燃氣熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源的經(jīng)濟性分析

黎　兵

（重慶燃氣集團股份有限公司北碚分公司，重慶 400700）

燃氣熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源的經(jīng)濟性分析

黎兵

（重慶燃氣集團股份有限公司北碚分公司，重慶 400700）

本文以燃氣熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟性為研究點，介紹了燃氣熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的流程，分析了國內(nèi)外熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并以某工業(yè)園區(qū)為例，通過與傳統(tǒng)方案對比，具體計算和分析了采用聯(lián)供系統(tǒng)取得的經(jīng)濟效益，最后根據(jù)作者實踐經(jīng)驗，闡述了燃氣熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)研究工作的發(fā)展趨勢。

傳統(tǒng)能源；燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)；經(jīng)濟性

1.燃氣熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)流程模式

作為能源系統(tǒng)的常見形式，天然氣分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)也憑借其節(jié)能、環(huán)保、電力可靠的優(yōu)良特性得到了廣泛運用和發(fā)展。天然氣分布式熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)具有極為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，并且在熱電冷等能量的輸出方面，極易受到相關(guān)因素的影響，如天然氣價格、建筑負荷波動等，此外，系統(tǒng)運行方式以及容量配置在一定程度上也會影響到系統(tǒng)的工作性能。

熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)是一種能在產(chǎn)生電能的同時也能利用熱能和冷能的能源系統(tǒng)，系統(tǒng)通過燃氣輪機，達到對燃氣合理利用的目的，即利用高品位的熱能發(fā)電以及利用低品位的熱能取暖和制冷效果。在該系統(tǒng)中，熱、電、冷被逐級利用，能夠在很大程度上減少電廠污染物的排放，產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

燃氣內(nèi)燃機發(fā)電以滿足用戶基本電力需求，熱水進入余熱鍋爐產(chǎn)生熱水，在外界溫度較高時，熱水驅(qū)動熱水型吸收式制冷機達到制冷目的，在嚴寒天氣時，余熱進入換熱器供暖。通常，燃氣熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)運行方式是以熱定點，帶動設(shè)備根據(jù)用戶所需的熱量運行，而若發(fā)電量比所需電量高時，則將剩余電量賣出，大電量不足時，則購買補充。

2.國內(nèi)外熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用情況

熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)是建立在能量梯級利用的前提下，結(jié)合供熱、發(fā)電以及供冷過程為一體的多聯(lián)供系統(tǒng)。實踐證明，熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)作為第二代能源系統(tǒng)，具有提高能源利用效率，減少有害氣體的排放的優(yōu)勢，目前，已在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展。歐美等發(fā)達國家對熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的研究，明顯領(lǐng)先于世界其他國家的水平，此外，就美國而言，多年來美國一直重視并持續(xù)對熱電冷技術(shù)的研究，從技術(shù)和政策上尋求聯(lián)供領(lǐng)域的支持，走在了世界上其他國家的前面。

相對而言，我國對熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展起步較晚，且存在明顯差距。改革開放后，我國經(jīng)濟得到了快速發(fā)展，另一方面也使得我國對世界先進技術(shù)的發(fā)展有了更高的重視和發(fā)展的資本，受到能源結(jié)構(gòu)、環(huán)境、經(jīng)濟條件等因素的制約，熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)首先在沿海城市得到了快速發(fā)展，并且積累了很多經(jīng)驗?，F(xiàn)階段，我國的熱電冷聯(lián)供項目通常是在熱電廠基礎(chǔ)上修建的，其中山東省淄博時的熱電冷三聯(lián)供工程極具代表性。此外，北京奧運能源展示中的熱電冷項目很大程度上綜合了相應(yīng)資源，并顯現(xiàn)出了極好的節(jié)能效果。

3.工業(yè)園應(yīng)用燃氣熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析

以某工業(yè)園區(qū)為例，通過與傳統(tǒng)功能方式進行比較，分析燃氣熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能型和經(jīng)濟性。具體流程如下：

3.1方案設(shè)計與原理

方案1為內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)供功能方案，采用制冷量為800kW的熱水型吸收式制冷機一臺，以及發(fā)電量為250kW、460kW的燃氣內(nèi)燃機一臺，余熱鍋爐一臺和換熱器。方案2為燃氣鍋爐供熱傳統(tǒng)功能方案，有制冷量為800kW的電制冷機，800kW的燃氣熱水鍋爐和換熱器。方案3為電網(wǎng)購電，電制冷機制冷，熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱的傳統(tǒng)方案，有制冷量為800kW的電制冷機。根據(jù)市場價格計算，得各方案的初期投資：方案1為280萬，方案2為80萬，方案三為150萬元。

內(nèi)燃機消耗天然氣量V可根據(jù)下式計算：

其中：Qh為系統(tǒng)熱負荷，Qc為系統(tǒng)冷負荷，Pc為系統(tǒng)電負荷，COP為吸收式制冷機制冷系數(shù)，ηh為換熱器換熱效率，ηb為余熱鍋爐余熱回收效率，ηc為燃氣內(nèi)燃機組發(fā)電效率，HVg為天然氣地位發(fā)熱量。

全年耗電量為：Vg=V1t1+V2t2+V3t3

式中：t1為供暖期系統(tǒng)運行時間，t2為制冷期系統(tǒng)運行時間，t3為過渡期系統(tǒng)運行時間。

本文基于熱力平衡原理，并以熱效率為原則，利用一次能源利用率作為評價指標。通常，一次能源利用率越高，表明系統(tǒng)節(jié)能性越強。

方案1中，一次能源利用率

方案2中，一次能源利用率

方案3中，一次能源利用率

其中：

Pel為系統(tǒng)發(fā)電量；Qcooling為系統(tǒng)制冷量；Qheat為系統(tǒng)供熱量；Qin為系統(tǒng)輸入能量；ηboiler 為燃氣鍋爐效率；COPchiller為電制冷機制冷系數(shù)；ηel為分供系統(tǒng)供電總效率；ηCHP為熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱效率。

之后對3種方案進行經(jīng)濟性分析，經(jīng)濟性分析主要從投資回報期以及費用年值計算和評估。所謂的投資回報期指的是工程中凈收益的累計值償還投資總額的時間，而費用年值指功能系統(tǒng)對設(shè)備的投資均為到運行周期的各年份，并將此費用相加得到的總費用。其中，投資資金時間價值動態(tài)投資回收期Nd滿足：

表1　費用年值構(gòu)成

式中：A為每年的凈收益，i為年利率，F(xiàn)為系統(tǒng)初投資總額。

采用費用年值分析中，三聯(lián)供系統(tǒng)費用年值

式中：R為投資回收系數(shù)，Cw為設(shè)備維護費，Cg為天然氣費用，Cr為年人工費，Ce為電費。

其中，投資回收系數(shù)

式中，n為設(shè)備壽命。

3.2經(jīng)濟性分析與評價

首先通過費用年值進行評估，費用年值是將供能系統(tǒng)各設(shè)備的初投資均攤到設(shè)備壽命周期內(nèi)的各個年份，然后將此費用與每年的運行費用相加，構(gòu)成系統(tǒng)的年費用。經(jīng)過計算，得出3種方案的費用年值見表1。

經(jīng)過計算得出結(jié)論，方案1的費用年值明顯低于方案2與方案3的費用年值，可以說，經(jīng)濟性優(yōu)勢依然是明顯的。熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)在此工業(yè)園的成功應(yīng)用也證明，燃氣聯(lián)供是一種高效節(jié)能的供能技術(shù)，滿足了溫度對口，梯級利用的能量使用原則，在高品位電能產(chǎn)生的同時，回收了余熱，能源利用率顯著提升。盡管在使用初期，設(shè)備運行費用較高，但能源費用少，并且在當下市場能源價格下的費用年值較傳統(tǒng)分供系統(tǒng)低很多。

3.3燃氣熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展前景展望

目前，國外對熱電冷技術(shù)的研究工作大都在以下3個方面：（1）開發(fā)研制高性能的末端設(shè)備。（2）提高管網(wǎng)傳輸能力，即研究減少管網(wǎng)系統(tǒng)阻力損失、優(yōu)化管網(wǎng)布局。（3）研究集中供冷技術(shù)：減少傳輸過程中的能量損失以及控制制冷成本的技術(shù)。筆者認為，今后我國在熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的研究方面依然會在目前取得的成果上繼續(xù)深入研究，其中主要包括：（1）聯(lián)供系統(tǒng)形式的配置，包括組成熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的各子系統(tǒng)主要設(shè)備的配置選擇，整體系統(tǒng)最佳配置的選擇和比較。（2）優(yōu)化研究以及熱單冷聯(lián)供系統(tǒng)評價指標研究兩個方面，部分學(xué)者根據(jù)我國實際情況，初步建立起了一套技術(shù)相對成熟的熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)評價體系，可以對系統(tǒng)進行項目可行性、節(jié)能性、運行經(jīng)濟性做出評價，之后會繼續(xù)對其精確和完善。

［1］馮繼蓓，梁永建，楊杰.燃氣內(nèi)燃機的余熱利用形式分析［J］.中國建設(shè)信息供熱制冷，2006（6）：41-44.

［2］呂慧.熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的方案選擇及分析［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

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