摘 要：對燃氣冷熱電分布式能源系統(tǒng)中的余熱產(chǎn)生情況和利用方式進行分析，探討了各種余熱利用設備的配置原則，以此實現(xiàn)能源利用效率的最大化。

關鍵詞：燃氣輪機；內(nèi)燃機；余熱利用

燃氣冷熱電分布式能源系統(tǒng)簡稱CCHP（Combined Cooling，Heating and Power），是天然氣高效利用的最佳途徑，通過能源梯級利用的方式，就近滿足用戶冷、熱、電、生活熱水等各種負荷的需求。具有能效利用合理、損耗小、污染少、運行靈活、系統(tǒng)經(jīng)濟性好等特點。

據(jù)測算，燃氣冷熱電分布式能源系統(tǒng)中，燃料的能量轉化為電能的比列僅占到約35%。剩余能量中，隨煙氣排出的約為30%，隨發(fā)動機冷卻水帶走的約為25%，設備機身散發(fā)等途經(jīng)損失約為10%?？傮w來看，通過煙氣和換熱器損失的能量比做的有用功還要多。為了提高系統(tǒng)經(jīng)濟性，必須對這部分能量加以綜合利用，這便是能源梯級利用的由來。

如何對系統(tǒng)發(fā)電后的余熱進行有效回收利用，成為推動燃氣分布式能源系統(tǒng)應用的關鍵。本文對不同種類余熱利用設備的特點和選用原則進行了分析和討論。

1 余熱能量分析

燃氣冷熱電分布式能源系統(tǒng)的動力裝置主要分為燃氣輪機和內(nèi)燃機。

（1）燃氣輪機屬于旋轉葉輪式流體機械，通過壓氣機將空氣逐級增壓，送到燃燒室與噴入的燃氣混合燃燒生成高溫高壓的氣體，并在透平中膨脹做功，帶動發(fā)電機轉子高速旋轉，其發(fā)電效率約20～38%。采用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)，將燃氣輪機的煙氣引入余熱鍋爐，產(chǎn)生蒸汽帶動汽輪機后，發(fā)電效率可提高到約50%。燃氣輪機的余熱形式為煙氣，煙氣溫度400～650℃。余熱利用可考慮回收煙氣用來制冷，煙氣也可以進余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽再供熱或制冷。

（2）內(nèi)燃機屬于往復活塞式運動機械，燃料與空氣混合后，在汽缸內(nèi)燃燒爆炸，推動活塞做功，并通過連桿機構帶動發(fā)電機發(fā)電，其發(fā)電效率約35～47%。下表列出了GE公司主流內(nèi)燃機的數(shù)據(jù)。

從表中可以看出，內(nèi)燃機將天然氣化學能轉化的效率約90%，但其中僅一半轉化為電能，另一半則是以余熱的形式存在。

內(nèi)燃機的余熱形式為煙氣、冷卻水，其中煙氣溫度400～600℃，缸套冷卻水80～110℃，中冷器、潤滑油冷卻水40～65℃。余熱利用可考慮回收煙氣和各部件冷卻水用于制冷或供熱。

2 余熱利用方式

余熱利用方式可分為熱交換式和吸收式。其中熱交換式是通過利用余熱的焓，將其能量交換出來，轉化為蒸汽或熱水，主要設備有余熱鍋爐、板式換熱器等；吸收式是通過利用余熱的，綜合考慮其熱量及品質，將低品位的能量轉化到另一介質中存在，主要設備有吸收式制冷、吸收式熱泵等。

余熱鍋爐是利用燃氣輪機做功后排出的尾氣，對水進行加熱產(chǎn)生蒸汽。根據(jù)不同的蒸汽參數(shù)，可以用來推動汽輪發(fā)電機，也可用于生產(chǎn)工藝中的加熱，或是供生活取暖用。

板式換熱器由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成，液體（或氣體）與液體通過板片進行熱交換，實現(xiàn)能量由余熱傳遞到熱媒水，供生活熱水或空調(diào)使用。

吸收式冷（熱）水機組種類較多，根據(jù)所需余熱的種類不同，可分為熱水型機組、蒸汽型機組、煙氣型機組、煙氣熱水型機組等，并且可根據(jù)需要增加燃氣補燃設施作為輔助驅動熱源。其主要原理是以水為制冷劑、溴化鋰溶液為吸收劑，利用溴化鋰對水蒸氣極強的吸附能力，讓水在真空環(huán)境下蒸發(fā)吸熱，從而根據(jù)需要制取冷、熱水，供空調(diào)系統(tǒng)使用。

3 余熱利用設備配置原則

余熱利用設備的配置，需要綜合考慮發(fā)電機組種類、熱效率、余熱品質、冷熱需求等參數(shù)，將不同特性的設備系統(tǒng)組合，實現(xiàn)能源的綜合利用。下圖為典型的內(nèi)燃機組余熱綜合利用系統(tǒng)原理。

在配置方式上，應遵循以下原則：

（1）匹配負荷原則。分布式能源系統(tǒng)的核心特點是能源在用戶端就近利用，減少長距離輸送的損失。所用燃機及余熱利用設備的容量按照平均負荷配置。盡量做到電量自發(fā)自用、并網(wǎng)不上網(wǎng)，余熱最大化利用。在負荷高峰期可采用常規(guī)用電設備進行調(diào)峰，如電空調(diào)、熱泵等。

（2）余熱優(yōu)先原則。按照以熱定電的原則，優(yōu)先保證機組余熱優(yōu)先利用，以此配置發(fā)電機組容量，確保發(fā)電量、余熱量與需求匹配良好，沒有發(fā)電能力閑置或余熱量的浪費，此時可以實現(xiàn)能源綜合利用效率的最大化。

（3）靈活搭配原則。需要緊密結合建筑功能，分析冷、熱負荷的特點，特別是過渡季負荷的變化，靈活選用直接或間接的換熱工藝。對于一般公共建筑，考慮直接供冷供熱的余熱吸收式空調(diào)機組，雖然只能提供常規(guī)冷熱需求，但是熱效率更高。如果有蒸汽需求則要考慮采用余熱蒸汽鍋爐，這種間接連接的供能方式，可以供應蒸汽，也可通過板式換熱器供熱，還可與蒸汽型吸收式機組配合供冷，負荷適應能力強，但是綜合效率不及直接連接方式。

（4）簡潔高效原則。能源轉換的環(huán)節(jié)越多，損耗越大，同時工藝復雜，對控制的要求也越高。簡潔合理的工藝流程，配以高水平的自控和監(jiān)測系統(tǒng)，能提升設備的可靠性，降低運行維護成本。

4 結論

燃氣冷熱電分布式能源系統(tǒng)的余熱主要以煙氣和冷卻水的形式存在，其能量占到天然氣燃燒能量的一半。隨著環(huán)保要求逐漸嚴格，提高能源利用效率，降低燃料消耗，已成為行業(yè)的共識，也是燃氣冷熱電分布式能源技術發(fā)展的必然趨勢。采用冷熱電聯(lián)供的方式，將余熱梯級利用后，綜合能源利用效率可提升到70%以上。

余熱利用設備有熱交換型和吸收型，各自有不同的特點和適用范圍。而燃氣冷熱電分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性，取決于如何將系統(tǒng)自發(fā)電以及發(fā)電余熱的效率最大化發(fā)揮。因此在系統(tǒng)設計中應結合負荷需求情況，針對不同余熱利用設備的特性進行合理組合搭配。

參考文獻：

[1]高玉華.燃氣輪機排氣余熱回收方式與熱交換器的應用[J].燃氣輪機技術，2008，34（4）：5-7.

[2]林世平.燃氣冷熱電分布式能源技術應用手冊[M].北京：中國電力出版社，2014.

作者簡介：劉凡（1987-），男，工學學士學位，長期從事發(fā)電廠熱機設備管理工作。