燃气热电联产系统的节能研究

安志伟

（港能投资（上海）有限公司，上海200101）

0 引言

近年来，随着我国能源结构的调整和环保需求的增加，天然气等清洁能源的应用越来越广泛[1]。燃气热电联产系统具有综合热效率高的特点，因此也逐渐应用到供电系统中。该系统的应用，不仅能够有效地利用清洁能源，还能够形成燃气季节性峰谷和电力负荷峰谷的互补，缓解用电紧张的局面[2]。因此，优化燃气热电联产系统的运行，提高节能效率对于提高资源利用率具有重要意义。

1 燃气热电联产系统

电厂锅炉通过蒸汽来驱动汽轮机组进行发电，蒸汽排出汽轮机以后仍然存在大量余热，这部分热量被排放到大气中而无法有效利用[3]，因此，火电厂的热效率通常不足45%。通过热电联产系统可以有效利用这部分余热进行发电或供热，该系统可同时生产电能和热能，使能源利用率提高到80%以上。燃气热电联产系统是一种利用燃气热锅炉和供热汽轮机的热电联产供应系统，该系统不仅具有节能环保的特点，还可以对能量进行梯级利用，提高资源利用率[4]。因此，该系统具有提高供热质量、增加电力供应、节约能源、改善环境等特点。

2 节能分析

燃气热电联产系统包括以下几部分：用户、汽轮发电机组、锅炉、输送环节。该系统包括联产供能和单独供电两种运行方式[5]，联产供能包括热电联产、冷电联产和冷热电联产，单独供电和常规发电机运行方式相同。本文重点分析这三种联产运行方式的能源利用特性及其对节能效果的影响作用。

2.1 热电联产

燃气热电联产系统在热电联产运行模式下，如果输入为零，则系统只能提供电能和热量，不能输出冷量。根据热电联产系统节能率和原动机发电效率间的关系，原动机发电效率越高，则联产系统节能率越高。随着联产系统总效率的持续增加，节能率增加尤为明显，因此，热电联产系统的节能效果受原动机效率和余热回收影响较大[6]。在无补燃条件下，增加分产系统的发电效率，能够较大地增加热电联产系统边界发电效率。例如，假如联产系统总效率为80%，如果燃气电厂供电效率为30%，原动机发电效率为2.8%，则联产系统能够取得良好的节能效果；如果燃气电厂供电效率提高到40%，联产系统效率达到5.6%，即可实现节能。目前我国大部分燃气轮机的内燃机发电效率都大于这一数值，因此，即使在无补燃条件下，只要系统总效率较高，热电联产即能够节能。

补燃能够对联产系统能量进行有效调节，补燃率的提高可使热电联产最小发电效率提高，因此补燃对热电联产节能有着至关重要的影响。根据原动机发电效率理论，在一定程度上，增加补燃率能够满足热量需求；但如果超出最大补燃率，则会对系统的节能造成不利影响。因此在设计运行燃气热电联产系统时，确定最大补燃率进行补燃，能够有效获得良好的节能效果。

2.2 冷电联产

燃气热电联产系统在冷电联产运行模式下不能供热，只输出电能和冷量[7]。根据原动机发电效率和节能率的关系，吸收式单效制冷机组性能系数为0.6，双效制冷机组性能系数为1.2，节能率随原动机发电效率增加而增加，但增加幅度则逐渐减小。无补燃条件下，冷电联产系统的节能效果与制冷方式和原动机发电效率有关。然而基于联产系统的总效率，采用双效吸收式制冷的方式提高节能效率效果不佳。在补燃条件下，提高补燃率可使冷电联产系统边界发电效率随之提高。对于需冷量较大的场所，要使冷电联产系统取得较好的节能效果，可采用其他制冷和余热制冷相结合的方式，不仅可以保证供冷量，还能取得较好的节能效果。

2.3 冷热电联产

与冷电联产和热电联产不同，除了可以输出电量，冷热电联产还能够输出冷量和热量。因此与冷电联产和热电联产相比，冷热电联产较为复杂[8]。首先，假定吸收式双效制冷方式进行制冷用于供热和供冷热量的余热比比值为2.5，制冷系统为1.2。根据无补燃条件下原动机发电效率和节能率之间的关系，联产系统节能率随着原动机发电效率的增加而增加，但增加幅度逐渐减小。在补燃条件下，补燃率增加使得原动机边界发电效率增加，冷热电联产系统节能边界发电效率也随之增加。假设冷热电联产系统总效率为80%，当补燃率为0.5时，原动机发电效率为28%就能够获得较好的节能效果；当补燃率达到1.4时，原动机发电效率要达到40%时才可以取得同样的效果。因此，冷热电联产系统和热电联产系统相比，补燃率对其节能效果影响较大且其节能条件更加苛刻。在补燃率为0时，余热利用方式对联产系统节能率具有较大影响，系统的节能率随着吸收制冷的余热热量的增加而降低。同分产电制冷方式相比，余热吸收式制冷一次性消耗的燃料更多，如果制冷系统余热利用较多，而联产系统总效率较低，在运行设计时应考虑其节能设置。

3 结语

本文在对燃气热电联产系统进行分析的基础上，对热电联产系统中联产运行的三种运行方式进行了节能分析。由此得知，三种联产系统节能率均受补燃率的影响，即随着补燃率的升高而减小。在保障联产系统节能的基础上，补燃率从小到大依次为冷电联产、冷热电联产和热电联产。此外，冷热电联产系统节能率随着制冷余热量的增加而减小，因此，设计燃气热电联产系统时，应对余热量进行合理分配，有效调节补燃量。

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