燃氣熱電冷三聯供系統與傳統能源的經濟性分析

黎　兵

（重慶燃氣集團股份有限公司北碚分公司，重慶 400700）

燃氣熱電冷三聯供系統與傳統能源的經濟性分析

黎兵

（重慶燃氣集團股份有限公司北碚分公司，重慶 400700）

本文以燃氣熱電冷三聯供系統的節能性和經濟性為研究點，介紹了燃氣熱電冷三聯供系統的流程，分析了國內外熱電冷聯供系統的研究現狀，并以某工業園區為例，通過與傳統方案對比，具體計算和分析了采用聯供系統取得的經濟效益，最后根據作者實踐經驗，闡述了燃氣熱電冷三聯供系統技術研究工作的發展趨勢。

傳統能源；燃氣三聯供系統；經濟性

1.燃氣熱電冷三聯供系統流程模式

作為能源系統的常見形式，天然氣分布式冷熱電聯供系統也憑借其節能、環保、電力可靠的優良特性得到了廣泛運用和發展。天然氣分布式熱電冷聯供系統具有極為復雜的結構形式，并且在熱電冷等能量的輸出方面，極易受到相關因素的影響，如天然氣價格、建筑負荷波動等，此外，系統運行方式以及容量配置在一定程度上也會影響到系統的工作性能。

熱電冷三聯供系統是一種能在產生電能的同時也能利用熱能和冷能的能源系統，系統通過燃氣輪機，達到對燃氣合理利用的目的，即利用高品位的熱能發電以及利用低品位的熱能取暖和制冷效果。在該系統中，熱、電、冷被逐級利用，能夠在很大程度上減少電廠污染物的排放，產生巨大的社會效益和經濟效益。

燃氣內燃機發電以滿足用戶基本電力需求，熱水進入余熱鍋爐產生熱水，在外界溫度較高時，熱水驅動熱水型吸收式制冷機達到制冷目的，在嚴寒天氣時，余熱進入換熱器供暖。通常，燃氣熱電冷三聯供系統運行方式是以熱定點，帶動設備根據用戶所需的熱量運行，而若發電量比所需電量高時，則將剩余電量賣出，大電量不足時，則購買補充。

2.國內外熱電冷三聯供系統應用情況

熱電冷聯供系統是建立在能量梯級利用的前提下，結合供熱、發電以及供冷過程為一體的多聯供系統。實踐證明，熱電冷聯供系統作為第二代能源系統，具有提高能源利用效率，減少有害氣體的排放的優勢，目前，已在國內外得到了迅速發展。歐美等發達國家對熱電冷聯供系統的研究，明顯領先于世界其他國家的水平，此外，就美國而言，多年來美國一直重視并持續對熱電冷技術的研究，從技術和政策上尋求聯供領域的支持，走在了世界上其他國家的前面。

相對而言，我國對熱電冷聯供系統技術的發展起步較晚，且存在明顯差距。改革開放后，我國經濟得到了快速發展，另一方面也使得我國對世界先進技術的發展有了更高的重視和發展的資本，受到能源結構、環境、經濟條件等因素的制約，熱電冷聯供系統首先在沿海城市得到了快速發展，并且積累了很多經驗。現階段，我國的熱電冷聯供項目通常是在熱電廠基礎上修建的，其中山東省淄博時的熱電冷三聯供工程極具代表性。此外，北京奧運能源展示中的熱電冷項目很大程度上綜合了相應資源，并顯現出了極好的節能效果。

3.工業園應用燃氣熱電冷三聯供系統的經濟性分析

以某工業園區為例，通過與傳統功能方式進行比較，分析燃氣熱電冷三聯供系統的節能型和經濟性。具體流程如下：

3.1方案設計與原理

方案1為內燃機冷熱電聯供功能方案，采用制冷量為800kW的熱水型吸收式制冷機一臺，以及發電量為250kW、460kW的燃氣內燃機一臺，余熱鍋爐一臺和換熱器。方案2為燃氣鍋爐供熱傳統功能方案，有制冷量為800kW的電制冷機，800kW的燃氣熱水鍋爐和換熱器。方案3為電網購電，電制冷機制冷，熱電聯產集中供熱的傳統方案，有制冷量為800kW的電制冷機。根據市場價格計算，得各方案的初期投資：方案1為280萬，方案2為80萬，方案三為150萬元。

內燃機消耗天然氣量V可根據下式計算：

其中：Qh為系統熱負荷，Qc為系統冷負荷，Pc為系統電負荷，COP為吸收式制冷機制冷系數，ηh為換熱器換熱效率，ηb為余熱鍋爐余熱回收效率，ηc為燃氣內燃機組發電效率，HVg為天然氣地位發熱量。

全年耗電量為：Vg=V1t1+V2t2+V3t3

式中：t1為供暖期系統運行時間，t2為制冷期系統運行時間，t3為過渡期系統運行時間。

本文基于熱力平衡原理，并以熱效率為原則，利用一次能源利用率作為評價指標。通常，一次能源利用率越高，表明系統節能性越強。

方案1中，一次能源利用率

方案2中，一次能源利用率

方案3中，一次能源利用率

其中：

Pel為系統發電量；Qcooling為系統制冷量；Qheat為系統供熱量；Qin為系統輸入能量；ηboiler 為燃氣鍋爐效率；COPchiller為電制冷機制冷系數；ηel為分供系統供電總效率；ηCHP為熱電聯產集中供熱效率。

之后對3種方案進行經濟性分析，經濟性分析主要從投資回報期以及費用年值計算和評估。所謂的投資回報期指的是工程中凈收益的累計值償還投資總額的時間，而費用年值指功能系統對設備的投資均為到運行周期的各年份，并將此費用相加得到的總費用。其中，投資資金時間價值動態投資回收期Nd滿足：

表1　費用年值構成

式中：A為每年的凈收益，i為年利率，F為系統初投資總額。

采用費用年值分析中，三聯供系統費用年值

式中：R為投資回收系數，Cw為設備維護費，Cg為天然氣費用，Cr為年人工費，Ce為電費。

其中，投資回收系數

式中，n為設備壽命。

3.2經濟性分析與評價

首先通過費用年值進行評估，費用年值是將供能系統各設備的初投資均攤到設備壽命周期內的各個年份，然后將此費用與每年的運行費用相加，構成系統的年費用。經過計算，得出3種方案的費用年值見表1。

經過計算得出結論，方案1的費用年值明顯低于方案2與方案3的費用年值，可以說，經濟性優勢依然是明顯的。熱電冷三聯供系統在此工業園的成功應用也證明，燃氣聯供是一種高效節能的供能技術，滿足了溫度對口，梯級利用的能量使用原則，在高品位電能產生的同時，回收了余熱，能源利用率顯著提升。盡管在使用初期，設備運行費用較高，但能源費用少，并且在當下市場能源價格下的費用年值較傳統分供系統低很多。

3.3燃氣熱電冷三聯供系統的發展前景展望

目前，國外對熱電冷技術的研究工作大都在以下3個方面：（1）開發研制高性能的末端設備。（2）提高管網傳輸能力，即研究減少管網系統阻力損失、優化管網布局。（3）研究集中供冷技術：減少傳輸過程中的能量損失以及控制制冷成本的技術。筆者認為，今后我國在熱電冷聯供系統的研究方面依然會在目前取得的成果上繼續深入研究，其中主要包括：（1）聯供系統形式的配置，包括組成熱電冷聯供系統的各子系統主要設備的配置選擇，整體系統最佳配置的選擇和比較。（2）優化研究以及熱單冷聯供系統評價指標研究兩個方面，部分學者根據我國實際情況，初步建立起了一套技術相對成熟的熱電冷聯供系統評價體系，可以對系統進行項目可行性、節能性、運行經濟性做出評價，之后會繼續對其精確和完善。

［1］馮繼蓓，梁永建，楊杰.燃氣內燃機的余熱利用形式分析［J］.中國建設信息供熱制冷，2006（6）：41-44.

［2］呂慧.熱電冷三聯供系統的方案選擇及分析［D］.哈爾濱工業大學，2011.

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