论小型冷热电联产

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　1、前言

　　中国天然气探明总储量为38万亿m3，仅次于前苏联和美国，是世界上天然气富有的国家之一。中央实施“西气东输”，中国东部地带以天然气为主的清洁能源的应用比重将大大增加。而从其它国家的实践经验来看，美国73%的热电联产项目使用的是燃气，俄罗斯热电联产燃料构成中，70%是石油和天然气。

　　中国能源结构多元化的变化，是冷热电联产产业结构调整的物质基础和前提条件。随着西气东输这个有力契机，以天然气为燃料的，以小型燃气发电机组和余热锅炉与溴化锂吸收式制冷机组等设备组成的小型全能量系统实现冷热电联产，进行清洁优质能源的梯级利用，使我国有限的资源提高能源效率，合理优化利用。

　　冷热电联产（Combined Cooling Heating and Power, CCHP）是一种建立在能量梯级利用概念基础上，将制冷、制热（包括供暖和供热水）及发电过程一体化的总能系统。其最大的特点就是对不同品质的能量进行梯级利用，温度比较高的、具有较大可用能的热能用来被发电，而温度比较低的低品位热能则被用来供热或是制冷。这样做不仅提高了能源的利用效率，而且减少了碳化物和有害气体的排放，还具有良好的经济效益和社会效益。

　　据美国国务院2005年四月份的一份报告，中国将与美国在11个领域中进行合作，旨在2008年奥运会净化北京的空气，其中就有冷热电联产技术。中国对此技术也表现出极大的兴趣，在不久的将来，至少有三幢建筑作为试点。

　　2、小型冷热电联产的简介

　　小型冷热电联产的核心设备是热电转换装置，在全球目前投入使用的天然气热电联产系统中，微型燃气轮机、燃气热气机和燃气内燃机是主要的几类热电转换装置。随着微型燃机技术的不断完善，微型燃机发电机组已成为小型冷热电联产的主力。

　　微型燃气轮机是功率为数百KW以下的、以天然气、甲烷、汽油、柴油等为燃料的超小型燃气轮机。它的雏形可追溯到60年代，但作为—种新型的小型冷热电联产系统，发展历史则较短。目前，开发微型透平的厂商主要集中在北美，欧洲有瑞典和英国。

　　与柴油机发电机组相比，微型燃机具有以下一系列先进技术特征：

　　（1）设计简单，结构简单紧凑，重量轻，运动部件少，生产成本低。

　　（2）低振动，低噪音，寿命长，运行成本低。

　　（3）通过调节转速，即使不是满负荷运转，效率也非常高。

　　（4）自动化控制水平高，可遥控和诊断，可多台集成扩容。

　　因此，先进的微型燃气轮机是提供清洁、可靠、高质量、多用途的小型冷热电联产的最佳方式，使系统更靠近用户，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。一旦达到适当的批量，微型燃机轮机有能力与中心发电厂相匹敌。对终端用户来说，与其它小型发电装置相比，微型燃气轮机是一种更好的环保型发电装置。

　　早在2000年，远大与美国能源部、橡树岭国家实验室、马里兰大学合作开发“冷热电联产系统”，将远大直燃机与欧美生产的燃气涡轮发电机进行“无接缝”组合，较大的直燃机配较小的发电机：将燃气涡轮发电机尾气引入直燃机的燃烧机。发电机尾气余热利用率为80％～90％。较小的直燃机配较大的发电机：将燃气涡轮发电机尾气一部分引入直燃机的燃烧机，一部分引入专门设计的余热发生器。发电机尾气余热利用率约40％～80％。直接用发电机尾气制冷制热：专门设计尾气发生器，将发电机尾气全部引入发生器。发电机尾气余热利用率为40％～70％。

　　其工艺流程示意如下：

　　3、小型冷热电联产的特点

　　冷热电联产是—种建立在能的梯级利用概念基础上，将制冷、供热（采暖和供热水）及发电过程—体化的多联产总能系统，目的在于提高能源利用效率，减少碳化物及有害气体的排放。与集中式发电-远程送电比较，冷热电联产可以大大提高能源利用效率：大型发电厂的发电效率—般为35%-55％，扣除厂用电和线损率，终端的利用效率只能达到30-47%.而小型冷热电联产的能源利用率可达到90%，没有输电损耗，另外，小型冷热电联产在降低碳和污染空气的排放物方面具有很大的潜力，因其具有良好的环保性能，小型冷热电联产与“小机组”己不是同一概念。

　　二十世纪初以来电力行业流行的观点是，发电机组容量越大，则效率越高，单位千瓦投资越低，发明成本也越低。但是，在许多特殊情况下，小型冷热电联产是集中供电不可缺少的重要补充：

　　（1）小型冷热电联产可以满足特殊场合的需求。例如，对供电安全稳定性要求较高用户，如医院、银行等；能源需求较为多样化的用户，需要电力的同时还需要热或冷能的供应。这种供电方式最大的优点是不需远距离输配电设备，输电损失显著减少，运行安全可靠，并可按需要方便、灵活地利用排气热量实现冷热电三联产，提高能源利用率。

　　（2）小型冷热电联产供电方式可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足。例如2003年8月份，北美地区电网大面积断电就是一个典型的反面教材。而小型燃气热电联产体系实际是一种能源设施的互联网，它通过蜂窝状的小型、实行供能设施的互相连接，提高了城市的供能可靠性。此外，各厂家的设备都设计了自动调频并网系统，可以保证电网的运行安全。在电网崩溃和意外灾害（例如地震、暴风雪、人为破坏、战争） 情况下，可维持重要用户的供电。

　　（3）小型冷热电联产供电方式为能源的综合梯级利用提供了可能。在常规的集中供电方式中，能量形式相对单—。当用户不仅仅需要电力，而且需要其它能量形式如冷能和热能的供应时，仅通过电力来满足上述需要时难以实现能量的综合梯级利用：而小型冷热电联产供电方式以其规模小、灵活性强等特点，通过不同循环的有机整合可以在满足用户需求的同时实现能量的综合梯级利用，并且克服了冷能和热能无法远距离传输的困难。

　　（4）小型燃气热电联产可以更加有效配置资源，稳定、持续地利用天然气、煤层气等资源，减少燃气的调节，降低因燃气调峰导致的储采比下降，地下储气库损失等不必要的资源浪费，减少燃气管网的建设投资，提高设备运行效率，从而达到降低燃气利用成本，提高用气企业的竞争能力。

　　（5）在计划经济体制下，行业是以产品划分的，能源设施的产品和任务非常单一，电力、热力、燃气各自独立，能源设施的重复投资建设，增加了运行成本，降低了效率，直接造成能源代价的提高。小型冷热电联产打破了传统的界限，将采暖、热水、电、冷、燃气、水资源合理利用和环境污染治理统筹考虑，以最小的资金、资源和环境代价，换取最高的投资效益、能源转换效率和能源设施效能。

　　（6）小型热电联产不仅自身污染小，对环境污染的治理效果也十分突出。基本没有二氧化硫、一氧化碳和粉尘的污染，氮氧化物为25-65ppm，为燃煤设施的1/10-1/20.由于用户端的能源利用效率高，真正减少二氧化碳等温室气体的排放。燃气轮机本身发电基本不需要用水，所需用水全部是用于供热，节水性能极好。

　　当然，冷热电联供系统的也有缺点。一是冷热电联供系统规模小，安装在楼宇里，只能使用天然气或油品；二是冷热电联供系统虽然规模比大型发电厂和大型热电联产小，但小型冷热电联产不能小到一家一户安装一台，只能适应一幢楼宇或一个小区的冷热电联供，不象小型户用空调器、户用热水器或户用电取暖器那样灵活机动。

　　4、应用实例

　　上海交通大学闵行校区软件大楼是一个以天然气为能源的冷热电联产系统示范工程。主要内容包括：

　　（1）建成一套天然气微型燃气轮机冷热电联供示范系统，为软件大楼提供冷（或热）、热水和部分优质的电。

　　（2）天然气微型燃气轮机发电系统，两台30千瓦的微型燃气轮机发电输出电能60千瓦，既可以并网发电也可以独立使用。

　　（3）烟气补燃型溴化锂冷热空调系统，一台20万大卡级的余热溴化锂吸收式空调机提供热能200千瓦，供冷230千瓦。

　　（4）烟气型热水发生系统，提供生活热水25千瓦（60-80℃）。

　　（5）低温吸附式制冷空调系统，提供10千瓦制冷量。

　　（6）天然气供应系统，冷热水供给系统和冷却水循环系统，烟气系统和通风系统。

　　（7）电气及并网发电系统，仪表和测试系统，完善的控制系统。

　　本项目研究的总体成果是提供以天然气为能源,以微型燃气轮机为原动力的冷热电联产示范工程，通过两台30千瓦的微型燃气轮机发电满足约4000平方米综合楼的部分电力需求。这一过程产生的280度余热，通过一台20万大卡级的余热溴化锂吸收式空调机，向大楼提供冷气或暖气，并将余热降低到70度左右。70度的余热用来提供大楼的生活热水。这样仅以天然气为能源，解决了大楼的供电、供冷热和生活热水三大能源需求，能源综合利用效率达到85%，远高于一般发电和独立供冷或供热系统的40％—60％。经过三次利用，最后排出的是38.7度的烟气，且几乎没有污染，污染物NOX排放低于4ppm，噪声60db（10 米）。

　　经上海交通大学机械与动力工程学院教授翁一武测算：根据半年的使用经验，和单独发电、供冷热和热水相比，采用天然气冷热电联供，每天可节省400—900元燃料费用。由于供冷热集中于夏、冬两季，按180天计算，每年可节省8—18万元。从投资成本看，目前试用阶段约为150万元，回收期约10年。如果系统规模增大，大楼面积超过4万平方米，回收期可缩短为6—8年。虽然与电空调、直燃空调比较，设备多支出60—80万元，回收期延长2—3年，但过了回收期后，其在节能和减支方面的优势就十分明显。

　　5、结论

　　西气东输工程的实施使得我国很多城市，特别是长江三角洲区域的经济发达的一些省市有了较充足的天然气供应。相关部门和企业如何对宝贵的天然气资源进行合理及有效的利用，成为决定工程成败的关键。采用天然气的冷热电联产，是解决这个问题的直接有效的方法。那些宾馆、饭店、高档写字楼、高级公寓、大型商场、学校、机关、医院等有稳定的冷、热、电负荷需求、对动力设备的环境特性要求较高、对电力品质及安全系数要求较高同时电力供应不足的单位或地区有非常好的适用性，能带来很好的经济效益、环保效益和社会效益。

　　小型冷热电联产技术作为世界范围的能源革命性技术已渐渐被世界各国广泛接受和应用，它以高效、环保、低噪音和安全性等特点受到越来越多的业主和建筑商的接受和使用。