王 维，杨志丹，康 楠

(1．哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001;

2．中国船舶重工集团公司第七〇三研究所，黑龙江 哈尔滨 150001;

3．吉林医药设计院有限公司，吉林 长春 130000)

0 引言

天然气分布式能源系统是指以天然气为原动机燃料，通过冷、热、电三联供等方式，实现能源的梯级利用的能源输出系统。除了区域供电外，还能为用户提供制冷、采暖、生活用热水等能源需求［1］。在大大的减少了远程电网输配电的能量消耗的同时，实现了能源的梯级利用，使燃料的利用率达80%左右。

目前许多发达国家都十分重视天然气分布式能源的应用和研究，目标是为了将能源利用和环保水平提高到更高层次。早在1978 年，美国就已经开始提倡发展天然气分布式能源系统。1999 年美国提出了“CCHP 创意”和“CCHP2020 年纲领”，该计划拟在20 年内大力推广以天然气为代表的分布式冷热电联产系统［2］。日本在能源的利用率上更是世界其他国家的榜样，早在1978 年就成立了“节能中心”，并于1979 年和1994 年先后制定了《节约能源法》和《新能源计划》等，1978 ～2008 年间，日本能源效率提高了30%，其中天然气分布式冷热电联产系统在其中扮演了重要的角色［3］。英国在20 世纪末期，在全国范围内安装了近千个天然气分布式能源系统，涉及到饭店、医院、学校、机场、商业中心等各类公共场所［4］。目前世界上，丹麦是天然气分布式能源系统应用最大的国家，天然气分布式能源的比率在整个国家能源系统中达到50%左右［5］。

近些年来我国逐渐认识到了热能的综合梯级利用的理念。先后于2007 年、2008 年、2010 年批准并实施了《燃气冷热电三联供工程技术规程》、《分布式供能工程技术规程》、《分布式电源接入电网技术规程》等相关规程［6］。在国家大力支持下，国内投产的天然气分布式能源项目逐年增加，典型的天然气分布式系统如表1 所示。目前应用的项目主要集中在上海、北京、广州等地区，其中比较有代表性的有北京燃气集团生产指挥调度中心大楼燃气冷、热、电三联供系统采用燃气内燃机为原动机，上海浦东国际机场通过燃气轮机实现冷、热、电三联供。这些天然气分布式能源系统主要以小型燃气轮机、微型燃气轮机、燃气内燃机为原动机。

表1 国内典型天然气分布式能源系统

本文以实际机型的运行参数为依据，对这三类天然气分布式能源系统的冷－热－电输出特性，系统能源使用效率，系统经济性等进行分析比较，并总结各自所适用的情况等。

1 典型的天然气分布式能源系统介绍

1．1 小型燃气轮机

小型燃气轮机的余热仅有废烟气一种形式，其烟气温度较高，90%以上的机组烟气排放温度都在450℃以上［7］。如果烟气流量足够可进入余热锅炉产生蒸汽，进而推动汽轮机作功发电。但小型燃气轮机的功率较小，余热量较少不适合产生蒸汽发电。小型燃气轮机天然气分布式能源系统如图1 所示，通过换热器和溴化锂吸收式制冷机置换小型燃气轮机排气的热量，进而向用户供热、供冷。本文所对比的小型燃气轮机、微型燃气轮机和燃气内燃机的参数详见表2。

图1 小型燃气轮机分布式系统图

1．2 燃气内燃机

燃气内燃机的余热有废烟气和缸套冷却水两种形式，烟气温度主要集中在400 ～500℃范围之内，烟气的热量和热水的热量各占燃气内燃机废热总量的一半［8］，但余热水余热品位较低。燃气内燃机的分布式系统如图2 所示，通常采用换热器、溴化锂吸收式制冷机向用户提供低参数的热水、采暖及制冷需求。

图2 燃气内燃机分布式系统图

1．3 微型燃气轮机

微型燃气轮机的余热同小型燃气轮机一样也仅有废烟气一种形式，烟气温度主要集中在300℃左右。相比于小型燃气轮机其结构更为简单，可采用低压或中压燃气，系统与图1 小型燃气轮机分布式系统类似，但无需增设燃气增压设备。

表2 各型号参数表

2 系统性能指标

天然气分布式系统除由原动机供电外，余热还通过系统向外供热和供冷。原动机的发电功率因原动机本身的特性而定，而系统的供热效率、供冷效率以及由三者加和的系统效率是评价系统对燃料使用率的重要指标。而分布式系统相比于传统的火力发电系统的经济性在本文中由系统节能率体现。

2．1 系统制热效率

系统制热效率是由系统向外供应的热量与分布式系统消耗天然气热值的比，如式(3)所示。系统制热输出热量的表达式如式(1)

式中 Qheating，out——系统制热输出热量/kW;

Mheating，in——进入换热器的烟气(或热水)的质量流量/kg·h－1;

hheating，in——进 入 换 热 器 的 介 质 的 比焓/kJ·kg－1;

Mheating，out——换 热 器 出 口 介 质 的 质 量 流量/kg·h－1;

hheating，out——出口比焓/kJ·kg－1;

ηe——换热器的换热效率，由换热器厂家提供，无量纲;

ηheat——系统热效率;

φco——分布式系统消耗天然气热值/kW;

Qnet，ar——燃料的低位发热量/MJ·m－3;

Vgas——燃料的体积流量/m3·h－1。

2．2 系统制冷效率

系统制热效率是由系统向外供应的冷量与分布式系统消耗天然气热值的比，如式(6)所示。系统制冷输出冷量的表达式如式(4)

式中

Qcooling，out——系统制冷输出冷量/kW;

Mcooling，in——进入溴化锂吸收式制冷机的烟气(或热水)的质量流量/kg·h－1;

hcooling，in——进 入 制 冷 机 的 介 质 的 比焓/kJ·kg－1;

Mcooling，out——制 冷 机 出 口 介 质 的 质 量 流量/kg·h－1;

hcooling，out——出口比焓/kJ·kg－1。

COP——制冷机组的能效比，是制冷机制冷量与输入功率的比值［4］，一般由制冷机组厂家提供，无量纲。

ηcool——系统冷效率。

2．3 系统效率

冷热电联供系统的总效率，是系统的电效率、热效率、冷效率之和，如式(7)

式中 ηele——系统电效率;

ηsum——系统总效率。

2．4 系统节能率

本文所引入的系统节能率是指在单位时间内在产生相同的冷、热、电功率前提下，联产系统相比于常规分产系统所节省的能源，常规分产系统所消耗能源的比值，如式(8)

式中

ηsv——系统节能率;

φse——分产系统的能源消耗量;

φco——联产系统的能源消耗量。

φse=

式中 ηr——电厂发电效率;

ηL——电网送电配电效率;

ηh——供暖锅炉的供热效率。

以上各效率值参考《中电联发布全国电力工业统计快报》统计的数据。

3 热(冷)－电比对系统运行的影响

因三类原动机的特性不同，所产生的余热形式、余热品味、余热量都不相同。所以这三类分布式系统向外输出热量、冷量的能力也有所区别，这直接反映在三类分布式系统的热(冷)－电比不同的可变范围。此外在热(冷)－电比的可变范围内，系统效率和系统节能率之间的关系也是本节所研究的重点。

3．1 系统热(冷)－电比

系统热(冷)－电比β 如式(10)所示，式中Pe为原动机额定输出功率。系统热(冷)－电比的两种极端情况是原动机供电外的全部热量都用于制冷或制热，其余各工况下的系统热(冷)－电比值都在这两个数值区间内变化，经计算结果如表3 所示。

表3 三种机型的极端热(冷)－电比值

从表3 中发现，当原动机余热全部用于制热时得到的系统热(冷)－电比最大，当余热全部用于制冷则得到最小值。三种天然气分布式系统中，小型燃气轮机分布式系统可输出的热量和冷量多数情况下高于系统输出的电量，而微型燃气轮机和燃气内燃机分布式系统可输出的热量和冷量明显低于系统输出的电量。在三种分布式系统的热(冷)－电比变化范围内取多点进行计算，得到在不同热(冷)－电比下系统的制热效率、制冷效率和系统效率的对比曲线，如图3、图4、图5 所示。

从图3、图4、图5 中可发现三种分布式系统的各效率值，只在其各自的热(冷)－电比变化区间内做变化，其中制热效率和系统效率随系统热(冷)－电比增大呈线性递增变化，而制冷效率随系统热(冷)－电比增大呈线性递减变化。这说明分布式系统输出的热量越多，系统热(冷)－电比越大，系统效率越大。一般分布式系统考虑原动机安全使用寿命和运行的稳定性，原动机的发电功率和效率都不随系统热(冷)－电比的调节作改动。

图3 小型燃气轮机分布式系统效率随热(冷)－电比的变化

图4 微型燃气轮机分布式系统效率随热(冷)－电比的变化

图5 燃气内燃机分布式系统效率随热(冷)－电比的变化

3．2 系统效率

从图3、图4、图5 中提取三种分布式系统效率变化曲线进行对比，如图6 所示。从图中可直观发现，在各自的热(冷)－电比变化范围内，燃气内燃机分布式系统的系统效率总体最高，最高可达83.5%;微型燃气轮机分布式系统的系统效率总体最低，最高只有59．8%;小型燃气轮机分布式系统效率略低于燃气内燃机，最大值可达72．9%。这说明，燃气内燃机和小型燃气轮机的燃料利用率都相对较高，而且随着分布式系统热量输出越多，热(冷)－ 电比越大系统效率越高，燃料利用率就越高。

3．3 系统节能率

通过式(8)、式(9)计算三种分布式系统的系统节能率，得到系统节能率与热(冷)－电比之间的关系，如图7 所示。从图中发现，燃气内燃机分布式系统的系统节能率整体仍是最高的，最大值可达55.7%;小型燃气轮机略低，最大值可达49．2%;而微型燃气轮机系统节能率整体最低，且最大值只有37.2%。此外，三种分布式系统都呈现出系统节能率随热(冷)－电比的增大而减小的趋势，这说明当分布式系统输出冷量越多时系统经济性越好。

图6 分布式系统效率对比图

图7 分布式系统节能率对比图

通过图6、图7 中三种分布式系统效率和系统节能率的对比可发现，在各自的热－电比变化范围内二者呈负相关关系，就表示系统对燃料的使用效率和系统的经济性呈负相关关系，这是由于传统制冷所产生的费用远远高于供热所产生的费用。所以在用于即有供冷需求又有供热需求时，为使分布式系统经济性达到最佳可优先满足供冷需求，不足的供热需求可由电力或外网热量补充。当供冷、供热需求有所变动时，天然气分布式系统也可随时进行改变。

4 结论

本文通过对以小型燃气轮机、微型燃气轮机、燃气内燃机为原动机的三种天然气分布式能源系统分析和比较，得到以下结论:

(1)小型燃气轮机、微型燃气轮机和燃气内燃机三种分布式能源系统的热(冷)－ 电比分别在0.88 ～2．0，0．35 ～0．81 和0．46 ～1．04 范围内变化。所以如果用户需求系统输出热量和冷量高于电量时，建议选择小型燃气轮机分布式系统;如用户需求系统输出的热量和冷量低于电量需求时可考虑微型燃气轮机分布式系统和燃气内燃机分布式系统。

(2)三类分布式系统在各自的热(冷)－电比变化范围内，系统制热效率和系统效率与热(冷)－电比正相关，系统制冷效率和系统节能率与热(冷)－电比负相关。在用户即有供冷需求又有供热需求时，为使分布式系统经济性达到最佳，可优先满足供冷需求，不足的供热需求可由电力或供热外网补充。

(3)小型燃气轮机、微型燃气轮机和燃气内燃机三种分布式系统的系统效率分别在45． 7% ～72.9%、44．5% ～59．8%、59．9% ～83．5%范围内变化;系统节能率分别在20．2% ～49．2%、17．5% ～37．2%、38．4% ～55．7%范围内变化。可见小型燃气轮机和燃气内燃机分布式系统在燃料的利用率和系统经济性上整体优于微型燃气轮机分布式系统。

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