浅谈天然气冷热电三联供

摘要：分析了天然气三联供方式的主要技术特征、介绍了国外的应用情况同时对应用情况的综合效率进行了技术经济分析。

0、引言

天然气冷热电三联供，又称CCHP(Combined Cooling ，Heating & Power)，它主要是利用十分先进的燃气轮机或燃气内燃机燃烧洁净的天然气进行发电，对发电做功后的余热进一步进行回收，用来制冷、供暖和供应生活热水。这是一种高效节能环保的新型能源利用方案，在欧美已有约十年的发展时期，并方兴未艾，被确认是能源将来的发展方向。

冷热电三联供主要由两部分组成——发电系统和余热回收系统，发电部分以燃气内燃机、燃气轮机或微燃机为主，近年来还发展有外燃机和燃料电池。余热回收部分包括余热锅炉和余热直燃机等。

小型冷热电三联供系统中的燃气轮机或其他发电装置燃烧天然气做功，首先是将其中约35%的能量转化为电能，这部分自发电和市电同时向自身用户供电；其余大部分能量是在烟气余热和缸套水介质中，这些热量被余热系统回收用来产生所需冷和热。

系统可由高度智能化的控制系统集中控制，实现发电机组和余热回收系统的连锁运行，对不同的冷热电负荷情况下按不同的运行方式运行，同时还可接入楼栋控制系统；也可实现无人值守，通过电话线与远程控制站相连，实现远程控制。

1、国外应用情况介绍

美国是全球发展新型能源系统的先锋，1978年开始提倡发展小型热电联产，目前除了继续坚持发展小型热电联产之外，正在走向高效利用能源的小型冷热电联产。美国能源部已经提出了小型冷热电联供规划。根据这项规划，2005年要建立200个示范点；2010年20%的新建商用、写字楼类建筑物使用小型冷热电联产；2020年50%新建商用、写字楼建筑采用小型冷热电联产。

三联供系统主要应用在医院、超级市场、办公大楼、机场、体育中心、酒店等场所。

目前冷热电联供系统主要的燃烧动力装置以燃气轮机、燃气涡轮机为主。燃气轮机在装机容量为30～100KW的机组型号和市场方面占绝对优势； 100KW～1MW的市场方面，以燃气轮机为主，燃气涡轮机占较小比例；1MW～5MW方面，燃气轮机和燃气涡轮机各占一半的比例；装机容量超过5MW的机组，以燃气涡轮机为主。

2、技术特征与效益分析

⑴ 综合效率高

一般普通的火力发电系统，输入热量按100%计算，扣除送电损失约2%、未利用的排热约60%、其发电效率约38%。而对清洁能源天然气冷热电联供系统，同样输入热量按100%，发电占25%～40%，排热利用占40%～50%，如果把用电和用热分配好，综合效率可以达到70%～80%，而没利用的排放热仅为20%～30%。因此，天然气冷电热联供系统由于增加了排放余热的利用，其综合效率比普通的火力发电系统高约30%～40%。

⑵ 节省能源

天然气燃烧可得到1500℃的高温能源，将这部分能源由高到低进行多阶段的利用，可以把制冷、采暖、电力和卫生热水等优化整合为一个新的、统一的能源系统，可实现不同形式、不同能量的梯级利用，以获得整个系统最佳能量综合利用效果。

⑶ 有利于环保

天然气是一种清洁、优质的能源，特别在环境方面，不会产生造成酸雨的SOx和灰尘等，和其他化石燃料相比，产生CO2和NOx的量也少。采用天然气三联供的环保效益是非常明显的。

⑷ 有利于电力负荷的调峰

天然气冷热电联供系统可作为传统电力系统的补充调峰，更好地保证电力供应。在用电高峰时，能使电力负荷平均化。夏季城市大量使用电力空调时，电力负荷会在一段时间内出现负荷高峰，同时夏季也是用气的低谷时期，有富余的供气能力。通过利用天然气冷热电联供可在满足高峰用电的同时，还可以利用排放余热来制冷，也可减少电力调峰装置投资和运行费用，用电负荷得以改善，更好更充分地发挥天然气基础设施的功能。

⑸ 经济性较好

配备有冷热电联供系统发电设备的单位，可以减少对电网电力的使用量。虽然天然气费随着天然气用于发电的需求量的增加而增加，但由于排放余热的利用使其他热源设备减少，整体来说能源费用大大降低。

另外冷热电联供系统虽然比原来系统设备费用增加了，但可减少变电设备，并可兼作应急用发电设备，也减少了自备应急用电设备的费用。

⑹ 增强了能源供给的可靠性

冷热电联供系统在保证商业电力电源的同时，也可保证供冷供热设备的多渠道，并且天然气冷热电联供系统可作为防灾设施使用。对原来的用电系统，需配备应急发电机。而天然气冷热电联供系统的发电设备便可作为电力公司供电的应急发电机。在供热方面，天然气冷热电联供系统的排放余热利用可作为供热热源，增加了供给的可靠性。

在看到冷热电联供系统的优点的同时，也不可忽略它本身不可避免的缺点：一是燃料的限制，只能使用天然气或轻质油品，费用受市场影响；二是冷热电联供系统规模小， 只能满足小区域用户的需要，同时又不如家庭用户用电那么方便。

3、国内的应用情况

近几年，中国电机工程学会、中国能源研究会、中国能源网等都纷纷发出倡议，倡导利用天然气发展小型冷热电联供。现在，这种小型的燃气冷热电联供系统已经在我国出现了，如上海黄埔区中心医院、浦东国际机场、北京燃气集团大楼等都建立了这种系统。与此同时，为了缓解现今电力紧张的局面，广东省也决定将天然气发电同分布式能源站冷热电联供相结合，在广州大学城建设广东省首个分布式能源站。

4、经济技术分析

采用燃气轮机冷热电联产技术的建设投资费用大于单独购买电空调、单独购买电集中供热蒸汽空调或单独购买直燃机等进行供热、制冷的技术解决方案的费用；但它的优势在于运行起来的经济性明显优于其他方式。经济技术方案对比后发现，新增的投资费用主要发生在联产后集中制冷设备投资、燃气轮机投资等方面。但是采用冷热电联产方式以后，项目可在自发电费用中节支；制冷、供热节支等方面取得良好的经济效益。整个工程项目即使不采用燃气轮机，也是需要投资建设制冷和供热系统的。所以实际上，真正增加的费用只是燃气轮机等的设备费用。

以容量为1MW级的索拉土星20号小型燃气轮机，与BHRS250Ⅶ型的远大余热型溴化锂空调机组配套进行冷热电联产为例进行分析，该机组可保证供热/制冷面积为50000m2，制冷设计应用指标为44～60w/m2，供热设计应用指标为34～50w/m2，供电设计指标为50～80w/m2，系统工况变化出力进行比较如下表：