常用冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)簡述

邢蕾

摘要： 我國當(dāng)前以鍋爐燃燒為主的天然氣利用模式不能按能量品質(zhì)用能，嚴(yán)格來講并不符合節(jié)能要求，必須引入新的運(yùn)行機(jī)制來提高能源利用效率，同時(shí)改善現(xiàn)狀[1]。本文基于天然氣冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn)提出能量階梯式利用技術(shù)，為能源的充分利用提供借鑒。

Abstract： At present in China the boiler combustion with natural gas model can not use energy according to the quality of energy， and strictly speaking， does not meet the requirements of energy conservation. So we must introduce the new mechanism to improve energy efficiency， and improve the status. In this paper， energy step utilization mode has been proposed based on characteristics of natural gas cool，heat and power cogeneration system， providing references to make full use of energy.

關(guān)鍵詞： 天然氣；冷熱電聯(lián)產(chǎn)；能量階梯式利用

Key words： natural gas；cold，heat and power cogeneration；energy step

中圖分類號(hào)：TE64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）36-0118-02

0 引言

全球平均化石能源發(fā)電效率為35%-37%，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用能量梯級(jí)利用原理可將75%-80%的能源轉(zhuǎn)化成有用能量輸出，具有很大的節(jié)能減排潛力[2]，受到廣泛的關(guān)注。天然氣熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是分布式能源系統(tǒng)的一個(gè)主要分支，它利用天然氣作為一次能源，在發(fā)電的同時(shí)提供熱能和冷能，是一種綜合的能源供應(yīng)系統(tǒng)。天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以提高能源利用率，是一種高效的能源利用方式。此外，因在供能過程中排放的大氣污染物極少，對(duì)降低區(qū)域溫室氣體濃度、大氣污染防護(hù)等方面具積極作用，屬于環(huán)境友好型的新一代清潔能源供給系統(tǒng)。

1 冷熱電聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)的原理

冷熱電三聯(lián)產(chǎn)是指冷、熱、電三種不同形式能量的聯(lián)合生產(chǎn)，簡稱為CCHP。燃料燃燒后產(chǎn)生高品位熱能可以通過CCHP轉(zhuǎn)換成電能。在能源轉(zhuǎn)換過程中，該系統(tǒng)做功剩余的低品位熱能還可以制冷、除濕、供熱或者作為生活熱水進(jìn)行二次利用，這就滿足了能源的階梯式利用要求?；跓犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展起來的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，延續(xù)了熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能減排的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也巧妙地規(guī)避了熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在夏季熱負(fù)荷低所導(dǎo)致的能源利用率低的問題，不僅做到了環(huán)境友好，同時(shí)也有效提高了能源利用率。這種一體化的生產(chǎn)和供應(yīng)方式，滿足了人們?cè)谏a(chǎn)生活中對(duì)熱量、冷量和用電量的不同能量的需求，克服了常規(guī)集中供電能量形式單一的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了按質(zhì)用能的科學(xué)原則，提高了能量的利用率。

科學(xué)用能主張通過“分配得當(dāng)，各得所需，溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”的生產(chǎn)方式，不斷提高能源利用率和供能效率。其中能量梯級(jí)利用模式詳見圖1。

2 冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)組成

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)包括四個(gè)子系統(tǒng)——?jiǎng)恿ψ酉到y(tǒng)、供熱子系統(tǒng)、制冷子系統(tǒng)和相應(yīng)的控制子系統(tǒng)[3]（詳見圖2）。

2.1 動(dòng)力子系統(tǒng)

設(shè)置在動(dòng)力子系統(tǒng)下游位置的余熱回收子系統(tǒng)，能夠?qū)?dòng)力子系統(tǒng)做功時(shí)排出的熱量回收并進(jìn)行階梯式利用，進(jìn)而將“廢物”和“廢能”的排放量減小到最低程度。動(dòng)力子系統(tǒng)中裝配了內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、蒸汽機(jī)、斯特林機(jī)等動(dòng)力設(shè)備。這些動(dòng)力設(shè)備尤其是燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)和蒸汽輪機(jī)已經(jīng)在聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

2.2 供熱子系統(tǒng)

供熱子系統(tǒng)熱量全部或大部分來自于動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的煙氣具有較高的熱量，可通過換熱器、余熱鍋爐或者吸收式機(jī)組的換熱設(shè)備來回收這些熱量，然后直接通過輸送系統(tǒng)將熱能輸送至用戶端。從投資成本來看，這種單一的供能模式大大節(jié)省了系統(tǒng)投資成本，而且后期無需花費(fèi)較多的時(shí)間和成本進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。周圍如果存在低溫?zé)嵩?，?dòng)力系統(tǒng)排出的高溫?zé)煔饣蛴酂徨仩t排放的蒸汽都可以作為高溫?zé)嵩?，加上環(huán)境中存在的一小部分熱量，都可以通過吸收式熱泵將這些熱量吸收后輸送到用戶端，就能實(shí)現(xiàn)能源的充分利用。但是從另一個(gè)角度來講，這種供熱系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，并且對(duì)低溫?zé)嵩吹囊蟊容^苛刻，在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多限制，建議配合使用壓縮式熱泵直接向用戶供給熱能，或者作為吸收式熱泵的低溫?zé)嵩碵4]。

2.3 制冷系統(tǒng)

制冷，是基于特定工藝在限定時(shí)間內(nèi)使物體溫度或空間溫度下降到周圍環(huán)境介質(zhì)溫度以下，并借助特定技術(shù)手段持續(xù)地去除物體或者空間中的熱量，使溫度保持在一定的溫度區(qū)間內(nèi)，這就是通常所說的制冷技術(shù)[5]。逆向卡諾循環(huán)是目前來說一個(gè)比較的理想的制冷循環(huán)方式。在循環(huán)過程中消耗了一些外界功，使熱量持續(xù)的從低溫?zé)嵩磦飨蚋邷責(zé)嵩?，使低溫?zé)嵩淳S持在設(shè)定的溫度區(qū)間內(nèi)。我國當(dāng)前的人工制冷技術(shù)比較發(fā)達(dá)，相應(yīng)的技術(shù)手段不止一兩種。以實(shí)現(xiàn)途徑作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，主要有固體絕熱去磁制冷、聲制冷、氦吸收式制冷氣體膨脹制冷、熱電制冷、氣體禍流制冷、相變制冷等[6]。冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)所采用的制冷方式（包括吸收式制冷、吸附式制冷和壓縮式制冷）都是相變制冷技術(shù)的分支。

3 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的分類

以供應(yīng)范圍進(jìn)行劃分，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)就有樓宇型（BCHP）和區(qū)域型（DCHP）之分。其中，樓宇型冷熱電三聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)多見于醫(yī)院、商務(wù)樓以及具有特殊功能的綜合型建筑物。BCHP通常只需幾個(gè)設(shè)置在建筑物內(nèi)部的小型機(jī)組即可實(shí)現(xiàn)供能，無需建設(shè)外網(wǎng)。DCHP適用于工商業(yè)或者大規(guī)模的科技園區(qū)，系統(tǒng)采用大型機(jī)組功能，必要時(shí)須姐組合外網(wǎng)設(shè)備配合供能，需要建設(shè)獨(dú)立的供能操作中心進(jìn)行集中供能。從這點(diǎn)來看，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)包括了熱力系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)兩大部分。

4 熱力系統(tǒng)流程

由于原動(dòng)機(jī)形式的不同，則排熱量也具有不同的形式和溫度，如微燃機(jī)以排煙余熱為主，而內(nèi)燃機(jī)有排煙和熱水兩種形式。熱利用的一個(gè)重要原則就是熱量的“物盡其用”和階梯式利用，因此應(yīng)根據(jù)不同的溫度水平采用相應(yīng)的利用方式。

各原動(dòng)機(jī)排熱溫度的法制范圍如圖3所示。

圖3中的大箭頭直觀地反映出原動(dòng)機(jī)排煙溫度的高低變化，左側(cè)的箭頭反映出不同原動(dòng)機(jī)排煙溫度范圍，右側(cè)的箭頭反映出煙氣余熱溫度及其利用方式。各動(dòng)力設(shè)備所能達(dá)到的溫度范圍詳見表1。

根據(jù)能量的階梯利用原則，在余熱的利用方面一般采用如下方式：溫度在150℃以上的余熱可用于驅(qū)動(dòng)雙效吸收式制冷機(jī)制冷，或者通過余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽，蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)組的發(fā)電（燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)），然后再利用汽輪機(jī)的抽汽供熱，溫度在80℃以上的余熱可作為單效吸收式制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)熱源；溫度在60℃以上的余熱可以直接用于供熱（采暖或生活熱水），或者作為除濕機(jī)的驅(qū)動(dòng)能源；60℃以下的余熱可利用熱泵技術(shù)回收后用于供熱，如采用熱泵技術(shù)將天然氣冷凝熱回收供熱。

冷熱電聯(lián)產(chǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，在工業(yè)領(lǐng)域：主要應(yīng)用是水泥、造紙、制藥等本身工藝流程就需要一定數(shù)量和參數(shù)的蒸汽的制造業(yè)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)電和節(jié)能的目的；在城市領(lǐng)域：主要是建設(shè)規(guī)模較大的“城市能源心”，通過地下管道向市區(qū)重要建筑物供熱、供冷和供電；在民用場所：如在高層住宅、賓館、醫(yī)院、體育館等各種建筑和場所都具有廣闊的應(yīng)用背景。

我國能源利用的現(xiàn)狀就是消耗大、利用率低，如何使得有限的資源發(fā)揮最高的利用效率，需要協(xié)調(diào)配合充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高整體的能源利用率。當(dāng)今世界的發(fā)展，能源的制約因素日益突出，通過對(duì)各系統(tǒng)的優(yōu)化組合，充分發(fā)揮能源的階梯式利用原則，是我們一代能源工作者今后努力的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]國家能源局.新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢研究報(bào)告[R].2012.

[2]Internaltional Energy Ageacy.Cogeneration and renewables： Solutions for alow-carbon energy future.Paris，2011.

[3-4]張春鑫.冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能分析[C].北京：華北電力大學(xué)，2012.

[5]程有凱.制冷與低溫工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[6]吳業(yè)正.制冷原理及設(shè)備[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1997.