王 維，楊志丹，康 楠

(1．哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001;

2．中國船舶重工集團公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150001;

3．吉林醫(yī)藥設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130000)

0 引言

天然氣分布式能源系統(tǒng)是指以天然氣為原動機燃料，通過冷、熱、電三聯(lián)供等方式，實現(xiàn)能源的梯級利用的能源輸出系統(tǒng)。除了區(qū)域供電外，還能為用戶提供制冷、采暖、生活用熱水等能源需求［1］。在大大的減少了遠程電網(wǎng)輸配電的能量消耗的同時，實現(xiàn)了能源的梯級利用，使燃料的利用率達80%左右。

目前許多發(fā)達國家都十分重視天然氣分布式能源的應(yīng)用和研究，目標是為了將能源利用和環(huán)保水平提高到更高層次。早在1978 年，美國就已經(jīng)開始提倡發(fā)展天然氣分布式能源系統(tǒng)。1999 年美國提出了“CCHP 創(chuàng)意”和“CCHP2020 年綱領(lǐng)”，該計劃擬在20 年內(nèi)大力推廣以天然氣為代表的分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)［2］。日本在能源的利用率上更是世界其他國家的榜樣，早在1978 年就成立了“節(jié)能中心”，并于1979 年和1994 年先后制定了《節(jié)約能源法》和《新能源計劃》等，1978 ～2008 年間，日本能源效率提高了30%，其中天然氣分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在其中扮演了重要的角色［3］。英國在20 世紀末期，在全國范圍內(nèi)安裝了近千個天然氣分布式能源系統(tǒng)，涉及到飯店、醫(yī)院、學校、機場、商業(yè)中心等各類公共場所［4］。目前世界上，丹麥是天然氣分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用最大的國家，天然氣分布式能源的比率在整個國家能源系統(tǒng)中達到50%左右［5］。

近些年來我國逐漸認識到了熱能的綜合梯級利用的理念。先后于2007 年、2008 年、2010 年批準并實施了《燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術(shù)規(guī)程》、《分布式供能工程技術(shù)規(guī)程》、《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)規(guī)程［6］。在國家大力支持下，國內(nèi)投產(chǎn)的天然氣分布式能源項目逐年增加，典型的天然氣分布式系統(tǒng)如表1 所示。目前應(yīng)用的項目主要集中在上海、北京、廣州等地區(qū)，其中比較有代表性的有北京燃氣集團生產(chǎn)指揮調(diào)度中心大樓燃氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)采用燃氣內(nèi)燃機為原動機，上海浦東國際機場通過燃氣輪機實現(xiàn)冷、熱、電三聯(lián)供。這些天然氣分布式能源系統(tǒng)主要以小型燃氣輪機、微型燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機為原動機。

表1 國內(nèi)典型天然氣分布式能源系統(tǒng)

本文以實際機型的運行參數(shù)為依據(jù)，對這三類天然氣分布式能源系統(tǒng)的冷－熱－電輸出特性，系統(tǒng)能源使用效率，系統(tǒng)經(jīng)濟性等進行分析比較，并總結(jié)各自所適用的情況等。

1 典型的天然氣分布式能源系統(tǒng)介紹

1．1 小型燃氣輪機

小型燃氣輪機的余熱僅有廢煙氣一種形式，其煙氣溫度較高，90%以上的機組煙氣排放溫度都在450℃以上［7］。如果煙氣流量足夠可進入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，進而推動汽輪機作功發(fā)電。但小型燃氣輪機的功率較小，余熱量較少不適合產(chǎn)生蒸汽發(fā)電。小型燃氣輪機天然氣分布式能源系統(tǒng)如圖1 所示，通過換熱器和溴化鋰吸收式制冷機置換小型燃氣輪機排氣的熱量，進而向用戶供熱、供冷。本文所對比的小型燃氣輪機、微型燃氣輪機和燃氣內(nèi)燃機的參數(shù)詳見表2。

圖1 小型燃氣輪機分布式系統(tǒng)圖

1．2 燃氣內(nèi)燃機

燃氣內(nèi)燃機的余熱有廢煙氣和缸套冷卻水兩種形式，煙氣溫度主要集中在400 ～500℃范圍之內(nèi)，煙氣的熱量和熱水的熱量各占燃氣內(nèi)燃機廢熱總量的一半［8］，但余熱水余熱品位較低。燃氣內(nèi)燃機的分布式系統(tǒng)如圖2 所示，通常采用換熱器、溴化鋰吸收式制冷機向用戶提供低參數(shù)的熱水、采暖及制冷需求。

圖2 燃氣內(nèi)燃機分布式系統(tǒng)圖

1．3 微型燃氣輪機

微型燃氣輪機的余熱同小型燃氣輪機一樣也僅有廢煙氣一種形式，煙氣溫度主要集中在300℃左右。相比于小型燃氣輪機其結(jié)構(gòu)更為簡單，可采用低壓或中壓燃氣，系統(tǒng)與圖1 小型燃氣輪機分布式系統(tǒng)類似，但無需增設(shè)燃氣增壓設(shè)備。

表2 各型號參數(shù)表

2 系統(tǒng)性能指標

天然氣分布式系統(tǒng)除由原動機供電外，余熱還通過系統(tǒng)向外供熱和供冷。原動機的發(fā)電功率因原動機本身的特性而定，而系統(tǒng)的供熱效率、供冷效率以及由三者加和的系統(tǒng)效率是評價系統(tǒng)對燃料使用率的重要指標。而分布式系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的火力發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性在本文中由系統(tǒng)節(jié)能率體現(xiàn)。

2．1 系統(tǒng)制熱效率

系統(tǒng)制熱效率是由系統(tǒng)向外供應(yīng)的熱量與分布式系統(tǒng)消耗天然氣熱值的比，如式(3)所示。系統(tǒng)制熱輸出熱量的表達式如式(1)

式中 Qheating，out——系統(tǒng)制熱輸出熱量/kW;

Mheating，in——進入換熱器的煙氣(或熱水)的質(zhì)量流量/kg·h－1;

hheating，in——進 入 換 熱 器 的 介 質(zhì) 的 比焓/kJ·kg－1;

Mheating，out——換 熱 器 出 口 介 質(zhì) 的 質(zhì) 量 流量/kg·h－1;

hheating，out——出口比焓/kJ·kg－1;

ηe——換熱器的換熱效率，由換熱器廠家提供，無量綱;

ηheat——系統(tǒng)熱效率;

φco——分布式系統(tǒng)消耗天然氣熱值/kW;

Qnet，ar——燃料的低位發(fā)熱量/MJ·m－3;

Vgas——燃料的體積流量/m3·h－1。

2．2 系統(tǒng)制冷效率

系統(tǒng)制熱效率是由系統(tǒng)向外供應(yīng)的冷量與分布式系統(tǒng)消耗天然氣熱值的比，如式(6)所示。系統(tǒng)制冷輸出冷量的表達式如式(4)

式中

Qcooling，out——系統(tǒng)制冷輸出冷量/kW;

Mcooling，in——進入溴化鋰吸收式制冷機的煙氣(或熱水)的質(zhì)量流量/kg·h－1;

hcooling，in——進 入 制 冷 機 的 介 質(zhì) 的 比焓/kJ·kg－1;

Mcooling，out——制 冷 機 出 口 介 質(zhì) 的 質(zhì) 量 流量/kg·h－1;

hcooling，out——出口比焓/kJ·kg－1。

COP——制冷機組的能效比，是制冷機制冷量與輸入功率的比值［4］，一般由制冷機組廠家提供，無量綱。

ηcool——系統(tǒng)冷效率。

2．3 系統(tǒng)效率

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的總效率，是系統(tǒng)的電效率、熱效率、冷效率之和，如式(7)

式中 ηele——系統(tǒng)電效率;

ηsum——系統(tǒng)總效率。

2．4 系統(tǒng)節(jié)能率

本文所引入的系統(tǒng)節(jié)能率是指在單位時間內(nèi)在產(chǎn)生相同的冷、熱、電功率前提下，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比于常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)所節(jié)省的能源，常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)所消耗能源的比值，如式(8)

式中

ηsv——系統(tǒng)節(jié)能率;

φse——分產(chǎn)系統(tǒng)的能源消耗量;

φco——聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能源消耗量。

φse=

式中 ηr——電廠發(fā)電效率;

ηL——電網(wǎng)送電配電效率;

ηh——供暖鍋爐的供熱效率。

以上各效率值參考《中電聯(lián)發(fā)布全國電力工業(yè)統(tǒng)計快報》統(tǒng)計的數(shù)據(jù)。

3 熱(冷)－電比對系統(tǒng)運行的影響

因三類原動機的特性不同，所產(chǎn)生的余熱形式、余熱品味、余熱量都不相同。所以這三類分布式系統(tǒng)向外輸出熱量、冷量的能力也有所區(qū)別，這直接反映在三類分布式系統(tǒng)的熱(冷)－電比不同的可變范圍。此外在熱(冷)－電比的可變范圍內(nèi)，系統(tǒng)效率和系統(tǒng)節(jié)能率之間的關(guān)系也是本節(jié)所研究的重點。

3．1 系統(tǒng)熱(冷)－電比

系統(tǒng)熱(冷)－電比β 如式(10)所示，式中Pe為原動機額定輸出功率。系統(tǒng)熱(冷)－電比的兩種極端情況是原動機供電外的全部熱量都用于制冷或制熱，其余各工況下的系統(tǒng)熱(冷)－電比值都在這兩個數(shù)值區(qū)間內(nèi)變化，經(jīng)計算結(jié)果如表3 所示。

表3 三種機型的極端熱(冷)－電比值

從表3 中發(fā)現(xiàn)，當原動機余熱全部用于制熱時得到的系統(tǒng)熱(冷)－電比最大，當余熱全部用于制冷則得到最小值。三種天然氣分布式系統(tǒng)中，小型燃氣輪機分布式系統(tǒng)可輸出的熱量和冷量多數(shù)情況下高于系統(tǒng)輸出的電量，而微型燃氣輪機和燃氣內(nèi)燃機分布式系統(tǒng)可輸出的熱量和冷量明顯低于系統(tǒng)輸出的電量。在三種分布式系統(tǒng)的熱(冷)－電比變化范圍內(nèi)取多點進行計算，得到在不同熱(冷)－電比下系統(tǒng)的制熱效率、制冷效率和系統(tǒng)效率的對比曲線，如圖3、圖4、圖5 所示。

從圖3、圖4、圖5 中可發(fā)現(xiàn)三種分布式系統(tǒng)的各效率值，只在其各自的熱(冷)－電比變化區(qū)間內(nèi)做變化，其中制熱效率和系統(tǒng)效率隨系統(tǒng)熱(冷)－電比增大呈線性遞增變化，而制冷效率隨系統(tǒng)熱(冷)－電比增大呈線性遞減變化。這說明分布式系統(tǒng)輸出的熱量越多，系統(tǒng)熱(冷)－電比越大，系統(tǒng)效率越大。一般分布式系統(tǒng)考慮原動機安全使用壽命和運行的穩(wěn)定性，原動機的發(fā)電功率和效率都不隨系統(tǒng)熱(冷)－電比的調(diào)節(jié)作改動。

圖3 小型燃氣輪機分布式系統(tǒng)效率隨熱(冷)－電比的變化

圖4 微型燃氣輪機分布式系統(tǒng)效率隨熱(冷)－電比的變化

圖5 燃氣內(nèi)燃機分布式系統(tǒng)效率隨熱(冷)－電比的變化

3．2 系統(tǒng)效率

從圖3、圖4、圖5 中提取三種分布式系統(tǒng)效率變化曲線進行對比，如圖6 所示。從圖中可直觀發(fā)現(xiàn)，在各自的熱(冷)－電比變化范圍內(nèi)，燃氣內(nèi)燃機分布式系統(tǒng)的系統(tǒng)效率總體最高，最高可達83.5%;微型燃氣輪機分布式系統(tǒng)的系統(tǒng)效率總體最低，最高只有59．8%;小型燃氣輪機分布式系統(tǒng)效率略低于燃氣內(nèi)燃機，最大值可達72．9%。這說明，燃氣內(nèi)燃機和小型燃氣輪機的燃料利用率都相對較高，而且隨著分布式系統(tǒng)熱量輸出越多，熱(冷)－ 電比越大系統(tǒng)效率越高，燃料利用率就越高。

3．3 系統(tǒng)節(jié)能率

通過式(8)、式(9)計算三種分布式系統(tǒng)的系統(tǒng)節(jié)能率，得到系統(tǒng)節(jié)能率與熱(冷)－電比之間的關(guān)系，如圖7 所示。從圖中發(fā)現(xiàn)，燃氣內(nèi)燃機分布式系統(tǒng)的系統(tǒng)節(jié)能率整體仍是最高的，最大值可達55.7%;小型燃氣輪機略低，最大值可達49．2%;而微型燃氣輪機系統(tǒng)節(jié)能率整體最低，且最大值只有37.2%。此外，三種分布式系統(tǒng)都呈現(xiàn)出系統(tǒng)節(jié)能率隨熱(冷)－電比的增大而減小的趨勢，這說明當分布式系統(tǒng)輸出冷量越多時系統(tǒng)經(jīng)濟性越好。

圖6 分布式系統(tǒng)效率對比圖

圖7 分布式系統(tǒng)節(jié)能率對比圖

通過圖6、圖7 中三種分布式系統(tǒng)效率和系統(tǒng)節(jié)能率的對比可發(fā)現(xiàn)，在各自的熱－電比變化范圍內(nèi)二者呈負相關(guān)關(guān)系，就表示系統(tǒng)對燃料的使用效率和系統(tǒng)的經(jīng)濟性呈負相關(guān)關(guān)系，這是由于傳統(tǒng)制冷所產(chǎn)生的費用遠遠高于供熱所產(chǎn)生的費用。所以在用于即有供冷需求又有供熱需求時，為使分布式系統(tǒng)經(jīng)濟性達到最佳可優(yōu)先滿足供冷需求，不足的供熱需求可由電力或外網(wǎng)熱量補充。當供冷、供熱需求有所變動時，天然氣分布式系統(tǒng)也可隨時進行改變。

4 結(jié)論

本文通過對以小型燃氣輪機、微型燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機為原動機的三種天然氣分布式能源系統(tǒng)分析和比較，得到以下結(jié)論:

(1)小型燃氣輪機、微型燃氣輪機和燃氣內(nèi)燃機三種分布式能源系統(tǒng)的熱(冷)－ 電比分別在0.88 ～2．0，0．35 ～0．81 和0．46 ～1．04 范圍內(nèi)變化。所以如果用戶需求系統(tǒng)輸出熱量和冷量高于電量時，建議選擇小型燃氣輪機分布式系統(tǒng);如用戶需求系統(tǒng)輸出的熱量和冷量低于電量需求時可考慮微型燃氣輪機分布式系統(tǒng)和燃氣內(nèi)燃機分布式系統(tǒng)。

(2)三類分布式系統(tǒng)在各自的熱(冷)－電比變化范圍內(nèi)，系統(tǒng)制熱效率和系統(tǒng)效率與熱(冷)－電比正相關(guān)，系統(tǒng)制冷效率和系統(tǒng)節(jié)能率與熱(冷)－電比負相關(guān)。在用戶即有供冷需求又有供熱需求時，為使分布式系統(tǒng)經(jīng)濟性達到最佳，可優(yōu)先滿足供冷需求，不足的供熱需求可由電力或供熱外網(wǎng)補充。

(3)小型燃氣輪機、微型燃氣輪機和燃氣內(nèi)燃機三種分布式系統(tǒng)的系統(tǒng)效率分別在45． 7% ～72.9%、44．5% ～59．8%、59．9% ～83．5%范圍內(nèi)變化;系統(tǒng)節(jié)能率分別在20．2% ～49．2%、17．5% ～37．2%、38．4% ～55．7%范圍內(nèi)變化?？梢娦⌒腿細廨啓C和燃氣內(nèi)燃機分布式系統(tǒng)在燃料的利用率和系統(tǒng)經(jīng)濟性上整體優(yōu)于微型燃氣輪機分布式系統(tǒng)。

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