天然氣冷熱電三聯(lián)供在不同場景下的應用分析

王開杰

摘? 要：天然氣冷熱電三聯(lián)供是在負荷中心就近實現(xiàn)能源供應的現(xiàn)代能源供應方式，也是天然氣高效利用的重要方式，具有能源利用率高、節(jié)能環(huán)保、供電安全等特點。通過分析天然氣冷熱電三聯(lián)供在酒店、數(shù)據(jù)中心、小區(qū)等不同場景下的工程應用案例，并進一步對其技術(shù)指標及經(jīng)濟性數(shù)據(jù)進行比較，得出的結(jié)論對后期天然氣冷熱電三聯(lián)供項目的開發(fā)、裝機選擇和經(jīng)濟性評價具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：天然氣;冷熱電三聯(lián)供;技術(shù)經(jīng)濟指標;經(jīng)濟性

中圖分類號：TK01+9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）21-0162-03

Abstract： The combined cooling， heating and powersupply （CCHP） of natural gas is a modern energy supply mode to realize energy supply nearby the load center， and it is also an important way for efficient utilization of natural gas， which has the characteristics of high energy efficiency， energy saving and environmental protection， power supply security and so on. By analyzing the engineering application cases of natural gas combined cooling， heating and power in different scenes such as hotel， data center and residential area， and further comparing its technical index and economic data， the conclusion has a certain reference significance for the development， installation selection and economy evaluation of natural gas combined cooling and heating power project in the later stage.

Keywords： natural gas; combined cooling， heating and powersupply （CCHP）; technical and economic indicator; economic

引言

天然氣作為優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定、高效、安全、無毒和低污染的清潔能源不斷為用戶所青睞，其他能源難以相比。在能源供應日益緊張的今天，節(jié)能降耗，合理利用資源、提高能源利用效率已成為人們普遍關(guān)注的問題，也是我國未來能源發(fā)展的重要方向。為了提高能源利用效率，需要將高品質(zhì)的電與低品質(zhì)的冷、熱三種能量需求統(tǒng)籌考慮，天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)正是在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中涌現(xiàn)出來的提高能源利用效率的一種最佳利用方式，它兼具能源效率高、安全、經(jīng)濟、環(huán)境友好等特點。

1 天然氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)簡介

天然氣冷熱電三聯(lián)供是指以天然氣為主要燃料帶動天然氣輪機或內(nèi)燃機等天然氣發(fā)電設備運行，產(chǎn)生電力以滿足用戶電力需求，而系統(tǒng)排出的廢熱則通過余熱鍋爐或溴化鋰等設備向用戶供熱、供冷。三聯(lián)供系統(tǒng)實現(xiàn)能源的梯級利用，其能源綜合利用效率高達75%以上， 典型能量梯級利用如圖1所示。

目前，國內(nèi)較常用的三聯(lián)供系統(tǒng)主要是天然氣內(nèi)燃發(fā)電機組和天然氣燃氣輪機發(fā)電機組的三聯(lián)供系統(tǒng)，其典型流程如圖2和圖3[1]所示。

2 天然氣冷熱電三聯(lián)供在不同場景下的應用

2.1 天然氣冷熱電三聯(lián)供在較小單體建筑的應用

酒店、賓館、辦公樓等應用場景，單體建筑面積較小，用能總量不大，但種類卻較為復雜，包括夏季供冷，冬季供暖，日常生活熱水等，目前大多以電能使用為主，成本較高且季節(jié)性的用電給電網(wǎng)帶來不利影響。天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)不僅能夠產(chǎn)生電力以滿足電力需求，還能夠充分利用高溫煙氣余熱和缸套熱水，向用戶供熱供冷和提供生活熱水，充分利用清潔一次能源。

以某酒店A為例，該酒店總建筑面積約2.5萬平方米，作為一個實驗項目，酒店采用了額定發(fā)電功率350kW的天然氣內(nèi)燃發(fā)電機組，發(fā)電效率36.8%，耗天然氣量95m3/h。配套煙氣熱水型溴化鋰機組供熱供冷，最大制冷功率490kW，最大供暖功率525kW[2]。可滿足酒店約30%的冷熱負荷。

根據(jù)酒店提供的數(shù)據(jù)，該冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在冬季運行時，一次能源利用效率為81.3%，余熱回收效率為71.8%。在該項目運行過程中，冬季的一次能源利用率及余熱回收效率均高于夏季運行工況。這是由于冬季運行時，溴化鋰機組作為換熱器使用，熱量的使用僅有部分散熱損失，夏天用熱水吸收制冷效率較低，故而降級了整體的能源利用率及余熱利用率。

將天然氣冷熱電三聯(lián)供方案與傳統(tǒng)電空調(diào)+天然氣鍋爐方案進行比較。根據(jù)測算，采用三聯(lián)供方案，投資額為336萬元，采用傳統(tǒng)方案，投資額為193萬元。天然氣價格按市場價3.3元/m3，商業(yè)電價按1元/kWh。通過計算可得，采用天然氣冷熱電三聯(lián)供方案相比傳統(tǒng)方案的增量投資回收期僅為2.97年?？紤]到機組的使用壽命均在10年以上，在三年后三聯(lián)供機組的低運行費用的優(yōu)勢會進一步凸顯。

2.2 天然氣冷熱電三聯(lián)供在數(shù)據(jù)中心的應用

近年來，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心爆發(fā)式增長，導致數(shù)據(jù)中心行業(yè)能耗急劇增加。因此，尋求多能源解決方案成為一種內(nèi)在需求。天然氣冷熱電聯(lián)供作為一種分布式能源，與數(shù)據(jù)中心的電力、冷源系統(tǒng)有較好的匹配度，可將聯(lián)供系統(tǒng)與復雜的數(shù)據(jù)中心能源進行匹配對接。冷電聯(lián)供一般有以冷定電和以電定冷兩個不同的方法。在數(shù)據(jù)中心應用中，若采用兩個冷源，會進一步增加系統(tǒng)的復雜性，帶來穩(wěn)定性可靠性的降低。故一般采用以冷定電，電量的調(diào)節(jié)依靠市電的彈性。

以北京某數(shù)據(jù)中心為例，經(jīng)統(tǒng)計，該數(shù)據(jù)中心最大電負荷為14423kW，最小電負荷12723kW，用電負荷較為平穩(wěn)。數(shù)據(jù)中心的冷負荷有工藝設備散熱，維護結(jié)構(gòu)傳熱等組成，經(jīng)統(tǒng)計，機房的全年冷負荷為10100kW，辦公樓夏季低溫冷負荷2950kW，辦公樓冬季采暖熱負荷為1950kW。且該數(shù)據(jù)中心附近地塊有12800kW熱負荷需求[3]。

由于天然氣內(nèi)燃發(fā)電機組的冷電比小于1，而天然氣輪機的冷電比大于1.4，考慮到數(shù)據(jù)中心的冷電，比如前文所述均小于1，故采用內(nèi)燃機組更適合數(shù)據(jù)中心使用。且內(nèi)燃機組造價僅為天然氣輪機機組的50%～70%，因此數(shù)據(jù)中心一般選用內(nèi)燃發(fā)電機組作為三聯(lián)供能源中心。

該數(shù)據(jù)中心采用五臺顏巴赫JMS620內(nèi)燃發(fā)電機，機組配套五臺煙氣熱水型溴化鋰吸收冷水機組。單臺發(fā)電機額定發(fā)電量3349kW，單臺溴化鋰機組額定制冷量3000kW。根據(jù)運行得到的數(shù)據(jù)，發(fā)電機組的發(fā)電效率為38.7%，溴化鋰吸收機組的制冷COP為1.3，制熱效率為95%，機組整體的一次能源利用率為78%。

三聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟性受多方面的因素影響，其主要因素包括：

（1）系統(tǒng)初期建設投資。

（2）地區(qū)電費價格。

（3）地區(qū)天然氣價格。

（4）數(shù)據(jù)中心冷電比例。

（5）數(shù)據(jù)中心三聯(lián)供建成后的系統(tǒng)使用率[4]。

經(jīng)統(tǒng)計，北京的全年平均電費約為0.82元/度，在實際運行中，考慮冬季和夜晚用電會減小，同時考慮公共事業(yè)附加費，實際的電費價格約為0.85元/度。根據(jù)計算，1m3天然氣約可產(chǎn)生4度電，同時生產(chǎn)4kW冷量。按照電制冷冷凍機組1：6的能效比進行計算，產(chǎn)生4kW的冷量需要電能0.67度。在不考慮熱量利用的情況下，1m3天然氣可折合約4.67度電。按北京發(fā)電天然氣2.51元/m3計算，為0.54元/度?？紤]20%的三聯(lián)供機組運行費用，采用三聯(lián)供后折合每度電成本不超過0.648元，相較全部用市電節(jié)約23.8%。

在數(shù)據(jù)中心采用三聯(lián)供機組一般建設投資比傳統(tǒng)電制冷方案高約20%，而電費成本占總成本的約21%。若每年用電成本降低23.8%，增量投資靜態(tài)回收期僅為4年，具有較明顯的經(jīng)濟性。

2.3 天然氣冷熱電三聯(lián)供在居民小區(qū)的應用

我國大多數(shù)人口居住在夏熱冬冷區(qū)域，目前大多數(shù)小區(qū)采用各戶安裝分體空調(diào)來制冷供暖，或是采用單冷空調(diào)加集中供暖的形式，整體能耗及費用較高。目前冷熱電三聯(lián)供作為一種新的冷暖供應形式，已經(jīng)在部分區(qū)域得到試點使用。

以鄭州某小區(qū)為例，供冷采暖面積共46萬m2。根據(jù)該地區(qū)的氣象條件及建筑圍護等情況，確定該小區(qū)采暖最大熱負荷為23MW，制冷最大冷負荷為46MW。

該小區(qū)作為試點，選擇了4臺顏巴赫J616天然氣內(nèi)燃機組配套4臺煙氣熱水型溴化鋰吸收冷水機組。單臺內(nèi)燃發(fā)電機組額定發(fā)電功率2677kW，單臺溴化鋰機組制冷量2663kW，制熱量2756kW。在該分布式系統(tǒng)滿負荷運行時，供電能力為10708kW，供冷量10652kW，供熱量11024kW。

該項目全部供冷時間2700h內(nèi)，機組均可滿負荷運行，供熱時2537h內(nèi)機組可滿負荷運行，343h內(nèi)機組帶一半負荷運行[5]。

根據(jù)小區(qū)提供的運行數(shù)據(jù)，該項目全年的綜合能源利用率為74.7%。項目總投資約為9250萬元，投資回收期（稅前）約為9.62年，投資回收期（稅后）約為10.62年。主要原因是鄭州的天然氣氣價較高，且向居民供暖供冷所收費用受到諸多限制，導致項目經(jīng)濟性一般。若是在天然氣價較低的區(qū)域，該類項目會具有更好地適用性。

3 結(jié)束語

采用天然氣冷熱電三聯(lián)供的分布式能源站系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展和國家的政策支持，目前已在全國各地建設了一定數(shù)量的項目，技術(shù)上逐步成熟，電源安全可靠，一次能源的綜合利用率可達75%以上，有力的推進了節(jié)能減排工作。

天然氣冷熱電三聯(lián)供應用于商業(yè)用戶時，包括較小容量的酒店及較大容量的數(shù)據(jù)中心等，考慮到市場化的商業(yè)電價及供暖制冷費用均較高，三聯(lián)供方案的經(jīng)濟性優(yōu)勢比較明顯。而應用于居民小區(qū)時，一方面負荷過大，投資較高，另一方面由于居民電價及供暖制冷費用較低，導致三聯(lián)供方案的經(jīng)濟性不及在商業(yè)用戶上的使用。

隨著我國天然氣發(fā)展、智能電網(wǎng)的建設及提高能源利用效率，促進結(jié)構(gòu)調(diào)整及節(jié)能減排的需求，天然氣冷熱電三聯(lián)供在我國已具備大規(guī)模發(fā)展的條件。

現(xiàn)階段，天然氣冷熱電三聯(lián)供核心設備價格及維保成本較高、大部分區(qū)域天然氣價格偏高、冷熱電三聯(lián)供項目的上網(wǎng)電價和冷熱價格的議價能力較弱等問題，導致三聯(lián)供項目的推廣步驟比較緩慢。隨著國家推動天然氣管網(wǎng)獨立運營和電力體制改革，出臺系列扶持政策等措施，必將推動天然氣冷熱電三聯(lián)供項目的迅速發(fā)展，進而助推我國天然氣燃氣輪機及內(nèi)燃機等核心設備的技術(shù)進步與國產(chǎn)化，從而進一步降低設備造價與維保成本，使得天然氣冷熱電三聯(lián)供項目的建設投入逐步減少。且隨著天然氣進口通道的進一步增加，相信未來天然氣價格會有所緩和?？傮w上，我國天然氣冷熱電三聯(lián)供還是有著較好的發(fā)展前景。

參考文獻：

[1]韓高巖，呂洪坤，蔡潔聰，等.天然氣冷熱電三聯(lián)供發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望[J].浙江電力，2019，38（1）：18-24.

[2]張金磊，宗榮，陳永超.酒店天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性分析[A].供熱工程建設與高效運行研討會[C].《煤氣與熱力》雜志社編，2019（4）：910-913.

[3]許家琪，梁永建，代勇，等.天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應用[J].發(fā)電與空調(diào)，2012（9）：5-8.

[4]李新鵬，侯振寧，陳碩.冷熱電三聯(lián)供在數(shù)據(jù)中心的應用[J].通信電源技術(shù)，2014，31（4）：75-78.

[5]彭丹，焦建通，姚瑤.鄭州市某小區(qū)冷熱電三聯(lián)供能源系統(tǒng)配置方案及經(jīng)濟性分析[J].能源研究與管理，2019（1）：102-105.