李亞聰

上海海事大學(xué)

燃氣內(nèi)燃機冷熱電三聯(lián)供性能分析

李亞聰

上海海事大學(xué)

針對分布式能源系統(tǒng)，計算分析燃氣內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱力性能以及經(jīng)濟性能,討論冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)對比單獨發(fā)電或制熱制冷的優(yōu)劣。以總能利用率為基礎(chǔ),結(jié)合?效率，對燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)進行性能分析，并與常規(guī)的單產(chǎn)系統(tǒng)進行對比；并分析了三聯(lián)供系統(tǒng)的初期投資及運營費用對成本回收的影響。

分布式能源系統(tǒng)；冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)；燃氣內(nèi)燃機；能效

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）是分布式能源系統(tǒng)中最具實用性和發(fā)展活力的系統(tǒng)，是在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，直面用戶，按用戶需求提供電力、冷量、熱量以及生活熱水等。目的是解決多重用能需求以及實現(xiàn)多重目標，提高能源利用效率，減少碳化物和有害氣體的排放并且滿足建筑或工業(yè)能源需求。

典型的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)由5個基本部分組成，分別是原動機、發(fā)電機、余熱回收設(shè)備、余熱利用設(shè)備及控制系統(tǒng)。根據(jù)功能不同可分為3個子系統(tǒng)：動力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、供冷系統(tǒng)。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，動力系統(tǒng)的原動機主要有汽輪機、燃氣輪機、微型燃氣輪機、往復(fù)式內(nèi)燃機(以下簡稱為內(nèi)燃機)、斯特林機和燃料電池等。

余熱利用設(shè)備是冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的另一個重要部件，用于提供冷、熱量。余熱利用設(shè)備包括吸收式制冷機、吸附式制冷機和干燥機除濕機。冷熱電聯(lián)產(chǎn)中制冷機以吸收式為宜。[1]

1 冷熱電三聯(lián)供的特點

（1）冷熱電三聯(lián)供CCHP可以大大提高能源利用效率：大型發(fā)電廠的發(fā)電效率一般為30%～40%；而CCHP 的能源利用率可達到80%～90%，且沒有輸電損耗；

（2）降低碳和污染物排放方面具有很大的潛力：據(jù)專家估算，如果將現(xiàn)有建筑實施CCHP的比例從4%提高到8%，到2020年CO2的排放量將減少30%，有利于環(huán)境保護；

（3）緩解電力短缺，平衡電力峰谷差：三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用自發(fā)電，可以避開電網(wǎng)用電高峰，并且大大提高了建筑供電可靠性和安全性；

（4）擴大了燃氣使用量，平衡燃氣峰谷差；

（5）投資回報率高， 具有良好的經(jīng)濟性。[2]

2 熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)常見的幾種配置模式

2.1 蒸汽輪機+蒸汽型溴化鋰吸收式冷熱水機組

利用發(fā)電后的乏汽驅(qū)動蒸汽型溴化鋰吸收式冷熱水機組，進入汽水換熱器換熱，可以對外供熱水或者直接對外供熱蒸汽；

2.2 燃氣輪機+煙氣（補燃型）溴化鋰吸收式冷熱水機組

燃料進入燃氣輪機燃燒產(chǎn)生高溫、高壓煙氣，推動燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電，排煙進入煙氣補燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組，驅(qū)動機組制冷（制熱），對外提供空調(diào)冷（熱）水。當(dāng)排煙量較小時可以啟動補燃系統(tǒng)，由補燃提供機組熱量；

2.3 燃氣輪機+（補燃型）余熱鍋

爐+蒸汽輪機+蒸汽型溴化鋰吸收式冷熱水機組

燃料進入燃氣輪機燃燒產(chǎn)生高溫、高壓煙氣推動燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電，排煙進入（補燃型）余熱鍋爐，產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽，推動蒸汽輪機發(fā)電機組發(fā)電，發(fā)電后的乏汽用于驅(qū)動蒸汽型溴化鋰吸收式冷熱水機組，進入汽水換熱器換熱對外供熱水或者直接對外供蒸汽；

2.4 內(nèi)燃機+煙氣熱水( 補燃型) 溴化鋰冷熱水機組

燃料進入內(nèi)燃機燃燒室燃燒，內(nèi)燃機輸出機械功，帶動發(fā)電機組發(fā)電；內(nèi)燃機排放的高溫?zé)煔饧案滋谉崴苯舆M入煙氣熱水（補燃型）溴化鋰冷熱水機組，驅(qū)動機組制冷（制熱），對外提供空調(diào)冷（熱）水。[3]

3 燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)

與燃氣輪機相比，內(nèi)燃機的發(fā)電效率高，因而內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的電量輸出比例高，冷電比(或熱電比)通常為1.0～1.5。此外，相對于燃氣輪機，內(nèi)燃機的價格比較便宜，因此內(nèi)燃機被廣泛用于三聯(lián)供系統(tǒng)的原動機。

內(nèi)燃機可回收的熱量主要包括排煙余熱、缸套水余熱以及潤滑油余熱等三部分。

缸套水出口溫度一般略低于100℃，這部分能量品位低，但數(shù)量較大，隨缸套水排出的余熱量占燃料燃燒產(chǎn)熱的30%～40%，而且即可以用于直接供熱，也可以驅(qū)動吸收式除濕設(shè)備或者單效吸收式制冷機組。內(nèi)燃機排煙溫度一般為350～450℃，這部分煙氣余熱既能滿足供暖需求或提供生活熱水，也可以通過驅(qū)動制冷機組將熱量轉(zhuǎn)化為冷量，以滿足供冷需求。

內(nèi)燃機可回收的熱量組成使其在冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的余熱利用及系統(tǒng)集成方面，有著自己的特點。圖1為典型以燃氣內(nèi)燃機為原動機的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程圖，燃料在內(nèi)燃機的氣缸中燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的氣體，氣體在氣缸內(nèi)膨脹做功被轉(zhuǎn)換為發(fā)電所需的動能，排氣余熱驅(qū)動制冷機組或者通過熱交換器進行供熱。內(nèi)燃機的缸套水余熱量大而溫度較低，通常用于供生活熱水。

圖1 內(nèi)燃機CCHP系統(tǒng)

4 燃氣內(nèi)燃機三聯(lián)供系統(tǒng)評價指標

目前，對于冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的分析研究，多借鑒熱電并供系統(tǒng)的評價準則。

在冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中使用較多的評價準則可以分為兩類：一類是根據(jù)熱力學(xué)第一定律，如總能利用率、相對節(jié)能率。另一類是根據(jù)熱力學(xué)第二定律，如?效率，經(jīng)濟?效率。

4.1 總能利用率

式（1）中，W為系統(tǒng)對外所做的功，C為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的冷輸出，Q為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱輸出，f為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)輸入的總?cè)剂?，Hμ為燃料低位發(fā)熱值。

總能利用率是基于熱力學(xué)第一定律，只考慮能量的數(shù)量，反映的是輸出（收益）與輸入（付出）的比值。系統(tǒng)輸出的各股能量均采用絕對值表示，不考慮不同冷、熱能的差異：目前冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)使用的輸入能量主要是化石燃料，因而分母中的投入用聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)消耗燃料總的低位發(fā)熱值表示。

4.2 系統(tǒng)?效率

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，電能與各種冷能、熱能之間存在巨大的品位差異，甚至不同溫度的冷能、熱能之間的品位也并不相同。因此考慮不同能量的品位差異，可以得到：

式（2）中電能的品位W為1；而在考察冷能、熱能的系統(tǒng)?值時，需要從卡諾循環(huán)效率的角度考慮；分母則為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的輸入?。冷能的輸出?、熱能輸出?不是常數(shù)，與供能參數(shù)、環(huán)境參數(shù)密切相關(guān)。對于以化石燃料為輸入能源的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)而言，燃料的輸入?與燃料的低位發(fā)熱值僅相差一個接近于1.0的常數(shù)因子，采用燃料低位發(fā)熱值替代燃料?值不會影響該指標的應(yīng)用。

4.3 經(jīng)濟?效率

經(jīng)濟?效率的優(yōu)點在于它與國民經(jīng)濟的收益密切相聯(lián)系，通過由價格最后反映出來的功與熱的貢獻（價值）不同及生產(chǎn)難易不同，從而能夠較好地反映出熱力裝置的能源利用優(yōu)劣。另外，與熱力學(xué)上的效率還有一定的聯(lián)系，有學(xué)術(shù)上的意義。

式（3）中系數(shù)B為熱、電售價之比，而A則為冷、電售價比。經(jīng)濟?效率應(yīng)用成功與否，與電／熱／冷三者之間的售價比確定是否合理有很大關(guān)系。由于目前尚未形成成熟的冷、熱價標準，上述系數(shù)的確定應(yīng)從實際情況出發(fā)，根據(jù)實際生活中社會對三者的需求性與價值觀選擇。[4,5]

5 燃氣內(nèi)燃機冷熱電三聯(lián)供技術(shù)經(jīng)濟評價

5.1 實際應(yīng)用背景

北京市燃氣集團指揮調(diào)度中心大樓三聯(lián)供系統(tǒng)，是北京市第一個利用天然氣冷、熱、電三聯(lián)供的示范。

大樓平均用電負荷800 kW，平均需冷量1 800kW，采暖需熱量1 600 kW。該系統(tǒng)配置480kW和725 kW發(fā)電機各1臺，制冷量1163kW和2 326 kW余熱型直燃機各1臺，燃氣內(nèi)燃機發(fā)電供大樓自用，并聯(lián)型余熱直燃溴化鋰吸收式空調(diào)機回收利用內(nèi)燃機產(chǎn)生的煙氣和缸套冷卻水中的余熱，冬季采暖，夏季制冷。由于回收的余熱量不能滿足系統(tǒng)最大熱量制冷量的需求，不足部分利用余熱直燃機組補燃解決。

機組在做功發(fā)電的同時產(chǎn)生余熱。其中，煙氣（約460℃）通過三通閥（調(diào)節(jié)型）進入余熱直燃機的高溫發(fā)生器，作為余熱直燃機的高溫?zé)嵩?；缸套水在夏季進入余熱直燃機的低溫發(fā)生器，在冬季進入板式換熱器與供熱回水換熱。通過余熱直燃機在夏季產(chǎn)生7～2℃的冷水，在冬季產(chǎn)生50～60℃的溫水。

系統(tǒng)運行時優(yōu)先利用煙氣和缸套水中的熱量滿足冷、熱負荷的需求，如果余熱量不夠，將采用天然氣直燃方式進行補充。

由于以熱定電的前提在于需要電網(wǎng)同意并網(wǎng)且上網(wǎng)，又因為電網(wǎng)安全性；國內(nèi)分布式能源（DER）和CCHP系統(tǒng)并網(wǎng)標準有待制定；價格的不確定性（向公用電網(wǎng)購電價格； 能源站余電上網(wǎng)價格； 接網(wǎng)價格）；地方政府和電網(wǎng)的干預(yù)等制約因素如果不能很好解決，并網(wǎng)且上網(wǎng)難以實施。故而燃氣大樓三聯(lián)供系統(tǒng)采用以電定熱的基準。

5.2 設(shè)備信息

該系統(tǒng)采用2臺（725 kW、480 kW）美國卡特彼勒公司的燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組，分別與兩臺余熱型雙效溴化鋰直燃機對接。配置480 kW和725 kW卡特彼勒發(fā)電機各一臺，型號分別為G3508；G3512。相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機參數(shù)

配置遠大集團1 163 kW和2 326 kW余熱型直燃機各一臺作為主要制熱制冷設(shè)備，型號分別為BZHE100；BZHE200。相關(guān)參數(shù)見表2。

此類余熱型直燃機的出力系數(shù)（在多能量源的條件下，某一能量源的額定功率占額定總功率的比例）為：100%燃氣、50%煙氣、23%熱水。

5.3 系統(tǒng)的運行工況及運行時段

為了實現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供削峰填谷的特性，系統(tǒng)的運行時段選擇要考慮到電網(wǎng)的峰谷效應(yīng)以及辦公室每日逐時冷熱電負荷情況。

每日，機組運行10小時7:30～17:30，如此以來，避開全市用電高峰時段，使用聯(lián)供機組提供冷熱電負荷，在用電低谷使用市網(wǎng)供電。

同時，用戶對于冷熱負荷的需求與環(huán)境有關(guān)，即不同的季節(jié)有不同的負荷需求。而電網(wǎng)和天然氣對應(yīng)一年12個月也有峰谷效應(yīng)，根據(jù)天氣特性對應(yīng)的冷熱負荷需求，確定機組每年運行240 d，其中采暖期：11月～3月，120 d；制冷期：6月～9月，120 d。

表2 余熱型直燃機參數(shù)

5.4 系統(tǒng)?效率分析

系統(tǒng)?的是指在給定環(huán)境狀態(tài)系統(tǒng)對外做最大有用功的能力。分析?是一種有關(guān)能量系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化和性能評價的有效方法。

天然氣所包含的?是該三聯(lián)供系統(tǒng)消耗的總?，即為f·Hμ。整個過程中，系統(tǒng)提供的可以利用的?為燃氣輪機發(fā)電量（電?）、吸收式制冷機產(chǎn)生的冷量所包含的?、換熱器提供的熱量包含的?。

電?和電能相等， 單位時間系統(tǒng)輸出的電?Ee=W；W=800 kW

制冷機輸出的制冷量是指將制冷工質(zhì)從環(huán)境溫度冷卻到一定溫度時移走的熱量，與輸出的制冷量相應(yīng)的熱?Ec為

式中Tc——輸出冷量工質(zhì)溫度，To——環(huán)境溫度，Qc——制冷量。

對于制冷過程，Tc=280 K；To=307 K；Qc=1 432.4 kW。代入得Ec=138.1 kW。

換熱器輸出的生活熱水中的熱Eh為

式中To——輸出生活熱水的溫度，Qh——熱源熱能。

利用煙氣制冷，Tc=333 K；To=307 K；Qc=1 232.8 kW。代入得Eh=96.2 kW

代入式而中得eη=37.1%，而大型天然氣發(fā)電廠的?效率一般為30%。可見冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)并未對系統(tǒng)的?效率有一定的提升。

5.5 系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

（1）部分基準參數(shù)天然氣價：3.23元/m3熱值：H=10 kWh/m3

發(fā)電機：480萬元

折合4 000元/kW

配電費：100萬元

熱水煙氣直燃機804.8萬元

板式換熱器：40萬元

傳統(tǒng)市電+熱網(wǎng)+電冷機

熱網(wǎng)入網(wǎng)費用42元/建筑m2；

供熱費用18元/建筑m2

供暖期5個月

大樓建筑面積3.2萬m2

電冷機90萬元

COP=3.00

配電費80萬元

（2）費用計算

1）初期成本計算

三聯(lián)供系統(tǒng)：C=1 424.8萬元

市電+熱網(wǎng)+電冷機：C=304.4萬元

2）運行維護費用計算

三聯(lián)供系統(tǒng)：

運行費用O=217.2萬元/a

維修費用M=20萬元/a

市電+熱網(wǎng)+電冷機：

運行費用O=552萬元

維修費用M=5萬元

（3）計算結(jié)果

根據(jù)上節(jié)計算，可做出表3；

三聯(lián)供系統(tǒng)的初期投資和維修費用遠高于傳統(tǒng)的取暖，制冷系統(tǒng)；但是它的運行費用卻很低。

計算投資回收期

冷熱電與市網(wǎng)+熱網(wǎng)+電冷機的傳統(tǒng)方式比：

（1424.8-325）÷（557-237.2）

=1099÷319.8=3.4 a

可見燃氣內(nèi)燃機熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)不僅大大提高了一次能源利用率， 而且在經(jīng)濟性上相對常規(guī)系統(tǒng)具有較大的優(yōu)勢。

表3 系統(tǒng)經(jīng)濟性比較

5 結(jié)語

（1）三聯(lián)供是對能源的梯級利用，能源利用率高、節(jié)電、環(huán)保， 合理的設(shè)計和運行可以取得良好的經(jīng)濟效益；

（2）熱電冷三聯(lián)供的設(shè)計應(yīng)根據(jù)運行方式、規(guī)模大小來確定合理的形式；

（3）內(nèi)燃機熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)相對傳統(tǒng)系統(tǒng)，增量投資回收期不到4 a，可為國家節(jié)約大量電力投資建設(shè)費用， 在經(jīng)濟上是合理的。

[1] 劉道平，馬博，李瑞陽，等.分布式供能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]。能源研究與信息，2002，18(l)：l一9。

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Performance Analysis of Gas-Fired Internal Combustion Engine Combined Cooling Heating and Power Generation

Li Yacong
Shanghai Maritime University

Focused on distributed energy system, the article calculates thermal performance and economic performance of gas-fired internal combustion engine cooling heating and power generation system. It discusses advantages and disadvantages between cchp and single power generation or cooling or heating. Based on total energy utilization ratio with exergy efficiency, it analyzes performance of gas-fired internal combustion engine cooling heating and power generation system comparing with single generation system, which results in cost recovery impact of initial investment and operating expenses of cchp system.

Distributed Energy System, Combined Cooling Heating and Power Generation System, Gas-Fired Internal Combustion Engine, Energy Efficiency

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.12.004