大型冷熱電三聯(lián)供在城市能源供應(yīng)中的研究與應(yīng)用

趙云才 邢 珺 游 洋 韓 超 王 鶴

（北京京能未來(lái)燃?xì)鉄犭娪邢薰?，北?102209）

城市綜合體的廣義定義為城市中的居住、辦公、商務(wù)等各類功能復(fù)合相互作用、互為價(jià)值鏈的高度集約的街區(qū)建筑群體［1］。我國(guó)橫跨五個(gè)時(shí)區(qū)，縱向分為五個(gè)溫度帶，各地區(qū)根據(jù)用能習(xí)慣對(duì)于能源需求趨于多樣化。

1 研究背景

隨著社會(huì)高速發(fā)展，人民生活水平逐步提高，我國(guó)工業(yè)與居民對(duì)能源需求質(zhì)量越來(lái)越高，同時(shí)對(duì)冷、熱、電能各種利用形式的需求也不盡相同。由于不可再生能源不斷減少，新能源開發(fā)尚不能完全滿足日益增長(zhǎng)的能源供應(yīng)需求，節(jié)能、環(huán)保、高效就成為人類在能源利用中追求的目標(biāo)。作為一種新型的分布式能源體系，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在發(fā)電同時(shí)，伴隨余熱利用技術(shù)實(shí)現(xiàn)一次能源綜合梯級(jí)利用，保證了區(qū)域能源集中供應(yīng)。

1.1 本文論點(diǎn)

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，應(yīng)用于城市綜合體中，其特點(diǎn)在于區(qū)域型能源集中供應(yīng)，將一次能源進(jìn)行綜合梯級(jí)利用，系統(tǒng)過燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組發(fā)電的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)冬季供熱、夏季制冷，使一次能源合理利用，高效節(jié)能環(huán)保。

本文以北京京能未來(lái)燃?xì)鉄犭娪邢薰緦?duì)未來(lái)科技城的能源供應(yīng)為例，比較了三聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)市電供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

1.2 研究意義

在工業(yè)化和城市化的推進(jìn)進(jìn)程中，能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的主要矛盾。同時(shí)，一次能源的緊缺、環(huán)境持續(xù)惡化是目前人類共同面對(duì)的全球性問題。用天然氣替代燃煤發(fā)電供熱，其發(fā)電效率及環(huán)保效益顯著，但劣勢(shì)是燃?xì)獬杀具^高同時(shí)缺少燃?xì)赓Y源，大力促進(jìn)天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，必將顯著改善我國(guó)，特別是城市的環(huán)境質(zhì)量及用能品質(zhì)［2-4］。

2 三聯(lián)供系統(tǒng)介紹

2.1 三聯(lián)供系統(tǒng)及特點(diǎn)介紹

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)冷熱電三聯(lián)供是區(qū)域型分布式能源的一種，具有節(jié)能降耗、提高能效、科技環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，是提高能源利用率及減少污染物排放的必要手段之一，符合我國(guó)提出的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。從技術(shù)層面來(lái)看，冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是以燃?xì)鉃槟茉?，?duì)其產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐再次利用，通過余熱供熱制冷，以達(dá)到冷熱電三聯(lián)供的一個(gè)能源供應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常由燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組、熱交換裝置及吸收式制冷裝置組成，三聯(lián)供使得燃?xì)獾臒崮鼙怀浞掷?，大大提高了能源的綜合利用效率［4］。

2.2 系統(tǒng)分類

分布式燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)主要由燃機(jī)發(fā)電機(jī)組、余熱鍋爐、汽機(jī)發(fā)電機(jī)組及吸收式制冷機(jī)組組成，有多種優(yōu)化組合形式，在應(yīng)用中根據(jù)用戶需求各有優(yōu)缺點(diǎn)，在推廣和規(guī)劃時(shí)應(yīng)予以充分考慮。

分布式天然氣冷熱電聯(lián)供的系統(tǒng)形式很多。根據(jù)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)種類劃分，分為內(nèi)燃機(jī)聯(lián)供系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)供系統(tǒng)、燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)等。根據(jù)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的關(guān)系劃分，有發(fā)電機(jī)與市電并網(wǎng)運(yùn)行方式和發(fā)電機(jī)與市電切網(wǎng)運(yùn)行方式兩種規(guī)劃方案。根據(jù)余熱利用設(shè)備種類劃分，有余熱鍋爐+吸收式制冷機(jī)組系統(tǒng)、補(bǔ)燃型余熱鍋爐+吸收式制冷機(jī)組系統(tǒng)、余熱吸收式制冷機(jī)組系統(tǒng)等。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間不同劃分，有全年連續(xù)運(yùn)行和季節(jié)性間歇運(yùn)行兩種系統(tǒng)。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)原理

傳統(tǒng)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)三聯(lián)供項(xiàng)目都采用擴(kuò)大式省煤器余熱集中供熱、供冷，循環(huán)水系統(tǒng)公用及大溫差集中供冷等多項(xiàng)新技術(shù)、新工藝，體現(xiàn)了項(xiàng)目建設(shè)的新思路。以燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為基礎(chǔ)，通過傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)低壓缸抽氣，利用熱網(wǎng)系統(tǒng)加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，滿足供暖季用戶的基本需求。利用天然氣發(fā)電排煙中污染物含量低、不容易形成低溫腐蝕的特點(diǎn)，考慮進(jìn)一步利用余熱鍋爐的尾部余熱，在余熱鍋爐尾部加裝擴(kuò)大式省煤器，回收煙氣余熱；通過改造供熱系統(tǒng)，擴(kuò)大式省煤器冬季可直接供熱，減少了冬季的抽氣供熱量；在夏季供熱期，充分利用擴(kuò)大省煤器余熱制冷，降低制冷成本；采用集中冷站循環(huán)水系統(tǒng)與電廠循環(huán)水系統(tǒng)共用的方案，減少了冷站循環(huán)水冷卻塔及冷卻水泵的投資。吸收式制冷機(jī)與離心式制冷機(jī)前后串連工作，可實(shí)現(xiàn)“大溫差供冷”，擴(kuò)大了集中供冷的服務(wù)半徑，使供熱供冷管徑相互匹配，“冷熱同網(wǎng)”得到實(shí)現(xiàn)。

3 三聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)用案例與分析

3.1 設(shè)計(jì)方案及分析

3.1.1 設(shè)計(jì)方案

建設(shè)有一套255MW的“一拖一”燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組和區(qū)域集中制冷站（總?cè)萘?6000RT），實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源冷、熱、電三聯(lián)供。該工程天然氣接自京承高速路西側(cè)燃?xì)饧瘓F(tuán)的高壓管線京承供氣支線。機(jī)組可在純凝、抽氣供熱、背壓供熱、汽輪機(jī)全切供熱等方式下運(yùn)行，冬季背壓供熱是本機(jī)組的保證工況。夏季供冷采用的是余熱鍋爐尾部煙氣余熱驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷機(jī)制冷串聯(lián)離心式電制冷深冷的工藝方案，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、大溫差供冷。

燃?xì)廨啓C(jī)組，為上海電氣/西門子公司制造的SGT5-2000E型燃?xì)廨啓C(jī)，采用單一天然氣原料，室內(nèi)布置、配置干式低氮燃燒器，由一臺(tái)16級(jí)的軸流式壓氣機(jī)、2個(gè)低NOx燃燒器、一臺(tái)4級(jí)的透平和燃機(jī)輔助系統(tǒng)組成。余熱鍋爐（HRSG）是由無(wú)錫華光鍋爐股份有限責(zé)任公司生產(chǎn)的型臥式、自然循環(huán)、雙壓、無(wú)補(bǔ)燃、全密封的燃機(jī)余熱鍋爐，鍋爐直接接受燃?xì)廨啓C(jī)排出的煙氣，經(jīng)各受熱面換熱后，通過氣候擋板排入大氣。汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的次高壓、雙缸型、雙壓、無(wú)再熱向下排汽的可抽凝、可背壓、可純凝運(yùn)行供熱汽輪機(jī)。汽輪機(jī)除純凝運(yùn)行、抽氣供熱運(yùn)行外，還可以在線將低壓缸與整機(jī)解列，汽輪機(jī)高壓缸排汽全部進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器供熱，即轉(zhuǎn)入“背壓模式”運(yùn)行方式，從而實(shí)現(xiàn)最大程度的供熱。

3.1.2 設(shè)計(jì)方案分析

首先，以燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為基礎(chǔ)，通過傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)低壓缸抽汽，利用熱網(wǎng)系統(tǒng)加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，滿足供暖季用戶的基本需求。

其次，利用天然氣發(fā)電排煙中污染物含量低、不容易形成低溫腐蝕的特點(diǎn)，考慮進(jìn)一步利用余熱鍋爐的尾部余熱，在余熱鍋爐尾部加裝擴(kuò)大式省煤器，回收煙氣余熱約20MW。該方式提高了機(jī)組的一次能源利用率，降低了集中制冷對(duì)機(jī)組發(fā)電的影響。通過改造供熱系統(tǒng)，擴(kuò)大式省煤器冬季可直接供熱，減少了冬季的抽氣供熱量。另外，安裝了國(guó)內(nèi)最大的熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組，在夏季供熱期，充分利用擴(kuò)大省煤器余熱制冷，降低制冷成本。

再次，采用集中冷站循環(huán)水系統(tǒng)與電廠循環(huán)水系統(tǒng)共用的方案，減少了冷站循環(huán)水冷卻塔及冷卻水泵的投資。為整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)配置了2大2小4臺(tái)循環(huán)水泵，配置更加合理，運(yùn)行更加靈活，水泵及冷卻風(fēng)機(jī)能夠更多的運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)負(fù)荷區(qū)域，系統(tǒng)能耗大幅下降。

最后，采用熱水型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組和離心式電制冷技術(shù)相結(jié)合的兩級(jí)復(fù)合型供冷裝機(jī)方案。即吸收式制冷機(jī)（第一級(jí)初冷）與離心式制冷機(jī)（第二級(jí)深冷）前后串聯(lián)工作，使供冷溫度范圍達(dá)到10℃（13℃-3℃），實(shí)現(xiàn)了“大溫差供冷”，擴(kuò)大了集中供冷的服務(wù)半徑，由傳統(tǒng)的3公里擴(kuò)大到5公里。該方案縮小了供冷管網(wǎng)的管徑要求，使供熱供冷管徑相互匹配，“冷熱同網(wǎng)”得到實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，有效減少了冷凍水輸送系統(tǒng)的輸配能耗，降低冷凍水系統(tǒng)的補(bǔ)給水量，減少水資源的消耗，也大大提高了供冷系統(tǒng)的可靠性。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

3.2.1 減小了鍋爐排煙熱損失，實(shí)現(xiàn)了煙氣余熱的充分利用，節(jié)約了一次能源消耗，提高了能源利用效率。通過擴(kuò)大式省煤器可回收鍋爐煙氣余熱20MW，減少了供熱、供冷的抽氣量，對(duì)機(jī)組發(fā)電影響較小。按照標(biāo)注煤的含熱量為7 000kcal/kg計(jì)算，年平均可利用余熱、廢熱量折合標(biāo)煤為7 048噸。利用廢熱制冷每年可節(jié)省電量1 400萬(wàn)kW·h，按照火力發(fā)電廠折標(biāo)煤系數(shù)0.36kg標(biāo)煤/kWh計(jì)算，可折標(biāo)煤5 040t/y。節(jié)省電力的標(biāo)煤與利用廢熱、余熱制冷折標(biāo)煤總量為12 088噸/年，節(jié)約成本3 244萬(wàn)元。按照工業(yè)鍋爐每燃燒1噸標(biāo)準(zhǔn)煤,可產(chǎn)生二氧化碳2 620kg，二氧化硫8.5kg，氮氧化物7.4kg計(jì)算，每年可以減少二氧化碳（CO2）排放31 670.56t/y，減少二氧化硫（SO2）排放102.75t/y，減少氮氧化（NOx）排放89.5t/y。

3.2.2 兩級(jí)制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了大溫差集中供冷。大幅減少了供冷管徑的要求，實(shí)現(xiàn)了冷熱同網(wǎng)運(yùn)行。節(jié)約管網(wǎng)建設(shè)投資約2億元，同時(shí)降低了管網(wǎng)檢修維護(hù)工作量，提高了管網(wǎng)使用率，年節(jié)約管網(wǎng)檢修維護(hù)費(fèi)用約100萬(wàn)元。

3.2.3 大溫差集中供冷可以有效減少冷凍水輸送系統(tǒng)的輸配能耗，降低冷凍水系統(tǒng)的補(bǔ)給水量，減少水資源的消耗，同時(shí)可以降低冷凍水附屬系統(tǒng)的規(guī)模。供冷用戶側(cè)可實(shí)現(xiàn)低溫送風(fēng)，滿足用戶特殊需要，且換冷板減小，節(jié)約用戶換冷站的占地和投資。

3.2.4 供熱、供冷運(yùn)行更加靈活，安全性提高，可根據(jù)實(shí)際情況選擇最優(yōu)運(yùn)行方式。

4 問題與對(duì)策

4.1 存在問題

4.1.1 CCHP系統(tǒng)成本的經(jīng)濟(jì)性問題。

CCHP成本中燃料占67%-78%，經(jīng)濟(jì)效益受市場(chǎng)燃料與電價(jià)的影響，這些因素與市場(chǎng)行為有關(guān)，如果不靠政府補(bǔ)貼燃?xì)獍l(fā)電很難有利可圖。

CCHP可通過市場(chǎng)定價(jià)企業(yè)自負(fù)盈虧，迫使其自主提高能源利用率；否則其推廣就一定需要相關(guān)優(yōu)惠政策支持，不能讓發(fā)電企業(yè)提升能源利用率減少排放后，財(cái)務(wù)上卻得到了損失。

4.1.2 國(guó)內(nèi)缺乏自主生產(chǎn)大型整套燃?xì)廨啓C(jī)的能力，設(shè)備及技術(shù)進(jìn)口成本較高。

4.2 解決思路

4.2.1 政府應(yīng)給予CCHP項(xiàng)目?jī)?yōu)先立項(xiàng)權(quán)，鼓勵(lì)清潔能源使用。

4.2.2 支持電廠直發(fā)用能企業(yè)，提前規(guī)劃區(qū)域發(fā)展，提供相關(guān)政策支持，實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源集中供應(yīng)，努力推進(jìn)老舊城區(qū)改造。

4.2.3 主機(jī)及其他設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。為了降低投資，燃機(jī)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化是重要環(huán)節(jié)。我國(guó)的大型高精機(jī)械設(shè)計(jì)能力及制造水平必須加快提升。

5 結(jié)論

本文依托北京京能未來(lái)燃?xì)鉄犭娪邢薰卷?xiàng)目的實(shí)踐，驗(yàn)證了冷熱電三聯(lián)供技術(shù)的可行與合理性，為今后大型冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)提供了很好的參考和借鑒作用。燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)將天然氣作為一次能源進(jìn)行發(fā)電、供熱及制冷，提高了一次能源利用率，是我國(guó)發(fā)展分布式能源的一種重要途徑，符合可持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃要求。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于大型冷熱電三聯(lián)供在區(qū)域能源供應(yīng)中應(yīng)用的相關(guān)研究和文獻(xiàn)并不是很多。希望通過上述課題的研究和應(yīng)用，為分布式能源供應(yīng)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

［1］朱文俊.城市綜合體的功能及價(jià)值分析［D］.北京，清華大學(xué)，2009.

［2］李宇紅.中國(guó)的天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)與清潔發(fā)展機(jī)制［J］.能源工程，2002（3）：4-8.

［3］胡小堅(jiān).冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)（CCHP）的優(yōu)化研究進(jìn)展［J］.能源研究與管理，2010（2）.

［4］李炳華.冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在城市綜合體中的應(yīng)用［J］.智能建筑電氣技術(shù)，2012（4）.