周子成

三 联 产 技 术

周子成

[摘要]由于冷热电三联产技术的经济性和生产效率，以及它对于减少碳排放量的积极影响，目前正在日益普及。本文综述三联产技术的原理及它的应用。

[关键词]热电冷三联产；应用；吸收式冷水机组；太阳能

1引言

三联产是只使用一种燃料能源的输入能够同时生产出三种不同形式能源输出的系统。通常情况下，这三种形式的能源是制冷、制热和电力。

能源是人民生活中的必需品，也是工农业生产需要的动力，能源消耗量反映出社会发达和技术进步的程度。然而一个国家的能源资源总是有限的，如何高效、充分地利用能源，是当今社会发展和技术进步的重要任务,合理利用能源还可以减少碳排放量，保护环境。

三联产是一种建立在能量梯级利用基础上同时获得制冷量、制热量和电力的一体化综合能源转换系统。它将单一的高品位能源转换为机械能驱动发电机，或者同轴再驱动机械制冷系统的压缩机，同时将转换过程中产生的较低品位的余热提供吸收式制冷机产生制冷量和/或制热量，或者直接回收余热提供供暖和供热水等应用，因此是目前最合理的一种能源综合使用方式。

冷热电三联产能源系统的整体效率可以达到86%至93%。而典型的不利用燃烧和发电过程中产生热量的“集中”发电系统的效率只有约33%。由此可以看出，三联产发电具有最高的系统效率，并且要比典型的集中发电的效率高300%，比集中发电减少碳排放量50%以上。

世界上冷热电三联产概念首先是在1978年由美国公共事业管理政策法公布后正式在美国开始推广，然后被其它先进国家采纳。

2工作原理

由100%的燃料输入到三联产装置，可以产生约30%的电力输出，同时可产生55%左右的热量输出。这部分热量可以驱动吸收式或吸附式制冷机产生制冷量或制热量输出，同时还有一部分较低温度的热量输出。这样输出的有用能量约为85%。其余15%左右的是损失掉的能量。

冷热电三联产与其他发电方式效率的比较示于图1。可以看出，三联产发电的效率在80%到90%，是能源利用效率最高的一种。其次是热电联产，效率在62%到70%，而集中发电的效率只有24%到34%。三联产与其他相竞争的技术相比，具有“超级效率”，没有一种其他技术能与冷热电联产相竞争。从容量来看，三联产的容量范围很宽，通常从100kW至50万kW。适合于大、中、小的发电需要。

图1　三联产与其他发电方式的效率比较

在大多数三联产动力和能源系统中，从发电设备的废气被输送到热交换器以回收气体中的热能。这些热交换器通常是空气—水热交换器，其中废气流过某种形式的管与翅片的热交换表面，废气中的热量被传递到生成的热水或蒸汽里，生成的热水或蒸汽用于提供热水或供暖，和/或操作热激活设备，如吸收式冷水机组用于制冷或干燥剂除湿。如图2所示。

许多在建筑物中的冷热电三联产系统中使用废热回收技术，通常需要100至1000kPa压力的热水。在需要附加的蒸汽或加压热水的情况下，必要时可以用管式燃料燃烧器给排气提供补充热量。在其他情况下，如果来自发电设备的排气温度是足够低，如许多微型燃气轮机的技术，热的废气可以与补充空气相混合，并直接排入加热系统用于建筑物供暖。

许多装置使用一个挡板分流器来分流热的排出废气，改变流至热交换器传热表面的流量，以保持热水或蒸汽发生率在规定的设计温度，如图2所示。

余热回收技术能提供最大投资回报的解决方案，它比任何其他可能的绿色能源技术或“无碳能源”具有最低的成本。

图2　典型的热回收

图3是一个典型的三联产系统的例子。燃料气体进入内燃机发电机组，产生电能输出。内燃机的排出废气，通过热交换器后从烟囱排出，流过热交换器的热水，一部分加热溴化锂吸收式冷水机组的发生器，另一部分直接供给供热消费者。溴化锂吸收式冷水机组输出的制冷量提供给制冷消费者。另外，燃料气体还提供给一个高峰锅炉，在高峰时段当内燃机排出的废气热量不够消费者需求时作为补充热量。

图3　三联产系统

3烟气型溴化锂吸收式冷水/热水机组

烟气型溴化锂吸收式冷水/热水机组是三联产中最常用的制冷机组，它由发电机组的烟气和其他热源操作。有烟气型和烟气热水型两类。高温烟气型吸收式冷水/热水机组主要应用于透平发电机组(包括微型透平)的三联产装置和其他有适合的高温烟气并且需要空调的地方(如工业焙烧炉)。烟气热水型的主要热源可以从内燃机的烟气和冷却水套流出的热水获得。这些类型也可以用于其它有高温烟气和需要空调的地方。

为了满足舒适和工艺空调的需要，当发动机的烟气和冷却水套的热水不够驱动吸收式冷水机组/热水器时，可以采用有燃烧器的(直燃型)吸收式冷水/热水机组，用燃烧器的燃气给溴化锂吸收式冷/热水机组的发生器补充热量。

对于内燃机驱动的三联产装置，如果烟气足够满足空调需要和热水足够满足其他应用需要，则烟气型是合适的。

常见的带有烟气型溴化锂吸收式冷水/热水机组的三联产系统有下列四种典型模式：

(1)燃气透平+烟气型溴化锂吸收式冷水机组，如图5(a)所示。

(2)燃气透平+带燃烧器的烟气型溴化锂吸收式冷水/热水机组。如图5(b)所示

(3)内燃机+烟气热水型溴化锂吸收式冷水/热水机组，如图5(c)所示。

(4)内燃机+烟气/热水的带燃烧器溴化锂吸收式冷水/热水机组，如图5(d)所示。

在模式(1)中，燃料送入燃气透平燃烧室内，吸入空气由燃气透平驱动的增压压缩机，压缩后进入燃烧室，燃料和压缩空气在燃气透平燃烧室内混合燃烧，产生高温、高压的燃气，驱动燃气透平发电机，烟气直接进入溴化锂吸收式冷水/热水机组，提供空调载冷水(热水)。

在模式(2)中，除了具有和模式(1)相同的功能以外，当烟气不够满足空调用的制冷量需要时，吸收式机组的燃烧器系统被启动，提供一

部分补充燃料进入吸收式冷水/热水机组的燃烧器。

在模式(3)中，燃料在内燃发动机的燃烧室内燃烧，产生机械功驱动发电机，发动机的高温烟气和冷却水套水是直接进到溴化锂吸收式冷水/热水机组，提供空调载冷水(热水)。当供热系统运行时，发动机冷却水套水是直接进到水/水热交换器，产生提供供热的热水。

在模式(4)中，除了具有和模式(3)相同的功能以外，当烟气不够满足空调用的制冷量需要时，吸收式机组的燃烧器系统被启动，提供一部分补充燃料进入吸收式冷水/热水机组的燃烧器。这种模式以冷水机组和供热负荷为基础合理配置发电机和冷水/热水机组容量，节省设备投资，并提高系统操作的经济性。

表1列出了烟气型溴化锂吸收式机组三联产的一些特征。

图5表示了烟气吸收式冷/热水机组的结构示例。该机组利用燃气透平装置的高温烟气排气作为燃料，水作为制冷剂，溴化锂作为吸收剂，产生空调或工艺过程需要的载冷水或热水，它由烟气高压(HP)发生器、低压(LP)发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、高温热交换器、低温热交换器、和一些辅助部件，如密封泵和真空泵等组成。真空泵和抽气设备是为了保持设备在运转时处于真空状态。

图4　烟气驱动溴化锂吸收式机组三联产的四种模式

表1烟气型溴化锂吸收式机组三联产的一些特征。

型式烟气型具有燃烧器的烟气型烟气/热水型具有燃烧器的烟气/热水型功能制冷/制热制冷/制热制冷/制热制冷/制热制冷量0.35~9.3kW0.35-9.3kW0.35~9.3kW0.35~9.3kW热源高温烟气高温烟气,燃气(油)高温烟气,热水高温烟气,热水,燃气(油)热源特性烟气温度250℃烟气温度250℃天然气,LPG,城市煤气,轻燃油或重燃油烟气温度250℃C热水温度90℃烟气温度250℃热水温度90℃天然气,LPG,城市煤气,轻燃油或重燃油设计寿命(年)20202020应用有高温烟气(低硫和外来物质)和需要空调的地方有高温烟气(低硫和外来物质)和需要空调的地方有高温烟气(低硫和外来物质)和需要空调的地方有高温烟气(低硫和外来物质)的地方应用特点主要应用于燃气透平(包括微型透平)三联产,内燃机,燃料电池作为发电驱动的三联产,也用于高温烟气(如工业焙烧炉烟气)制冷(制热)主要应用于燃气透平(包括微型透平)三联产,内燃机,燃料电池作为发电驱动的三联产,也用于高温制冷(制热)(如工业焙烧炉烟气)主要应用于内燃机作为发电驱动的三联产,也用于高温烟气(如工业焙烧炉烟气)制冷(制热)主要应用于燃气透平、微型透平,内燃机,外燃机发电厂

图5　烟气驱动双效溴化锂吸收式制冷/热水机组工作流程图1-烟气高压发生器；2-低压发生器；3-冷凝器；4-蒸发器；5-吸收器；6-制冷剂泵；7-溶液泵；8-低温热交换器；9-高温热交换器；10-切换阀；11-单向阀

该机组是一台双效溴化锂吸收式冷水机组，可以在制冷模式或制热模式下运行。

在制冷模式时，烟气进入高压发生器，加热稀溶液，使溶液中的水分蒸发成水蒸汽，水蒸汽进入低压发生器，使中间浓度的溶液蒸发产生水蒸汽，水蒸汽进入冷凝器冷凝成水，然后进入蒸发器蒸发，使流过蒸发器的载冷水温度降低。在蒸发器中蒸发的水蒸汽进入吸收器，被浓溶液吸收，成为稀溶液，由溶液泵泵送经过低温热交换器和高温热交换器后流入高压发生器。由蒸发器流出的低温载冷水供空调或工艺冷却使用。

在制热模式时，高压发生器中的溶液被烟气加热，产生水蒸汽，通过管道进入蒸发器，蒸汽的一部分在管外冷凝，一部分降低温度，加热管内的水，热水向外部系统提供供热需求，蒸发器内的水和降温后的水蒸汽进入吸收器，被浓溶液吸收成为稀溶液。通过溶液泵被泵送到高压发生器，如此连续循环流动。

当从制冷模式变换到制热模式时，打开两个转换阀，冷却水泵和制冷剂泵停止运行。

载冷水进/出水温度在12℃/17℃，允许出水温度低至5℃。热水进出水温度在56℃/60℃。烟气进气温度520℃，出气温度在制冷操作时170℃，制热操作时130℃。冷却水进/出水温度在32℃/38℃，进水温度允许在18～34℃范围内变化。载冷水/热水和冷却水流量可以在60%～120%变化。负荷可以在25%～120%范围内调节。

在机房中需要安装烟囱，让烟气吸收式冷/热水机组的烟气排出。图6表示了一种烟气排气系统的例子。烟气流道应设计成保持出口压力在-5到0 mmH2O。机房内安装的烟囱按照公式6L-N设计烟囱高度H(m)，其中L是烟囱水平部分长度，N是转弯数。实际烟囱高度应不小于计算值或8m，并且如果周围有建筑物，应高出周围最高建筑物3m。同时烟囱高度应符合当地法规和环保规定。烟气流道和烟囱断面积应不小于机组排气口的断面积。通常烟气管道的总断面积应不小于分支管的总断面积，它应有开启标志的阀。烟气/(热水)型的冷水/热水机组的烟囱应设有瓣阀，烟气排气管应有补偿接头，通常用圆形管和圆弧形的弯头，对于有分支连接在一起的，应采用图6的结构。保护帽、照明杆和防风盖应有收缩或膨张的结构。防雨盖应有两倍烟囱的直径。烟囱出口位置应选择远离冷却塔和三联产尾部进口，并且容易看到烟，烟气流道的水平段应高于设备最高处，断面的最低部位应有排水封。它应该与冷水/热水机组烟气排气管及排水管道相连接。通过200mm U形水封排放到沟渠。烟囱应该用砖和水泥建造，以防腐蚀。管道通常使用壁厚不小于4mm的钢管。在直管段应提供补偿烟囱热膨胀的膨胀接头，当烟气管通过墙壁且有法兰时，应设置耐火砖和保温材料，烟气流道应保温和密封，保温材料(岩棉毡或水泥珍珠岩板)应能耐温350℃。

图6　烟囱排气管结构简图

4应用

三联产是一种分布式发电系统，所谓“分布式”是“集中式”的反义词。分布式发电系统可以灵活地分散设置在消费者的附近，省去复杂的输配电和变电设施。提高了输送效率。它的容量范围也比较宽，过去仅应用在几兆瓦的燃料电池和低排放的发动机中，而现在已扩展到在1000～5000kW范围输出的燃气轮机设备中。更显出了冷热电联产系统的优点。也扩大了它的应用范围。例如可以用于数据中心，医院，大学，机场，中央植物园，高校，奶制品，服务农场，区域供热和冷冻厂，食品加工厂，高尔夫/乡村俱乐部，政府大楼，杂货店，酒店，制造工厂，疗养院，写字楼/校园，电台，冷藏仓库，度假村，餐厅，学校，购物中心，超市，电视台，剧院和军事基地等场所。

美国主要是发展小型冷热电三联产，现有冷热电三联产系统110余座。美国能源部规划到2020年50%新建商用、写字楼类建筑采用小型冷热电三联产。

日本在2000年底已建冷热电三联产系统1413座，平均容量477kW，广泛应用于医院、办公楼、宾馆及其它综合设施。

我国目前尚属起步阶段，没有自己的燃气发动机与发电机组生产厂，已建成的三联产主要集中在大城市和大型重要的建设项目，不够普及。

下面列举几个应用的例子。

(1)广州大学城

广州大学城冷热电联产能源站由法国达而凯公司、中国华电工程集团、广州大学城三方合资建设，于2007年建成。包括2台78MW的燃气—蒸气联合循环装置的电站、集中供热和区域供冷三部分组成。为10所高校及城市中心区提供多种能源服务。能源站除满足大学区用电外，还集中向四个供冷站供电，发电站产生的余热(110℃蒸气)供应各校区15万大学生的学生公寓生活热水。集中供冷分为四区：第一区供给二期建设校区，总装机容量3万冷吨，第二区供给华南理工大学生活区(广外大、中医药大、中医药学院、华南理工)，总装机容量2.5万冷吨。第三区主要服务于位于中心区北区的华南师大、星海音乐学院和城市中心区公共建筑，总装机容量2.5万冷吨。第四区主要服务于位于中部快线与中环路之间绿地内的广州大学、广东科学中心、广州美院和广东工业大学校区，总装机容量2.7万冷吨。四个冷站都配备冰蓄冷系统，利用夜间低谷电力制冷。

(2)上海浦东国际机场

机场能源中心采用美国束拉公司的热电联产系统，其自发电功率4000kW。供冷85800kW，供热76000kW。于1999年10月1日起运行，2000年8月31日通过国家验收。燃气轮机三联供系统通过发电机,并网为机场用户供电,通过余热锅炉和离心式冷水机组、溴化锂吸收式冷水机组,为航站楼、机场办公楼、海关楼、餐饮娱乐中心、宾馆等用户供冷供热供电。

(3)北京燃气公司

北京燃气公司在亚洲开发银行的支持下，为一座21800平方米的燃气公司总部办公大楼(地上10层、地下2层)建立一个示范性的冷热电三联产系统，包括一台725kW、一台480kW的燃气机及发电机、一台制冷量2328kW(制热量1793kW)和一台制冷量1153kW(制热量897kW)的直燃型溴化锂吸收式冷水/热水机组、散热器、冷却塔、冷水/热水贮水箱等设备。

(4)北京首都国际机场T3航站楼

采用燃气—蒸气联合循环热电联产系统与电制冷/冰蓄冷系统组合。使用天然气通过燃气轮机发电，燃气轮机的500℃烟气通过预热锅炉产生中温、中压蒸汽再推动蒸汽轮机发电，最后将发电的乏汽抽出供热或供冷，同时将蒸汽轮机的冷凝水供应航站楼卫生热水，余热锅炉采用补燃技术，加热天然气燃烧，增加蒸汽供应量，提高系统制冷、供热能力。

(5)悉尼科技大学

悉尼科技大学新的太阳能驱动热电冷三联产项目于2013年年底投入运行。该太阳能系统采用氨—水吸收式制冷机，太阳能驱动的三联产系统安装在屋顶上，热电冷三联产装置的发电、热水和载冷水所需的全部输入热量都由太阳能提供，该装置也作为教学和研究工具，它使用150℃的有机兰金循环涡轮机，电力输出5kW，涡轮机排出的余热产生热水以及直接来自太阳能产生的热水，并由100℃的19kW吸收式冷水机组产生载冷水。有1200个总面积116平方米的太阳能集热器，热功率约为56kW。

(6)澳大利亚珀斯机场国内航站楼

系统包括两台2兆瓦的高效率燃气发动机，两台吸收式冷水机组(3.5MWC)和相关的高压开关设备，一周七天、每天24小时连续运行提供在网络中断供电过程中的备用电源。使用燃气产生电力和热量驱动空调，提供新的国内航站和相邻的国际候机楼的电力、热水和空调。该装置将减少机场的温室气体排放量55%。

(7)澳大利亚乐蒂山RSL

采用美国GE公司的颜巴赫JMS320发动机(1063 kW)，将在高峰和需要时并肩运行，在白天电价增高时开机，在晚上电价恢复到非高峰价格时关机。在停电的情况下，该三联产发电装置包括用于空调(916 kW)的吸收式冷水机组，将供整个站点管理系统的电力。

(8)澳大利亚昆士兰州儿童医院

高效率的三联产系统要求燃气发电工作在电网并联模式，并在电网停电时提供海岛上的动力。三联产装置将从两个GE颜巴赫发动机产生大约5兆瓦的电力输出，回收两个发动机的高温回路热能和废气热能，以提供高温热水到医院热水系统和吸收式冷水机组，产生医院空调系统的载冷水。该三联产系统提供：1)照明和设备供电需要的电力、2)清洗和一般用途的热水、3)消毒和清洁用的蒸汽、4)制冷、冻结和空调系统的制冷。

(9)北悉尼米勒街101号商业建筑公司

该公司安装了一个热电联产厂，并于从2008年11月1日起开始一直在运行，这家大型商业建筑公司包括优质写字楼及零售商店。每个发动机连接到750千瓦特迈斯尾气吸收式制冷机，它完全集成到建筑物的载冷水和冷凝器冷却水系统。该工厂设置的运作既可以是在电网并联输入，也可以在孤岛模式下，并在高峰和并肩的阶段或在电网停电应急备用时自动运行。

(10)澳大利亚梅特兰市体育游乐俱乐部

该系统包括一个热水吸收式制冷机。在2013年的下半年完成安装，供热输出236kW(吨)的热水，每年减少碳排放量500吨。

(11)美国纽约库珀市布朗克斯区的三联产系统

翻新的库珀市发电厂拆除了与纽约市电网的并网，新发电厂的发电量将超过库珀市每年使用的电力，使它完全满足55 000纽约人使用。多余电力出售给公用事业公司用于在高峰的夏季掉电或停电情况下的使用。

5结束语

冷热电三联产系统是目前一种最有效的综合利用能源系统。符合能源梯级利用的原则，具有最高的能源综合效率，通过吸收式制冷循环和供热循环的有机结合，使能源转换过程中的低品位能源得到合理利用。满足了人民生活和工业生产中的电力、冷量和热量的需求。同时显著地减少了碳排放量，具有广阔的发展前景。

Tri-generation Technology

ZHOU Zicheng

Abstract：Tri-generation technology is growing in popularity due to its economic and production efficiency,and its positive impact on carbon emissions.In this paper，the theory of tri-generation technology and its applications are discussed.

Key words:Tri-generation；Application；Absorption chiller；Solar energy

[中图分类号]TU831[文献标示码]B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.014

文章编号：ISSN1005-9180(2015)01-068-07

作者简介：周子成(1935-)，男，教授，主要从事制冷空调的理论研究和新产品设计。Email：zichengzhou@163.com

收稿日期：2014-12-25