齊 鵬
(中國國電集團公司,北京100034)
冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(CCHP)是以天然氣為燃料,同時具備發(fā)電、供熱和制冷(或除濕)功能的能源轉換和供應系統(tǒng)[1],其采用的動力裝置包括內(nèi)燃機、燃氣輪機、斯特林機和燃料電池等?;鹆Πl(fā)電效率一般為30%~40%,內(nèi)燃機、燃氣輪機的發(fā)電效率分別為35%~41%、20%~50%。CCHP系統(tǒng)能源利用率高,為70%以上,大型機組可達80%~90%,最高可達95%;同時CCHP項目還具有節(jié)能減排、供電可靠、調(diào)度靈活、能緩解電網(wǎng)壓力等優(yōu)點。
美國、歐洲和日本等國家或地區(qū)CCHP起步較早且發(fā)展迅速[1-5]。1978年,美國頒布公用事業(yè)管制政策法,鼓勵發(fā)展可再生能源和CCHP技術。到1995年,美國的CCHP總發(fā)電容量已達45GW。1999年,美國提出“CCHP創(chuàng)意”和“CCHP2020年綱領”:到2010年之前,20%的新建商用建筑、學校采用CCHP,5%的已建商業(yè)、學校采用CCHP,25%的美國能源部熱電聯(lián)產(chǎn)用戶使用CCHP;預計到2020年,50%新建商用、寫字樓類建筑,15%已建商用建筑、學校采用CCHP系統(tǒng)。截至2004年,美國CCHP發(fā)電容量達80GW,已經(jīng)建有1 540個商業(yè)CCHP項目、1 189個工業(yè)CCHP項目。
一些歐洲國家,諸如丹麥、芬蘭、德國和荷蘭等,十分認可CCHP項目的節(jié)能性和環(huán)保性,對其發(fā)展一直持比較積極的態(tài)度。丹麥的熱電聯(lián)供項目占電力系統(tǒng)總裝機容量的60%以上,荷蘭的熱電聯(lián)供項目占總裝機容量的40%,英國人口不到6 000萬,CCHP系統(tǒng)卻有1 000多座。
日本從1981年開始支持天然氣CCHP的發(fā)展,并圍繞節(jié)能性和經(jīng)濟性制定了一系列保護政策和法規(guī)。到2003年底,日本共有CCHP項目數(shù)量2 915個,平均容量為490kW。為鼓勵CCHP發(fā)展,日本規(guī)定CCHP的上網(wǎng)電價高于火力發(fā)電。在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(NEDO)的資助下,日本在多地建立示范項目,截至2010年底,共安裝3 000多個示范性燃料電池組。
20世紀80年代,我國開始關注發(fā)展CCHP,并提出了一系列稅收減免、投資抵免和直接補貼政策,促進節(jié)能減排項目建設尤其是促進CCHP的發(fā)展。1998年《中華人民共和國節(jié)約能源法》提出,推廣熱電聯(lián)產(chǎn),發(fā)展熱能梯級利用技術,發(fā)展CCHP技術,提高熱能綜合利用率。2010年4月,國家能源局下發(fā)的《關于對<發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見>征求意見的函》指出,到2011年我國擬建設1 000個天然氣分布式能源項目,到2020年,天然氣分布式能源系統(tǒng)總裝機容量將達到5 000萬kW。
目前,CCHP研究主要包括對主要聯(lián)供設備的研究及系統(tǒng)配置、對系統(tǒng)的評價和運行優(yōu)化等[5-6]。
CCHP分為發(fā)電、供熱和制冷3個子系統(tǒng),系統(tǒng)各部件的選擇和組合方式主要取決于應用場合的冷熱電負荷需求。合適的原動機和余熱利用設備是實現(xiàn)聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟性的關鍵。文獻[2]分析了CCHP在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀,對比了不同類型原動機的特性、應用場合和成本,對比分析了溴化鋰和氨水單效、雙效等制冷設備的熱源需求、制冷特點和性能系數(shù)等。文獻[7]介紹了燃氣輪機和內(nèi)燃機CCHP在美國的應用現(xiàn)狀,根據(jù)變工況下的熱電效率和火用效率比較了兆瓦級燃氣輪機和內(nèi)燃機CCHP的技術性能及適用范圍。文獻[8]從節(jié)能性與經(jīng)濟性兩方面評價各CCHP配置方案的模擬結果,分析了熱電比對所選CCHP設計原則及調(diào)峰設備的影響。
分析CCHP的優(yōu)劣,需要有具體的評價指標和評估方法。文獻[9]以污染排放量和減排率作為環(huán)境性評價指標,以傳統(tǒng)能源系統(tǒng)作為比較的對象,研究了CCHP的環(huán)保性能。文獻[10]采用層次分析法,由發(fā)電、制冷與供熱的能量利用率分別乘以不同的權重系數(shù)后累加,得到了CCHP新的能量梯級利用率評價準則。文獻[11]提出了從能源利用效率、環(huán)保、經(jīng)濟性3個方面對CCHP方案進行綜合評價的方法。
文獻[12]根據(jù)負荷預測得到的數(shù)據(jù),以最小運營費用和最小污染物排放量為優(yōu)化目標,利用Pareto優(yōu)化方法對能源生產(chǎn)機組進行優(yōu)化,按照系統(tǒng)運行的最優(yōu)解集對機組設備進行調(diào)整,以滿足用戶的消費需求。文獻[13]研究了包含微型燃氣輪機、吸收式制冷、蓄熱CCHP的能量管理。文獻[14]針對CCHP的特點,提出了經(jīng)濟最優(yōu)、能量利用率最高、以電定冷與以冷定電等多種能量管理運行模式,并根據(jù)不同的運行模式采取不同的控制方法,使聯(lián)供系統(tǒng)高效運行。
近年來,CCHP逐漸向小型化、微型化、民用化發(fā)展[15]。交通不便、電力資源匱乏的一些偏遠地區(qū),小型家庭用戶和商業(yè)建筑都是CCHP的潛在市場。另外,隨著世界各國對環(huán)保問題越來越重視,對以太陽能、生物質(zhì)能和氫能等可再生能源為基礎的CCHP的研究也越來越多[6]。
CCHP具有提高能源綜合利用率、實現(xiàn)能源梯級利用的優(yōu)點,在歐美日等發(fā)達國家或地區(qū)已得到廣泛應用,是緩解當今世界能源危機和環(huán)保問題的一種有效途徑,也是當前能源類技術領域中研究的一個熱點。隨著市場需求的多元化以及各種新技術的應用,許多新型CCHP呼之欲出,但還有很多關鍵問題需要解決,這將是今后CCHP研究的方向。
[1]付林,李輝.天然氣熱電冷聯(lián)供技術及應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008
[2]Wu D W,Wang R Z.Combined cooling,heating and power:A review[J].Progress in Energy and Combustion Science,2006(32):459~495
[3]葛斌.熱電冷聯(lián)產(chǎn)原理與技術[M].北京:中國電力出版社,2011
[4]嚴俊杰,黃錦濤,何茂剛.冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006
[5]孔祥強.冷熱電聯(lián)供[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011
[6]李勝,吳靜怡,王如竹,等.冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研究熱點概述[J].制冷與空調(diào),2008,8(6):1~9
[7]左政,華賁.燃氣內(nèi)燃機與燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的比較[J].煤氣與熱力,2005,25(1):39~42
[8]陳江娜.建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)容量配置方案研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,2013
[9]楊木和.冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的環(huán)境性評價初探[A].中國建筑學會建筑熱能動力分會第十七屆學術交流大會論文集[C],2011
[10]和彬彬,段立強,楊勇平.冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)新評價準則研究[J].熱能動力工程,2009,24(5):592~596
[11]王玉娟.天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)方案評價分析[D].河北工程大學,2014
[12]孟凡喜.冷熱電聯(lián)供優(yōu)化方法研究與系統(tǒng)實現(xiàn)[D].電子科技大學,2014
[13]Azit A H,Nor K M.Optimal Sizing for a Gas-Fired Grid-Connected Cogeneration System Planning[J].IEEE Trans.Energy Conver,2009,24(4):950~958
[14]許東.微型燃氣輪機冷電聯(lián)供系統(tǒng)能量優(yōu)化與管理[D].天津大學,2010
[15]魯玨,解大.微型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代建筑電氣,2013,4(4):5~8