熱電冷聯供系統

燃氣冷熱電三聯供系統是一種建立在能量的梯級利用概念基礎上，以天然氣為一次能源，產生熱、電、冷的聯產聯供系統。它以天然氣為燃料，利用小型燃氣輪機、燃氣內燃機、微燃機等設備將天然氣燃燒後獲得的高温煙氣首先用於發電，然後利用餘熱在冬季供暖；在夏季通過驅動吸收式製冷機供冷；同時還可提供生活熱水,充分利用了排氣熱量。一次能源利用率可提高到80%左右，大量節省了一次能源 ^[1]  。

燃氣氣冷熱電三聯供系統按照供應範圍，可以分為區域型和樓宇型兩種。區域型系統主要 是針對各種工業、商業或科技園區等較大的區域所建設的冷熱電能源供應中心。設備一般採用容量較大的機組，往往需要建設獨立的能源供應中心，還要考慮冷熱電 供應的外網設備。樓宇型系統則是針對具有特定功能的建築物，如寫字樓、商廈、醫院及某些綜合性建築所建設的冷熱電供應系統，一般僅需容量較小的機組，機房 往往佈置在建築物內部，不需要考慮外網建設 ^[2]  。

與集中式發電-遠程送電比較，燃氣熱電冷三聯供可以大大提高能源利用效率：大型發電廠的發電效率一般為30%～40%；而經過能源的梯級利用cchp使能源利用效率從常規發電系統的40%左右提高到80～90%，且沒有輸電損耗。

熱電產生過程就是天然氣燃燒產生熱量，然後通過能量轉換得到電能或機械能。天然氣在燃氣輪機或發動機中燃燒產生電能或機械能用於空氣調節或壓縮空氣，泵水等，在這個過程中，熱能沒有浪費而被利用，並被廣泛應用。廢熱回收鍋爐生產蒸汽用於工藝加熱、空氣調節、空間加熱及工商業蒸爐等。

以燃機為核心的燃氣冷熱電三聯供系統方式有多種，基本方式有兩種：燃氣機（包括內燃機、燃氣輪機等）+餘熱吸收式製冷機（餘熱直燃機），以天然氣為燃料送入燃氣輪機燃燒發電後，高温排氣進入餘熱吸收式製冷機（餘熱直燃機），夏季供冷、冬季供熱，根據冷負荷、熱負荷的需要可補燃天然氣。

燃氣機（包括內燃機、燃氣輪機）+餘熱鍋爐+蒸汽吸收式製冷+電製冷機+燃氣鍋爐的流程：天然氣送入燃氣輪機燃燒發電後，高温排氣送入餘熱鍋爐製取蒸汽，蒸汽經分汽缸至蒸汽溴化鋰吸收式製冷機；冬季蒸汽經分汽缸至換熱器製取熱水供熱。根據建築羣夏季的冷負荷需要，不足冷量由電動壓縮製冷機提供；冬季不足熱量由熱泵和燃氣鍋爐提供。

兩種燃氣冷熱電聯供系統示意圖及設備配置是基本的方式，依據具體工程項目的實際情況可以變化為多種系統和設備配置方式。對於採用燃氣內燃機的CCHP，由於該機型有2類以上的餘熱介質，即缸套等餘熱熱水和高温排氣餘熱等，其CCHP系統和設備的配置有一定差異，但其餘熱利用也是採用餘熱溴化鋰吸收式製冷機或熱水/蒸汽型溴化鋰吸收式製冷機，也可將熱水或蒸汽直接用於需要熱水/蒸汽的場所。

美國：電力公司必須收購熱電聯產的電力產品，其電價和收購電量以長期合同形式固定。為熱電聯產系統提供税收減免和簡化審批等優惠政策。截止2002年末，美國分佈式能源站已近6000座。美國政府把進一步推進“分佈式熱電聯產系統”的發展列為長遠發展規劃，並制定了明確的戰略目標：力爭在2010年，20%的新建商用或辦公建築使用“分佈式熱電聯產”供能模式；5%現有的商用寫字樓改建成“冷熱電聯產”的“分佈式熱電聯產”模式。2020年在50%的新建辦公樓或商用樓羣中，採用“分佈式熱電聯產”模式，將15%現有建築的“供能系統”改建成“分佈式熱電聯產”模式。有報道稱,美國能源部計劃在2010年削減460億美元國家電力投資,採取的辦法是加快分佈式能源發展。美國能源部計劃，2010年20%的新建商用建築使用冷熱電三聯供發展計劃，2020年50%的新建商用建築使用冷熱電三聯供發展計劃。

歐盟：據1997年資料統計，歐盟擁有9000多台分佈式熱電聯產機組，佔歐洲總裝機容量的13%，其中工業系統中的分佈式熱電聯產裝機總容量超過了33GW，約佔熱電聯產總裝機容量的45%，歐盟決定到2010 年將其熱電聯產的比例增加1倍，提高到總髮電比例的18%。丹麥：熱電上網；1MW以上燃煤燃油鍋爐的天然氣熱電聯產改造項目享受政府30%的補貼；對熱電工程給予低利率優惠貸款；將環保所得税作為投資款返還工商業；對工商業的天然氣熱電聯產項目發電價格補貼。法國：對熱電聯產項目的初始投資給予15%的政府補貼。英國：免除氣候變化税、免除商務税、高質量的熱電聯產項目可申請政府關於採用節約能源技術項目的補貼金。荷蘭：建立熱電聯產促進機構；熱電聯產的發電量優先上網

日本：重視節能工作，節能系統的研究程度很高，以天然氣為基礎的分佈式冷熱電聯供項目發展最快，而且應用領域廣泛。日本政府從立法、政府補助、建立示範工程、低利率融資以及給予建築補助金等角度來促進能源開發及節能事業的發展。對熱電聯產項目給予諸多減免税。截止2000 年底，已建熱電(冷)系統共1413個，平均容量477kW，主要是小型系統。

我國政府將天然氣的開發和利用作為改善能源結構，提高環境質量的重要措施。西氣東輸、廣東進口液化天然氣、東海天然氣開發等大型項目的全面實施，推動了全國天然氣的建設。北京、上海等城市已經採取一些優惠政策鼓勵冷熱電三聯供項目的發展。已建成上海浦東國際機場、北京燃氣大樓、北京燃氣集團次渠門站大樓等的項目 ^[3]  。

關於熱電聯產經濟性的研究已很成熟，在熱電聯產基礎上加入製冷系統後影響熱電冷系統經濟性的有關技術因素。以下就係統的幾個組成部分，即熱電廠、熱力輸送系統和製冷站，以及冷負荷特性、蓄能裝置等幾方面對各主要技術因素加以分析。   

1、熱電廠包括熱電廠機組的型式、容量、初蒸汽參數、抽汽或背壓排汽參數等。   

1)機組型式機組型式對系統初投資和運行費的影響很大。燃煤熱電廠主要包括背壓機或抽凝機兩種型式。由於背壓機組初投資低，能量轉換效率高，因而對於新建熱電廠來講，背壓機組經濟性顯然好於抽凝機組。 

在原有熱電廠基礎上擴建的熱電冷系統。假設空調負荷峯谷變化與電力負荷一致。從整體角度看，背壓機組由於製冷負荷的加入而增加了背壓排汽量，進而增加了空調峯期的發電容量。這會減少電網相應容量的電廠初投資，從而使整體系統的投資大幅度降。而抽凝機組在電力高峯期一般會滿功率發電，故在增加製冷用熱負荷後不會減少電網投資。因此，就初投資而言，背壓機組經濟性更具優勢。在運行費方面，抽凝機組所具有的經濟性則好於背壓機組，因為抽凝機組由於供冷而增加的抽汽發電代替了效率低的本機組純凝汽發電，而背壓機組則是代替了效率相對較高的電網機組發電量。由於背壓機組初投資減少對經濟性的影響大於運行費方面的劣勢，使得由背壓汽輪機組成的熱電冷系統經濟性好於抽凝汽輪機組成的系統[1]。順便指出，冷負荷一天之中變化幅度較大，這給熱電廠的運行調節帶來困難。由於鍋爐負荷調節範圍和慣性的限制，背壓機組如何滿足冷負荷的變化是一個殛待解決的問題。抽凝機組因抽汽調節較為靈活而使該問題不那麼突出。   隨着人們現代文明和環境保護意識的不斷增強，以油、氣等相對清潔的燃料代替污染嚴重的煤而作為城市使用的主要一次能源以成為必然趨勢，其中包括燃氣輪機、內燃機等型式的熱電廠在城市供熱方面的應用。這種熱電聯產裝置在西方國家使用較為普遍。其特點是熱電比小，發電效率高，單位容量投資少。如果燃料價格較為合理，以這種熱電廠為熱源的熱電冷聯供系統有較好的經濟性。 

2)機組容量主要指系統熱化係數的合理選取。空調負荷變化幅度大，可選取適當容量的鍋爐蒸汽在負荷高峯期作為式製冷機的熱源，進而減小供熱機組的容量。這樣，不僅可降低系統的初投資，而且還可提高系統運行效率，使熱電廠運行工況更加穩定。 

3)熱電廠初蒸汽參數初蒸汽參數越高，系統的發電效率越高，熱電比越小，會使熱電

冷的經濟性越好。當熱電冷系統系統和所代替的發電機組所用燃料的價格在正常波動範圍內時，熱電冷系統年運行成本是隨着熱電比的降低而減小的。因此，熱電冷系統應優先選用高參數的熱電廠為熱源。 

4)熱電廠抽汽或背壓排汽參數的降低，會使系統的發電效率增加，熱電比減小，有利於提高熱電冷系統的經濟性。對於吸收式製冷機而言，抽汽或背壓排汽參數在一定範圍內變化對其熱力系數影響不大，但對冷機的出力有較大影響。當蒸汽壓力每降低0.1MPa時，蒸汽型雙效機制冷量減少9%-11%[2]。這表明，當蒸汽壓力降低時，為保證製冷量要選擇內部傳熱面積更大的製冷機，從而增加了製冷站的初投資。因此，熱電廠抽汽或背壓排汽參數對於不同的具體系統應有其最優值。 

2、熱力輸送系統包括供熱管網和供冷管網，影響因素主要有輸送介質種類及其熱力參數、輸送系統運行方式等。 

1)輸送介質種類由於技術條件的限制，供冷管網的輸送介質只能採用冷水。但該介質輸送冷量的能力小，管網初投資及輸送電耗巨大。近年來國外正在研製以冰漿或在冷水中加入相變材料作為輸冷介質，可使管網輸送冷量的能力大大提高，較大幅度地降低管網初投資，但這種輸送技術仍處於試驗階段[3]。   輸熱介質主要指蒸汽或熱水。當以蒸汽作為作為熱網的輸送介質時，供冷系統可採用熱力系數高的雙效製冷機。同時，蒸氣在輸送中電耗低，不需要設置熱力首站換熱設備及泵等。但是，蒸汽在較遠距離的熱網輸送中，壓力損失大，導致供熱機組抽汽或背壓排汽壓力較高，熱電廠熱電比大，且熱網的熱效率較低。這會對系統的經濟性產生不利影響。以熱水作為熱網的輸送介質，可使供熱機組抽汽或背壓排汽壓力較低。同時，熱網熱效率較高。但是，由於管道成本的限制，通常採用直埋管道的熱水網供水温度大都在120℃以下，供冷系統只能採用熱力系數低的單效機。這會大幅度地增加供冷系統的初投資以及整個系統的運行費。另外，熱水網還有輸送耗電大等缺點。 

2)輸送介質熱力參數對於蒸汽網而言是指蒸汽壓力，亦即指汽輪機抽汽或背壓排汽壓力，上文對此已作分析。   

對於熱水網而言，輸送介質的熱力參數主要是指熱網供回水温度，該參數對輸送系統仍至整個熱電冷系統的影響都很大。供水温度選擇的小,熱電廠供熱機組抽汽或排汽壓力可以降低。但熱水温度低會使製冷機製冷效率降低，製冷設備的投資及耗電量高。供回水温差增大,無疑會節省熱網初投資及輸送能耗。但這會導致製冷係數降低，製冷設備初投資增加。因此，從系統的經濟性看，熱網供回水温度應有最佳選擇。 

3)輸送系統運行方式為保證製冷機的出力及運行效率，不希望降低熱網供水温度，熱網的運行基本上依靠量調節完成。由於用户熱負荷變化頻繁，導致熱網水的循環流量在很大範圍內變化，且大部分時間在低負荷下運行，常規熱網運行方式將使主循環泵的電耗很大。因此，輸送系統的運行方式對於熱網的低能耗和安全運行有重要作用。 

3、製冷站包括供冷站位置與規模，吸收式製冷機型式、容量和運行方式等。 

1)製冷站位置與規模由於冷水管道的供回水温差通常在10℃以內，供冷管道輸送能量的能力遠小於供熱管道，相同距離下供熱管道的投資要小於供冷管道。從這一點看，製冷站應儘量靠近用户。但用户負荷在地理上是分散的，位置靠近用户會使單個製冷站規模變小，數量增多，導致製冷設備容量增加，整個系統的製冷站佔用空間增大，而且用户附近的製冷站建築造價往往更加昂貴。因此，位置靠近用户又會使熱電冷系統製冷站的投資增大。合理選取製冷站位置與規模是一個較複雜的問題，應從整體供冷系統考慮，全面加以優化。   

2)吸收式製冷機的型式、容量和運行方式製冷機的型式主要指單效或雙效。毫無疑問，在條件允許的情況下應儘量使用雙效機。由於空調負荷變化幅度大，製冷站內單台製冷機容量的選擇，製冷機的運行方式，包括各製冷機之間的負荷分配、啓停順序等，都會影響系統的經濟性。   

4、供冷負荷特性包括負荷因子、負荷密度、用户負荷性質、年最大供冷負荷小時數等。   

1)負荷因子指平均負荷與最大負荷之比。負荷因子越小，則設備利用率越低，單位制冷容量的供冷系統初投資越大。與採暖負荷相比，空調日負荷因子要小得多，這會使系統的容量無法得到充分利用。同時，也會給設備的運行效率和調節手段帶來不利。解決問題的有效辦法包括合理選取系統熱化係數和適當設立蓄能裝置。 

2)負荷密度指單位社區面積所擁有的冷負荷量。負荷密度大，則輸送系統單位負荷投資小，有利於區域供冷的經濟性。當負荷密度過小，採用區域冷熱聯供的單位負荷初投資過大，就會被分散的供冷方式取代。 

3)用户負荷性質由於建築物使用功能不同，用户負荷性質，即用户之間最大空調負荷出現的時刻，會有所不同。這將使區域供冷系統與用户獨立設置空調系統相比，設備容量減小。工程上採用系統供冷負荷峯值與各用户最大冷負荷之和的比值，即負荷同時使用係數以體現這一減小量。各用户負荷性質將直接影響製冷站的規模和分佈，進而影響熱電冷系統的經濟性。 

4)年最大供冷負荷小時數年最大供冷負荷小時數主要取決於當地的氣候條件和用户負荷性質。年最大供冷負荷小時數越大，越有利於運行費低的供冷系統發展。   

5、蓄能裝置 

當負荷因子較小時，增設蓄能裝置可以大幅度減小系統容量，提高系統運行效率和安全穩定性。對於在已有熱電廠基礎上擴建的熱電冷系統，設置蓄能設備還可提高系統的供冷能力。蓄能裝置對系統經濟性的影響主要取決於該裝置的形式、位置和性能等。  

1)蓄能裝置形式：對於熱電冷系統，蓄能裝置有蓄熱和蓄冷兩種形式。   

蓄熱按蓄存介質的不同有直接蓄存和間接蓄存。間接蓄存採用某種中間介質作為蓄存介質來蓄熱。這種蓄熱方式的蓄熱温度較高，如巖和油組成的蓄存介質蓄熱温度達304℃，而用一種熔化的硝酸鹽作為蓄熱介質蓄熱温度可達566℃，但間接儲存方式的投資大，而採暖空調所用熱量温度相對較低，故不宜採取這種蓄熱方式。   

直接蓄熱可將待蓄存的熱水或蒸汽直接儲存在蓄熱容器內。直接蓄熱又可分為無壓蓄熱和有壓蓄熱。無壓蓄熱方式最高蓄熱温度可達95℃，且投資低。有壓蓄熱方式是將蒸汽或高温熱水直接存蓄在球狀或圓柱形壓力容器內，蓄熱温度最高可達200℃，適宜於向雙效吸收式製冷機供熱。但有壓蓄熱方式投資大，相當於無壓方式的2至5倍。   

蓄冷裝置主要有水蓄冷和冰蓄冷兩種方式。冰蓄冷裝置具有蓄冷量大，結構緊湊等優點。但如果供冷系統採用的是溴化鋰吸收式製冷機，其最低製冷温度只能達到5℃，無法使用冰蓄冷裝置。 

空調用水蓄冷是將冷水直接蓄存於蓄冷容器的顯熱蓄冷方式。主要有分層式蓄冷和隔膜法蓄冷等型式。水蓄冷温度一般為5℃至7℃，可用於蓄存溴化鋰吸收式製冷機所製取的冷量。但由於以顯熱蓄冷，蓄冷温度差小(約10℃左右)，因而蓄冷空間較大。 

2)蓄能裝置位置蓄能設備的位置對供能系統的經濟性有較大影響。在熱電冷聯供系統中，夏季供冷時蓄能設備可安置在熱電廠中作為蓄熱器，也可安置在冷暖房中作蓄冷器，也可將蓄冷設置在用户處。蓄能裝置的設立，可使熱源至蓄能裝置之間的系統容量降低和運行效率提高，而蓄能裝置至用户之間的系統則無改觀。從這一點講，應儘量將蓄能裝置的位置靠近用户側。但這樣又使蓄能裝置因過於分散而加大了投資。 

3)蓄能裝置性能包括裝置容量、蓄能功率、泄能功率和蓄能熱效率等因素。蓄能裝置容量增大有利於蓄能效果的提高，但會增大蓄能的投資。蓄能容量的大小取決於熱電冷系統的構成和負荷特性，需經優化計算確定。蓄能、泄能功率則主要與蓄能容量和負荷變化頻率等因素有關。 

從宏觀的角度看，熱電冷系統的經濟性還與電力系統有關參數密切相連，主要指所代替的電網其它發電機組初投資和發電效率。所代替的發電機組初投資越大、發電效率越低，則熱電冷系統的經濟性越好。除技術因素外，一些政策性和市場因素也對熱電冷系統經濟性有較大影響，例如熱電冷系統和代替發電機組所用的燃料價格等。熱電冷系統所用燃料的價格越低，代替發電機組所用燃料的價格越高，與壓縮式製冷形式的經濟性相比，熱電冷聯供系統越有利 ^[2]  。