燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供性能分析

李亞聰

上海海事大學(xué)

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供性能分析

李亞聰

上海海事大學(xué)

針對(duì)分布式能源系統(tǒng)，計(jì)算分析燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱力性能以及經(jīng)濟(jì)性能,討論冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)比單獨(dú)發(fā)電或制熱制冷的優(yōu)劣。以總能利用率為基礎(chǔ),結(jié)合?效率，對(duì)燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，并與常規(guī)的單產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比；并分析了三聯(lián)供系統(tǒng)的初期投資及運(yùn)營費(fèi)用對(duì)成本回收的影響。

分布式能源系統(tǒng)；冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)；燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)；能效

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）是分布式能源系統(tǒng)中最具實(shí)用性和發(fā)展活力的系統(tǒng)，是在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，直面用戶，按用戶需求提供電力、冷量、熱量以及生活熱水等。目的是解決多重用能需求以及實(shí)現(xiàn)多重目標(biāo)，提高能源利用效率，減少碳化物和有害氣體的排放并且滿足建筑或工業(yè)能源需求。

典型的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)由5個(gè)基本部分組成，分別是原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、余熱回收設(shè)備、余熱利用設(shè)備及控制系統(tǒng)。根據(jù)功能不同可分為3個(gè)子系統(tǒng)：動(dòng)力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、供冷系統(tǒng)。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，動(dòng)力系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)主要有汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)(以下簡稱為內(nèi)燃機(jī))、斯特林機(jī)和燃料電池等。

余熱利用設(shè)備是冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的另一個(gè)重要部件，用于提供冷、熱量。余熱利用設(shè)備包括吸收式制冷機(jī)、吸附式制冷機(jī)和干燥機(jī)除濕機(jī)。冷熱電聯(lián)產(chǎn)中制冷機(jī)以吸收式為宜。[1]

1 冷熱電三聯(lián)供的特點(diǎn)

（1）冷熱電三聯(lián)供CCHP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30%～40%；而CCHP 的能源利用率可達(dá)到80%～90%，且沒有輸電損耗；

（2）降低碳和污染物排放方面具有很大的潛力：據(jù)專家估算，如果將現(xiàn)有建筑實(shí)施CCHP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)；

（3）緩解電力短缺，平衡電力峰谷差：三聯(lián)產(chǎn)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；

（4）擴(kuò)大了燃?xì)馐褂昧浚胶馊細(xì)夥骞炔睿?/p>

（5）投資回報(bào)率高， 具有良好的經(jīng)濟(jì)性。[2]

2 熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)常見的幾種配置模式

2.1 蒸汽輪機(jī)+蒸汽型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組

利用發(fā)電后的乏汽驅(qū)動(dòng)蒸汽型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組，進(jìn)入汽水換熱器換熱，可以對(duì)外供熱水或者直接對(duì)外供熱蒸汽；

2.2 燃?xì)廨啓C(jī)+煙氣（補(bǔ)燃型）溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組

燃料進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒產(chǎn)生高溫、高壓煙氣，推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，排煙進(jìn)入煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組，驅(qū)動(dòng)機(jī)組制冷（制熱），對(duì)外提供空調(diào)冷（熱）水。當(dāng)排煙量較小時(shí)可以啟動(dòng)補(bǔ)燃系統(tǒng)，由補(bǔ)燃提供機(jī)組熱量；

2.3 燃?xì)廨啓C(jī)+（補(bǔ)燃型）余熱鍋

爐+蒸汽輪機(jī)+蒸汽型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組

燃料進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒產(chǎn)生高溫、高壓煙氣推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，排煙進(jìn)入（補(bǔ)燃型）余熱鍋爐，產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽，推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，發(fā)電后的乏汽用于驅(qū)動(dòng)蒸汽型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組，進(jìn)入汽水換熱器換熱對(duì)外供熱水或者直接對(duì)外供蒸汽；

2.4 內(nèi)燃機(jī)+煙氣熱水( 補(bǔ)燃型) 溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組

燃料進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)燃燒室燃燒，內(nèi)燃機(jī)輸出機(jī)械功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電；內(nèi)燃機(jī)排放的高溫?zé)煔饧案滋谉崴苯舆M(jìn)入煙氣熱水（補(bǔ)燃型）溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組，驅(qū)動(dòng)機(jī)組制冷（制熱），對(duì)外提供空調(diào)冷（熱）水。[3]

3 燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)

與燃?xì)廨啓C(jī)相比，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率高，因而內(nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的電量輸出比例高，冷電比(或熱電比)通常為1.0～1.5。此外，相對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)，內(nèi)燃機(jī)的價(jià)格比較便宜，因此內(nèi)燃機(jī)被廣泛用于三聯(lián)供系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)。

內(nèi)燃機(jī)可回收的熱量主要包括排煙余熱、缸套水余熱以及潤滑油余熱等三部分。

缸套水出口溫度一般略低于100℃，這部分能量品位低，但數(shù)量較大，隨缸套水排出的余熱量占燃料燃燒產(chǎn)熱的30%～40%，而且即可以用于直接供熱，也可以驅(qū)動(dòng)吸收式除濕設(shè)備或者單效吸收式制冷機(jī)組。內(nèi)燃機(jī)排煙溫度一般為350～450℃，這部分煙氣余熱既能滿足供暖需求或提供生活熱水，也可以通過驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)組將熱量轉(zhuǎn)化為冷量，以滿足供冷需求。

內(nèi)燃機(jī)可回收的熱量組成使其在冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的余熱利用及系統(tǒng)集成方面，有著自己的特點(diǎn)。圖1為典型以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)為原動(dòng)機(jī)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程圖，燃料在內(nèi)燃機(jī)的氣缸中燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的氣體，氣體在氣缸內(nèi)膨脹做功被轉(zhuǎn)換為發(fā)電所需的動(dòng)能，排氣余熱驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)組或者通過熱交換器進(jìn)行供熱。內(nèi)燃機(jī)的缸套水余熱量大而溫度較低，通常用于供生活熱水。

圖1 內(nèi)燃機(jī)CCHP系統(tǒng)

4 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前，對(duì)于冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的分析研究，多借鑒熱電并供系統(tǒng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

在冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中使用較多的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則可以分為兩類：一類是根據(jù)熱力學(xué)第一定律，如總能利用率、相對(duì)節(jié)能率。另一類是根據(jù)熱力學(xué)第二定律，如?效率，經(jīng)濟(jì)?效率。

4.1 總能利用率

式（1）中，W為系統(tǒng)對(duì)外所做的功，C為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的冷輸出，Q為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱輸出，f為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)輸入的總?cè)剂浚琀μ為燃料低位發(fā)熱值。

總能利用率是基于熱力學(xué)第一定律，只考慮能量的數(shù)量，反映的是輸出（收益）與輸入（付出）的比值。系統(tǒng)輸出的各股能量均采用絕對(duì)值表示，不考慮不同冷、熱能的差異：目前冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)使用的輸入能量主要是化石燃料，因而分母中的投入用聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)消耗燃料總的低位發(fā)熱值表示。

4.2 系統(tǒng)?效率

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，電能與各種冷能、熱能之間存在巨大的品位差異，甚至不同溫度的冷能、熱能之間的品位也并不相同。因此考慮不同能量的品位差異，可以得到：

式（2）中電能的品位W為1；而在考察冷能、熱能的系統(tǒng)?值時(shí)，需要從卡諾循環(huán)效率的角度考慮；分母則為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的輸入?。冷能的輸出?、熱能輸出?不是常數(shù)，與供能參數(shù)、環(huán)境參數(shù)密切相關(guān)。對(duì)于以化石燃料為輸入能源的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)而言，燃料的輸入?與燃料的低位發(fā)熱值僅相差一個(gè)接近于1.0的常數(shù)因子，采用燃料低位發(fā)熱值替代燃料?值不會(huì)影響該指標(biāo)的應(yīng)用。

4.3 經(jīng)濟(jì)?效率

經(jīng)濟(jì)?效率的優(yōu)點(diǎn)在于它與國民經(jīng)濟(jì)的收益密切相聯(lián)系，通過由價(jià)格最后反映出來的功與熱的貢獻(xiàn)（價(jià)值）不同及生產(chǎn)難易不同，從而能夠較好地反映出熱力裝置的能源利用優(yōu)劣。另外，與熱力學(xué)上的效率還有一定的聯(lián)系，有學(xué)術(shù)上的意義。

式（3）中系數(shù)B為熱、電售價(jià)之比，而A則為冷、電售價(jià)比。經(jīng)濟(jì)?效率應(yīng)用成功與否，與電／熱／冷三者之間的售價(jià)比確定是否合理有很大關(guān)系。由于目前尚未形成成熟的冷、熱價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，上述系數(shù)的確定應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，根據(jù)實(shí)際生活中社會(huì)對(duì)三者的需求性與價(jià)值觀選擇。[4,5]

5 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

5.1 實(shí)際應(yīng)用背景

北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)指揮調(diào)度中心大樓三聯(lián)供系統(tǒng)，是北京市第一個(gè)利用天然氣冷、熱、電三聯(lián)供的示范。

大樓平均用電負(fù)荷800 kW，平均需冷量1 800kW，采暖需熱量1 600 kW。該系統(tǒng)配置480kW和725 kW發(fā)電機(jī)各1臺(tái)，制冷量1163kW和2 326 kW余熱型直燃機(jī)各1臺(tái)，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電供大樓自用，并聯(lián)型余熱直燃溴化鋰吸收式空調(diào)機(jī)回收利用內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的煙氣和缸套冷卻水中的余熱，冬季采暖，夏季制冷。由于回收的余熱量不能滿足系統(tǒng)最大熱量制冷量的需求，不足部分利用余熱直燃機(jī)組補(bǔ)燃解決。

機(jī)組在做功發(fā)電的同時(shí)產(chǎn)生余熱。其中，煙氣（約460℃）通過三通閥（調(diào)節(jié)型）進(jìn)入余熱直燃機(jī)的高溫發(fā)生器，作為余熱直燃機(jī)的高溫?zé)嵩矗桓滋姿谙募具M(jìn)入余熱直燃機(jī)的低溫發(fā)生器，在冬季進(jìn)入板式換熱器與供熱回水換熱。通過余熱直燃機(jī)在夏季產(chǎn)生7～2℃的冷水，在冬季產(chǎn)生50～60℃的溫水。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)優(yōu)先利用煙氣和缸套水中的熱量滿足冷、熱負(fù)荷的需求，如果余熱量不夠，將采用天然氣直燃方式進(jìn)行補(bǔ)充。

由于以熱定電的前提在于需要電網(wǎng)同意并網(wǎng)且上網(wǎng)，又因?yàn)殡娋W(wǎng)安全性；國內(nèi)分布式能源（DER）和CCHP系統(tǒng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)有待制定；價(jià)格的不確定性（向公用電網(wǎng)購電價(jià)格； 能源站余電上網(wǎng)價(jià)格； 接網(wǎng)價(jià)格）；地方政府和電網(wǎng)的干預(yù)等制約因素如果不能很好解決，并網(wǎng)且上網(wǎng)難以實(shí)施。故而燃?xì)獯髽侨?lián)供系統(tǒng)采用以電定熱的基準(zhǔn)。

5.2 設(shè)備信息

該系統(tǒng)采用2臺(tái)（725 kW、480 kW）美國卡特彼勒公司的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組，分別與兩臺(tái)余熱型雙效溴化鋰直燃機(jī)對(duì)接。配置480 kW和725 kW卡特彼勒發(fā)電機(jī)各一臺(tái)，型號(hào)分別為G3508；G3512。相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機(jī)參數(shù)

配置遠(yuǎn)大集團(tuán)1 163 kW和2 326 kW余熱型直燃機(jī)各一臺(tái)作為主要制熱制冷設(shè)備，型號(hào)分別為BZHE100；BZHE200。相關(guān)參數(shù)見表2。

此類余熱型直燃機(jī)的出力系數(shù)（在多能量源的條件下，某一能量源的額定功率占額定總功率的比例）為：100%燃?xì)狻?0%煙氣、23%熱水。

5.3 系統(tǒng)的運(yùn)行工況及運(yùn)行時(shí)段

為了實(shí)現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供削峰填谷的特性，系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)段選擇要考慮到電網(wǎng)的峰谷效應(yīng)以及辦公室每日逐時(shí)冷熱電負(fù)荷情況。

每日，機(jī)組運(yùn)行10小時(shí)7:30～17:30，如此以來，避開全市用電高峰時(shí)段，使用聯(lián)供機(jī)組提供冷熱電負(fù)荷，在用電低谷使用市網(wǎng)供電。

同時(shí)，用戶對(duì)于冷熱負(fù)荷的需求與環(huán)境有關(guān)，即不同的季節(jié)有不同的負(fù)荷需求。而電網(wǎng)和天然氣對(duì)應(yīng)一年12個(gè)月也有峰谷效應(yīng)，根據(jù)天氣特性對(duì)應(yīng)的冷熱負(fù)荷需求，確定機(jī)組每年運(yùn)行240 d，其中采暖期：11月～3月，120 d；制冷期：6月～9月，120 d。

表2 余熱型直燃機(jī)參數(shù)

5.4 系統(tǒng)?效率分析

系統(tǒng)?的是指在給定環(huán)境狀態(tài)系統(tǒng)對(duì)外做最大有用功的能力。分析?是一種有關(guān)能量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化和性能評(píng)價(jià)的有效方法。

天然氣所包含的?是該三聯(lián)供系統(tǒng)消耗的總?，即為f·Hμ。整個(gè)過程中，系統(tǒng)提供的可以利用的?為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量（電?）、吸收式制冷機(jī)產(chǎn)生的冷量所包含的?、換熱器提供的熱量包含的?。

電?和電能相等， 單位時(shí)間系統(tǒng)輸出的電?Ee=W；W=800 kW

制冷機(jī)輸出的制冷量是指將制冷工質(zhì)從環(huán)境溫度冷卻到一定溫度時(shí)移走的熱量，與輸出的制冷量相應(yīng)的熱?Ec為

式中Tc——輸出冷量工質(zhì)溫度，To——環(huán)境溫度，Qc——制冷量。

對(duì)于制冷過程，Tc=280 K；To=307 K；Qc=1 432.4 kW。代入得Ec=138.1 kW。

換熱器輸出的生活熱水中的熱Eh為

式中To——輸出生活熱水的溫度，Qh——熱源熱能。

利用煙氣制冷，Tc=333 K；To=307 K；Qc=1 232.8 kW。代入得Eh=96.2 kW

代入式而中得eη=37.1%，而大型天然氣發(fā)電廠的?效率一般為30%?？梢娎錈犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)并未對(duì)系統(tǒng)的?效率有一定的提升。

5.5 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

（1）部分基準(zhǔn)參數(shù)天然氣價(jià)：3.23元/m3熱值：H=10 kWh/m3

發(fā)電機(jī)：480萬元

折合4 000元/kW

配電費(fèi)：100萬元

熱水煙氣直燃機(jī)804.8萬元

板式換熱器：40萬元

傳統(tǒng)市電+熱網(wǎng)+電冷機(jī)

熱網(wǎng)入網(wǎng)費(fèi)用42元/建筑m2；

供熱費(fèi)用18元/建筑m2

供暖期5個(gè)月

大樓建筑面積3.2萬m2

電冷機(jī)90萬元

COP=3.00

配電費(fèi)80萬元

（2）費(fèi)用計(jì)算

1）初期成本計(jì)算

三聯(lián)供系統(tǒng)：C=1 424.8萬元

市電+熱網(wǎng)+電冷機(jī)：C=304.4萬元

2）運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用計(jì)算

三聯(lián)供系統(tǒng)：

運(yùn)行費(fèi)用O=217.2萬元/a

維修費(fèi)用M=20萬元/a

市電+熱網(wǎng)+電冷機(jī)：

運(yùn)行費(fèi)用O=552萬元

維修費(fèi)用M=5萬元

（3）計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上節(jié)計(jì)算，可做出表3；

三聯(lián)供系統(tǒng)的初期投資和維修費(fèi)用遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的取暖，制冷系統(tǒng)；但是它的運(yùn)行費(fèi)用卻很低。

計(jì)算投資回收期

冷熱電與市網(wǎng)+熱網(wǎng)+電冷機(jī)的傳統(tǒng)方式比：

（1424.8-325）÷（557-237.2）

=1099÷319.8=3.4 a

可見燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)不僅大大提高了一次能源利用率， 而且在經(jīng)濟(jì)性上相對(duì)常規(guī)系統(tǒng)具有較大的優(yōu)勢。

表3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比較

5 結(jié)語

（1）三聯(lián)供是對(duì)能源的梯級(jí)利用，能源利用率高、節(jié)電、環(huán)保， 合理的設(shè)計(jì)和運(yùn)行可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益；

（2）熱電冷三聯(lián)供的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)運(yùn)行方式、規(guī)模大小來確定合理的形式；

（3）內(nèi)燃機(jī)熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)，增量投資回收期不到4 a，可為國家節(jié)約大量電力投資建設(shè)費(fèi)用， 在經(jīng)濟(jì)上是合理的。

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Performance Analysis of Gas-Fired Internal Combustion Engine Combined Cooling Heating and Power Generation

Li Yacong
Shanghai Maritime University

Focused on distributed energy system, the article calculates thermal performance and economic performance of gas-fired internal combustion engine cooling heating and power generation system. It discusses advantages and disadvantages between cchp and single power generation or cooling or heating. Based on total energy utilization ratio with exergy efficiency, it analyzes performance of gas-fired internal combustion engine cooling heating and power generation system comparing with single generation system, which results in cost recovery impact of initial investment and operating expenses of cchp system.

Distributed Energy System, Combined Cooling Heating and Power Generation System, Gas-Fired Internal Combustion Engine, Energy Efficiency

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.12.004