基于燃气内燃机冷热电联供系统的技术及经济分析

许回江，任晓莉，张国争

(1.陕柴重工西安电站工程分公司 技术中心，陕西 西安 710077； 2.西安交通大学 城市学院，

陕西 西安 710018； 3.西安竞奈尔能源科技有限公司，陕西 西安 710077)



基于燃气内燃机冷热电联供系统的技术及经济分析

许回江1，任晓莉2，张国争3

(1.陕柴重工西安电站工程分公司 技术中心，陕西 西安 710077； 2.西安交通大学 城市学院，

陕西 西安 710018； 3.西安竞奈尔能源科技有限公司，陕西 西安 710077)

摘要：针对某工业园区电力及空调负荷的实际需求，分析研究了其采用燃气内燃机冷热电联供系统的技术与经济可行性。在此基础上，分析了影响冷热电联供系统运行可靠性与经济性的主要因素，并提出了运行工艺与系统设备配置的优化方式。

关键词：燃气内燃机；冷热电联供；烟气热水型余热直燃机；余热利用；并联运行

随着世界能源的日益短缺和排放法规的日趋严格，高效、节能与环保的生产生活方式已成为人类社会可持续发展的必由之路。因此，能源综合利用愈来愈受到大家的重视[1]。

冷热电联供(Combined Cooling heating and power，简称CCHP)是一种建立在能量的梯级利用概念基础上的能源利用与供应系统。作为新一代能源供应系统，其主要优势是：①能源综合利用率高；②节能减排，减少环境污染；③削峰填谷，缓解电力。

现以西安地区某工业园区为例，分析研究其采用燃气冷热电三联供系统的技术经济可行性。该工业园区空调面积3.2万m2，配电容量10 000 kVA，安保负荷容量1 200 kVA。

1燃气冷热电三联供系统设计思路与实现方式[2-3]

燃气冷热电三联供系统是以天然气为一次能源，产生热、电、冷的联产联供系统。该系统利用燃气内燃机等设备，将天然气燃烧后释放的高温烟气首先用于发电，然后利用余热在冬季供暖；在夏季通过驱动吸收式制冷机供冷。该系统一次能源利用率最高能达到90%以上，可大量节省一次能源。

典型的燃气内燃机冷热电联供系统流程如图1所示，电网接入系统如图2所示。

图1　燃气内燃机冷热电联供系统流程

1.1　燃气冷热电三联供系统设计思路

燃气冷热电三联供系统的设计主要基于3个方面：

①控制对象，即满足冷热电负荷的需求；

②控制目标，即控制增量投资、运行成本和二氧化碳减排量；

③实施策略，即设备选型及运行策略的制定。

概括地讲，就是在满足建筑物冷热电负荷的前提下，建立以增量投资、年运行费用及减排要求等为控制目标的函数，并利用权重系数将多目标转换为单目标建立优化模型，得出冷、热、电三联供系统的最优配置容量及生产运行工艺。

图2　电网接入系统

1.2　燃气冷热电三联供系统设计原则

为确保冷热电联供系统运行的稳定性和可靠性，提高联供系统的经济性，在系统设备配套方案设计时，制定以下基本原则：

1)发电机组与市电电网并联运行，供园区使用，但不向市电电网送电，即“并网不上网”。

2)发电机组为园区提供部分用电负荷，在制冷或采暖时段发电机组满负荷运行，余热全部利用，即“以热定电”。

3)工况特殊时，如发电机组检修、季节过渡或遭遇极端气候，采用直燃或补燃的工作模式，满足制冷或采暖要求。

2需求分析与设备工艺[1]

2.1　负荷估算

西安市每年采暖期为4个月(11月15日～次年3月15日)，制冷期为4个月(5月15日～9月15日)。根据园方业主及建筑设计单位提供的相关数据，初步确定全年制冷期为106 d，供热期为101 d，每天运行时段为8:00～18:00。园区空调面积所需冷热电负荷设计指标如表1所示。

2.2　负荷分析

根据设计负荷，参考同类型建筑实测负荷数据进行估算，绘制具有代表性的典型日逐时冷热电负荷曲线，预测全年制冷量、供热量和用电负荷。

园区全年典型日逐时冷热电负荷分布如图3所示，园区冷热量需求预测如表2所示。

表1　负荷设计指标

图3　全年典型日逐时冷热电负荷分布

表2　冷热量负荷预测

根据全年典型日负荷分布图可以看出3种负荷在上班期间较大，随着作息时间的变化，到傍晚下班后负荷逐渐降低，其中热负荷在刚上班时达到峰值，而冷负荷则在下午3点左右达到峰值。夏季夜间冷负荷很少，而冬季夜间室外气温较低，有部分热负荷需求。

由表2可知，全年制冷时间为1 060 h，所需制冷总量为214.2万kW·h，全年供热时间为1 010 h，所需供热总量为137.6万kW·h。

2.3　主设备选型

为满足冷、热、电负荷需求的相对平衡，确保联供系统能长时间地稳定运行，提高运行效率，该项目拟选用1台燃气内燃机发电机组，电功率为1 085 kW，1台烟气热水型余热直燃机，制冷功率为2 908 kW，供热功率为2 245 kW。

2.4　运行工艺

2.4.1电气系统运行工艺

并网运行时，控制一定比例的电负荷由市电供给，其余由发电机组供给，保证发电机组始终处于满负荷状态。如发电机组故障，市电可自动加大负载，承担起园区负载需求；如市电出现故障时，发电机组可作为园区重要负荷的备用电源独立运行。

2.4.2空调系统运行工艺

由于所选发电机组功率较大，在发电机组满负荷运行工况下，利用余热产生的制冷量和供热量可满足科研楼空调负荷的80%左右。因此，根据可能存在的情况，制定不同的联供系统运行工艺，其具体运行方式如下：

1)夏季制冷时，优先采用热水和烟气余热，通过余热直燃机提供7 ℃的冷冻水，通过一次泵经空调分水器，送往办公楼及调试楼。

2)冬季供热时，优先利用发电机缸套水和烟气余热通过余热直燃机换热，以满足空调热负荷需求。

3)当余热不足以满足所有冷热需求时，通过直接燃烧部分天然气进行补充。

4)当发电机组出现故障，无烟气余热可利用时，由天然气直燃驱动烟气热水型余热直燃机，产生冷热源以满足空调需求。

3经济评价[4-5]

3.1　投资估算

项目投资估算如表3所示。

3.2　联供系统运行成本分析

结合实际情况，联供系统全年供冷106 d，供热101 d，每天8:00～18:00运行。园区平均电价为1.05元/kW·h，天然气价为2.3元/m3；每月市政蒸汽价格为7.6元/m2，变压器每月备用容量费为24元/kW，联供系统的经济分析基础数据如表4所示。

表3　项目投资估算表　万元

3.3　联供系统与常规系统技术经济指标比较

在冷热电联产系统的评价中,通常用增量评价法评价冷热电联产系统是否可行。所谓增量评价法就是在满足同样的热、电和冷负荷的条件下,将冷热电联供系统与常规供能方式的投入和产出进行比较,进而对冷热电联供系统的投入和产出增量进行比较的方法。

增量投资回收年限是指能源系统增量投资与年运行费减量之比，年运行费减量为节约的电费减去包括设备折旧在内的全部运行费增量，如下式所示。

式中，ΔC为投资增量，ΔE为发电量增量，ΔG为耗天然气增量，ΔW为运行维护费增量，e为电价，g为天然气价格，c为增量投资折旧率。

从上式可以看出，增量投资回收年限主要受增量投资额度及电价和天然气价格的影响。

联供系统与常规系统技术经济指标对比如表5所示。

表4　联供系统经济分析基础数据表

表5　联供系统与常规系统主要技术经济指标比较

从表5可知，联供系统相对常规系统每年节约158.9万元运行费用，说明联供系统具有一定的经济效益。联供系统累计节约费用与运行年限关系如图4所示。

图4　累计节约费用与运行年限关系

从图4可以看出，按联供系统运行20年计算，当联供系统运行5.62年时，累计节约893.06万元，相当于收回全部增量投资，即增量投资静态回收年限为5.62年。当联供系统运行11.91年时，累计节约1 893.06万元，相当于收回全部投资，即全部投资静态回收年限为11.91年。

3.4　联供系统经济性影响因子分析

1)增量投资对回收期的影响

增量投资对静态投资回收期影响如图5所示。增量投资对回收期影响较大，增量投资越大，回收期越长，当增量投资超过1 000万元以上时，每增加100万元投资，回收期约延长1年。

图5　增量投资对回收年限的影响

2)电价对投资回收期的影响

平均电价对投资回收期的影响如图6所示。以平均电价1.00元/kW·h为基准，电价增加0.05元/kW·h，投资回收期减少约0.5年；电价减少0.05元/kW·h，投资回收期延长约0.7年。由此可见，电价对投资回收期影响较大。

3)天然气价格对投资回收期的影响

天然气价格对投资回收期的影响如图7所示。随着天然气价格的不断增长，回收年限延长，但较为缓慢，说明天然气价格对投资回收期影响较小。

图6　电价对投资回收期的影响

图7　天然气价格对投资回收期的影响

综上分析，初投资对投资回收期影响最大，电价对投资回收期影响次之，天然气价格对投资回收期影响较小。如果增量投资控制在900万元以下，静态回收期将在6年以内。

4结论

1) 与常规系统相比，燃气冷、热、电联供系统通过能源的梯级利用,将高品质的热能用于发电,低品质的热能用于供暖、制冷、供生活热水等，在技术上是行之有效的高效能量利用方式。

2) 燃气内燃机冷、热、电联供系统相对传统系统，增量投资回收期在6年以内，且可为国家节约大量电力投资建设费用，在经济上是合理的。

3) 燃气冷、热、电联供系统的推广，符合国家节能减排、可持续发展的政策要求，在有条件的地方应予以大力推广。

参考文献

[1]严铭卿.燃气工程设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2]刘月琴，代炎，叶水泉.基于燃气内燃机的热电冷三联供系统[J].制冷空调与电力机械，2008,29(3)：1-5.

[3]吴利辉，杨洪海，吴植华,等.三联供系统配置及运行策略的多目标优化分析[J].建筑热能通风空调，2012,31(2):16-18.

[4]华贲.广州大学城分布式冷热电联供项目的启示[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2009,5(2)：97-102.

[5]中华人民共和国住房与城乡建设部.燃气冷热电三联供工程技术规程[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

(责任编辑张凯校对佟金锴)

Techno-Economic Analysis on Gas Engine Combined

Cooling Heating and Power System

XU Hui-jiang1,REN Xiao-li2,Zhang Guo-zheng3

(1.Technology Center,Xi’an Power Station Project Branch Company,Shanxi Diesel Engine Heavy Industry Co.,

LTD,Xi’an 710077; 2.Xi’an Jiaotong University City College,Xi’an 710018;3.Xi’an Jingnai’er Energy

Science and Technology Limited Company,Xi’an 710077,Shanxi Province)

Abstract：According to the actual demand of electricity and air conditioning load in an industrial zone,the feasibility of technical and economic was analyzed and researched using the combined cooling heating and power system.On this basis,the main factors were analyzed which affected the reliability and economical efficiency of CCHP system,and the optimization method for the operation process and system equipment configuration was put forward.

Key words：Gas engine;Combined Cooling Heating and Power;Exhaust gas&hot water direct-fired chiller;Waste-heat utilization;Parallel operation

作者简介：许回江(1975-)，男，陕西咸阳人，工程师，硕士。

收稿日期：2014-08-14

中图分类号：TM611

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)02-0123-05

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.02.007