常用冷热电三联产系统简述

邢蕾

摘要： 我国当前以锅炉燃烧为主的天然气利用模式不能按能量品质用能，严格来讲并不符合节能要求，必须引入新的运行机制来提高能源利用效率，同时改善现状[1]。本文基于天然气冷热电三联产系统的特点提出能量阶梯式利用技术，为能源的充分利用提供借鉴。

Abstract： At present in China the boiler combustion with natural gas model can not use energy according to the quality of energy， and strictly speaking， does not meet the requirements of energy conservation. So we must introduce the new mechanism to improve energy efficiency， and improve the status. In this paper， energy step utilization mode has been proposed based on characteristics of natural gas cool，heat and power cogeneration system， providing references to make full use of energy.

关键词： 天然气；冷热电联产；能量阶梯式利用

Key words： natural gas；cold，heat and power cogeneration；energy step

中图分类号：TE64 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）36-0118-02

0 引言

全球平均化石能源发电效率为35%-37%，联产系统采用能量梯级利用原理可将75%-80%的能源转化成有用能量输出，具有很大的节能减排潜力[2]，受到广泛的关注。天然气热电冷联产系统是分布式能源系统的一个主要分支，它利用天然气作为一次能源，在发电的同时提供热能和冷能，是一种综合的能源供应系统。天然气冷热电联产系统具有诸多的优点，最突出的优点是可以提高能源利用率，是一种高效的能源利用方式。此外，因在供能过程中排放的大气污染物极少，对降低区域温室气体浓度、大气污染防护等方面具积极作用，属于环境友好型的新一代清洁能源供给系统。

1 冷热电联产的系统的原理

冷热电三联产是指冷、热、电三种不同形式能量的联合生产，简称为CCHP。燃料燃烧后产生高品位热能可以通过CCHP转换成电能。在能源转换过程中，该系统做功剩余的低品位热能还可以制冷、除湿、供热或者作为生活热水进行二次利用，这就满足了能源的阶梯式利用要求。基于热电联产系统发展起来的冷热电三联产系统，延续了热电联产系统节能减排的优点，同时也巧妙地规避了热电联产系统在夏季热负荷低所导致的能源利用率低的问题，不仅做到了环境友好，同时也有效提高了能源利用率。这种一体化的生产和供应方式，满足了人们在生产生活中对热量、冷量和用电量的不同能量的需求，克服了常规集中供电能量形式单一的缺点，实现了按质用能的科学原则，提高了能量的利用率。

科学用能主张通过“分配得当，各得所需，温度对口，梯级利用”的生产方式，不断提高能源利用率和供能效率。其中能量梯级利用模式详见图1。

2 冷热电联产系统组成

冷热电联产系统包括四个子系统——动力子系统、供热子系统、制冷子系统和相应的控制子系统[3]（详见图2）。

2.1 动力子系统

设置在动力子系统下游位置的余热回收子系统，能够将动力子系统做功时排出的热量回收并进行阶梯式利用，进而将“废物”和“废能”的排放量减小到最低程度。动力子系统中装配了内燃机、燃气轮机、燃料电池、蒸汽机、斯特林机等动力设备。这些动力设备尤其是燃气轮机、内燃机和蒸汽轮机已经在联产系统中得到了较为广泛的应用。

2.2 供热子系统

供热子系统热量全部或大部分来自于动力系统运行时产生的烟气具有较高的热量，可通过换热器、余热锅炉或者吸收式机组的换热设备来回收这些热量，然后直接通过输送系统将热能输送至用户端。从投资成本来看，这种单一的供能模式大大节省了系统投资成本，而且后期无需花费较多的时间和成本进行系统维护。周围如果存在低温热源，动力系统排出的高温烟气或余热锅炉排放的蒸汽都可以作为高温热源，加上环境中存在的一小部分热量，都可以通过吸收式热泵将这些热量吸收后输送到用户端，就能实现能源的充分利用。但是从另一个角度来讲，这种供热系统构造复杂，并且对低温热源的要求比较苛刻，在实际应用中存在诸多限制，建议配合使用压缩式热泵直接向用户供给热能，或者作为吸收式热泵的低温热源[4]。

2.3 制冷系统

制冷，是基于特定工艺在限定时间内使物体温度或空间温度下降到周围环境介质温度以下，并借助特定技术手段持续地去除物体或者空间中的热量，使温度保持在一定的温度区间内，这就是通常所说的制冷技术[5]。逆向卡诺循环是目前来说一个比较的理想的制冷循环方式。在循环过程中消耗了一些外界功，使热量持续的从低温热源传向高温热源，使低温热源维持在设定的温度区间内。我国当前的人工制冷技术比较发达，相应的技术手段不止一两种。以实现途径作为划分标准，主要有固体绝热去磁制冷、声制冷、氦吸收式制冷气体膨胀制冷、热电制冷、气体祸流制冷、相变制冷等[6]。冷热电三联产系统所采用的制冷方式（包括吸收式制冷、吸附式制冷和压缩式制冷）都是相变制冷技术的分支。

3 冷热电联供系统的分类

以供应范围进行划分，冷热电联产系统就有楼宇型（BCHP）和区域型（DCHP）之分。其中，楼宇型冷热电三联产供能系统多见于医院、商务楼以及具有特殊功能的综合型建筑物。BCHP通常只需几个设置在建筑物内部的小型机组即可实现供能，无需建设外网。DCHP适用于工商业或者大规模的科技园区，系统采用大型机组功能，必要时须姐组合外网设备配合供能，需要建设独立的供能操作中心进行集中供能。从这点来看，冷热电联产系统包括了热力系统和发电系统两大部分。

4 热力系统流程

由于原动机形式的不同，则排热量也具有不同的形式和温度，如微燃机以排烟余热为主，而内燃机有排烟和热水两种形式。热利用的一个重要原则就是热量的“物尽其用”和阶梯式利用，因此应根据不同的温度水平采用相应的利用方式。

各原动机排热温度的法制范围如图3所示。

图3中的大箭头直观地反映出原动机排烟温度的高低变化，左侧的箭头反映出不同原动机排烟温度范围，右侧的箭头反映出烟气余热温度及其利用方式。各动力设备所能达到的温度范围详见表1。

根据能量的阶梯利用原则，在余热的利用方面一般采用如下方式：温度在150℃以上的余热可用于驱动双效吸收式制冷机制冷，或者通过余热锅炉生产蒸汽，蒸汽驱动汽轮机组的发电（燃气-蒸汽联合循环），然后再利用汽轮机的抽汽供热，温度在80℃以上的余热可作为单效吸收式制冷机的驱动热源；温度在60℃以上的余热可以直接用于供热（采暖或生活热水），或者作为除湿机的驱动能源；60℃以下的余热可利用热泵技术回收后用于供热，如采用热泵技术将天然气冷凝热回收供热。

冷热电联产的应用领域广泛，在工业领域：主要应用是水泥、造纸、制药等本身工艺流程就需要一定数量和参数的蒸汽的制造业，因此能够实现节电和节能的目的；在城市领域：主要是建设规模较大的“城市能源心”，通过地下管道向市区重要建筑物供热、供冷和供电；在民用场所：如在高层住宅、宾馆、医院、体育馆等各种建筑和场所都具有广阔的应用背景。

我国能源利用的现状就是消耗大、利用率低，如何使得有限的资源发挥最高的利用效率，需要协调配合充分发挥各自的优势，提高整体的能源利用率。当今世界的发展，能源的制约因素日益突出，通过对各系统的优化组合，充分发挥能源的阶梯式利用原则，是我们一代能源工作者今后努力的方向。

参考文献：

[1]国家能源局.新能源产业发展趋势研究报告[R].2012.

[2]Internaltional Energy Ageacy.Cogeneration and renewables： Solutions for alow-carbon energy future.Paris，2011.

[3-4]张春鑫.冷热电联产系统节能分析[C].北京：华北电力大学，2012.

[5]程有凯.制冷与低温工艺[M].北京：机械工业出版社，2012.

[6]吴业正.制冷原理及设备[M].西安：西安交通大学出版社，1997.