陳凱亮，鄭啟朋，黃徐康，黃思雨

（中南林業(yè)科技大學 機電工程學院，湖南 長沙 410004）

基于中小型工廠能耗需求的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)

陳凱亮，鄭啟朋，黃徐康，黃思雨

（中南林業(yè)科技大學 機電工程學院，湖南 長沙 410004）

基于現(xiàn)有的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，以節(jié)能減排為理念，綜合分析中小型工廠的動態(tài)能耗需求與其所在地的工業(yè)能源供應情況之后，設計了一套動態(tài)可調(diào)的冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)。系統(tǒng)運行前，根據(jù)不同的工況給系統(tǒng)預設不同的控制量；系統(tǒng)運行時，控制系統(tǒng)通過PLC接收和處理各傳感器的反饋信息，控制各預設輸入穩(wěn)定。在此基礎上，根據(jù)工廠能耗需求的動態(tài)變化，實時控制燃料的供給量，使得系統(tǒng)設備的能耗最低。

冷熱電三聯(lián)供；多級利用；動態(tài)可調(diào)；節(jié)能減排

改革開放以來，我國工業(yè)得到迅速發(fā)展，化石能源消耗量急速攀升。2015年，我國能源消耗占全球總量23%，是世界上最大的能源消耗國。其中，煤炭消耗量為39.65億噸，占世界煤炭消耗量的一半，在我國能源消耗結(jié)構(gòu)的比重達到64%，遠高于世界煤炭平均水平30%。另外，近年來我國霧霾頻發(fā)，根據(jù)環(huán)保部解析霧霾的根本原因是燃煤排放。因此，如何實現(xiàn)節(jié)能和減排已成為了我國經(jīng)濟發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)。

1 冷熱電三聯(lián)供背景介紹

當前絕大部分工廠的能耗主要是電、熱和冷三種形式，其中熱和電基本都是獨立供應，冷一般也是用電制取。為了降低能耗成本，熱能（供暖、蒸汽和熱水）基本采用工業(yè)燃煤鍋爐制取，但是鍋爐在實際使用中排塵大，容易引起霧霾，且煤的含硫量高，對大氣污染嚴重。冷、熱和電采用上述利用方式，都屬于高品質(zhì)能源的一級利用，使能源總體使用效率低。為了提高能源的利用效率，發(fā)達國家大力推廣分布式能源，采用冷熱電三聯(lián)供技術，實現(xiàn)了能源的梯度、高效利用。我國也采用三聯(lián)供分布式能源可以將不同品質(zhì)的能源階梯利用，能源的使用效率得到大幅提高。

目前三聯(lián)供能源供給系統(tǒng)的設計熱效率較高，但能源需求側(cè)能耗時常變化，造成供需不匹配，其實際使用熱效率并不高。目前，三聯(lián)供系統(tǒng)在我國多用于大型能耗企業(yè)和工廠，而針對中小型工廠的三聯(lián)供系統(tǒng)在國內(nèi)研究和應用地較少。天然氣是清潔燃料，排放污染物少，可以有效地降低顆粒排放量，有助于減輕霧霾天氣。因此，近年來我國陸續(xù)出臺并大力推廣“煤改氣”的相關政策，嚴格實行排放法規(guī)，使得中小工廠不得不接受“煤改氣”。如此，大幅增加了中小型工廠的能耗成本。本課題調(diào)研和分析了某粉條廠的工作情況及能耗需求，并以該廠為例研究設計一套高效率的燃氣內(nèi)燃機冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)。通過使用設計的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)來降低該工廠的能耗使用成本，同時達到環(huán)保要求。課題符合國家節(jié)能減排、煤改氣、分布式能源、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和綠色發(fā)展等政策導向。

2 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)介紹

2.1 三聯(lián)供系統(tǒng)組成及工作原理

如圖1所示，天然氣作為燃氣內(nèi)燃機的燃料，內(nèi)燃機帶動發(fā)電機發(fā)電，產(chǎn)生的電能與外部電網(wǎng)配合供電。內(nèi)燃機的缸套水與蓄水池中輸送進來的常溫水經(jīng)換熱器進行熱交換可得到中溫熱水，中溫水可作為燃氣鍋爐的預熱水源制取蒸汽，也可供給生活熱水。中溫水與內(nèi)燃機排出的高溫煙氣經(jīng)過煙氣換熱器對預熱水源進行二次預熱，之后再經(jīng)燃氣鍋爐加熱快速制取蒸汽。通過蒸汽發(fā)生器后，高溫煙氣變?yōu)橹袦責煔?，中溫煙氣的部分熱能仍可被溴化鋰吸收式制冷機利用制取所需冷氣，若制冷量不足，則通過以電制冷滿足用戶冷氣需求。通過溴化鋰吸收式制冷機后的低溫煙氣主要成分為水和二氧化碳，可直接排放到大氣中。

圖1 三聯(lián)供系統(tǒng)組成及工作原理

2.2 系統(tǒng)動態(tài)可調(diào)性設計

圖2 系統(tǒng)動態(tài)調(diào)控原理

（1）內(nèi)燃機負荷可調(diào)。內(nèi)燃機帶動發(fā)電機發(fā)電，供應生產(chǎn)用電；生產(chǎn)用電的負荷變化會引起干路電流變化，電流傳感器反饋電信號給PLC，PLC控制電子節(jié)氣門的開度，來調(diào)節(jié)進入的空氣量，內(nèi)燃機排氣管中的氧傳感器則會探測出混合氣濃度變化，內(nèi)燃機內(nèi)部的ECU（控制單元）就會改變?nèi)細鈬娚淞浚M而會改變內(nèi)燃機的實際運行功率。功率的變化會引起內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速變化，轉(zhuǎn)速傳感器感知內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速變化，將信號反饋給調(diào)速器保證發(fā)電機的轉(zhuǎn)速恒定（即保證發(fā)電的頻率恒定），直到發(fā)電機功率與其負載功率持平，這時發(fā)動機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運行。

（2）燃氣鍋爐所用燃氣流量可調(diào)。流量計2與溫度傳感器將信號反饋到PLC，PLC結(jié)合溫度傳感器檢測的水溫與流量計2測定的供給水量，通過電動閥門3控制通入燃氣鍋爐的天然氣流量，以保證制取足夠的蒸汽。

（3）燃氣鍋爐產(chǎn)生蒸汽量可調(diào)。熱水保溫箱中的中溫水通過煙氣換熱器吸收高溫煙氣的部分熱能；經(jīng)熱交換后的高溫水直接供給燃氣鍋爐制取蒸汽。針對不同工況下所需蒸汽量，可設定不同的供給水量。由流量計2實時監(jiān)測供給水量，反饋流量信號給PLC；PLC控制電動閥門2保證所需水量充足、穩(wěn)定。

2.3 幾種基本能源配置及控制流程

配置1：電力、蒸汽、冷氣均需供應。

內(nèi)燃機、燃氣鍋爐及制冷機組均開機。電動閥門3、4打開，天然氣經(jīng)管道進入內(nèi)燃機及燃氣鍋爐。KM1打開、KM2閉合、KM3閉合，內(nèi)燃機帶動發(fā)電機供應生產(chǎn)用電。水泵1工作，內(nèi)燃機的缸套水與從蓄水池中輸送進來的常溫水進行熱交換，流量計1與電動閥門1控制水流量（根據(jù)生活用水量及蒸汽水量預先設定）穩(wěn)定輸入，加熱后常溫水變?yōu)橹袦厮斔椭翢崴叵?。水?工作，高溫煙氣經(jīng)換向閥通入煙氣換熱器，中溫水通過煙氣換熱器二次預熱變?yōu)楦邷厮?，由流量?與電動閥門2控制水流量（根據(jù)蒸汽水量預先設定）穩(wěn)定輸入，高溫水通入燃氣鍋爐，經(jīng)鍋爐加熱快速制取蒸汽。煙氣換熱器排出的中溫煙氣通入溴化鋰吸收式制冷機組中，制冷機組吸收中溫煙氣的部分熱能制取所需冷氣，若冷氣量不足，則KM4閉合，由壓縮機制冷補充冷量。

配置2：不需蒸汽供應而需要電力、冷氣供應，則應綜合考慮工業(yè)用電經(jīng)濟性選擇以下兩種方案之一。①內(nèi)燃機、制冷機組開機，燃氣鍋爐停機。系統(tǒng)調(diào)控與配置1基本相同，由于不需要制取蒸汽，則高溫煙氣直接經(jīng)換向閥通入溴化鋰吸收式制冷機組中，制冷機組吸收高溫煙氣的熱能制取所需冷量。②內(nèi)燃機、燃氣鍋爐與溴化鋰制冷機均停機。KM1、KM4閉合，由電網(wǎng)直接供電，由壓縮機制冷。

配置3：不需冷氣供應，而需要電力和蒸汽。

內(nèi)燃機與燃氣鍋爐開機，溴化鋰制冷機停機，系統(tǒng)調(diào)控與配置1基本相同，由于不需要制取冷氣，則煙氣換熱器排出的中溫煙氣，直接排放至大氣。其他中小型工廠應綜合考慮工況后靈活控制使用以上幾種基本能源配置。

3 冷熱電三聯(lián)供開發(fā)意義

通過試算，冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)初投資小，回收年限短，可以節(jié)約大量的用電費用，經(jīng)濟性可觀，且安裝方便，使用范圍較為廣泛。同時系統(tǒng)具有良好的動態(tài)調(diào)控能力，改善了能源利用情況，提高了能量利用效率，減少了碳排放和SO2、NOX等污染物的排放，充分響應了當下“節(jié)能減排”和“煤改氣”的政策，具有很大的環(huán)境效益與經(jīng)濟效益。

［1］華賁.天然氣冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］李芳芹，魏敦崧.天然氣冷熱電聯(lián)供的熱經(jīng)濟性分析［J］.煤氣與熱力，2002，22（6）：494-496.

［3］付林，江億.熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能分析［J］.節(jié)能，1999，（9）：3-7.

湖南省普通高等學校教學改革研究項目（2016499）。

陳凱亮（1996-），福建福清人，大學本科。