燃氣冷熱電分布式能源系統余熱利用研究

摘 要：對燃氣冷熱電分布式能源系統中的余熱產生情況和利用方式進行分析，探討了各種余熱利用設備的配置原則，以此實現能源利用效率的最大化。

關鍵詞：燃氣輪機；內燃機；余熱利用

燃氣冷熱電分布式能源系統簡稱CCHP（Combined Cooling，Heating and Power），是天然氣高效利用的最佳途徑，通過能源梯級利用的方式，就近滿足用戶冷、熱、電、生活熱水等各種負荷的需求。具有能效利用合理、損耗小、污染少、運行靈活、系統經濟性好等特點。

據測算，燃氣冷熱電分布式能源系統中，燃料的能量轉化為電能的比列僅占到約35%。剩余能量中，隨煙氣排出的約為30%，隨發動機冷卻水帶走的約為25%，設備機身散發等途經損失約為10%。總體來看，通過煙氣和換熱器損失的能量比做的有用功還要多。為了提高系統經濟性，必須對這部分能量加以綜合利用，這便是能源梯級利用的由來。

如何對系統發電后的余熱進行有效回收利用，成為推動燃氣分布式能源系統應用的關鍵。本文對不同種類余熱利用設備的特點和選用原則進行了分析和討論。

1 余熱能量分析

燃氣冷熱電分布式能源系統的動力裝置主要分為燃氣輪機和內燃機。

（1）燃氣輪機屬于旋轉葉輪式流體機械，通過壓氣機將空氣逐級增壓，送到燃燒室與噴入的燃氣混合燃燒生成高溫高壓的氣體，并在透平中膨脹做功，帶動發電機轉子高速旋轉，其發電效率約20～38%。采用燃氣-蒸汽聯合循環，將燃氣輪機的煙氣引入余熱鍋爐，產生蒸汽帶動汽輪機后，發電效率可提高到約50%。燃氣輪機的余熱形式為煙氣，煙氣溫度400～650℃。余熱利用可考慮回收煙氣用來制冷，煙氣也可以進余熱鍋爐產生蒸汽再供熱或制冷。

（2）內燃機屬于往復活塞式運動機械，燃料與空氣混合后，在汽缸內燃燒爆炸，推動活塞做功，并通過連桿機構帶動發電機發電，其發電效率約35～47%。下表列出了GE公司主流內燃機的數據。

從表中可以看出，內燃機將天然氣化學能轉化的效率約90%，但其中僅一半轉化為電能，另一半則是以余熱的形式存在。

內燃機的余熱形式為煙氣、冷卻水，其中煙氣溫度400～600℃，缸套冷卻水80～110℃，中冷器、潤滑油冷卻水40～65℃。余熱利用可考慮回收煙氣和各部件冷卻水用于制冷或供熱。

2 余熱利用方式

余熱利用方式可分為熱交換式和吸收式。其中熱交換式是通過利用余熱的焓，將其能量交換出來，轉化為蒸汽或熱水，主要設備有余熱鍋爐、板式換熱器等；吸收式是通過利用余熱的，綜合考慮其熱量及品質，將低品位的能量轉化到另一介質中存在，主要設備有吸收式制冷、吸收式熱泵等。

余熱鍋爐是利用燃氣輪機做功后排出的尾氣，對水進行加熱產生蒸汽。根據不同的蒸汽參數，可以用來推動汽輪發電機，也可用于生產工藝中的加熱，或是供生活取暖用。

板式換熱器由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成，液體（或氣體）與液體通過板片進行熱交換，實現能量由余熱傳遞到熱媒水，供生活熱水或空調使用。

吸收式冷（熱）水機組種類較多，根據所需余熱的種類不同，可分為熱水型機組、蒸汽型機組、煙氣型機組、煙氣熱水型機組等，并且可根據需要增加燃氣補燃設施作為輔助驅動熱源。其主要原理是以水為制冷劑、溴化鋰溶液為吸收劑，利用溴化鋰對水蒸氣極強的吸附能力，讓水在真空環境下蒸發吸熱，從而根據需要制取冷、熱水，供空調系統使用。

3 余熱利用設備配置原則

余熱利用設備的配置，需要綜合考慮發電機組種類、熱效率、余熱品質、冷熱需求等參數，將不同特性的設備系統組合，實現能源的綜合利用。下圖為典型的內燃機組余熱綜合利用系統原理。

在配置方式上，應遵循以下原則：

（1）匹配負荷原則。分布式能源系統的核心特點是能源在用戶端就近利用，減少長距離輸送的損失。所用燃機及余熱利用設備的容量按照平均負荷配置。盡量做到電量自發自用、并網不上網，余熱最大化利用。在負荷高峰期可采用常規用電設備進行調峰，如電空調、熱泵等。

（2）余熱優先原則。按照以熱定電的原則，優先保證機組余熱優先利用，以此配置發電機組容量，確保發電量、余熱量與需求匹配良好，沒有發電能力閑置或余熱量的浪費，此時可以實現能源綜合利用效率的最大化。

（3）靈活搭配原則。需要緊密結合建筑功能，分析冷、熱負荷的特點，特別是過渡季負荷的變化，靈活選用直接或間接的換熱工藝。對于一般公共建筑，考慮直接供冷供熱的余熱吸收式空調機組，雖然只能提供常規冷熱需求，但是熱效率更高。如果有蒸汽需求則要考慮采用余熱蒸汽鍋爐，這種間接連接的供能方式，可以供應蒸汽，也可通過板式換熱器供熱，還可與蒸汽型吸收式機組配合供冷，負荷適應能力強，但是綜合效率不及直接連接方式。

（4）簡潔高效原則。能源轉換的環節越多，損耗越大，同時工藝復雜，對控制的要求也越高。簡潔合理的工藝流程，配以高水平的自控和監測系統，能提升設備的可靠性，降低運行維護成本。

4 結論

燃氣冷熱電分布式能源系統的余熱主要以煙氣和冷卻水的形式存在，其能量占到天然氣燃燒能量的一半。隨著環保要求逐漸嚴格，提高能源利用效率，降低燃料消耗，已成為行業的共識，也是燃氣冷熱電分布式能源技術發展的必然趨勢。采用冷熱電聯供的方式，將余熱梯級利用后，綜合能源利用效率可提升到70%以上。

余熱利用設備有熱交換型和吸收型，各自有不同的特點和適用范圍。而燃氣冷熱電分布式能源系統的經濟性，取決于如何將系統自發電以及發電余熱的效率最大化發揮。因此在系統設計中應結合負荷需求情況，針對不同余熱利用設備的特性進行合理組合搭配。

參考文獻：

[1]高玉華.燃氣輪機排氣余熱回收方式與熱交換器的應用[J].燃氣輪機技術，2008，34（4）：5-7.

[2]林世平.燃氣冷熱電分布式能源技術應用手冊[M].北京：中國電力出版社，2014.

作者簡介：劉凡（1987-），男，工學學士學位，長期從事發電廠熱機設備管理工作。