陈凱亮，郑启朋，黄徐康，黄思雨

（中南林业科技大学 机电工程学院，湖南 长沙 410004）

基于中小型工厂能耗需求的冷热电三联供系统

陈凱亮，郑启朋，黄徐康，黄思雨

（中南林业科技大学 机电工程学院，湖南 长沙 410004）

基于现有的冷热电三联供系统，以节能减排为理念，综合分析中小型工厂的动态能耗需求与其所在地的工业能源供应情况之后，设计了一套动态可调的冷、热、电三联供系统。系统运行前，根据不同的工况给系统预设不同的控制量；系统运行时，控制系统通过PLC接收和处理各传感器的反馈信息，控制各预设输入稳定。在此基础上，根据工厂能耗需求的动态变化，实时控制燃料的供给量，使得系统设备的能耗最低。

冷热电三联供；多级利用；动态可调；节能减排

改革开放以来，我国工业得到迅速发展，化石能源消耗量急速攀升。2015年，我国能源消耗占全球总量23%，是世界上最大的能源消耗国。其中，煤炭消耗量为39.65亿吨，占世界煤炭消耗量的一半，在我国能源消耗结构的比重达到64%，远高于世界煤炭平均水平30%。另外，近年来我国雾霾频发，根据环保部解析雾霾的根本原因是燃煤排放。因此，如何实现节能和减排已成为了我国经济发展所面临的重大挑战。

1 冷热电三联供背景介绍

当前绝大部分工厂的能耗主要是电、热和冷三种形式，其中热和电基本都是独立供应，冷一般也是用电制取。为了降低能耗成本，热能（供暖、蒸汽和热水）基本采用工业燃煤锅炉制取，但是锅炉在实际使用中排尘大，容易引起雾霾，且煤的含硫量高，对大气污染严重。冷、热和电采用上述利用方式，都属于高品质能源的一级利用，使能源总体使用效率低。为了提高能源的利用效率，发达国家大力推广分布式能源，采用冷热电三联供技术，实现了能源的梯度、高效利用。我国也采用三联供分布式能源可以将不同品质的能源阶梯利用，能源的使用效率得到大幅提高。

目前三联供能源供给系统的设计热效率较高，但能源需求侧能耗时常变化，造成供需不匹配，其实际使用热效率并不高。目前，三联供系统在我国多用于大型能耗企业和工厂，而针对中小型工厂的三联供系统在国内研究和应用地较少。天然气是清洁燃料，排放污染物少，可以有效地降低颗粒排放量，有助于减轻雾霾天气。因此，近年来我国陆续出台并大力推广“煤改气”的相关政策，严格实行排放法规，使得中小工厂不得不接受“煤改气”。如此，大幅增加了中小型工厂的能耗成本。本课题调研和分析了某粉条厂的工作情况及能耗需求，并以该厂为例研究设计一套高效率的燃气内燃机冷热电三联供系统。通过使用设计的冷热电三联供系统来降低该工厂的能耗使用成本，同时达到环保要求。课题符合国家节能减排、煤改气、分布式能源、发展循环经济和绿色发展等政策导向。

2 冷热电三联供系统介绍

2.1 三联供系统组成及工作原理

如图1所示，天然气作为燃气内燃机的燃料，内燃机带动发电机发电，产生的电能与外部电网配合供电。内燃机的缸套水与蓄水池中输送进来的常温水经换热器进行热交换可得到中温热水，中温水可作为燃气锅炉的预热水源制取蒸汽，也可供给生活热水。中温水与内燃机排出的高温烟气经过烟气换热器对预热水源进行二次预热，之后再经燃气锅炉加热快速制取蒸汽。通过蒸汽发生器后，高温烟气变为中温烟气，中温烟气的部分热能仍可被溴化锂吸收式制冷机利用制取所需冷气，若制冷量不足，则通过以电制冷满足用户冷气需求。通过溴化锂吸收式制冷机后的低温烟气主要成分为水和二氧化碳，可直接排放到大气中。

图1 三联供系统组成及工作原理

2.2 系统动态可调性设计

图2 系统动态调控原理

（1）内燃机负荷可调。内燃机带动发电机发电，供应生产用电；生产用电的负荷变化会引起干路电流变化，电流传感器反馈电信号给PLC，PLC控制电子节气门的开度，来调节进入的空气量，内燃机排气管中的氧传感器则会探测出混合气浓度变化，内燃机内部的ECU（控制单元）就会改变燃气喷射量，进而会改变内燃机的实际运行功率。功率的变化会引起内燃机的转速变化，转速传感器感知内燃机转速变化，将信号反馈给调速器保证发电机的转速恒定（即保证发电的频率恒定），直到发电机功率与其负载功率持平，这时发动机转速平稳运行。

（2）燃气锅炉所用燃气流量可调。流量计2与温度传感器将信号反馈到PLC，PLC结合温度传感器检测的水温与流量计2测定的供给水量，通过电动阀门3控制通入燃气锅炉的天然气流量，以保证制取足够的蒸汽。

（3）燃气锅炉产生蒸汽量可调。热水保温箱中的中温水通过烟气换热器吸收高温烟气的部分热能；经热交换后的高温水直接供给燃气锅炉制取蒸汽。针对不同工况下所需蒸汽量，可设定不同的供给水量。由流量计2实时监测供给水量，反馈流量信号给PLC；PLC控制电动阀门2保证所需水量充足、稳定。

2.3 几种基本能源配置及控制流程

配置1：电力、蒸汽、冷气均需供应。

内燃机、燃气锅炉及制冷机组均开机。电动阀门3、4打开，天然气经管道进入内燃机及燃气锅炉。KM1打开、KM2闭合、KM3闭合，内燃机带动发电机供应生产用电。水泵1工作，内燃机的缸套水与从蓄水池中输送进来的常温水进行热交换，流量计1与电动阀门1控制水流量（根据生活用水量及蒸汽水量预先设定）稳定输入，加热后常温水变为中温水输送至热水保温箱。水泵2工作，高温烟气经换向阀通入烟气换热器，中温水通过烟气换热器二次预热变为高温水，由流量计2与电动阀门2控制水流量（根据蒸汽水量预先设定）稳定输入，高温水通入燃气锅炉，经锅炉加热快速制取蒸汽。烟气换热器排出的中温烟气通入溴化锂吸收式制冷机组中，制冷机组吸收中温烟气的部分热能制取所需冷气，若冷气量不足，则KM4闭合，由压缩机制冷补充冷量。

配置2：不需蒸汽供应而需要电力、冷气供应，则应综合考虑工业用电经济性选择以下两种方案之一。①内燃机、制冷机组开机，燃气锅炉停机。系统调控与配置1基本相同，由于不需要制取蒸汽，则高温烟气直接经换向阀通入溴化锂吸收式制冷机组中，制冷机组吸收高温烟气的热能制取所需冷量。②内燃机、燃气锅炉与溴化锂制冷机均停机。KM1、KM4闭合，由电网直接供电，由压缩机制冷。

配置3：不需冷气供应，而需要电力和蒸汽。

内燃机与燃气锅炉开机，溴化锂制冷机停机，系统调控与配置1基本相同，由于不需要制取冷气，则烟气换热器排出的中温烟气，直接排放至大气。其他中小型工厂应综合考虑工况后灵活控制使用以上几种基本能源配置。

3 冷热电三联供开发意义

通过试算，冷热电三联供系统初投资小，回收年限短，可以节约大量的用电费用，经济性可观，且安装方便，使用范围较为广泛。同时系统具有良好的动态调控能力，改善了能源利用情况，提高了能量利用效率，减少了碳排放和SO2、NOX等污染物的排放，充分响应了当下“节能减排”和“煤改气”的政策，具有很大的环境效益与经济效益。

［1］华賁.天然气冷热电联供能源系统［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［2］李芳芹，魏敦崧.天然气冷热电联供的热经济性分析［J］.煤气与热力，2002，22（6）：494-496.

［3］付林，江亿.热电冷三联供系统的节能分析［J］.节能，1999，（9）：3-7.

湖南省普通高等学校教学改革研究项目（2016499）。

陈凱亮（1996-），福建福清人，大学本科。