáng)能源供應(yīng)安全性

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)安裝、運(yùn)行相對(duì)比較簡(jiǎn)單、便捷，可以大幅度提高建筑物用能的電力供應(yīng)安全性。尤其對(duì)于學(xué)校、醫(yī)院等本來(lái)就需要備用電源，采用冷熱電聯(lián)供可以兼做備用電源。

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在保證商業(yè)電力電源的同時(shí)，也可保證供冷供熱設(shè)備的多渠道，并且冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)可作為防災(zāi)設(shè)施使用。對(duì)原來(lái)的用電系統(tǒng)，需配備應(yīng)急發(fā)電機(jī)。而冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備便可作為電力公司供電的應(yīng)急發(fā)電機(jī)。在供熱方面，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的排放余熱利用可作為供熱熱源，增加了供給的可靠性。

6 冷熱電系統(tǒng)的運(yùn)行模式

（1）燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行[5]，發(fā)電機(jī)組帶部分穩(wěn)定負(fù)荷。發(fā)電系統(tǒng)不需要與市電并網(wǎng)。電氣系統(tǒng)接線形式簡(jiǎn)單。但燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組所帶最大負(fù)荷必須低于發(fā)電機(jī)組的額定輸出功率，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組效率較低，當(dāng)用電負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，很難保證燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組連續(xù)滿負(fù)荷獨(dú)立運(yùn)行。

（2）燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組與市電并列運(yùn)行

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組與市電并且，發(fā)電機(jī)組只帶基本負(fù)荷。不足部分由市電補(bǔ)充。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組可根據(jù)負(fù)荷需求輸出功率。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組效率較高，燃?xì)鉄?、電、冷?lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好。當(dāng)用電負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)組影響較小，供電質(zhì)量較高。

（3）燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組部分電量上網(wǎng)

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組所發(fā)電量除滿足園區(qū)用電負(fù)荷外，部分富裕電量用于上網(wǎng)，為園區(qū)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)大多數(shù)應(yīng)用于樓宇型系統(tǒng)和區(qū)域型作為能源站，但在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)推進(jìn)很緩慢。與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)相比，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)建設(shè)初期投資成本較高、回款周期較長(zhǎng)，這是冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)建設(shè)不得不面對(duì)的一大難題。而冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)復(fù)雜、綜合性強(qiáng)、建設(shè)條件高，對(duì)用戶綜合素質(zhì)要求高。類似的問(wèn)題，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中尤其突出。企業(yè)普遍反映，節(jié)能減排產(chǎn)生了社會(huì)效益，但尚未產(chǎn)生企業(yè)效益，即“節(jié)能不賺錢(qián)”[6]。

為了大力推進(jìn)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)大力發(fā)展，節(jié)能公司和企業(yè)應(yīng)該積極跟蹤世界科技創(chuàng)新的最新成果，著重從核心技術(shù)突破、產(chǎn)業(yè)鏈完善、商業(yè)模式創(chuàng)新、市場(chǎng)培育等多方面下功夫，全面推進(jìn)節(jié)能環(huán)保低碳技術(shù)、裝備、產(chǎn)品、服務(wù)發(fā)展，促進(jìn)節(jié)能環(huán)保低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展；政府應(yīng)該培育節(jié)能環(huán)保市場(chǎng)體系，建立適合產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良好外部環(huán)境(如下調(diào)天然氣價(jià)格)，多渠道拉動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)投融資，同時(shí)繼續(xù)在稅收、財(cái)政等方面（如進(jìn)口設(shè)備退稅政策、優(yōu)惠稅收政策等）加大對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)的支持力度。

[1]許峰.分布式能源簡(jiǎn)介及前景[J]. 資源節(jié)約與環(huán)保，2013，(7)：A30

[2]盛凱夫，饒如鱗.燃?xì)鈾C(jī)驅(qū)動(dòng)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展前景[J]，煤氣與熱力，2002（6）:A510-A514

[3]葉彩花，白一，喬麗潔.燃?xì)饫錈犭娐?lián)供分布式能源系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組選擇的分析探討[J]城市燃?xì)?014，（2）:A21-A24

[4]周遂雯.天然氣為能源的冷熱電聯(lián)供經(jīng)濟(jì)可行性[J].上海煤氣，2002，(1):A27-A29

[5] 馬寧,李冰.天然氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用分析[J]. 柴油機(jī).2008，(3):A50-A52

[6]薛梅,董華.天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的效益分析[J].煤氣與熱力，2003，(5):A309-A311

INFORMATION AND DYNAMIC

節(jié)能信息與動(dòng)態(tài)

青浦區(qū)開(kāi)展重點(diǎn)用能單位節(jié)能減排專題培訓(xùn)

最近，青浦區(qū)組織全區(qū)40余家重點(diǎn)用能單位負(fù)責(zé)人以及各街鎮(zhèn)、園區(qū)節(jié)能工作負(fù)責(zé)人進(jìn)行工業(yè)節(jié)能降耗培訓(xùn)。

此次培訓(xùn)由上海市能效中心等各方面專家進(jìn)行專題授課，內(nèi)容包括合同能源管理、分布式光伏發(fā)電、清潔生產(chǎn)等有關(guān)政策、案例以及能源利用狀況報(bào)告及節(jié)能月報(bào)、能源審計(jì)實(shí)施方法及案例分析、能源管理體系建設(shè)等方面。

通過(guò)培訓(xùn)，與會(huì)同志加強(qiáng)了對(duì)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新政策及節(jié)能管理方面的理解和認(rèn)識(shí)，明確了企業(yè)節(jié)能減排方向。 （徐君）

Industrial Cases Studies on Natural Gas Combined Cooling and Heating and Power Generation System

Zhou Xiaobo, Tao Zhiqiang, Wang Fang
Shanghai Zhixin Energy Saving Environment Protection Co.,Ltd

The article introduces some paper making company’s new built factory applies combined cooling and heating and power generation system in jiangsu according to itself producing workshop and office building energy demand. This project becomes the first industrial internalcombustion engine natural gas combined cooling and heating and power generation system at domestic market. The design power generation is about 600 kW, cooling / heating capacity is 1 725/217 kW, average annual energy utilization is above 75%. Compared with traditional energy supply system, it not only improves energy supply stability, but also saves energy cost about 1.2 million yuan, which saves standard coal 480 tons. It has economic benefit and is environment friendly.

Natural Gas, Combined Cooling and Heating and Power Generation System, Stability, Economy

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.01.009