天然氣冷熱電三聯供系統設備容量優化

徐升

摘? 要：天然氣冷熱電三聯供系統能夠有效利用資源，在當今能源日益短缺的情況下，使其能源利用率盡量加大，不過大增加環境負擔的優勢受到了世界重大關注。天然氣冷熱電三聯供系統由發電機、制冷機和制熱機三個部分組成，為了保證經濟效益，應當選用合適的設備匹配和制定相對應的運行策略對設備容量進行優化。

關鍵詞：天然氣冷熱電三聯供系統;容量優化;電熱泵

中圖分類號：TU995? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

天然氣冷熱電三聯供系統設備容量優化需要從2個方面進行：1）設備的選擇：每個設備如果都是單獨運作，那么能源的有效轉換率肯定會降低。天然氣冷熱電三聯供系統是由多個設備組成，能將每個設備關聯起來，勢必會大大降低能源的使用率，增加能源的轉換率。因此在設備的選擇上：燃氣內燃發電機+余熱驅動的吸附制冷機+電熱泵的組合比較合理，具體原因文章后面做出分析;2）全面分析項目：遵循以熱（冷）定電原則，通過對項目的負荷分析、擬定發電功率、優化聯供系統工藝流程制定出最為合適的方案，才能對設備容量進行合理的優化。

參考國內外燃氣三聯供各種項目組合方式，結合實際工程案例，深入分析組合優缺點，該文就燃氣內燃機配套吸附制冷機和電熱泵聯合使用的組合方式進行概述，并選取實例進行設備容量優化介紹。

1 設備的選擇

1.1 燃氣內燃機

燃氣內燃機通過活塞運動，有部分被壓縮點燃后的氣體，無法繼續參與到下一輪的活塞運動中，必須將其排出去。在廢氣排出的過程中，將攜帶1/3熱量走，這些廢氣的溫度通常在300 ℃～400 ℃，有很高的利用價值;剩余的一部分熱量則會被冷卻系統帶走，這些氣缸的冷卻水溫度則在80 ℃～100 ℃，也有一定的利用價值。將這些熱量合理利用起來，能提高能源的利用率，不僅能夠節約成本，還能達到減排的效果。

1.2 余熱驅動的吸附制冷機

燃氣內燃機余熱驅動的吸附制冷機運行原理是通過熱量加熱冷卻溶劑，通過冷卻溶劑吸熱分離出冷卻蒸汽，冷卻蒸汽被冷卻后去吸收熱量，變成蒸汽回到溶劑里，實現循環制冷的效果。

1.3 電熱泵

電熱泵可以利用燃氣內燃機發電機部分電量來制冷或者供熱，不僅夏天可以用來制冷，冬天還能供熱，一年四季都有用。燃氣內燃機配套吸附制冷機和電熱泵聯合使用，不僅能降低成本，還能更好地節約資源，提高能源利用率，是設備容量優化中重要的組成部分。根據廣東省發改委、廣東省經信委聯合發布的《廣東省熱電聯產機組節能發電調度管理辦法（試行）通知》要求，燃氣聯合循環發電項目（含分布式能源站）投產后一年內熱電比達到30%，一年后熱電比達到50%。順德西能源站和三水能源站《工程可研報告》中機組選型均遵循“以熱定電”機組容量設計原則。

2 項目優化思路

2.1 熱（冷）負荷分析預測

選取某園區或建筑負物進行負荷分析，主要從幾個方面分析：1）供能面積：在建設天然氣冷熱電三聯供系統之前，應該對該園區或建筑物供能面積和區域半徑進行分析，根據適當的面積配備相應的設備;2）供應期：需要結合當地的天氣環境，計算出需要供熱的時間和制冷的時間，根據時間周期確定負荷范圍。熱（冷）負荷分析是保證項目未來收益最關鍵步驟。

2.2 擬定發電功率

目前天然氣冷熱電三聯供系統嚴格遵循“以熱（冷）定電，熱量就近消納，電量全額上網”原則進行發電設備容量選取。選取發電功率，要根據熱（冷）負荷分析的情況和當地能源的情況選取發電功率，發電本著并網不上網的原則，羅列出需要設備的數量，計算發電功率，這樣最為科學，但實際上所發電量需要全額上網。

2.3 能源價格

能源在不同時間隨著需求量的變化跟著變化，因此需要了解當地的能源價格，制定出適合的運行時間，降低能源成本。

2.4 優化模型

2.4.1 優化目標

建立相應的函數，以最大收益為目標，其中需要包括凈收益、設備價格、設備使用周期。通過函數來進行分析，達到優化的目的。

2.4.2 約束條件

建立負荷率與設備性能的函數，從而制定設備的額定功率、額定制熱量和額定制冷量，通過得出的數據來優化設備容量。

2.5 制定相應的運行方案

根據得出來的數據，制定相應的運行方案，做出相應的經濟比較，選擇最劃算的方案來執行，是對設備容量較大的優化。

3 實例優化分析

3.1 項目概況

河南某超市建筑面積為27 000 m2，供冷時間有150 h，供熱時間有90 h。超市開放時間為早上七點到晚上九點，在供冷時期其中冷負荷最高達到2 810 kW，電負荷變化范圍在130 kW～963 kW;在供暖時期熱負荷最高到達1 490 kW，電負荷變化范圍為154 kW～870 kW。

3.2 擬定額定發電功率

根據項目概況，遵循“以熱（冷）定電”的原則，我們可以擬定出2套方案：1）燃氣內燃發電機組的額定發電功率為800 kW;2）燃氣內燃發電機組的額定發電功率為1 050 kW。項目所發電量均全額上網，且充分考慮就近消納能力，即原則上滿足自發自用。

3.3 能源價格

對于項目而言，所發電量必須全額上網，發電上網電價為0.665元/kW·h。而用戶在早上10點到晚上8點屬于高峰用電，價格為1.14元/kW·h。早上7點到早上10點;晚上8點到晚上11點屬于平峰用電，價格為0.79元/kW·h;晚上11點到早上7點屬于低谷用電，價格為0.334元/kW·h;天然氣價格為2.28元/立方米，冷價和熱價都為0.65元/kW·h。

3.4 優化模型

冷量造價為1 100元/kW，換熱器熱功率900元/kW。輔助設備造價為總造價的37 %。然后根據數據進行演算，得出項目內部收益率和約束條件。

3.5 制定相應的運行方案

根據負荷情況確定發電機功率，并配置熱泵機組功率。共配置3臺熱泵機組，額定制冷功率1 000 kW，額定功率770 kW。夏天運行3臺，冬天運行2臺，換熱器輸出功率350 kW。

根據數據能夠擬定2個合理運行方案：方案一，在供冷期：早上8點到晚上8點發電功率平均在750 kW，發動機余熱帶來熱量平均為880 kW左右，天然氣平均熱量1 020 kW;在供暖期：早上8點到晚上8點發電功率平均在790 kW，由天然氣補燃、換熱器和發電機組煙氣提供熱量，分別平均為600 kW/200 kW/400 kW;方案二，在供冷期，早上8點到晚上8點發電功率平均在800 kW，發動機余熱平均900 kW，天然氣平均熱量1 000 kW;在供暖期：早上8點到晚上8點發電功率平均在780 kW;由天然氣補燃、換熱器和發電機組煙氣提供熱量，分別平均為400 kW/300 kW/500 kW。通過數據得出方案一的內部收益率為8.7%，方案二的內部收益率為9.1%。由此得出方案二額定功率800 kW發動機組的性價比更優。

4 熱負荷預測實例

4.1 依據企業類型預測用熱需求

廣東某天然氣冷熱電三聯供能源站所處工業園區以紡織、印染、機械制造業為主，是熱需求較好的園區類型。

4.2 實地調研核實用熱（冷）需求

通常天然氣冷熱電三聯供項目最佳供熱半徑為5 km以內，最佳供冷半徑為2 km以內。按照實際摸查收資情況，能源站周邊5 km范圍內有9家企業，預計用熱負荷最大量105 t/h、平均負荷79 t/h，初期暫無用冷負荷，預計兩年后會有冷負荷產生。其中已與能源站簽約用熱協議的客戶有10家，每家用熱平均負荷7 t/h，可估計項目5 km范圍內潛在客戶熱負荷為70 t/h。

5 結語

該文主要通過熱（冷）負荷情況、系統設備配置和項目概況，來優化聯供系統設備容量。數據模型的建立，是設備容量優化最好的方法。

參考文獻

[1]上海光熱實業有限公司.大型內燃機冷熱電三聯供優化系統[P].2016-08-31.