李亚聪

上海海事大学

燃气内燃机冷热电三联供性能分析

李亚聪

上海海事大学

针对分布式能源系统，计算分析燃气内燃机冷热电联产系统的热力性能以及经济性能,讨论冷热电联产系统对比单独发电或制热制冷的优劣。以总能利用率为基础,结合㶲效率，对燃气冷热电三联供系统进行性能分析，并与常规的单产系统进行对比；并分析了三联供系统的初期投资及运营费用对成本回收的影响。

分布式能源系统；冷热电联产系统；燃气内燃机；能效

冷热电联产系统（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）是分布式能源系统中最具实用性和发展活力的系统，是在热电联产系统基础上发展起来的，直面用户，按用户需求提供电力、冷量、热量以及生活热水等。目的是解决多重用能需求以及实现多重目标，提高能源利用效率，减少碳化物和有害气体的排放并且满足建筑或工业能源需求。

典型的冷热电联产系统由5个基本部分组成，分别是原动机、发电机、余热回收设备、余热利用设备及控制系统。根据功能不同可分为3个子系统：动力系统、供热系统、供冷系统。

根据现有技术，动力系统的原动机主要有汽轮机、燃气轮机、微型燃气轮机、往复式内燃机(以下简称为内燃机)、斯特林机和燃料电池等。

余热利用设备是冷热电联产系统中的另一个重要部件，用于提供冷、热量。余热利用设备包括吸收式制冷机、吸附式制冷机和干燥机除湿机。冷热电联产中制冷机以吸收式为宜。[1]

1 冷热电三联供的特点

（1）冷热电三联供CCHP可以大大提高能源利用效率：大型发电厂的发电效率一般为30%～40%；而CCHP 的能源利用率可达到80%～90%，且没有输电损耗；

（2）降低碳和污染物排放方面具有很大的潜力：据专家估算，如果将现有建筑实施CCHP的比例从4%提高到8%，到2020年CO2的排放量将减少30%，有利于环境保护；

（3）缓解电力短缺，平衡电力峰谷差：三联产系统采用自发电，可以避开电网用电高峰，并且大大提高了建筑供电可靠性和安全性；

（4）扩大了燃气使用量，平衡燃气峰谷差；

（5）投资回报率高， 具有良好的经济性。[2]

2 热电冷三联供系统常见的几种配置模式

2.1 蒸汽轮机+蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组

利用发电后的乏汽驱动蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组，进入汽水换热器换热，可以对外供热水或者直接对外供热蒸汽；

2.2 燃气轮机+烟气（补燃型）溴化锂吸收式冷热水机组

燃料进入燃气轮机燃烧产生高温、高压烟气，推动燃气轮机发电机组发电，排烟进入烟气补燃型溴化锂吸收式冷热水机组，驱动机组制冷（制热），对外提供空调冷（热）水。当排烟量较小时可以启动补燃系统，由补燃提供机组热量；

2.3 燃气轮机+（补燃型）余热锅

炉+蒸汽轮机+蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组

燃料进入燃气轮机燃烧产生高温、高压烟气推动燃气轮机发电机组发电，排烟进入（补燃型）余热锅炉，产生高温、高压蒸汽，推动蒸汽轮机发电机组发电，发电后的乏汽用于驱动蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组，进入汽水换热器换热对外供热水或者直接对外供蒸汽；

2.4 内燃机+烟气热水( 补燃型) 溴化锂冷热水机组

燃料进入内燃机燃烧室燃烧，内燃机输出机械功，带动发电机组发电；内燃机排放的高温烟气及缸套热水直接进入烟气热水（补燃型）溴化锂冷热水机组，驱动机组制冷（制热），对外提供空调冷（热）水。[3]

3 燃气冷热电三联供系统

与燃气轮机相比，内燃机的发电效率高，因而内燃机冷热电联产系统的电量输出比例高，冷电比(或热电比)通常为1.0～1.5。此外，相对于燃气轮机，内燃机的价格比较便宜，因此内燃机被广泛用于三联供系统的原动机。

内燃机可回收的热量主要包括排烟余热、缸套水余热以及润滑油余热等三部分。

缸套水出口温度一般略低于100℃，这部分能量品位低，但数量较大，随缸套水排出的余热量占燃料燃烧产热的30%～40%，而且即可以用于直接供热，也可以驱动吸收式除湿设备或者单效吸收式制冷机组。内燃机排烟温度一般为350～450℃，这部分烟气余热既能满足供暖需求或提供生活热水，也可以通过驱动制冷机组将热量转化为冷量，以满足供冷需求。

内燃机可回收的热量组成使其在冷热电联产系统的余热利用及系统集成方面，有着自己的特点。图1为典型以燃气内燃机为原动机的冷热电联产系统流程图，燃料在内燃机的气缸中燃烧，产生高温高压的气体，气体在气缸内膨胀做功被转换为发电所需的动能，排气余热驱动制冷机组或者通过热交换器进行供热。内燃机的缸套水余热量大而温度较低，通常用于供生活热水。

图1 内燃机CCHP系统

4 燃气内燃机三联供系统评价指标

目前，对于冷热电联产系统的分析研究，多借鉴热电并供系统的评价准则。

在冷热电联产系统中使用较多的评价准则可以分为两类：一类是根据热力学第一定律，如总能利用率、相对节能率。另一类是根据热力学第二定律，如㶲效率，经济㶲效率。

4.1 总能利用率

式（1）中，W为系统对外所做的功，C为联产系统的冷输出，Q为联产系统的热输出，f为联产系统输入的总燃量，Hµ为燃料低位发热值。

总能利用率是基于热力学第一定律，只考虑能量的数量，反映的是输出（收益）与输入（付出）的比值。系统输出的各股能量均采用绝对值表示，不考虑不同冷、热能的差异：目前冷热电联产系统使用的输入能量主要是化石燃料，因而分母中的投入用联产系统消耗燃料总的低位发热值表示。

4.2 系统㶲效率

根据热力学第二定律，电能与各种冷能、热能之间存在巨大的品位差异，甚至不同温度的冷能、热能之间的品位也并不相同。因此考虑不同能量的品位差异，可以得到：

式（2）中电能的品位W为1；而在考察冷能、热能的系统㶲值时，需要从卡诺循环效率的角度考虑；分母则为联产系统的输入㶲。冷能的输出㶲、热能输出㶲不是常数，与供能参数、环境参数密切相关。对于以化石燃料为输入能源的联产系统而言，燃料的输入㶲与燃料的低位发热值仅相差一个接近于1.0的常数因子，采用燃料低位发热值替代燃料㶲值不会影响该指标的应用。

4.3 经济㶲效率

经济㶲效率的优点在于它与国民经济的收益密切相联系，通过由价格最后反映出来的功与热的贡献（价值）不同及生产难易不同，从而能够较好地反映出热力装置的能源利用优劣。另外，与热力学上的效率还有一定的联系，有学术上的意义。

式（3）中系数B为热、电售价之比，而A则为冷、电售价比。经济㶲效率应用成功与否，与电／热／冷三者之间的售价比确定是否合理有很大关系。由于目前尚未形成成熟的冷、热价标准，上述系数的确定应从实际情况出发，根据实际生活中社会对三者的需求性与价值观选择。[4,5]

5 燃气内燃机冷热电三联供技术经济评价

5.1 实际应用背景

北京市燃气集团指挥调度中心大楼三联供系统，是北京市第一个利用天然气冷、热、电三联供的示范。

大楼平均用电负荷800 kW，平均需冷量1 800kW，采暖需热量1 600 kW。该系统配置480kW和725 kW发电机各1台，制冷量1163kW和2 326 kW余热型直燃机各1台，燃气内燃机发电供大楼自用，并联型余热直燃溴化锂吸收式空调机回收利用内燃机产生的烟气和缸套冷却水中的余热，冬季采暖，夏季制冷。由于回收的余热量不能满足系统最大热量制冷量的需求，不足部分利用余热直燃机组补燃解决。

机组在做功发电的同时产生余热。其中，烟气（约460℃）通过三通阀（调节型）进入余热直燃机的高温发生器，作为余热直燃机的高温热源；缸套水在夏季进入余热直燃机的低温发生器，在冬季进入板式换热器与供热回水换热。通过余热直燃机在夏季产生7～2℃的冷水，在冬季产生50～60℃的温水。

系统运行时优先利用烟气和缸套水中的热量满足冷、热负荷的需求，如果余热量不够，将采用天然气直燃方式进行补充。

由于以热定电的前提在于需要电网同意并网且上网，又因为电网安全性；国内分布式能源（DER）和CCHP系统并网标准有待制定；价格的不确定性（向公用电网购电价格； 能源站余电上网价格； 接网价格）；地方政府和电网的干预等制约因素如果不能很好解决，并网且上网难以实施。故而燃气大楼三联供系统采用以电定热的基准。

5.2 设备信息

该系统采用2台（725 kW、480 kW）美国卡特彼勒公司的燃气内燃发电机组，分别与两台余热型双效溴化锂直燃机对接。配置480 kW和725 kW卡特彼勒发电机各一台，型号分别为G3508；G3512。相关参数见表1。

表1 发电机参数

配置远大集团1 163 kW和2 326 kW余热型直燃机各一台作为主要制热制冷设备，型号分别为BZHE100；BZHE200。相关参数见表2。

此类余热型直燃机的出力系数（在多能量源的条件下，某一能量源的额定功率占额定总功率的比例）为：100%燃气、50%烟气、23%热水。

5.3 系统的运行工况及运行时段

为了实现分布式能源系统冷热电联供削峰填谷的特性，系统的运行时段选择要考虑到电网的峰谷效应以及办公室每日逐时冷热电负荷情况。

每日，机组运行10小时7:30～17:30，如此以来，避开全市用电高峰时段，使用联供机组提供冷热电负荷，在用电低谷使用市网供电。

同时，用户对于冷热负荷的需求与环境有关，即不同的季节有不同的负荷需求。而电网和天然气对应一年12个月也有峰谷效应，根据天气特性对应的冷热负荷需求，确定机组每年运行240 d，其中采暖期：11月～3月，120 d；制冷期：6月～9月，120 d。

表2 余热型直燃机参数

5.4 系统㶲效率分析

系统㶲的是指在给定环境状态系统对外做最大有用功的能力。分析㶲是一种有关能量系统设计、优化和性能评价的有效方法。

天然气所包含的㶲是该三联供系统消耗的总㶲，即为f·Hμ。整个过程中，系统提供的可以利用的㶲为燃气轮机发电量（电㶲）、吸收式制冷机产生的冷量所包含的㶲、换热器提供的热量包含的㶲。

电㶲和电能相等， 单位时间系统输出的电㶲Ee=W；W=800 kW

制冷机输出的制冷量是指将制冷工质从环境温度冷却到一定温度时移走的热量，与输出的制冷量相应的热㶲Ec为

式中Tc——输出冷量工质温度，To——环境温度，Qc——制冷量。

对于制冷过程，Tc=280 K；To=307 K；Qc=1 432.4 kW。代入得Ec=138.1 kW。

换热器输出的生活热水中的热Eh为

式中To——输出生活热水的温度，Qh——热源热能。

利用烟气制冷，Tc=333 K；To=307 K；Qc=1 232.8 kW。代入得Eh=96.2 kW

代入式而中得eη=37.1%，而大型天然气发电厂的㶲效率一般为30%。可见冷热电联产系统并未对系统的㶲效率有一定的提升。

5.5 系统经济性分析

（1）部分基准参数天然气价：3.23元/m³热值：H=10 kWh/m³

发电机：480万元

折合4 000元/kW

配电费：100万元

热水烟气直燃机804.8万元

板式换热器：40万元

传统市电+热网+电冷机

热网入网费用42元/建筑m2；

供热费用18元/建筑m2

供暖期5个月

大楼建筑面积3.2万m2

电冷机90万元

COP=3.00

配电费80万元

（2）费用计算

1）初期成本计算

三联供系统：C=1 424.8万元

市电+热网+电冷机：C=304.4万元

2）运行维护费用计算

三联供系统：

运行费用O=217.2万元/a

维修费用M=20万元/a

市电+热网+电冷机：

运行费用O=552万元

维修费用M=5万元

（3）计算结果

根据上节计算，可做出表3；

三联供系统的初期投资和维修费用远高于传统的取暖，制冷系统；但是它的运行费用却很低。

计算投资回收期

冷热电与市网+热网+电冷机的传统方式比：

（1424.8-325）÷（557-237.2）

=1099÷319.8=3.4 a

可见燃气内燃机热电冷三联供系统不仅大大提高了一次能源利用率， 而且在经济性上相对常规系统具有较大的优势。

表3 系统经济性比较

5 结语

（1）三联供是对能源的梯级利用，能源利用率高、节电、环保， 合理的设计和运行可以取得良好的经济效益；

（2）热电冷三联供的设计应根据运行方式、规模大小来确定合理的形式；

（3）内燃机热电冷三联供系统相对传统系统，增量投资回收期不到4 a，可为国家节约大量电力投资建设费用， 在经济上是合理的。

[1] 刘道平，马博，李瑞阳，等.分布式供能技术的发展现状与展望[J]。能源研究与信息，2002，18(l)：l一9。

[2] 吴大为，工如竹.分布式能源定义及其与冷热电联产关系的探讨[J]。制冷与空调，2005，5(5)：1-8。

[3] 徐建中，隋军，金红光.分布式能源系统现状及趋势[J]。太阳能学报，2004，（4）：14一16。

[4] 金红光，徐建中，郑丹星.分布式冷热电联供系统装置及应用[M]。北京：电力工业出版社，2009.

[5] Qiang Chen ， Wei Han ， Jian-jiao Zheng ， et al. The exergy and energy level analysis of a combined cooling， heating and power system driven by a small scale gas turbine at off design condition[C]. Applied Thermal Engineering 66 (2014)

Performance Analysis of Gas-Fired Internal Combustion Engine Combined Cooling Heating and Power Generation

Li Yacong
Shanghai Maritime University

Focused on distributed energy system, the article calculates thermal performance and economic performance of gas-fired internal combustion engine cooling heating and power generation system. It discusses advantages and disadvantages between cchp and single power generation or cooling or heating. Based on total energy utilization ratio with exergy efficiency, it analyzes performance of gas-fired internal combustion engine cooling heating and power generation system comparing with single generation system, which results in cost recovery impact of initial investment and operating expenses of cchp system.

Distributed Energy System, Combined Cooling Heating and Power Generation System, Gas-Fired Internal Combustion Engine, Energy Efficiency

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.12.004