冷、熱、電三聯供系統技術及應用

王小春，寇建玉，史艷輝

(內蒙古電力勘測設計院，內蒙古 呼和浩特 010020)

1 概述

分布式能源系統(Distributed Energy System)在許多國家、地區已經是一種成熟的能源綜合利用技術，它以靠近用戶、梯級利用、一次能源利用效率高、環境友好、能源供應安全可靠等特點，受到各國政府、企業界的廣泛關注、青睞。分布式能源系統有多種形式，區域性或建筑群或獨立的大中型建筑的冷、熱、電三聯供(Combined Cooling Heating and Power，簡稱CCHP)系統是其中一種十分重要的方式。

燃氣冷、熱、電三聯供系統是一種建立在能量的梯級利用概念基礎上，以天然氣為一次能源，產生冷、熱、電的聯產聯供系統。它以天然氣為燃料，利用小型燃氣輪機、燃氣內燃機、微燃機等設備將天然氣燃燒后獲得的高溫煙氣首先用于發電，然后利用余熱在冬季供暖；在夏季通過驅動吸收式制冷機供冷；同時還可提供生活熱水，充分利用了排氣熱量。提高到75%左右，大量節省了一次能源。

2 國內外分布式能源應用現狀

美國：截止2002年末，美國分布式能源站已近6000座。美國政府把進一步推進“分布式熱電聯產系統”的發展列為長遠發展規劃，并制定了明確的戰略目標：力爭在2010年，20%的新建商用或辦公建筑使用“分布式熱電聯產”供能模式；5%現有的商用寫字樓改建成“冷、熱、電聯產”的“分布式熱電聯產”模式。2020年在50%的新建辦公樓或商用樓群中，采用“分布式熱電聯產”模式，將15%現有建筑的“供能系統”改建成“分布式熱電聯產”模式。

歐盟：據1997年資料統計，歐盟擁有9000多臺分布式熱電聯產機組，占歐洲總裝機容量的13%，其中工業系統中的分布式熱電聯產裝機總容量超過了33GW，約占熱電聯產總裝機容量的45%，歐盟決定到2010 年將其熱電聯產的比例增加1倍，提高到總發電比例的18%。

日本：重視節能工作，節能系統的研究程度很高，以天然氣為基礎的分布式冷、熱、電聯供項目發展最快，而且應用領域廣泛。日本政府從立法、政府補助、建立示范工程、低利率融資以及給予建筑補助金等角度來促進能源開發及節能事業的發展。對熱電聯產項目給予諸多減免稅。截止2000 年底，已建冷、熱、電系統共1413個，平均容量477kW，以小型系統為主。

中國：我國政府將天然氣的開發和利用作為改善能源結構，提高環境質量的重要措施。西氣東輸、廣東進口液化天然氣、東海天然氣開發等大型項目的全面實施，推動了全國天然氣的建設。北京已建成的燃氣大樓、次渠門站，在建的中關村軟件園、生命園、中關村國際商城，上海已建成的浦東國際機場、環球國際金融中心、上海理工大學等；武漢、南京、廣州、深圳、成都等城市的冷、熱、電項目也正在規劃，所以我國還處于分布式能源系統的初級階段并且發展迅速。

3 三聯供系統的分類及優化研究

燃氣冷、熱、電三聯供系統按照供應范圍，可以分為區域型和樓宇型兩種。區域型系統主要是針對各種工業、商業或科技園區等較大的區域所建設的冷、熱、電能源供應中心。設備一般采用容量較大的機組，往往需要建設獨立的能源供應中心，還要考慮冷、熱、電供應的外網設備。樓宇型系統則是針對具有特定功能的建筑物，如寫字樓、商廈、醫院及某些綜合性建筑所建設的冷、熱、電供應系統，一般僅需容量較小的機組，機房往往布置在建筑物內部，不需要考慮外網建設。

冷、熱、電三聯供系統具有很大優勢，但是如何能準確的預測負荷及負荷的平衡，是目前主要存在的技術問題，也是制約我國三聯供系統的一瓶頸。當熱能和電能需求達到平衡時，冷、熱、電三聯產系統才是最經濟的。系統擬定應根據日、月、年不同時段變化的冷、熱、電負荷曲線，制定出最佳的系統配置方案，并提出合理的運行模式和運行方案，是一個十分復雜的研究課題。

國內對于冷、熱、電三聯供系統以兩種原則定主機容量為主，分別是傳統熱電聯產的原則“以熱定電”的原則和中國電機工程協會熱電專業委員會王振銘秘書長的原則：“以基本負荷電力定容量，不足電力從電網補充，不足熱量補燃解決，電力并網不上網售電，不足電力從市網取，采取友好同步發電的設計觀念”。上述兩種原則哪種更適用于冷、熱、電三聯供系統市場化還值得我們繼續研究探討。不管選擇那種原則，都應該以基本負荷為主，作為主機選型配置的原則。

為了協調冷、熱、電三種動態負荷，實現最佳的整體系統經濟性，系統往往需要設置壓縮式制冷機和蓄能裝置等，或者增加制冷負荷，如滑冰場和冷庫等。

各個地區應根據實際情況，綜合考慮地域的氣候，經濟狀況，對供冷、供熱的需求以及天然氣、電的供應條件和價格，因地制宜，而不是生搬硬套。冷、熱、電三聯供系統的推廣首先要保證經濟效益。由于分布式能源的初投資大、技術含量相對較高，對維護人員的素質要求相應嚴格，所以適合在人才聚集經濟發達的地區開展，并不是所有的情況都適合發展冷、熱、電三聯供。

4 三聯供系統的特點

⑴ 與集中式發電——遠程送電比較，燃氣冷、熱、電三聯供可以大大提高能源利用效率：大型發電廠的發電效率一般為28%～43%；而經過能源的梯級利用CCHP使能源利用效率從常規發電系統的40%左右提高到70%～80%，甚至更高。

⑵ 燃氣冷、熱、電三聯供在降低碳和污染空氣的排放物方面具有很大的潛力：據有關專家估算，如果將現有建筑實施燃氣冷、熱、電三聯供的比例從4%提高到8%，到2020 年CO2的排放量將減少30%，有利于環境保護。

分布式冷、熱、電三聯供貼近用戶進行能量轉換，將溫度向下利用，利用發電后的余熱，而不是用電來交換，通過提高能源的綜合利用效率來彌補發電效率的降低。雖然分布式熱電聯產設備的發電效率一般在27%左右，但綜合利用效率在75%～90%之間。而且，氣體燃燒生成氮氧化物量極小，排放量也很小，極易被周圍植被吸收，是改善大氣環境的有效措施。

⑶ 緩解電力短缺，平衡電力峰谷差。燃氣冷、熱、電三聯供采用自發電，可以避開電網用電高峰，并且大大提高了建筑供電可靠性和安全性。

⑷ 擴大了燃氣使用量，平衡燃氣峰谷差。

⑸ 投資回報率較高，具有良好的經濟性。

⑹ 國家正在出臺一系列政策，鼓勵并保護三聯供系統。

5 典型的燃氣冷、熱、電三聯供系統

典型的燃氣冷、熱、電三聯供系統一般包括：動力系統、供熱系統、制冷系統等。天然氣冷、熱、電三聯供系統的模式有許多種，這主要取決于能源需求結構。針對不同用戶需求，聯產系統方案可選擇范圍很大。

本文以國家863計劃，北方地區MW級分布式冷、熱、電聯供系統集成技術與示范工程的可行性研究的系統為依托，重點分析系統節能及設計特點。

北方地區MW級分布式冷、熱、電聯供系統集成技術與示范工程依托于呼和浩特市大盛魁文化創意產業園(位于呼市舊城區中心)，屬自治區和市政府重點規劃的產業園區，是著名商號“大盛魁”的舊址所在地，將建設成為集文化、旅游、休閑為一體的多功能園區。園區規劃總占地面積約200畝、總建筑面積約20萬m2。

系統擬定：燃氣輪機＋余熱鍋爐＋蒸汽型雙效溴化鋰機組＋氨制冷機組＋電制冷機組＋水源熱泵機組。天然氣送入燃氣輪機燃燒發電后，高溫排氣送入余熱鍋爐制取蒸汽，蒸汽經分汽缸至蒸汽型雙效溴化鋰機組和氨制冷機組，向項目園區提供熱源和冷源，冷源不足時由電動壓縮制冷機提供；為了進一步提高一次能源的轉化率，余熱鍋爐尾部煙道設置低溫煙氣換熱器為園區提供生活熱水；由于國產蒸汽型雙效溴化鋰機組技術不是非常成熟，因此設置一臺普通管式換熱機組，滿足冬季采暖供熱安全要求。

系統擬定主要節能措施采用了熱泵疊加技術和加設煙氣低溫換熱器，提高了能源轉化效率，降低了排煙損失。其中熱泵疊加技術，極大提高溴化鋰機組及氨制冷機組的能效比(COP)，目前該技術國內尚無應用。從理論上說，該技術新型能源利用的典范，具有很好的發展潛力和推廣價值。

根據冷、熱、電負荷情況，通過對系統擬定的優化、主、輔機設備選型的優化，初步計算本工程機組一次能源綜合利用效率(HHV)達到75%以上，系統額定工況節能率達到29% 以上，均達到國家863計劃要求。

6 結論

⑴ 以天然氣為能源的冷、熱、電三聯供系統，實現了對能量的梯級利用，是節能、環保、經濟的用能方式，有利于環保和可持續發展。

⑵ 冷、熱、電三聯供的節能是有條件的，并不是所有的情況都適合發展分布式能源，應在氣源供應充足，經濟條件允許，有冷、熱、電負荷需求的情況下，因地制宜，而不能盲從。

⑶ 在電力上網允許的條件下，應該按照“以熱定電”的原則對余熱進行充分的利用，提高冷熱電聯供系統的綜合利用效率，達到良好的經濟效益，提高冷、熱、電三聯供系統的市場競爭力。

⑷ 為鼓勵發展天然氣冷、熱、電三聯供系統的發展，政府部門給予更多的政策鼓勵支持，如電力并網，收購多余電力，環境效益補貼等。在天然氣供應、熱供應、電力上網及財政政策等方面，給分布式能源創造一個有利的發展環境。

⑸ 國家863計劃對冷、熱、電三聯供系統的推廣提供了強大的動力。但制約發展的一些因素也依然存在，通過宣傳，加深人們對天然氣冷、熱、電三聯供系統優越性的認識，借鑒國外有益經驗，促進天然氣冷、熱、電三聯供系統在全國的發展，尤其是北方地區。

⑹ 燃氣冷、熱、電三聯供系統采用自發電，可以避開電網用電高峰，并且大大提高了建筑供電可靠性和安全性。

⑺ 熱泵疊加技術在典型冷、熱、電三聯供系統中的應用，極大提高溴化鋰機組及氨制冷機組的能效比(COP)。

⑻ 冷、熱、電三聯供系統與簡單的供電系統相比，可以在大幅度提高系統能源利用率的同時，降低了環境污染，明顯改善系統的熱經濟性。

(9) 在我們看到冷、熱、電三聯供系統優點的同時，也應該看到該系統的缺點，其初投資大、技術含量相對較高，對維護人員的素質要求相應嚴格、運行費用過高、設備檢修費用昂貴、網電與自發電切換等問題。

[1]中國科學院工程熱物理研究所.大盛魁冷、熱、電項目方案討論方案，2009.

[2]內蒙古電力勘測設計院.北方地區MW級分布式冷、熱、電聯供系統集成技術與示范工程可研報告，2009.