天然气冷热电联供系统工业案例应用

周晓波 陶志强 王 芳上海置信节能环保有限公司

天然气冷热电联供系统工业案例应用

周晓波 陶志强 王 芳
上海置信节能环保有限公司

根据自身生产车间及办公楼的用能需求，江苏某造纸公司新建厂房采用了天然气冷热电联供系统，该项目为国内首例工业领域内燃机天然气冷热电联供项目。该项目系统设计发电容量为600 kW、制冷量/制热量为1 725/217 kW，平均年能源利用率达75%以上，与传统供能方式相比较，不仅提高供能的稳定性，每年还节约能源费用约120万元，节约标煤约480 t，经济性与环境保护效果显著。

天然气；冷热电联供系统；稳定性；经济性

冷热电联供技术(Combined Cooling Heating and Power, CCHP)以天然气等清洁燃料为一次能源，按照能源梯级利用的原则，采用高品位能源发电、低品位能源供热、制冷或除湿的方式，在满足用户多种形式用能需求的同时，提高了能源利用率，降低了排放污染。燃气冷热电联供系统适用于人口密集、有大量稳定能源需求的区域，如宾馆、商场、工业和物流园区等场所。

目前国内天然气冷热电联供系统较多应用于楼宇区域领域，提供部分电力负荷和制冷/制热负荷，但是大部分系统容量较小，主要设备为微型燃气轮机和吸收式溴化锂机组等，具有效率高、占地小、保护环境、可减少供电线损和应急突发事件等综合功能[1]。

1 典型天然气冷热电联供系统

典型的冷热电联供系统包括：动力和发电系统、余热回收系统、空调系统及集中控制系统，如图1所示。

（1）动力和发电系统的核心装置是燃气发电机组，利用城市管道天然气作为发电机组的燃料，产出的电能接入用户变压站的低压端，以并网的方式向用户供电。

（2）余热回收系统利用发电机发电时缸套水的余热，通过换热器产生生活热水，供用户使用。

（3）空调系统的核心设备为余热吸收式溴化锂制冷机组，可利用燃气发电机组排出的烟气和缸套水余热制冷或供热给用户。

（4）集中控制系统主要分为两个部分，一个是对电力并网的控制，实现用户并网不上网的功能，也就是不向电网馈电，不足部分可从电网上补充。另外的控制系统是对余热利用的控制，主要是根据用户冷热负荷的变化，实时对回收的烟气和缸套水的温度、流量进行控制，以实现能源的最高利用效率。

2 发电机组的选型及原则

目前冷热电联供发电机组主要有燃气内燃机发电机组、小型燃气轮机发电机组。燃气轮机发电机组多应用于105㎡以上的区域供能，燃气内燃气机组可应用于104㎡～105㎡的楼宇或者区域供能项目[2]。

图1 典型天然气冷热电联供系统流程图

冷热电联供系统基本采用“以热定电”原则，首先确定区域内热负荷，再根据热负荷确定发电功率。如果区内无法消耗电功率，则需要并网将富裕电量上网消耗。

2.1 燃气内燃发电机组的特点

燃气内燃发电机组的突出的优势是发电效率高、环境变化（海拔高度、气温）对发电效率影响力较小、所需燃气压力低、单位造价低，缺点主要是烟气余热利用较为复杂、NOx排放量略高。相比较其他原动力机，其优势比较明显，主要为以下几个方面：

（1）单机能源转化效率较高，发电效率可达46%，能源消耗率低；

（2）地理环境造成动力输出影响最小，高温、高海拔下可正常运行；

（3）发电负载波动适应性强；

（4）操作运转技术简单易掌握；

（5）可直接利用低压天然气进入燃气内燃发电机组燃烧。

燃气内燃机发电机组优点集中在发电效率高，通常在30%～40%之间，发电效率随负载负荷的响较小。从100%负荷降到50%负荷时，内燃发电机组的发电效率从40%变化到约34%，其次是设备集成度高，安装快捷，对于气体粉尘要求不高，基本不需要水，设备的单位千瓦造价也比较低，再次，内燃机发电机组启动较快，0.5～1 min即可完成启动。

2.2 燃气轮机发电机组的特点

燃气轮机发电机组的主要特点是：体积小、运行成本低和寿命周期较长(大修周期大于6×104h）、出口烟温较高、NOx排量较低。

（1）燃气轮机发电机组发电电压等级较高、功率大、供电半径大，适用于电负荷较大的场所，发电机组输出功率受环境温度影响较大；

（2）燃气轮机发电机组余热利用系统简单高效；

（3）燃气轮机发电机组启动时间较燃气内燃发电机组长；

（4）燃气汽轮机发电机组需要次高压或高压燃气；

（5）在停电启动时，需要配备一台小型启动发电机组，启动时间较长。

燃气轮机的优点是余热利用较为简单高效，启动时间较长。发电效率受环境温度影响较大，投资较大，对燃气压力要求较高。

3 项目概况

该造纸厂冷热电联供项目建设地是世界500强企业在中国设定的唯一一家纸机织物生产基地，因生产扩建与用能安全考虑，在新建厂区内建设天然气冷热电联供系统。项目已于2012年10月顺利调试完成，该项目是国内首例工业领域内燃机天然气冷热电三联供项目。系统设计总发电容量为1.2 MW，其中一期发电量为600 kW、制冷量为1 725 kW、制热量（导热油）为217 kW，即由1台德国曼海姆（MWM）TCG2016V12C燃气内燃机组、1套工艺用导热油加热装置、1台热水补燃型溴化锂吸收式制冷机组、一套智能控制系统等部件组成。系统设计以“并网不上网”的方式运行，与市政电网一起满足厂内的用电需求，系统流程图见图2。

图2 系统流程图

该造纸厂厂房不仅经济实用，而且环保节能。施工期间所产生的建筑垃圾回收利用率高达98%;建成后，新织物厂房的用电量主要依靠一座利用清洁天然气发电的节能高效综合热电厂。该热电厂的废热经吸收式制冷机作用后用于重要工艺冷却。项目投产后可年节约能源费用120万元，节约标煤480 t，减排CO2量1 214.87 t，年平均能源利用率约达80%，经济与环境效益显著。

目前该厂房已通过由美国绿色建筑协会颁发的LEED绿色建筑金级认证，这是为数不多的荣获该认证的中国工业建筑之一。

2014年7月21日，全球领先的技术与工业服务供应商福伊特集团近日凭借其位于中国昆山的全新节能环保建筑—昆山某造纸厂房荣获了由德国Econique集团颁发的 “2014年能源大师奖”(Energy Master Award 2014)。该项行业大奖是对该集团推动可持续发展所做出的努力的充分肯定。

We are grateful for financial supports from the Major Program of National Natural Science Foundation of China (61790584).

4 余热利用系统

燃气内燃机发电机组的余热主要以高温烟气（400℃以上）和缸套水（90℃以上）的形式存在，这两部分余热一般可以用来制冷和供热，除此之外，还有少量的中冷器和润滑油冷却器的余热（约50℃），由于温度较低只能用来供应生活用水。本项目不考虑生活用水供热[3]。

燃气内燃机发电机组通常有两种余热利用形式：

（1）余热锅炉+蒸汽/热水双效溴化锂吸收式制冷机、换热器方式；

（2）烟气热水型溴化锂吸收式制冷机。

前者更适合有较大蒸汽或热水负荷需求的场合，这种工艺尤其适用于有一定蒸汽和热水需求的场合，可以通过调节从余热锅炉产出的蒸汽量方便的调节负荷分配；后者系统简单且能源综合利用率高，应用日益广泛。该项目考虑到实际工艺需要，选择第二种余热利用方式。

5 冷热电联供系统的优势

（1）能源综合利用效率较高

冷热电联供系统由于建设在用户附近，不但可以获得40%左右的发电效率，还能将中温废热回收利用供冷、供热，其综合能源利用率可达80%以上。另外，与传统长距离输电相比，它还能减少6%～7%的线损。

（2）对燃气及电力有双重削峰填谷作用

我国大部分地区冬季需要采暖，夏季需要制冷。大量的空调用电使得夏季电负荷远远超过冬季，一方面给电网带来巨大的压力，另一方面造成冬季发电设施大量闲置，发电设备和输配设施利用率降低。

以某地为例，电力供应夏季峰值用电负荷达8.24 GW，而冬季峰值只有5.8 GW。夏季峰值是冬季峰值的1.4倍，并且负荷差逐年加大。燃气使用的高峰则出现在冬季。目前50%以上的天然气消费量用于冬季采暖，而夏季天然气最大日使用量仅约为冬季的1/9，造成夏季天然气管网的利用率极低，还需要设法储存。

采用燃气冷热电联供系统，夏季燃烧天然气制冷，增加夏季的燃气使用量，减少夏季电空调的电负荷，同时系统的自发电也可以降低大电网的供电压力。

（3）具备良好的经济效益

冷热电联供系统和燃气锅炉供热方式每消耗1m³天然气所能得到的经济效益如表1所示。

表1 1m³天然气供热经济性比较

根据调查数据，采用冷热电联供系统，写字楼类建筑可减少运营成本12%，商场类建筑可减少运营成本11%，医院类建筑可减少运营成本21%，体育场馆类建筑可减少运营成本32%，酒店类建筑可减少运营成本23%[4]。

（4）具有良好的环保效益

天然气是清洁能源，燃气发电机均采用先进的燃烧技术，燃气冷热电联供系统的排放指标均能达到相关的环保标准。

根据相关研究，与煤电相比，天然气发电的环境价值为8.964分/kWh。考虑了环境价值后，冷热电联供系统将具有更好的经济性。天然气发电的环境价值见表2。

表 2 天然气发电的环境价值

（5）增强能源供应安全性

冷热电联供系统安装、运行相对比较简单、便捷，可以大幅度提高建筑物用能的电力供应安全性。尤其对于学校、医院等本来就需要备用电源，采用冷热电联供可以兼做备用电源。

冷热电联供系统在保证商业电力电源的同时，也可保证供冷供热设备的多渠道，并且冷热电联供系统可作为防灾设施使用。对原来的用电系统，需配备应急发电机。而冷热电联供系统的发电设备便可作为电力公司供电的应急发电机。在供热方面，冷热电联供系统的排放余热利用可作为供热热源，增加了供给的可靠性。

6 冷热电系统的运行模式

（1）燃气内燃机组独立运行

燃气内燃机组独立运行[5]，发电机组带部分稳定负荷。发电系统不需要与市电并网。电气系统接线形式简单。但燃气发电机组所带最大负荷必须低于发电机组的额定输出功率，燃气内燃机组效率较低，当用电负荷波动时，很难保证燃气发电机组连续满负荷独立运行。

（2）燃气内燃机组与市电并列运行

燃气内燃机组与市电并且，发电机组只带基本负荷。不足部分由市电补充。燃气发电机组可根据负荷需求输出功率。燃气发电机组效率较高，燃气热、电、冷联供系统经济性好。当用电负荷波动时，对发电机组影响较小，供电质量较高。

（3）燃气内燃机组部分电量上网

燃气内燃机组所发电量除满足园区用电负荷外，部分富裕电量用于上网，为园区创造经济效益。

7 结论

目前国内天然气冷热电联供系统大多数应用于楼宇型系统和区域型作为能源站，但在工业领域内推进很缓慢。与传统供能系统相比，冷热电联供系统建设初期投资成本较高、回款周期较长，这是冷热电联供系统建设不得不面对的一大难题。而冷热电联供系统复杂、综合性强、建设条件高，对用户综合素质要求高。类似的问题，在工业应用领域中尤其突出。企业普遍反映，节能减排产生了社会效益，但尚未产生企业效益，即“节能不赚钱”[6]。

为了大力推进冷热电联供系统大力发展，节能公司和企业应该积极跟踪世界科技创新的最新成果，着重从核心技术突破、产业链完善、商业模式创新、市场培育等多方面下功夫，全面推进节能环保低碳技术、装备、产品、服务发展，促进节能环保低碳产业发展；政府应该培育节能环保市场体系，建立适合产业发展的良好外部环境(如下调天然气价格)，多渠道拉动低碳经济投融资，同时继续在税收、财政等方面（如进口设备退税政策、优惠税收政策等）加大对低碳经济的支持力度。

[1]许峰.分布式能源简介及前景[J]. 资源节约与环保，2013，(7)：A30

[2]盛凯夫，饶如鳞.燃气机驱动冷热电联供系统的发展前景[J]，煤气与热力，2002（6）:A510-A514

[3]叶彩花，白一，乔丽洁.燃气冷热电联供分布式能源系统中发电机组选择的分析探讨[J]城市燃气2014，（2）:A21-A24

[4]周遂雯.天然气为能源的冷热电联供经济可行性[J].上海煤气，2002，(1):A27-A29

[5] 马宁,李冰.天然气内燃发电机组分布式能源系统的应用分析[J]. 柴油机.2008，(3):A50-A52

[6]薛梅,董华.天然气热电冷联供系统的效益分析[J].煤气与热力，2003，(5):A309-A311

INFORMATION AND DYNAMIC

节能信息与动态

青浦区开展重点用能单位节能减排专题培训

最近，青浦区组织全区40余家重点用能单位负责人以及各街镇、园区节能工作负责人进行工业节能降耗培训。

此次培训由上海市能效中心等各方面专家进行专题授课，内容包括合同能源管理、分布式光伏发电、清洁生产等有关政策、案例以及能源利用状况报告及节能月报、能源审计实施方法及案例分析、能源管理体系建设等方面。

通过培训，与会同志加强了对新技术、新产品、新政策及节能管理方面的理解和认识，明确了企业节能减排方向。 （徐君）

Industrial Cases Studies on Natural Gas Combined Cooling and Heating and Power Generation System

Zhou Xiaobo, Tao Zhiqiang, Wang Fang
Shanghai Zhixin Energy Saving Environment Protection Co.,Ltd

The article introduces some paper making company’s new built factory applies combined cooling and heating and power generation system in jiangsu according to itself producing workshop and office building energy demand. This project becomes the first industrial internalcombustion engine natural gas combined cooling and heating and power generation system at domestic market. The design power generation is about 600 kW, cooling / heating capacity is 1 725/217 kW, average annual energy utilization is above 75%. Compared with traditional energy supply system, it not only improves energy supply stability, but also saves energy cost about 1.2 million yuan, which saves standard coal 480 tons. It has economic benefit and is environment friendly.

Natural Gas, Combined Cooling and Heating and Power Generation System, Stability, Economy

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.01.009