王開杰

摘? 要：天然氣冷熱電三聯(lián)供是在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，也是天然氣高效利用的重要方式，具有能源利用率高、節(jié)能環(huán)保、供電安全等特點(diǎn)。通過分析天然氣冷熱電三聯(lián)供在酒店、數(shù)據(jù)中心、小區(qū)等不同場景下的工程應(yīng)用案例，并進(jìn)一步對(duì)其技術(shù)指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出的結(jié)論對(duì)后期天然氣冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目的開發(fā)、裝機(jī)選擇和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：天然氣;冷熱電三聯(lián)供;技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo);經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號(hào)：TK01+9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）21-0162-03

Abstract： The combined cooling， heating and powersupply （CCHP） of natural gas is a modern energy supply mode to realize energy supply nearby the load center， and it is also an important way for efficient utilization of natural gas， which has the characteristics of high energy efficiency， energy saving and environmental protection， power supply security and so on. By analyzing the engineering application cases of natural gas combined cooling， heating and power in different scenes such as hotel， data center and residential area， and further comparing its technical index and economic data， the conclusion has a certain reference significance for the development， installation selection and economy evaluation of natural gas combined cooling and heating power project in the later stage.

Keywords： natural gas; combined cooling， heating and powersupply （CCHP）; technical and economic indicator; economic

引言

天然氣作為優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定、高效、安全、無毒和低污染的清潔能源不斷為用戶所青睞，其他能源難以相比。在能源供應(yīng)日益緊張的今天，節(jié)能降耗，合理利用資源、提高能源利用效率已成為人們普遍關(guān)注的問題，也是我國未來能源發(fā)展的重要方向。為了提高能源利用效率，需要將高品質(zhì)的電與低品質(zhì)的冷、熱三種能量需求統(tǒng)籌考慮，天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)正是在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中涌現(xiàn)出來的提高能源利用效率的一種最佳利用方式，它兼具能源效率高、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好等特點(diǎn)。

1 天然氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)簡介

天然氣冷熱電三聯(lián)供是指以天然氣為主要燃料帶動(dòng)天然氣輪機(jī)或內(nèi)燃機(jī)等天然氣發(fā)電設(shè)備運(yùn)行，產(chǎn)生電力以滿足用戶電力需求，而系統(tǒng)排出的廢熱則通過余熱鍋爐或溴化鋰等設(shè)備向用戶供熱、供冷。三聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，其能源綜合利用效率高達(dá)75%以上， 典型能量梯級(jí)利用如圖1所示。

目前，國內(nèi)較常用的三聯(lián)供系統(tǒng)主要是天然氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和天然氣燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的三聯(lián)供系統(tǒng)，其典型流程如圖2和圖3[1]所示。

2 天然氣冷熱電三聯(lián)供在不同場景下的應(yīng)用

2.1 天然氣冷熱電三聯(lián)供在較小單體建筑的應(yīng)用

酒店、賓館、辦公樓等應(yīng)用場景，單體建筑面積較小，用能總量不大，但種類卻較為復(fù)雜，包括夏季供冷，冬季供暖，日常生活熱水等，目前大多以電能使用為主，成本較高且季節(jié)性的用電給電網(wǎng)帶來不利影響。天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)不僅能夠產(chǎn)生電力以滿足電力需求，還能夠充分利用高溫?zé)煔庥酂岷透滋谉崴?，向用戶供熱供冷和提供生活熱水，充分利用清潔一次能源?/p>

以某酒店A為例，該酒店總建筑面積約2.5萬平方米，作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，酒店采用了額定發(fā)電功率350kW的天然氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組，發(fā)電效率36.8%，耗天然氣量95m3/h。配套煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組供熱供冷，最大制冷功率490kW，最大供暖功率525kW[2]。可滿足酒店約30%的冷熱負(fù)荷。

根據(jù)酒店提供的數(shù)據(jù)，該冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在冬季運(yùn)行時(shí)，一次能源利用效率為81.3%，余熱回收效率為71.8%。在該項(xiàng)目運(yùn)行過程中，冬季的一次能源利用率及余熱回收效率均高于夏季運(yùn)行工況。這是由于冬季運(yùn)行時(shí)，溴化鋰機(jī)組作為換熱器使用，熱量的使用僅有部分散熱損失，夏天用熱水吸收制冷效率較低，故而降級(jí)了整體的能源利用率及余熱利用率。

將天然氣冷熱電三聯(lián)供方案與傳統(tǒng)電空調(diào)+天然氣鍋爐方案進(jìn)行比較。根據(jù)測算，采用三聯(lián)供方案，投資額為336萬元，采用傳統(tǒng)方案，投資額為193萬元。天然氣價(jià)格按市場價(jià)3.3元/m3，商業(yè)電價(jià)按1元/kWh。通過計(jì)算可得，采用天然氣冷熱電三聯(lián)供方案相比傳統(tǒng)方案的增量投資回收期僅為2.97年?？紤]到機(jī)組的使用壽命均在10年以上，在三年后三聯(lián)供機(jī)組的低運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)勢會(huì)進(jìn)一步凸顯。

2.2 天然氣冷熱電三聯(lián)供在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

近年來，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心爆發(fā)式增長，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心行業(yè)能耗急劇增加。因此，尋求多能源解決方案成為一種內(nèi)在需求。天然氣冷熱電聯(lián)供作為一種分布式能源，與數(shù)據(jù)中心的電力、冷源系統(tǒng)有較好的匹配度，可將聯(lián)供系統(tǒng)與復(fù)雜的數(shù)據(jù)中心能源進(jìn)行匹配對(duì)接。冷電聯(lián)供一般有以冷定電和以電定冷兩個(gè)不同的方法。在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中，若采用兩個(gè)冷源，會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，帶來穩(wěn)定性可靠性的降低。故一般采用以冷定電，電量的調(diào)節(jié)依靠市電的彈性。

以北京某數(shù)據(jù)中心為例，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該數(shù)據(jù)中心最大電負(fù)荷為14423kW，最小電負(fù)荷12723kW，用電負(fù)荷較為平穩(wěn)。數(shù)據(jù)中心的冷負(fù)荷有工藝設(shè)備散熱，維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱等組成，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，機(jī)房的全年冷負(fù)荷為10100kW，辦公樓夏季低溫冷負(fù)荷2950kW，辦公樓冬季采暖熱負(fù)荷為1950kW。且該數(shù)據(jù)中心附近地塊有12800kW熱負(fù)荷需求[3]。

由于天然氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的冷電比小于1，而天然氣輪機(jī)的冷電比大于1.4，考慮到數(shù)據(jù)中心的冷電，比如前文所述均小于1，故采用內(nèi)燃機(jī)組更適合數(shù)據(jù)中心使用。且內(nèi)燃機(jī)組造價(jià)僅為天然氣輪機(jī)機(jī)組的50%～70%，因此數(shù)據(jù)中心一般選用內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組作為三聯(lián)供能源中心。

該數(shù)據(jù)中心采用五臺(tái)顏巴赫J(rèn)MS620內(nèi)燃發(fā)電機(jī)，機(jī)組配套五臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰吸收冷水機(jī)組。單臺(tái)發(fā)電機(jī)額定發(fā)電量3349kW，單臺(tái)溴化鋰機(jī)組額定制冷量3000kW。根據(jù)運(yùn)行得到的數(shù)據(jù)，發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率為38.7%，溴化鋰吸收機(jī)組的制冷COP為1.3，制熱效率為95%，機(jī)組整體的一次能源利用率為78%。

三聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性受多方面的因素影響，其主要因素包括：

（1）系統(tǒng)初期建設(shè)投資。

（2）地區(qū)電費(fèi)價(jià)格。

（3）地區(qū)天然氣價(jià)格。

（4）數(shù)據(jù)中心冷電比例。

（5）數(shù)據(jù)中心三聯(lián)供建成后的系統(tǒng)使用率[4]。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，北京的全年平均電費(fèi)約為0.82元/度，在實(shí)際運(yùn)行中，考慮冬季和夜晚用電會(huì)減小，同時(shí)考慮公共事業(yè)附加費(fèi)，實(shí)際的電費(fèi)價(jià)格約為0.85元/度。根據(jù)計(jì)算，1m3天然氣約可產(chǎn)生4度電，同時(shí)生產(chǎn)4kW冷量。按照電制冷冷凍機(jī)組1：6的能效比進(jìn)行計(jì)算，產(chǎn)生4kW的冷量需要電能0.67度。在不考慮熱量利用的情況下，1m3天然氣可折合約4.67度電。按北京發(fā)電天然氣2.51元/m3計(jì)算，為0.54元/度?？紤]20%的三聯(lián)供機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用，采用三聯(lián)供后折合每度電成本不超過0.648元，相較全部用市電節(jié)約23.8%。

在數(shù)據(jù)中心采用三聯(lián)供機(jī)組一般建設(shè)投資比傳統(tǒng)電制冷方案高約20%，而電費(fèi)成本占總成本的約21%。若每年用電成本降低23.8%，增量投資靜態(tài)回收期僅為4年，具有較明顯的經(jīng)濟(jì)性。

2.3 天然氣冷熱電三聯(lián)供在居民小區(qū)的應(yīng)用

我國大多數(shù)人口居住在夏熱冬冷區(qū)域，目前大多數(shù)小區(qū)采用各戶安裝分體空調(diào)來制冷供暖，或是采用單冷空調(diào)加集中供暖的形式，整體能耗及費(fèi)用較高。目前冷熱電三聯(lián)供作為一種新的冷暖供應(yīng)形式，已經(jīng)在部分區(qū)域得到試點(diǎn)使用。

以鄭州某小區(qū)為例，供冷采暖面積共46萬m2。根據(jù)該地區(qū)的氣象條件及建筑圍護(hù)等情況，確定該小區(qū)采暖最大熱負(fù)荷為23MW，制冷最大冷負(fù)荷為46MW。

該小區(qū)作為試點(diǎn)，選擇了4臺(tái)顏巴赫J(rèn)616天然氣內(nèi)燃機(jī)組配套4臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰吸收冷水機(jī)組。單臺(tái)內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率2677kW，單臺(tái)溴化鋰機(jī)組制冷量2663kW，制熱量2756kW。在該分布式系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，供電能力為10708kW，供冷量10652kW，供熱量11024kW。

該項(xiàng)目全部供冷時(shí)間2700h內(nèi)，機(jī)組均可滿負(fù)荷運(yùn)行，供熱時(shí)2537h內(nèi)機(jī)組可滿負(fù)荷運(yùn)行，343h內(nèi)機(jī)組帶一半負(fù)荷運(yùn)行[5]。

根據(jù)小區(qū)提供的運(yùn)行數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目全年的綜合能源利用率為74.7%。項(xiàng)目總投資約為9250萬元，投資回收期（稅前）約為9.62年，投資回收期（稅后）約為10.62年。主要原因是鄭州的天然氣氣價(jià)較高，且向居民供暖供冷所收費(fèi)用受到諸多限制，導(dǎo)致項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性一般。若是在天然氣價(jià)較低的區(qū)域，該類項(xiàng)目會(huì)具有更好地適用性。

3 結(jié)束語

采用天然氣冷熱電三聯(lián)供的分布式能源站系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展和國家的政策支持，目前已在全國各地建設(shè)了一定數(shù)量的項(xiàng)目，技術(shù)上逐步成熟，電源安全可靠，一次能源的綜合利用率可達(dá)75%以上，有力的推進(jìn)了節(jié)能減排工作。

天然氣冷熱電三聯(lián)供應(yīng)用于商業(yè)用戶時(shí)，包括較小容量的酒店及較大容量的數(shù)據(jù)中心等，考慮到市場化的商業(yè)電價(jià)及供暖制冷費(fèi)用均較高，三聯(lián)供方案的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢比較明顯。而應(yīng)用于居民小區(qū)時(shí)，一方面負(fù)荷過大，投資較高，另一方面由于居民電價(jià)及供暖制冷費(fèi)用較低，導(dǎo)致三聯(lián)供方案的經(jīng)濟(jì)性不及在商業(yè)用戶上的使用。

隨著我國天然氣發(fā)展、智能電網(wǎng)的建設(shè)及提高能源利用效率，促進(jìn)結(jié)構(gòu)調(diào)整及節(jié)能減排的需求，天然氣冷熱電三聯(lián)供在我國已具備大規(guī)模發(fā)展的條件。

現(xiàn)階段，天然氣冷熱電三聯(lián)供核心設(shè)備價(jià)格及維保成本較高、大部分區(qū)域天然氣價(jià)格偏高、冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目的上網(wǎng)電價(jià)和冷熱價(jià)格的議價(jià)能力較弱等問題，導(dǎo)致三聯(lián)供項(xiàng)目的推廣步驟比較緩慢。隨著國家推動(dòng)天然氣管網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)營和電力體制改革，出臺(tái)系列扶持政策等措施，必將推動(dòng)天然氣冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目的迅速發(fā)展，進(jìn)而助推我國天然氣燃?xì)廨啓C(jī)及內(nèi)燃機(jī)等核心設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步與國產(chǎn)化，從而進(jìn)一步降低設(shè)備造價(jià)與維保成本，使得天然氣冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目的建設(shè)投入逐步減少。且隨著天然氣進(jìn)口通道的進(jìn)一步增加，相信未來天然氣價(jià)格會(huì)有所緩和?？傮w上，我國天然氣冷熱電三聯(lián)供還是有著較好的發(fā)展前景。

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