三聯供系統的研究

曹 磊

(中國建筑設計研究院，北京 100044)

三聯供系統的研究

曹 磊

(中國建筑設計研究院，北京 100044)

冷熱電三聯供系統作為分布式能源的一種，具有高能效、低排放等諸多特點，隨著其技術的日漸成熟，該技術也越來越多地受到業主的關注。本文意在通過介紹三聯供系統的意義、特點、系統型式等方面內容，并對這種新能源利用進行探討，為設計和研究應用該系統的人員提供方向。

三聯供系統 天然氣 燃氣輪機 內燃機

1 概念

三聯供系統指布置在用戶附近，以燃氣為一次能源用于發電，并利用發電余熱制冷、供熱，同時向用戶輸出電能、熱(冷)的分布式能源供應系統，亦稱燃氣冷熱電三聯供系統(Combined Cooling Heating and Power)，簡稱CCHP。燃氣的分類有若干種，本文中的三聯供系統均是以天然氣為能源來闡述。

2 意義

三聯供系統有其自身特有的優勢：

1)清潔環保:與燃煤相比，無煙塵排放；CO2和SO2排放量均大幅度減少；

2)能源梯級利用，綜合能源利用率高；

3)與市電電網互相支撐，供能安全性高；

4)對燃氣和電力有雙重削峰填谷作用；

5)節約城市用地，節省建設投資。

3 發展現狀

1)美國能源部的CCHP發展計劃：到2010年實現20%的新建商用建筑、5%的現有商用建筑、25%的美國能源部熱電聯產項目使用CCHP；到2020年實現50%的新建商用建筑、15%的現有商用建筑使用CCHP；

2)日本：由于其資源較缺乏，因此對三聯供研究十分重視。目前，日本以熱電聯供系統為熱源的區域供熱冷系統成為僅次于燃氣、電力的第三大公益事業。在冷熱電三聯供應用方面領先于歐美國家；

3)英國：在過去的20年中已安裝超過1 000個分布式能源系統；

4)我國近十年內各省市均有不同的項目已安裝或在建三聯供系統；

5)分布式能源技術是中國可持續發展的必須選擇，是最能體現節能、減排、安全、靈活等多重優點的能源發展方式，因此，促進分布式能源系統的推廣應用已被列入國家“十二五”規劃中。

《2013-2017年中國分布式能源行業需求潛力與前景預測分析報告》顯示，發達國家分布式能源在近幾年發展迅猛。分布式能源系統在整個能源系統中所占比例不斷提高，其中歐盟分布式能源所占比例約達10%。分析其發展原因，不難看出其共性，即發達國家政府通過規劃引領、技術支持、實施優惠政策并建立合理的價格機制和統一的并網標準等措施，有效地推動分布式能源的發展。

而我國分布式能源起步較晚，目前，天然氣占一次能源消費比重約為5%，這與國際一次能源23.8%的消費比重還有較大差距，但隨著我國城鎮化深入發展，對天然氣的需求必然會與日俱增，勢必會加快天然氣的發展，提高天然氣在我國一次能源消費結構中的比重，伴隨能源消費結構的調整，環境的改善將會顯露無疑。減少CO2等溫室氣體和細微顆粒物(PM2.5)等污染物排放，是實現節能減排、改善環境的迫切需要，是實現我國優化調整能源結構的現實選擇。

當前，國內已有許多以天然氣為燃料的熱電冷三聯供工程投入運行，均取得了明顯的經濟效益、環保效益和社會效益，因此，這種分布式能源將是本世紀能源發展的必然趨勢。

4 我國三聯供系統的行業標準及國家相關政策

作為我國的一個新興產業，國家的相關政策和措施是必不可少的。發達國家在入網許可、電網接入標準、污染排放標準、投資和稅收優惠等方面制定了各項相關措施，我國在此方面也有相關的標準和政策，以促進其迅速、成熟、穩定地發展。

1)行業標準：《燃氣冷熱電三聯供工程技術規程》(CJJ 145-2010)。

標準要點：

(1)使用條件：發電機總容量小于或等于15MW；

(2)供電系統運行方式：供電系統宜采用并網的運行方式；

備注：三種運行方式：A)孤網運行(發電機獨立運行)；B)并網運行(發電機與公共電網并列運行，不向公共電網輸送電能的方式)；C)上網運行(發電機與公共電網并列運行，可向公共電網輸送電能的方式)。

2)設計原則：電能自發自用、余熱利用最大化。

3)能效標準：聯供系統的年平均能源綜合利用率應大于70%。

4)國家相關政策：上海從2008年至今先后出臺相關政策及扶持辦法以促進天然氣分布式能源的發展，近期，北京關于天然氣分布式能源項目的補貼政策也將出爐，補貼力度將達到2 000元/kW，這將是推動其規?；l展最有效的方式之一。

5 系統形式

1)根據能量利用的次序可分為頂循環系統和底循環系統。

頂循環聯供系統：燃料首先供原動機發電，熱作為發電的副產品利用，滿足工業加工或家庭的需要。

底循環聯供系統：燃料主要用來提供高溫的熱源，較高溫度的廢熱用來發電，電作為副產品，主要用于需要高溫熱源的加工業。

2)根據運行方案分為：基本電力匹配模式(以電定熱)、基本熱負荷匹配模式(以熱定電)、電力負荷匹配模式、熱負荷匹配模式和獨立能源系統模式。

3)根據聯供規模可分為集中式聯供系統和分布式聯供系統。分布式聯供系統可根據新增負荷靈活配備新的能源系統，投資相對較小，建設期短，見效快，可有效減輕電網壓力。

6 主要設備及機房設置的相關要求

1)發電設備：目前比較成熟的用于三聯供系統的發電設備如圖1所示。

圖1 常用發電設備

發電機組形式的確定：

基于國家電網相關的政策及相關行業標準，目前用于燃氣冷、熱、電三聯供系統的發電機組主要用小型燃氣輪發電機組或燃氣內燃發電機組。微燃機作為發電設備的一種，由于其自身特點，在區域性分布式能源項目中應用范圍有限，故下文不再作過多的介紹。

(1)燃氣輪發電機組特點

a)燃氣輪發電機組自身的發電效率一般在30%～35%，如利用余熱回收裝置配合蒸汽輪機再次發電，其效率可提高10%～15%；b)體積小、功率密度大；c)對燃料的適應性比較強，運行成本低、壽命周期較長(大修周期在6萬h左右)、出口煙氣溫度較高、氮氧化物排放率低；d)發電電壓等級高、功率大、供電半徑大、適用于用電負荷較大的場所；e)余熱利用系統簡單而高效；f)啟動時間相對燃氣內燃發電機組長；g)進氣壓力比較大，一般需要次高壓或高壓燃氣；h)通常在市電正常的情況下，利用市電作為機組的啟動電源，如有市電停電仍需啟動工作的需求，應配備應急啟動設備。

燃氣輪機作為發電裝置的三聯供系統，如圖2所示。

圖2 燃氣輪機作為發電裝置的三聯供系統圖

(2)燃氣內燃發電機組特點

a)發電效率相對較高；b)環境變化(海拔高度、溫度)對發電效率的影響力小；c)所需燃氣壓力低、單位造價相對較低；e)缺點是耗材大即需要定期更換機油和火花塞，余熱利用較為復雜，余熱利用形式為缸套水和煙氣，氮氧化物排放量略高。燃氣內燃機作為發電裝置的三聯供系統，如圖3所示。

圖3 燃氣內燃機作為發電裝置的三聯供系統圖

(3)發電設備比較

比較結果如表1所示。

雖然從造價上看,目前相同功率的燃氣內燃機的單位價格大約是燃氣輪機機組的一半，且兩者的使用壽命、大修間隔時間基本相同，但考慮燃氣內燃機單位容量的運行維護費用略高于燃氣輪機機組，故不能簡單通過一次投資來確定發電設備的型式。

綜上所述，主機的選型需要綜合考慮發電和余熱利用、運行維護等多種因素?？紤]燃氣內燃機缸套水的余熱品位較低，且占總余熱量的50%甚至更高，如無法通過余熱回收的方式利用的項目，即使其相比燃氣輪機有較高的發電效率，內燃機也不是首選的發電設備。另外，參考美國1999年分布式能源系統的統計數據(其中括號內為聯合循環系統)，即通過其本國不同規模建筑冷熱電聯產系統內燃機與燃氣輪機裝機情況的比較，表2中10MW以上的系統，燃氣輪機的應用已占主導地位。

2)余熱利用設備：包括熱水、蒸汽、尾氣驅動的溴化鋰吸收式制冷機；熱水驅動的固體吸附制冷機、余熱鍋爐、換熱器等。

表1 發電設備比較

表2 美國1999年分布式能源系統的統計數據

(說明：括號內為燃氣輪機聯合循環系統)

3)機房設置：能源站宜靠近供電區域的主配電室；泄爆、防火、通風和建筑防火間距等應滿足《建筑設計防火規范》中相關的規定。

7 三聯供工程實施常規流程

流程圖如圖4所示。

圖4 實施流程圖

1)方案階段

(1)了解建筑性質；分析冷、熱、電負荷情況；

(2)根據項目特點及負荷需求情況進行三聯供系統配置；

(3)根據能源價格情況進行簡單的經濟預算。

2)可行性研究階段

(1)通過方案比較確定三聯供主要設備及系統配置形式和運行方案；

(2)投資估算及財務分析(收益率、投資回收期)；

(3)上報發改委。

3)施工圖設計及施工階段

(1)施工圖設計并取得規劃、環保消防等部門批復；

(2)取得供電部門并網許可、獲得供電部門的方案審批；

(3)依據施工圖設計進行施工，并完成施工驗收。

4)調試運行階段

(1)協調各主要設備廠家分別對設備及系統進行調試、運行；

(2)主要設備制造商進行運行人員培訓；

(3)主要設備的維護保養由設備供貨商完成。

8 結束語

三聯供系統作為一種新能源形式，在我國具有廣闊的市場，但作為一個項目其是否有可行性需做充分的研究，應了解項目地區氣源狀況、建筑性質、冷熱電情況和國家政府補貼政策，通過方案比選、財務分析后方可設計、實施，這樣才能將其系統的社會化、經濟化發揮到最大。

曹 磊

1999年畢業于北京建筑大學，現任中國建筑設計研究院機電專業設計院機電六室主任工程師，高級工程師。

作為電氣專業負責人承擔了數十個大型項目的電氣設計工作，參與了“十一五”課題的研究工作，在技術性期刊上發表過多篇文章。

Research on Combined Cooling Heating and Power System

Cao Lei

Combined cooling heating and power (CCHP) system is a kind of distributed energy system，which has comprehensive benefits such as high efficiency and low emission. With the technical development, CCHP system has

more and more attentions by the owners. The meaning，characteristics，system type and so on of CCHP system are introduced in this paper. Through studying on new energy，it provides research direction for the design and application of the system.

CCHP system，natural gas，gas turbine，internal combustionengine