天然氣冷熱電聯供系統工業案例應用

周曉波 陶志強 王 芳上海置信節能環保有限公司

天然氣冷熱電聯供系統工業案例應用

周曉波 陶志強 王 芳
上海置信節能環保有限公司

根據自身生產車間及辦公樓的用能需求，江蘇某造紙公司新建廠房采用了天然氣冷熱電聯供系統，該項目為國內首例工業領域內燃機天然氣冷熱電聯供項目。該項目系統設計發電容量為600 kW、制冷量/制熱量為1 725/217 kW，平均年能源利用率達75%以上，與傳統供能方式相比較，不僅提高供能的穩定性，每年還節約能源費用約120萬元，節約標煤約480 t，經濟性與環境保護效果顯著。

天然氣；冷熱電聯供系統；穩定性；經濟性

冷熱電聯供技術(Combined Cooling Heating and Power, CCHP)以天然氣等清潔燃料為一次能源，按照能源梯級利用的原則，采用高品位能源發電、低品位能源供熱、制冷或除濕的方式，在滿足用戶多種形式用能需求的同時，提高了能源利用率，降低了排放污染。燃氣冷熱電聯供系統適用于人口密集、有大量穩定能源需求的區域，如賓館、商場、工業和物流園區等場所。

目前國內天然氣冷熱電聯供系統較多應用于樓宇區域領域，提供部分電力負荷和制冷/制熱負荷，但是大部分系統容量較小，主要設備為微型燃氣輪機和吸收式溴化鋰機組等，具有效率高、占地小、保護環境、可減少供電線損和應急突發事件等綜合功能[1]。

1 典型天然氣冷熱電聯供系統

典型的冷熱電聯供系統包括：動力和發電系統、余熱回收系統、空調系統及集中控制系統，如圖1所示。

（1）動力和發電系統的核心裝置是燃氣發電機組，利用城市管道天然氣作為發電機組的燃料，產出的電能接入用戶變壓站的低壓端，以并網的方式向用戶供電。

（2）余熱回收系統利用發電機發電時缸套水的余熱，通過換熱器產生生活熱水，供用戶使用。

（3）空調系統的核心設備為余熱吸收式溴化鋰制冷機組，可利用燃氣發電機組排出的煙氣和缸套水余熱制冷或供熱給用戶。

（4）集中控制系統主要分為兩個部分，一個是對電力并網的控制，實現用戶并網不上網的功能，也就是不向電網饋電，不足部分可從電網上補充。另外的控制系統是對余熱利用的控制，主要是根據用戶冷熱負荷的變化，實時對回收的煙氣和缸套水的溫度、流量進行控制，以實現能源的最高利用效率。

2 發電機組的選型及原則

目前冷熱電聯供發電機組主要有燃氣內燃機發電機組、小型燃氣輪機發電機組。燃氣輪機發電機組多應用于105㎡以上的區域供能，燃氣內燃氣機組可應用于104㎡～105㎡的樓宇或者區域供能項目[2]。

圖1 典型天然氣冷熱電聯供系統流程圖

冷熱電聯供系統基本采用“以熱定電”原則，首先確定區域內熱負荷，再根據熱負荷確定發電功率。如果區內無法消耗電功率，則需要并網將富裕電量上網消耗。

2.1 燃氣內燃發電機組的特點

燃氣內燃發電機組的突出的優勢是發電效率高、環境變化（海拔高度、氣溫）對發電效率影響力較小、所需燃氣壓力低、單位造價低，缺點主要是煙氣余熱利用較為復雜、NOx排放量略高。相比較其他原動力機，其優勢比較明顯，主要為以下幾個方面：

（1）單機能源轉化效率較高，發電效率可達46%，能源消耗率低；

（2）地理環境造成動力輸出影響最小，高溫、高海拔下可正常運行；

（3）發電負載波動適應性強；

（4）操作運轉技術簡單易掌握；

（5）可直接利用低壓天然氣進入燃氣內燃發電機組燃燒。

燃氣內燃機發電機組優點集中在發電效率高，通常在30%～40%之間，發電效率隨負載負荷的響較小。從100%負荷降到50%負荷時，內燃發電機組的發電效率從40%變化到約34%，其次是設備集成度高，安裝快捷，對于氣體粉塵要求不高，基本不需要水，設備的單位千瓦造價也比較低，再次，內燃機發電機組啟動較快，0.5～1 min即可完成啟動。

2.2 燃氣輪機發電機組的特點

燃氣輪機發電機組的主要特點是：體積小、運行成本低和壽命周期較長(大修周期大于6×104h）、出口煙溫較高、NOx排量較低。

（1）燃氣輪機發電機組發電電壓等級較高、功率大、供電半徑大，適用于電負荷較大的場所，發電機組輸出功率受環境溫度影響較大；

（2）燃氣輪機發電機組余熱利用系統簡單高效；

（3）燃氣輪機發電機組啟動時間較燃氣內燃發電機組長；

（4）燃氣汽輪機發電機組需要次高壓或高壓燃氣；

（5）在停電啟動時，需要配備一臺小型啟動發電機組，啟動時間較長。

燃氣輪機的優點是余熱利用較為簡單高效，啟動時間較長。發電效率受環境溫度影響較大，投資較大，對燃氣壓力要求較高。

3 項目概況

該造紙廠冷熱電聯供項目建設地是世界500強企業在中國設定的唯一一家紙機織物生產基地，因生產擴建與用能安全考慮，在新建廠區內建設天然氣冷熱電聯供系統。項目已于2012年10月順利調試完成，該項目是國內首例工業領域內燃機天然氣冷熱電三聯供項目。系統設計總發電容量為1.2 MW，其中一期發電量為600 kW、制冷量為1 725 kW、制熱量（導熱油）為217 kW，即由1臺德國曼海姆（MWM）TCG2016V12C燃氣內燃機組、1套工藝用導熱油加熱裝置、1臺熱水補燃型溴化鋰吸收式制冷機組、一套智能控制系統等部件組成。系統設計以“并網不上網”的方式運行，與市政電網一起滿足廠內的用電需求，系統流程圖見圖2。

圖2 系統流程圖

該造紙廠廠房不僅經濟實用，而且環保節能。施工期間所產生的建筑垃圾回收利用率高達98%;建成后，新織物廠房的用電量主要依靠一座利用清潔天然氣發電的節能高效綜合熱電廠。該熱電廠的廢熱經吸收式制冷機作用后用于重要工藝冷卻。項目投產后可年節約能源費用120萬元，節約標煤480 t，減排CO2量1 214.87 t，年平均能源利用率約達80%，經濟與環境效益顯著。

目前該廠房已通過由美國綠色建筑協會頒發的LEED綠色建筑金級認證，這是為數不多的榮獲該認證的中國工業建筑之一。

2014年7月21日，全球領先的技術與工業服務供應商福伊特集團近日憑借其位于中國昆山的全新節能環保建筑—昆山某造紙廠房榮獲了由德國Econique集團頒發的 “2014年能源大師獎”(Energy Master Award 2014)。該項行業大獎是對該集團推動可持續發展所做出的努力的充分肯定。

We are grateful for financial supports from the Major Program of National Natural Science Foundation of China (61790584).

4 余熱利用系統

燃氣內燃機發電機組的余熱主要以高溫煙氣（400℃以上）和缸套水（90℃以上）的形式存在，這兩部分余熱一般可以用來制冷和供熱，除此之外，還有少量的中冷器和潤滑油冷卻器的余熱（約50℃），由于溫度較低只能用來供應生活用水。本項目不考慮生活用水供熱[3]。

燃氣內燃機發電機組通常有兩種余熱利用形式：

（1）余熱鍋爐+蒸汽/熱水雙效溴化鋰吸收式制冷機、換熱器方式；

（2）煙氣熱水型溴化鋰吸收式制冷機。

前者更適合有較大蒸汽或熱水負荷需求的場合，這種工藝尤其適用于有一定蒸汽和熱水需求的場合，可以通過調節從余熱鍋爐產出的蒸汽量方便的調節負荷分配；后者系統簡單且能源綜合利用率高，應用日益廣泛。該項目考慮到實際工藝需要，選擇第二種余熱利用方式。

5 冷熱電聯供系統的優勢

（1）能源綜合利用效率較高

冷熱電聯供系統由于建設在用戶附近，不但可以獲得40%左右的發電效率，還能將中溫廢熱回收利用供冷、供熱，其綜合能源利用率可達80%以上。另外，與傳統長距離輸電相比，它還能減少6%～7%的線損。

（2）對燃氣及電力有雙重削峰填谷作用

我國大部分地區冬季需要采暖，夏季需要制冷。大量的空調用電使得夏季電負荷遠遠超過冬季，一方面給電網帶來巨大的壓力，另一方面造成冬季發電設施大量閑置，發電設備和輸配設施利用率降低。

以某地為例，電力供應夏季峰值用電負荷達8.24 GW，而冬季峰值只有5.8 GW。夏季峰值是冬季峰值的1.4倍，并且負荷差逐年加大。燃氣使用的高峰則出現在冬季。目前50%以上的天然氣消費量用于冬季采暖，而夏季天然氣最大日使用量僅約為冬季的1/9，造成夏季天然氣管網的利用率極低，還需要設法儲存。

采用燃氣冷熱電聯供系統，夏季燃燒天然氣制冷，增加夏季的燃氣使用量，減少夏季電空調的電負荷，同時系統的自發電也可以降低大電網的供電壓力。

（3）具備良好的經濟效益

冷熱電聯供系統和燃氣鍋爐供熱方式每消耗1m3天然氣所能得到的經濟效益如表1所示。

表1 1m3天然氣供熱經濟性比較

根據調查數據，采用冷熱電聯供系統，寫字樓類建筑可減少運營成本12%，商場類建筑可減少運營成本11%，醫院類建筑可減少運營成本21%，體育場館類建筑可減少運營成本32%，酒店類建筑可減少運營成本23%[4]。

（4）具有良好的環保效益

天然氣是清潔能源，燃氣發電機均采用先進的燃燒技術，燃氣冷熱電聯供系統的排放指標均能達到相關的環保標準。

根據相關研究，與煤電相比，天然氣發電的環境價值為8.964分/kWh。考慮了環境價值后，冷熱電聯供系統將具有更好的經濟性。天然氣發電的環境價值見表2。

表 2 天然氣發電的環境價值

（5）增強能源供應安全性

冷熱電聯供系統安裝、運行相對比較簡單、便捷，可以大幅度提高建筑物用能的電力供應安全性。尤其對于學校、醫院等本來就需要備用電源，采用冷熱電聯供可以兼做備用電源。

冷熱電聯供系統在保證商業電力電源的同時，也可保證供冷供熱設備的多渠道，并且冷熱電聯供系統可作為防災設施使用。對原來的用電系統，需配備應急發電機。而冷熱電聯供系統的發電設備便可作為電力公司供電的應急發電機。在供熱方面，冷熱電聯供系統的排放余熱利用可作為供熱熱源，增加了供給的可靠性。

6 冷熱電系統的運行模式

（1）燃氣內燃機組獨立運行

燃氣內燃機組獨立運行[5]，發電機組帶部分穩定負荷。發電系統不需要與市電并網。電氣系統接線形式簡單。但燃氣發電機組所帶最大負荷必須低于發電機組的額定輸出功率，燃氣內燃機組效率較低，當用電負荷波動時，很難保證燃氣發電機組連續滿負荷獨立運行。

（2）燃氣內燃機組與市電并列運行

燃氣內燃機組與市電并且，發電機組只帶基本負荷。不足部分由市電補充。燃氣發電機組可根據負荷需求輸出功率。燃氣發電機組效率較高，燃氣熱、電、冷聯供系統經濟性好。當用電負荷波動時，對發電機組影響較小，供電質量較高。

（3）燃氣內燃機組部分電量上網

燃氣內燃機組所發電量除滿足園區用電負荷外，部分富裕電量用于上網，為園區創造經濟效益。

7 結論

目前國內天然氣冷熱電聯供系統大多數應用于樓宇型系統和區域型作為能源站，但在工業領域內推進很緩慢。與傳統供能系統相比，冷熱電聯供系統建設初期投資成本較高、回款周期較長，這是冷熱電聯供系統建設不得不面對的一大難題。而冷熱電聯供系統復雜、綜合性強、建設條件高，對用戶綜合素質要求高。類似的問題，在工業應用領域中尤其突出。企業普遍反映，節能減排產生了社會效益，但尚未產生企業效益，即“節能不賺錢”[6]。

為了大力推進冷熱電聯供系統大力發展，節能公司和企業應該積極跟蹤世界科技創新的最新成果，著重從核心技術突破、產業鏈完善、商業模式創新、市場培育等多方面下功夫，全面推進節能環保低碳技術、裝備、產品、服務發展，促進節能環保低碳產業發展；政府應該培育節能環保市場體系，建立適合產業發展的良好外部環境(如下調天然氣價格)，多渠道拉動低碳經濟投融資，同時繼續在稅收、財政等方面（如進口設備退稅政策、優惠稅收政策等）加大對低碳經濟的支持力度。

[1]許峰.分布式能源簡介及前景[J]. 資源節約與環保，2013，(7)：A30

[2]盛凱夫，饒如鱗.燃氣機驅動冷熱電聯供系統的發展前景[J]，煤氣與熱力，2002（6）:A510-A514

[3]葉彩花，白一，喬麗潔.燃氣冷熱電聯供分布式能源系統中發電機組選擇的分析探討[J]城市燃氣2014，（2）:A21-A24

[4]周遂雯.天然氣為能源的冷熱電聯供經濟可行性[J].上海煤氣，2002，(1):A27-A29

[5] 馬寧,李冰.天然氣內燃發電機組分布式能源系統的應用分析[J]. 柴油機.2008，(3):A50-A52

[6]薛梅,董華.天然氣熱電冷聯供系統的效益分析[J].煤氣與熱力，2003，(5):A309-A311

INFORMATION AND DYNAMIC

節能信息與動態

青浦區開展重點用能單位節能減排專題培訓

最近，青浦區組織全區40余家重點用能單位負責人以及各街鎮、園區節能工作負責人進行工業節能降耗培訓。

此次培訓由上海市能效中心等各方面專家進行專題授課，內容包括合同能源管理、分布式光伏發電、清潔生產等有關政策、案例以及能源利用狀況報告及節能月報、能源審計實施方法及案例分析、能源管理體系建設等方面。

通過培訓，與會同志加強了對新技術、新產品、新政策及節能管理方面的理解和認識，明確了企業節能減排方向。 （徐君）

Industrial Cases Studies on Natural Gas Combined Cooling and Heating and Power Generation System

Zhou Xiaobo, Tao Zhiqiang, Wang Fang
Shanghai Zhixin Energy Saving Environment Protection Co.,Ltd

The article introduces some paper making company’s new built factory applies combined cooling and heating and power generation system in jiangsu according to itself producing workshop and office building energy demand. This project becomes the first industrial internalcombustion engine natural gas combined cooling and heating and power generation system at domestic market. The design power generation is about 600 kW, cooling / heating capacity is 1 725/217 kW, average annual energy utilization is above 75%. Compared with traditional energy supply system, it not only improves energy supply stability, but also saves energy cost about 1.2 million yuan, which saves standard coal 480 tons. It has economic benefit and is environment friendly.

Natural Gas, Combined Cooling and Heating and Power Generation System, Stability, Economy

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.01.009