曹 磊

(中國建筑設(shè)計研究院，北京 100044)

三聯(lián)供系統(tǒng)的研究

曹 磊

(中國建筑設(shè)計研究院，北京 100044)

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)作為分布式能源的一種，具有高能效、低排放等諸多特點，隨著其技術(shù)的日漸成熟，該技術(shù)也越來越多地受到業(yè)主的關(guān)注。本文意在通過介紹三聯(lián)供系統(tǒng)的意義、特點、系統(tǒng)型式等方面內(nèi)容，并對這種新能源利用進行探討，為設(shè)計和研究應(yīng)用該系統(tǒng)的人員提供方向。

三聯(lián)供系統(tǒng) 天然氣 燃氣輪機 內(nèi)燃機

1 概念

三聯(lián)供系統(tǒng)指布置在用戶附近，以燃氣為一次能源用于發(fā)電，并利用發(fā)電余熱制冷、供熱，同時向用戶輸出電能、熱(冷)的分布式能源供應(yīng)系統(tǒng)，亦稱燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)(Combined Cooling Heating and Power)，簡稱CCHP。燃氣的分類有若干種，本文中的三聯(lián)供系統(tǒng)均是以天然氣為能源來闡述。

2 意義

三聯(lián)供系統(tǒng)有其自身特有的優(yōu)勢：

1)清潔環(huán)保:與燃煤相比，無煙塵排放；CO2和SO2排放量均大幅度減少；

2)能源梯級利用，綜合能源利用率高；

3)與市電電網(wǎng)互相支撐，供能安全性高；

4)對燃氣和電力有雙重削峰填谷作用；

5)節(jié)約城市用地，節(jié)省建設(shè)投資。

3 發(fā)展現(xiàn)狀

1)美國能源部的CCHP發(fā)展計劃：到2010年實現(xiàn)20%的新建商用建筑、5%的現(xiàn)有商用建筑、25%的美國能源部熱電聯(lián)產(chǎn)項目使用CCHP；到2020年實現(xiàn)50%的新建商用建筑、15%的現(xiàn)有商用建筑使用CCHP；

2)日本：由于其資源較缺乏，因此對三聯(lián)供研究十分重視。目前，日本以熱電聯(lián)供系統(tǒng)為熱源的區(qū)域供熱冷系統(tǒng)成為僅次于燃氣、電力的第三大公益事業(yè)。在冷熱電三聯(lián)供應(yīng)用方面領(lǐng)先于歐美國家；

3)英國：在過去的20年中已安裝超過1 000個分布式能源系統(tǒng)；

4)我國近十年內(nèi)各省市均有不同的項目已安裝或在建三聯(lián)供系統(tǒng)；

5)分布式能源技術(shù)是中國可持續(xù)發(fā)展的必須選擇，是最能體現(xiàn)節(jié)能、減排、安全、靈活等多重優(yōu)點的能源發(fā)展方式，因此，促進分布式能源系統(tǒng)的推廣應(yīng)用已被列入國家“十二五”規(guī)劃中。

《2013-2017年中國分布式能源行業(yè)需求潛力與前景預(yù)測分析報告》顯示，發(fā)達國家分布式能源在近幾年發(fā)展迅猛。分布式能源系統(tǒng)在整個能源系統(tǒng)中所占比例不斷提高，其中歐盟分布式能源所占比例約達10%。分析其發(fā)展原因，不難看出其共性，即發(fā)達國家政府通過規(guī)劃引領(lǐng)、技術(shù)支持、實施優(yōu)惠政策并建立合理的價格機制和統(tǒng)一的并網(wǎng)標(biāo)準等措施，有效地推動分布式能源的發(fā)展。

而我國分布式能源起步較晚，目前，天然氣占一次能源消費比重約為5%，這與國際一次能源23.8%的消費比重還有較大差距，但隨著我國城鎮(zhèn)化深入發(fā)展，對天然氣的需求必然會與日俱增，勢必會加快天然氣的發(fā)展，提高天然氣在我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中的比重，伴隨能源消費結(jié)構(gòu)的調(diào)整，環(huán)境的改善將會顯露無疑。減少CO2等溫室氣體和細微顆粒物(PM2.5)等污染物排放，是實現(xiàn)節(jié)能減排、改善環(huán)境的迫切需要，是實現(xiàn)我國優(yōu)化調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實選擇。

當(dāng)前，國內(nèi)已有許多以天然氣為燃料的熱電冷三聯(lián)供工程投入運行，均取得了明顯的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益和社會效益，因此，這種分布式能源將是本世紀能源發(fā)展的必然趨勢。

4 我國三聯(lián)供系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準及國家相關(guān)政策

作為我國的一個新興產(chǎn)業(yè)，國家的相關(guān)政策和措施是必不可少的。發(fā)達國家在入網(wǎng)許可、電網(wǎng)接入標(biāo)準、污染排放標(biāo)準、投資和稅收優(yōu)惠等方面制定了各項相關(guān)措施，我國在此方面也有相關(guān)的標(biāo)準和政策，以促進其迅速、成熟、穩(wěn)定地發(fā)展。

1)行業(yè)標(biāo)準：《燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ 145-2010)。

標(biāo)準要點：

(1)使用條件：發(fā)電機總?cè)萘啃∮诨虻扔?5MW；

(2)供電系統(tǒng)運行方式：供電系統(tǒng)宜采用并網(wǎng)的運行方式；

備注：三種運行方式：A)孤網(wǎng)運行(發(fā)電機獨立運行)；B)并網(wǎng)運行(發(fā)電機與公共電網(wǎng)并列運行，不向公共電網(wǎng)輸送電能的方式)；C)上網(wǎng)運行(發(fā)電機與公共電網(wǎng)并列運行，可向公共電網(wǎng)輸送電能的方式)。

2)設(shè)計原則：電能自發(fā)自用、余熱利用最大化。

3)能效標(biāo)準：聯(lián)供系統(tǒng)的年平均能源綜合利用率應(yīng)大于70%。

4)國家相關(guān)政策：上海從2008年至今先后出臺相關(guān)政策及扶持辦法以促進天然氣分布式能源的發(fā)展，近期，北京關(guān)于天然氣分布式能源項目的補貼政策也將出爐，補貼力度將達到2 000元/kW，這將是推動其規(guī)?；l(fā)展最有效的方式之一。

5 系統(tǒng)形式

1)根據(jù)能量利用的次序可分為頂循環(huán)系統(tǒng)和底循環(huán)系統(tǒng)。

頂循環(huán)聯(lián)供系統(tǒng)：燃料首先供原動機發(fā)電，熱作為發(fā)電的副產(chǎn)品利用，滿足工業(yè)加工或家庭的需要。

底循環(huán)聯(lián)供系統(tǒng)：燃料主要用來提供高溫的熱源，較高溫度的廢熱用來發(fā)電，電作為副產(chǎn)品，主要用于需要高溫?zé)嵩吹募庸I(yè)。

2)根據(jù)運行方案分為：基本電力匹配模式(以電定熱)、基本熱負荷匹配模式(以熱定電)、電力負荷匹配模式、熱負荷匹配模式和獨立能源系統(tǒng)模式。

3)根據(jù)聯(lián)供規(guī)?？煞譃榧惺铰?lián)供系統(tǒng)和分布式聯(lián)供系統(tǒng)。分布式聯(lián)供系統(tǒng)可根據(jù)新增負荷靈活配備新的能源系統(tǒng)，投資相對較小，建設(shè)期短，見效快，可有效減輕電網(wǎng)壓力。

6 主要設(shè)備及機房設(shè)置的相關(guān)要求

1)發(fā)電設(shè)備：目前比較成熟的用于三聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備如圖1所示。

圖1 常用發(fā)電設(shè)備

發(fā)電機組形式的確定：

基于國家電網(wǎng)相關(guān)的政策及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準，目前用于燃氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電機組主要用小型燃氣輪發(fā)電機組或燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組。微燃機作為發(fā)電設(shè)備的一種，由于其自身特點，在區(qū)域性分布式能源項目中應(yīng)用范圍有限，故下文不再作過多的介紹。

(1)燃氣輪發(fā)電機組特點

a)燃氣輪發(fā)電機組自身的發(fā)電效率一般在30%～35%，如利用余熱回收裝置配合蒸汽輪機再次發(fā)電，其效率可提高10%～15%；b)體積小、功率密度大；c)對燃料的適應(yīng)性比較強，運行成本低、壽命周期較長(大修周期在6萬h左右)、出口煙氣溫度較高、氮氧化物排放率低；d)發(fā)電電壓等級高、功率大、供電半徑大、適用于用電負荷較大的場所；e)余熱利用系統(tǒng)簡單而高效；f)啟動時間相對燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組長；g)進氣壓力比較大，一般需要次高壓或高壓燃氣；h)通常在市電正常的情況下，利用市電作為機組的啟動電源，如有市電停電仍需啟動工作的需求，應(yīng)配備應(yīng)急啟動設(shè)備。

燃氣輪機作為發(fā)電裝置的三聯(lián)供系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 燃氣輪機作為發(fā)電裝置的三聯(lián)供系統(tǒng)圖

(2)燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組特點

a)發(fā)電效率相對較高；b)環(huán)境變化(海拔高度、溫度)對發(fā)電效率的影響力??；c)所需燃氣壓力低、單位造價相對較低；e)缺點是耗材大即需要定期更換機油和火花塞，余熱利用較為復(fù)雜，余熱利用形式為缸套水和煙氣，氮氧化物排放量略高。燃氣內(nèi)燃機作為發(fā)電裝置的三聯(lián)供系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 燃氣內(nèi)燃機作為發(fā)電裝置的三聯(lián)供系統(tǒng)圖

(3)發(fā)電設(shè)備比較

比較結(jié)果如表1所示。

雖然從造價上看,目前相同功率的燃氣內(nèi)燃機的單位價格大約是燃氣輪機機組的一半，且兩者的使用壽命、大修間隔時間基本相同，但考慮燃氣內(nèi)燃機單位容量的運行維護費用略高于燃氣輪機機組，故不能簡單通過一次投資來確定發(fā)電設(shè)備的型式。

綜上所述，主機的選型需要綜合考慮發(fā)電和余熱利用、運行維護等多種因素。考慮燃氣內(nèi)燃機缸套水的余熱品位較低，且占總余熱量的50%甚至更高，如無法通過余熱回收的方式利用的項目，即使其相比燃氣輪機有較高的發(fā)電效率，內(nèi)燃機也不是首選的發(fā)電設(shè)備。另外，參考美國1999年分布式能源系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(其中括號內(nèi)為聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng))，即通過其本國不同規(guī)模建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)燃機與燃氣輪機裝機情況的比較，表2中10MW以上的系統(tǒng)，燃氣輪機的應(yīng)用已占主導(dǎo)地位。

2)余熱利用設(shè)備：包括熱水、蒸汽、尾氣驅(qū)動的溴化鋰吸收式制冷機；熱水驅(qū)動的固體吸附制冷機、余熱鍋爐、換熱器等。

表1 發(fā)電設(shè)備比較

表2 美國1999年分布式能源系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)

(說明：括號內(nèi)為燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng))

3)機房設(shè)置：能源站宜靠近供電區(qū)域的主配電室；泄爆、防火、通風(fēng)和建筑防火間距等應(yīng)滿足《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中相關(guān)的規(guī)定。

7 三聯(lián)供工程實施常規(guī)流程

流程圖如圖4所示。

圖4 實施流程圖

1)方案階段

(1)了解建筑性質(zhì)；分析冷、熱、電負荷情況；

(2)根據(jù)項目特點及負荷需求情況進行三聯(lián)供系統(tǒng)配置；

(3)根據(jù)能源價格情況進行簡單的經(jīng)濟預(yù)算。

2)可行性研究階段

(1)通過方案比較確定三聯(lián)供主要設(shè)備及系統(tǒng)配置形式和運行方案；

(2)投資估算及財務(wù)分析(收益率、投資回收期)；

(3)上報發(fā)改委。

3)施工圖設(shè)計及施工階段

(1)施工圖設(shè)計并取得規(guī)劃、環(huán)保消防等部門批復(fù)；

(2)取得供電部門并網(wǎng)許可、獲得供電部門的方案審批；

(3)依據(jù)施工圖設(shè)計進行施工，并完成施工驗收。

4)調(diào)試運行階段

(1)協(xié)調(diào)各主要設(shè)備廠家分別對設(shè)備及系統(tǒng)進行調(diào)試、運行；

(2)主要設(shè)備制造商進行運行人員培訓(xùn)；

(3)主要設(shè)備的維護保養(yǎng)由設(shè)備供貨商完成。

8 結(jié)束語

三聯(lián)供系統(tǒng)作為一種新能源形式，在我國具有廣闊的市場，但作為一個項目其是否有可行性需做充分的研究，應(yīng)了解項目地區(qū)氣源狀況、建筑性質(zhì)、冷熱電情況和國家政府補貼政策，通過方案比選、財務(wù)分析后方可設(shè)計、實施，這樣才能將其系統(tǒng)的社會化、經(jīng)濟化發(fā)揮到最大。

曹 磊

1999年畢業(yè)于北京建筑大學(xué)，現(xiàn)任中國建筑設(shè)計研究院機電專業(yè)設(shè)計院機電六室主任工程師，高級工程師。

作為電氣專業(yè)負責(zé)人承擔(dān)了數(shù)十個大型項目的電氣設(shè)計工作，參與了“十一五”課題的研究工作，在技術(shù)性期刊上發(fā)表過多篇文章。

Research on Combined Cooling Heating and Power System

Cao Lei

Combined cooling heating and power (CCHP) system is a kind of distributed energy system，which has comprehensive benefits such as high efficiency and low emission. With the technical development, CCHP system has

more and more attentions by the owners. The meaning，characteristics，system type and so on of CCHP system are introduced in this paper. Through studying on new energy，it provides research direction for the design and application of the system.

CCHP system，natural gas，gas turbine，internal combustionengine