燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能性與經(jīng)濟性分析

張旭理

摘 要：燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是分布式能源系統(tǒng)的主要形式，是一種建立在能量梯級利用基礎(chǔ)上的綜合產(chǎn)能、用能分布式系統(tǒng)。系統(tǒng)安裝于最終用戶端附近，首先利用一次能源驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，再通過各種余熱利用設(shè)備對余熱進行回收利用，從而向用戶同時提供電力、制冷、采暖、生活熱水等。燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)以其節(jié)能、削峰填谷、環(huán)保、電力可靠性高等優(yōu)點而受到廣泛重視。

關(guān)鍵詞：冷熱電三聯(lián)供制冷系統(tǒng)發(fā)電效率節(jié)能

1 燃氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)產(chǎn)生背景

中國經(jīng)濟建設(shè)高速發(fā)展的今天，能源短缺及環(huán)境污染問題日益突出，開發(fā)新能源，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，以建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會一直是政府的發(fā)展目標。新能源的開發(fā)利用需要全面的考慮其經(jīng)濟性、社會性以及生態(tài)性，在這種大的形勢下，節(jié)能減排的分布式能源系統(tǒng)成為我國在能源方面發(fā)展的主要對象。

國際上應對氣候變化和治理空氣污染一直呼聲不斷，近年美國頁巖氣的開發(fā)利用極大的增加了國際市場天然氣的供應，我國自俄羅斯進口來的天然氣及自身天然氣的發(fā)展，使整個能源機構(gòu)發(fā)生了變化，中國計劃到2030年非石化資源占一次能源的比重提高到20%左右，燃氣熱電冷聯(lián)供技術(shù)恰逢其時。天然氣分布式能源，又稱燃氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)，是一種建立在能源梯級利用概念基礎(chǔ)上，將供熱（采暖和供熱水）、制冷及發(fā)電過程一體化的能源綜合利用系統(tǒng)，其綜合能源利用效率在70%以上，受到許多發(fā)達國家的重視并被稱為“第二代能源系統(tǒng)”。

2 冷熱電三聯(lián)供的特點

2.1 提高能源綜合利用效率：運用能量梯級利用原理，先發(fā)電，再利用余熱，體現(xiàn)了由能量的高品位到低品位的科學用能，且使一次能源綜合利用效率和效益大幅度提高

2.2 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的能源利用率可達到80%～90%，且沒有輸電損耗;

2.3 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;

2.4 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;

2.5 布置在用戶側(cè)，燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)解決了熱電廠冬夏季負荷不均造成的熱經(jīng)濟性低的問題，降低了發(fā)電煤耗率，提高了經(jīng)濟效益;

2.6 該系統(tǒng)布置在建筑物內(nèi)或就近布置，減少了大型熱電項目大電網(wǎng)、大熱網(wǎng)在輸送環(huán)節(jié)的能量損失;

2.7 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)建筑用能自發(fā)自用，能源使用隨用隨轉(zhuǎn)化、調(diào)節(jié)方便，避免了大型熱電項目水利失調(diào)、冷熱不均帶來的能量損失;

2.8 以溴化鋰吸收式制冷機取代壓縮式制冷機，避免了CFC類氟利昂制冷劑的大量使用和排泄，起到了環(huán)保的作用;

3 熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)常見的幾種配置模式

按燃氣原動機的類型不同來分，常用的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)有兩類，即燃氣輪機式聯(lián)供系統(tǒng)和內(nèi)燃機式聯(lián)供系統(tǒng)，系統(tǒng)的具體組成包括：燃氣機組、發(fā)電機組及供電系統(tǒng)、余熱回收及供熱系統(tǒng)、制冷機組及供冷系統(tǒng)，此外還有燃氣機組的空氣加壓、預熱、冷卻水、煙氣排放的輔助系統(tǒng)。內(nèi)燃機式與燃氣輪機相比，內(nèi)燃機的發(fā)電效率高，因而內(nèi)燃機冷熱電聯(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，相對于燃氣輪機，內(nèi)燃機的價格比較便宜，因此內(nèi)燃機被廣泛用于三聯(lián)供系統(tǒng)的原動機。內(nèi)燃機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)動吸收式除濕設(shè)備或者單效吸收式制冷機組。內(nèi)燃機排煙溫度一般為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)動制冷機組將熱量轉(zhuǎn)化為冷量，以滿足供冷需求。內(nèi)燃機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。燃料在內(nèi)燃機的氣缸中燃燒，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)電所需的動能，排氣余熱驅(qū)動制冷機組或者通過熱交換器進行供熱。內(nèi)燃機的缸套水余熱量大而溫度較低，通常用于供生活熱水。

4 設(shè)計冷熱電三聯(lián)供燃氣機熱泵

冷熱電三聯(lián)供燃氣機熱泵系統(tǒng)中的發(fā)動機與發(fā)電機的火用損功率比率是最大的。因此在設(shè)計冷熱電三聯(lián)供燃氣機熱泵系統(tǒng)時，從能量品質(zhì)的角度出發(fā)應該盡量選取熱效率比較高的發(fā)動機;減少發(fā)電機的發(fā)電量，因為直流發(fā)電機的發(fā)電效率比較低，通常在35%～50%之間，因此在設(shè)計時可以考慮直接用發(fā)動機帶動水泵的方式，這樣可以減少一次能量的轉(zhuǎn)換帶來的有效能的損失。根據(jù)南北方地域的不同要綜合考慮冷凝溫度對系統(tǒng)的影響。北方地區(qū)屬于法定供熱區(qū)域，因此在設(shè)計的時候可以適當?shù)膶⒐崴乃疁靥岣咭恍?，而在南方地區(qū)由于熱泵系統(tǒng)的主要功能是供冷，因此只有犧牲發(fā)動機和發(fā)電機的有效能來達到比較理想供冷COP。設(shè)計冷熱電三聯(lián)供燃氣機熱泵系統(tǒng)時應該選用換熱效果比較好的換熱器，即想辦法盡可能的將有冷量火用及熱量火用產(chǎn)生和利用的換熱器的火用損功率降至最低。從上述的圖中便可知，所分析討論的板式換熱器的火用損功率不論在制冷或者供熱工況下都比較大，有些工況下比壓縮機的火用損功率還大，這是因為在板式換熱器存在著雙工質(zhì)火用損情況。設(shè)計冷熱電三聯(lián)供燃氣機熱泵系統(tǒng)時不應當將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速定高，應該選擇發(fā)動機的經(jīng)濟運轉(zhuǎn)速度為好，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，發(fā)動機與壓縮機的火用損功率都在飚升，較之不同冷凝溫度和不同蒸發(fā)溫度下各工況時的發(fā)動機，壓縮機的火用損功率要大很多，因此高轉(zhuǎn)速的燃氣機熱泵是不經(jīng)濟的。

結(jié)束語

綜上所述，在市場經(jīng)濟快速發(fā)展，資源消耗日益加重的形勢下，開發(fā)新能源成為我國經(jīng)濟發(fā)展的主要目標。燃氣熱電冷聯(lián)供技術(shù)是分布式能源系統(tǒng)中一種重要的形式，其通過燃燒天然氣，充分的利用煙氣排熱實現(xiàn)了發(fā)電、供熱以及制冷等功能，是對我國現(xiàn)有能源供應的一種補充，最大限度的實現(xiàn)了資源的優(yōu)化配置，是資源梯級利用的重要表現(xiàn)形式。燃氣熱電冷聯(lián)供技術(shù)作為一種新興技術(shù)，不僅能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益，同時又實現(xiàn)了保護環(huán)境的目的，將會是我國以后發(fā)展的主要趨勢。

參考文獻

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論文來源：《建筑工程技術(shù)與設(shè)計》 2015年28期