冷热电联供系统的设计、运行及分析

张文，车延博，任晶鼎，刘建新

（天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072）

冷热电联供系统的设计、运行及分析

张文，车延博，任晶鼎，刘建新

（天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072）

冷热电联供作为一种分布式供能系统，实现了能源的梯级、高效利用，是目前电力工业和能源产业的重要发展方向。通过介绍常用冷热电联供系统方案及其原理，并针对各个方案的优缺点结合项目需求，使用了带有蓄能环节的冷热电联供系统设计方案，实现了能量使用的削峰填谷。同时，对系统内主要设备的选型、配置原则以及系统主要运行方式、运行工况进行了详细阐述，通过对系统的电气运行方式及相应控制策略的分析，建立了冷热电联供自动运行控制系统。最后，以蓄热工况实验为例，对系统运行性能及影响因素进行了分析，并给出了实验数据及分析结果。通过实验运行显示，系统一次能源利用率达到了70%，系统运行安全可靠。

冷热电联供；蓄能环节；系统配置；运行工况；一次能源利用率

冷热电联供技术作为分布式供能形式之一，近几年发展十分迅速，它同时提供冷、热和电3种能量，将能源利用率从普通的40%提高到70%～90%之间。冷热电联供与分布式发电相结合被世界许多能源、电力专家公认为是节省投资、降低能耗、提高系统安全性和灵活性的主要方法。

冷热电联供系统是以能源梯级利用为目的，发电的同时将产生的余热回收利用，集制冷、制热和发电一体化的系统。可以利用余热利用机组实现冬季供热、夏季供冷和提供生活卫生用水等，具有节能、环保等诸多优势。“分布式热电联产、热电冷联产用户”属于国家发改委《天然气利用政策》中的优先类，是分布式能源发展的重要方向。目前对于联供系统的研究主要集中在系统的设计优化和运行优化两方面，即根据实际情况合理配置系统，采用相应的控制策略使系统运行实现经济性和效率的最优化。一般而言，冷热电联供系统方案均按照“发电不售电，电力不足从电网购买”原则而设计，系统常用方案中，天然气一次能源的综合利用率都不同程度地得到提高。但它们有一个共同的特点，就是忽略了热源温度的周期性变化或供热间歇，不能将系统内多余的冷/热量以其他形式的能量储存备用[1]。

本冷热电联供系统基于第1种方案，并引入蓄水池作为储能环节。类似于给光伏发电系统配备储能蓄电池一样，这种方式可减少不必要的能源损失，进一步提高系统能源利用率。

1 带蓄能环节的CCHP方案

1.1 系统方案

冷热电联供系统的常备方案如图1所示（仅以微燃机为例）。本系统基于其中第1种方案，并引入蓄水池作为储能环节，系统结构如图2所示。三联供系统发电机组装机容量为30 kW，制冷、制热能力均为55 kW。整个系统包括燃气输配系统、微燃机系统、烟气系统、制冷/热机组及水循环系统、末端空调系统和电气控制系统等。该系统可以同时向外输出冷、热、电负荷，满足用户的各种需求。

图1 常用微燃机冷热电三联供系统方案Fig.1Common CCHP system with micro gas turbine

图2 三联供系统结构Fig.2Structure of CCHP system

由于热源温度的周期性变化或供热间歇，引入蓄能环节，将系统多余的冷/热量储存在蓄水池内作为备用冷/热源。当冷/热负荷量不能满足实际需求时，可通过蓄水池释放冷/热量。因此，本系统可以起到移峰填谷的作用。另外，系统还可将盘管回水所含的能量储存在蓄水池内，进一步提高系统的能源利用率[2]。

1.2 系统配置

对于不同的应用场合，联供系统的设备选型与系统配置方式有很大的不同。本系统涉及的主要设备有燃气发电机、冷温水机组、冷却设备等。为提高效率，采用燃气发电机与冷温水机组直接连接方式。选取空调建筑面积冷指标为85 W/m2，热指标为59 W/m2，经计算设置电制冷空调。当冷温水机组的制冷量不能满足负荷需求时，启动电制冷空调作为补充。负荷末端用12组风机盘管，通过启动部分或全部盘管、调节盘管的风力等级来调节末端负荷大小。水池循环水泵、冷温水泵、冷却水泵均用变频器控制转速，进而控制水的流量。各主要设备及技术基本参数如表1所示。

表1 主要设备及技术参数Tab.1Main equipment and technical parameters

1.3 系统运行工况及循环流程

当引入蓄水池作为蓄能环节运行时，由于系统的蓄能水池与大气相通，系统循环管路为开式系统。未引入蓄能环节运行时，为闭式系统。不论开闭，冷温水机组又都有供热、制冷两种工作方式，可根据实际需求设定冷温水机组。

三联供系统夏季供冷时，微燃机的发电供应范围为冷温水机组及其辅机（水泵及冷却塔）、风机盘管、蓄/放冷循环水泵。制冷运行方式下，系统工况可分为闭式供冷、蓄冷、放冷和供蓄冷4种。在供蓄冷工况下，冷温水机组可以最大限度利用烟气余热制备冷水蓄存到水池，末端根据负荷情况适时变流量地将水池冷水抽出供给盘管。此时，蓄水池对空调负荷的变动起调节作用，其调节能力由蓄水池大小决定。

供热运行方式下不需要冷却水循环系统，除此之外，其他水路循环回路与供冷运行方式相同。

2 系统电气运行方式及控制策略

2.1 系统电气运行方式

为保证联供系统有效配合运行并能达到最优的能源综合运用性能，需要分析用户负荷比例，合理选择系统的电气运行方式。负荷需求不仅是动态变化的，而且受气候、地理位置等诸多因素的影响。三联供电气运行方案如图3所示[3]。作为分布式发电单元，冷热电联供系统与电力系统之间存在3种电气连接方式：独立运行；并网不售电；并网售购电。

图3 电气运行方案Fig.3Electrical operation solution

2.1.1 独立运行

并网开关A1断开，微燃机孤网启动，供系统自身用电和实验室电负荷用电，冷温水机供实验室冷/暖负荷。微燃机孤岛运行时，其输出功率可跟踪电负荷需求而变化。此时系统运行模式为以电定冷/热，即微燃机的输出功率跟踪电负荷需求，以此决定了联供系统可提供的冷/热量。

2.1.2 并网不售电

并网开关A1闭合，微燃机并网启动，供系统自身用电和实验室电负荷用电，冷温水机供实验室冷/暖负荷。根据系统运行原则，确定此时系统的运行模式为以冷/热定电，控制目标为连接开关A2功率最小。

2.1.3 并网售购电

微燃机并网启动，满负荷运行供系统自身和实验室用电负荷，冷温水机组供实验室冷/暖负荷，多余电力上网。若冷温水机组和电空调制冷同时运行时，用电不足部分从外网购电。此时系统应在经济性最优和能源综合利用效率最优两种模式下优化运行。其中，经济性最优模式的控制目标是联供系统运行成本最低，能源综合利用效率最优模式的控制目标是使联供系统一次能源综合利用效率最高[4]。

2.2 系统总体控制策略

通过分析本地区各季节1天24 h的负荷需求数据，结合以上联供系统的电气运行方式，以及电价和天然气的价格，得到在春秋及冬季热负荷较大时，“以热定电”，即并网不售电的方式的运行效益要好于“以电定热”。

三联供控制系统涉及到需要控制的负荷参数有：电负荷；热负荷；冷负荷及水池的水温。系统的总体控制策略与各分系统的特点和控制分系统有关。微燃机的输出参数有其固有的规律，当机组输出功率升高时，排出的烟气余热也随之提高。发电机可以自动跟踪电负荷，使得系统发电满足系统其他设备运行的要求。以“以热定电”为例，在控制电负荷要求的同时还要考虑满足用户的热负荷。要防止冷温水机组的冷温水的温度过高使冷温水机组停机[5]。

综上所述，联供系统的总体控制策略为：

（1）电负荷通过微燃机的输出功率来确定，冷温水机组产生的热（冷）水首先满足用户的热（冷）负荷需求，不足时开启电空调作为补充；

（2）根据冷热负荷需求的大小，采用适量大小的水池，当冷温水机组产生的冷热量暂时大于冷热负荷需求的时候，将冷热量存储在水池中；

（3）当冷温水机组提供的冷热量不满足用户需求或者机组停机时，可以释放水池的冷热量满足用户的冷热负荷。

3 自动控制系统设计

系统所涉及的设备种类及数量繁多，结构复杂，运行工况灵活多变，很有必要实现自动化控制。自动控制系统主要任务有：①系统启/停控制为控制系统能够按要求顺序启动或者停止相关设备；②运行工况的设定和切换为系统可以根据实时需要将运行工况切换到其他任何一种工况下；③数据的采集与归档为通过上位机软件能够实时采集系统的运行数据，并进行自动归档保存；④报警功能为当系统运行异常时报警提示用户，使异常能够得到及时的处理，保证系统的安全运行[6]。

3.1 自动控制系统硬件设计

整个系统的结构如图4所示。自动控制系统由PLC和上位机实现。PLC根据各个设备的功能、安全保护要求以及系统运行工况实施顺序控制，包括各个设备的能量调节和设备间的协调控制。上位机用于各个设备及整个系统运行的监测、控制和紧急状况下的启停机操作，通过总线与PLC进行通信。

图4 监控系统结构Fig.4Structure of monitoring and control system

3.2 自动控制系统软件设计

根据三联供系统的运行规则，在系统启动或停止时，需要顺序控制系统内各个设备的启停。PLC需要实时采集系统的相关数据，以便更好地协调控制系统运行工况，使得系统的运行效率尽可能达到更高。系统与微燃机、冷温水机组、变频器通过Modbus RTU通信协议进行数据的交换。为了保证系统安全运行，启动系统时首先应按照闭式工况启动；工况运行结束时，将系统复位到闭式工况状态，再进行停止。

4 系统运行分析

4.1 主要评价指标

冷热电联供系统的主要评价指标包括一次能源利用率PER和热电比q。PER定义为获得单位有效能量（冷、热或电量）与所消耗的一次能源（即燃料耗量）能量的比值，即

冷热电联供系统的一次能源利用率为

式中：Qcold-load为制冷量；Qhot-load为制热量；Pele-load为供电量；Qfuel为消耗的一次能源能量。

影响联供系统PER的因素主要有发电效率hc，余热回收率α，热量分配系数θ，制冷机COP值。在各影响因素中，对提高系统PER值影响程度顺序[7]依次为hc、α、COP、θ。

热电比q为系统所供冷量与电量的比，定义为

其中，电热比为热电比的倒数，即1/q。

4.2 CCHP系统性能

以冷热电联供系统开式蓄热工况实验为例来分析系统的性能，系统运行在并网售购电方式下，冷温水机最大限度将烟气余热转换为冷热量存储在水池中。在实验中，微燃机并网启动，满负荷运行供系统自身和实验室电负荷，冷温水机供实验室冷/暖负荷，多余电力上网，自动控制系统每隔5 min记录一次数据，同一功率下记录5组数据，然后取平均值，测得数据如表2所示。

表2 三联供系统性能参数Tab.2CCHP system performance parameters

通过燃机的发电效率计算公式为

式中：3.6为单位电量等价的焦耳热量，MJ/（kW· h）；35.5为天然气热值，MJ/（N·m3）。

燃机在不同出力下的发电效率hc依次为11.58%、15.51%、17.85%、19.59%、20.26%。由此可见，随着输出功率的增大，微燃机的发电效率越大。考虑到实验时燃气输配系统采用民用燃气管道，供气压力不足的情况，如果提高燃气供气压力，可进一步提高燃机的发电效率。

对于冷温水机组的制热效率，其跟进入冷温水机组的烟气温度有关。制热效率随着排烟温度的升高而增大。

由式（2）可以计算出燃气的一次能源利用率。可以看出联供系统的一次能源利用率可达到69.61%，较普通的能源利用率有了很大的提高。但PERCCHP与微燃机输出功率不是简单的比例关系。PERCCHP的大小受燃机发电功率P、耗燃气量等多个变量的影响，如果提高燃机发电效率，可进一步提高PERCCHP。

由式（3）可以计算出燃机在不同输出功率下的电热比，当输出功率为10 kW及以上时，电热比大于0.4，满足联供系统电热比要求的指标。

图5为耗燃气量与发电、制热量的关系曲线。当耗燃气量增大时，发电量与制热量相应的有所增加，但不是简单的线性关系。

图5 耗燃气量与发电、制热量关系Fig.5Gas consumption relationship with electricity，heat

5 结语

通过结合常用冷热电三联供系统方案及其原理，介绍了带有蓄能环节的冷热电三联供系统设计方案。文中对系统内主要设备的选型、配置原则以及系统主要运行方式进行了详细阐述，并利用PLC和工控机完成了CCHP监控系统的设计。

最后以蓄热工况实验为例，对系统运行性能的主要评价指标进行了计算。由实验结果可知，随着发电功率的增大，耗燃气量增大，同时冷温水机组的制热功率也相应增大，且系统电热比也随之增大。PERCCHP值也达到了70%，但是随着发电功率的增大，其先减小后增大，它不是简单的线性增大或减小，而是分断线性关系。文中给出了耗燃气量与发电量、制热量的关系曲线。本篇文章为分布式发电与微网实验室建设实例，可以为三联供系统的实际应用提供设计参考。建立的冷热电联供系统如图6所示。

图6 冷热电联供系统现场图Fig.6Picture of CCHP system

[1]华贲．天然气冷热电联供能源系统[M]．北京：中国建筑工业出版社，2010．

[2]任晶鼎（Ren Jingding）.冷热电三联供（CCHP）系统运行分析与监控系统设计（Operation Analysis and Research on Monitoring System for CCHP System）[D].天津：天津大学电气与自动化工程学院（Tianjin：School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University），2012.

[3]马静波（Ma Jingbo）．北京南站三联供系统的电气设计（The electrical design of CCHP system for Beijing south railway station）[J]．铁道标准设计（Railway Standard Design），2009，（9）：105-108．

[4]李赟，黄兴华（Li Yun，Huang Xinghua）．冷热电三联供系统配置与运行策略的优化（Integrated optimization of scheme and operation strategy for CCHP system）[J]．动力工程（Journal of Power Engineering），2006，26（6）：894-898．

[5]汪海贵（Wang Haigui）.采用天然气的小型斯特林冷热电三联供关键技术研究和应用分析（The Research and Applied Analysis of Small Natural-Gas Sterling Cooling-Heat-Electricity Cogeneration）[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学动力与能源工程学院（Harbin：College of Power and EnergyEngineering，HarbinEngineeringUniversity），2004.

[6]吴静怡，吴大为，魏会东（Wu Jingyi，Wu Dawei，Wei Huidong）．建筑冷热电联产系统的自动控制与控制策略分析（Design and realization of BCHP control system）[J]．化工学报（Journal of Chemical Industry and Engineering），2008，59（S2）：163-168．

[7]Li Hui，Fu Lin，Geng Kecheng，et al．Energy utilization evaluation of CCHP systems[J]．Energy and Buildings，2006，38（3）：253-257．

Design，Operation and Analysis of CCHP System

ZHANG Wen，CHE Yan-bo，REN Jing-ding，LIU Jian-xin
（Key Laboratory of Smart Grid of Education Ministry，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

As a distributed energy supply system，the combined cooling，heating and power（CCHP）system which implements cascaded，efficient use of energy，is an important development trend of current electric power and energy industry．This paper introduces the common solutions and principle of the CCHP system．Through the comparison of every solutions and combined with the project requirements，we proposed a novel solution with energy storage link for CCHP system，which can realize the energy utilization of peak load shifting．Meanwhile，we also described and analyzed the system main equipment selection，system configuration，the main operation mode and operating conditions，and the CCHP automatic operation control system is constructed after the analysis of the electrical operational mode and the corresponding control strategy.Finally，taking the heat storage mode experiment for example，the system operation performance and influencial factors are analyzed，and obtained the experimental data and analytic results.The experiment results indicate that primary energy utilization rate can be reached to 70%，and the system can run safely and reliably．

combination of cooling，heating and power；energy storage link；system configuration；operationa mode；primary energy utilization rate

TM919

A

1003-8930（2014）12-0080-05

张文（1988—），男，硕士研究生，研究方向为分布式发电、PWM变流技术。Email：Tjuzhangwen@126.com

2013-09-16；

2013-11-25

车延博（1972—），男，博士，副教授，研究方向为新能源技术、电力电子与电力传动。Email：ybche@tju.edu.cn

任晶鼎（1985—），女，硕士研究生，研究方向为分布式发电技术。Email：79880947@qq.com