陈霖新

(中国电子工程设计院，北京 100142)

0 引言

在我国天然气供应日益增多的情况下，面对我国节能减排的严峻形势，为提高能源利用效率，促进结构调整和节能减排，推动天然气分布式能源有序发展，国家相关部委于2011年10月以发改能源〔2011〕2196号文发布《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，文件指出：“应以提高能源综合利用效率为首要目标，重点在能源负荷中心建设区域分布式能源系统和楼宇分布式能源系统，包括城市工业园区、旅游集中服务区、生态园区、大型商业设施等”。国家电网公司也发布了《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》，文件指出：“所称分布式能源是指位于用户附近，所发电能就地利用，以10 kV及以下电压等级接入电网，且单个并网点总装机容量不超过6 MW的发电项目”。“建于用户内部场所的分布式电源项目，发电量可以全部上网、全部自用或自发自用余电上网，由用户选择，用户不足电量由电网提供。上、下网电量分开结算，电价执行国家相关政策。”

从以上引述可见，我国政府及相关部门已对燃气分布式能源系统制定、发布了明确的支持、指导和服务工作意见，为我国燃气分布式能源系统的推广应用创造了良好的条件。燃气冷、热、电联供分布式能源系统DES/CCHP(Distributed Energy System/Combined Cold，Heat and Power)是我国发展分布式能源系统的优良方式，它是从一次能源天然气转换到终端用户应用的全过程科学用能系统，能够实现“分配得当、各得其所、温度对口、梯级利用”科学用能思想，提高一次能源利用率；由于DES/CCHP具有分布式能源系统的所有特点，它建设在能源终端用户的建筑物内或其邻近处，近距离的冷、热、电供应减少了输能管线的能量损失和建设投资；它可针对各类终端用户的冷热电负荷特点、使用状况，进行认真统计、分析，采用优化集成燃气发电技术，各种制冷、蓄冷、蓄热技术及热泵技术等，做到夏季供冷、冬季供热，可使燃气发电装置的年运行小时数达到5 000 h左右，运行经济、降低运行费用；环境友好，采用冷热电联供比常规分供的综合能耗降低，可相应降低温室气体的排放量；DES/CCHP夏季发电并同时供冷、冬季发电并同时供热，在许多地区将会有利于电网和燃气供应的削峰填谷。目前，各地区、各相关园区、企业和规划设计部门都十分关注燃气冷热电联供分布能源系统的建设，如何才能使DES/CCHP建造后达到减少一次能源消耗、较大幅度地提高能源利用率的预期，并得到显著的经济效益，是拟采用DES/CCHP系统的决策者和规划设计人员十分关心的问题。本文对合理配置燃气冷热电联供分布式能源系统，提高节能和经济效益的相关问题进行研究。

1 能源站计算负荷与运行模式

燃气冷热电联供分布式能源系统的特点之一是设在用户终端，DES/CCHP能源站的建设规模、年一次能源消耗量、技术经济比较等主要依据供应范围内建筑物或建筑群的冷、热、电负荷及其变化情况，既应按各类用户不同功能区环境参数要求计算冷、热、电负荷，又应按使用情况和室外环境参数的变化计算或绘制不同季节的负荷曲线，包括供热季、供冷季和过渡季的连续负荷曲线和典型日负荷曲线，某办公楼和某大厦的典型日负荷曲线如图1～图4所示。同时，应计算供应范围内总的冷、热、电负荷，并计入“同时使用系数”，该系数通常应小于 1.0。这样得到的DES/CCHP能源站供应范围内的冷、热、电汇总计算负荷才能比较接近投入运行后的实际需求情况，不能简单地采用建筑群或建筑物工程设计的冷、热、电负荷，避免DES/CCHP设备配置不当或某些设备能力偏大而不能实现经济运行，甚至运行困难；避免燃气发电装置余热不能充分利用而达不到预期节能目标；投入运行后的燃气发电装置可做到充分发挥发电能力，发电机组可长期处于满负荷或较高负荷运行，提高全年节能和经济效益。

图1 某办公楼典型日冷负荷曲线(供冷期)

图2 某办公楼典型日热负荷曲线(供暖期)

图3 某大厦典型日电力负荷曲线

图4 某大厦典型日电力负荷曲线

DES/CCHP的运行模式，其一是运行时间的制定，包括年运行天数、供冷季/供热季/过渡季或月/周运行天数和每天的运行小时数，在规划、设计DES/CCHP时应实事求是地按用户冷热电负荷特点确定全年的运行小时数及其分布情况，这是关系到能否真正做到节能减排和经济运行的基本条件；其二是能源站生产电力的出路，在自发自用、自发自用余电上网、并网售电、并网不售电等方式中，推荐采用并网不售电的自发自用方式，并在城市电网的低谷时段不发电并从电网购电，既降低运行成本，又利于城市削峰填谷。

根据气候变化特点，我国分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区等，为确保室内所需的舒适环境，各地区各类建筑对供热、供冷的需求差异较明显。寒冷地区既要求冬季供热，又需要夏季供冷，且需较长的供热、供冷时间，由于这些地区供冷、供热季不同时日的昼夜温度变化较大，所以每天的负荷都在变化。在夏热冬冷地区虽然冬季也需供热，但热负荷较低，夏季需供冷，其冷负荷较大且供冷时间较长。夏热冬暖地区主要是要求供冷，其冷负荷较大且供冷时间可能长达10个月，但在夏季、过渡季甚至是冬季，所需冷负荷也是随环境和使用功能不断变化的。冷、热负荷的变化直接影响到DES/CCHP的运行状态，影响燃气发电机组的运行小时数和负荷率，最终影响到节能减排的实际效果和经济效益，所以在进行能源站的规划、设计时必须准确地确定运行模式。一些工程项目实际运行情况表明，DES/CCHP年运行时间不宜少于3 000 h，每天的运行时间宜为10～18 h，在城市电网的低谷时段不宜运行，以利于城市电网供电系统削峰填谷。

鉴于我国电力生产是以煤电为主，我国燃煤、燃气的价格差异在较长时期内将不会有大的改变，所以燃气发电的成本难以与燃煤发电成本竞争，劣势短期内不会改变。DES/CCHP能源站建设在用户终端，具备实现“并网不售电”的可能，燃气发电量全部“自发自用”，并且保持能源站生产电力始终低于供应范围内实际使用电力，总是要从城市电网购入部分电能，这样既可减少使用城市电网的电费支出获得较好的经济效益，又可通过DES/CCHP设备的合理配置，确保用户端的可靠供电。目前，国外一些公共建筑采用这种运行模式使DES/CCHP获得了较好的节能和经济效益。

2 合理进行燃气冷热电联供系统及设备配置

2.1 燃气发电机组的类型及能力

燃气发电机组是DES/CCHP的核心设备，其类型选择恰当与否直接关系运行的经济性、可靠性。目前，国内外广泛采用小型或微型燃气轮机、内燃机等，这些机组各具特点和优势，应根据应用项目的条件、规模、冷热电负荷及使用特点等因素认真分析、核算、比较之后选定。不同燃气发电装置的特性见表1。

表1 不同燃气发电装置的特性

燃气发电机组的选用一般应考虑下列因素：一是机组的发电效率，一些项目前期研究表明，发电效率提高一个百分点，DES/CCHP的综合经济效益可能提高1%～2%；二是所需燃气供应压力，我国城镇燃气在末端用户处常为≤0.4 MPa的中压或低压管网，只有在城镇燃气主管或干管邻近处才有≥0.8 MPa的次高压或高压燃气管网，若建设场所燃气压力不能满足小型燃气轮机需要,需增设燃气压缩机进行增压，将增加投资和运行费用；三是设备寿命和运行维护工作量，小型、微型燃气轮机使用寿命长、运行维护工作量少，而燃气内燃机需要日常维修和定期维修，每年要支付一定的维修费用或停机维修；小型、微型燃气轮机和内燃机的设备费用不同，通常燃气内燃机单位发电能力的设备价格较低。

DES/CCHP能源站的电力供应计算负荷是选择燃气发电机组发电能力和台数的主要依据。目前，国内外DES/CCHP应用中燃气发电机组通常选用2台或2台以上，由于工程项目的具体条件和使用要求不同，也有设置多台发电机组的能源站。如西班牙马德里机场在2005年投入运行的DES/CCHP能源站设置6台6 MW燃气内燃发电机组；伦敦某电子公司集成电路工厂的DES/CCHP能源站，采用8台5 MW的燃气内燃发电机组,且采用n+2的机组配置方式，确保不间断供电。

2.2 电制冷机和热泵的配置

DES/CCHP能源站在城市电网低谷时段不发电，若能源站供应范围内有供冷需求，应设置电制冷机并由电网供电制冷；在能源站选择的燃机发电能力下，燃气发电装置的余热制冷不能满足夏季冷负荷需求时，一般可采用普通燃气直燃机制冷，在燃气发电机组或排气出口补燃增加制冷量，电制冷机制冷等方式。国内外DES/CCHP能源站的实践表明，采用电制冷机制冷补充“不足冷量”是节能减排和经济运行的优良方式。图5是DES/CCHP采用电制冷与吸收式制冷不同比例时节能率的变化曲线，该曲线是以城市电网发电效率为55%(此发电效率是按燃气蒸汽联合循环机组计，实际上我国各城市电网的发电效率一般在40%左右)、电网输配效率为90%、电制冷机的制冷性能系数(COP)为5.0、余热吸收式制冷机的COP为1.2进行绘制的。从图中曲线可见,采用燃气轮发电机组(ηt=78%)时，若余热吸收式制冷机制冷量小于或等于92%，其供冷期的节能率为4%～62%；采用燃气内燃发电机组(ηt=82%)时，各种配比在供冷期都是节能的；当电制冷机供冷量大于50%后，其节能率均在40%以上，因此在DES/CCHP中的“不足冷量”推荐采用电制冷机供给。

图5 不同制冷机配置方式的节能率

在DES/CCH中配置热泵，节能减排效果更加显著。利用已经配置的电制冷机，根据具体项目的条件，经过技术、经济比较可采用不同类型热泵，如水源热泵(地下水、地表水、污水或中水等)、土壤换热器(地埋管等)以及其他形式的热源，获得40～60 ℃热水供应采暖、空调和生活用热水，一般可提高一次能源利用率5%以上，节能减排效果十分明显。新建北京火车南站的DES/CCHP能源站即采用污水源热泵，供应南站暖通空调热水。

2.3 燃气冷热电联供分布式能源系统的运行案例

DES/CCHP在国内外都有一些实际运行案例。20世纪80年代以来，美国、欧洲、日本等均建设了一批DES/CCHP，取得了很好的节能和经济效益。如美国佛罗里达州奥兰多(orlando)迪斯尼乐园的燃气冷热电联供能源站，装设2套60 MW的燃气轮机发电装置+余热锅炉+蒸汽吸收式制冷机+电制冷机+烟气/水换热器，供应游乐园区约5 km2范围内各种建筑物(含数座五星级宾馆等)的空调用冷冻水、生活热水和部分电力，能源站的全年效率可达80%左右，具有很好的节能和经济效益，并已运行多年。英国某微电子工厂，在厂区内设有燃气内燃机发电装置的燃气冷热电联供能源站，根据需要采用了n+2配置，设置了8台5 MW的燃气内燃机发电装置，正常运行6台；发电装置排出的烟气和缸套水等余热经吸收式制冷机得到的冷冻水与电制冷机得到的冷冻水一起供应净化空调系统和供应关键生产设备等的连续供电。该能源站运行多年，并在工厂扩建中再次进行扩大。

广州大学城DES/CCHP项目于2009年10月建成并试运行，2010年暑期开始供冷。该能源站设有2套78 MW的燃气-蒸汽联合循环发电机组，排出的500 ℃烟气至余热锅炉产生4.0 MPa的过热蒸汽送至汽轮机发电装置；余热锅炉排出的烟气经烟气/水换热器降温后排放，换热得到的60 ℃热水与汽轮机凝汽器的冷凝潜热获得的热水汇合后供应大学城的生活热水；广州大学城区域供冷系统的总供冷能力为11万t，由设在能源站内蒸汽吸收式制冷站和3个由能源站直接供应电力的电制冷/蓄冷供冷站组成。上海浦东国际机场燃气冷热电联供能源中心于2000年投入运行，设有1台4 MW的燃气轮发电装置+余热锅炉(约11 t/h)+蒸汽吸收式制冷机(4台1 500 RT)+电制冷机(4台4 000 RT+2台7 200 RT)+燃气锅炉。夏季燃气发电装置的高温烟气经余热锅炉生产的蒸汽与燃气锅炉生产的蒸汽，由吸收式制冷供应机场空调用冷，不足冷量由电制冷机补充，生产电力除供能源站自身使用外还供临近用电设备使用，该能源站运行多年，经济、社会效益明显。成都新希望集团的冷热电联供分布式能源站已投入运行多年，设有8台500 kW燃气内燃机和2台吸收式制冷机，供应一座五星级宾馆和部分写字楼用冷和部分电力，节能和经济效益显著。长沙黄花机场燃气冷热电联供分布式能源站于2012年投入运行，设有2台约850 kW燃气内燃发电机和吸收式制冷机、电制冷机等，承担该机场3号航站楼的供冷、供热、生活热水和部分电力供应，投入运行后其节能和经济效益良好。

3 结束语

(1)燃气冷热电联供分布式能源系统是分布式能源系统的优良方式，也是我国大力提倡的节能减排有效措施，各类园区、公共建筑和建筑群建设中积极贯彻《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，大力发展燃气冷热电联供分布式能源系统，提高一次能源利用率，达到节能减排的目标。

(2)冷热电联供的冷热电计算负荷不能简单地采用建筑物工程设计数据，应该结合工程项目的具体情况准确地计算年、季(月)、日、时冷热电负荷及其变化(曲线)，并在此基础上确定能源站的运行模式，以取得较好的经济效益。

(3)依据具体工程项目特点，合理配置燃气冷热电联供分布式能源系统，正确选择燃气发电机组类型和单机发电能力，在充分利用燃机余热和充分发挥发电能力的条件下，多生产电力，获得较好的经济和社会效益。

参考文献：

[1]建设部工程质量安全监督与行业发展司，中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇：暖通空调·动力[M].北京：中国计划出版社，2007.

[2]华贲,龚婕.分布式冷热电联供能源系统经济性分析[J].天然气工业，2007(7):118-120.

[3]华贲.我国分布式能源发展战略探讨[J].科学管理研究，2004(1):1-3,31.

[4]陈霖新.燃气冷热电三联供的能量消耗分析研究[J].节能与环保，2005(4)：5-8.

[5]陈霖新.冷热电联供是我国推行分布式能源系统的主要形式[C]//第五届国际热电联产分布式能源联盟年会论文集.北京：国际分布式能源联盟，中国电机工程学会热电专业委员会，2004.

[6]忻奇峰.燃气轮机热电联供系统运行经济性分析[J].能源技术，2003(5):13-15，32.

[7]陈霖新.燃气冷热电联供分布式能源系统在我国推广应用的再思考[J].发电与空调，2012(3):6-11.