大型冷熱電三聯供在城市能源供應中的研究與應用

趙云才 邢 珺 游 洋 韓 超 王 鶴

（北京京能未來燃氣熱電有限公司，北京 102209）

城市綜合體的廣義定義為城市中的居住、辦公、商務等各類功能復合相互作用、互為價值鏈的高度集約的街區建筑群體［1］。我國橫跨五個時區，縱向分為五個溫度帶，各地區根據用能習慣對于能源需求趨于多樣化。

1 研究背景

隨著社會高速發展，人民生活水平逐步提高，我國工業與居民對能源需求質量越來越高，同時對冷、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，新能源開發尚不能完全滿足日益增長的能源供應需求，節能、環保、高效就成為人類在能源利用中追求的目標。作為一種新型的分布式能源體系，燃氣蒸汽聯合循環冷熱電三聯供系統在發電同時，伴隨余熱利用技術實現一次能源綜合梯級利用，保證了區域能源集中供應。

1.1 本文論點

燃氣蒸汽聯合循環冷熱電三聯供系統，應用于城市綜合體中，其特點在于區域型能源集中供應，將一次能源進行綜合梯級利用，系統過燃氣蒸汽聯合循環機組發電的同時，實現冬季供熱、夏季制冷，使一次能源合理利用，高效節能環保。

本文以北京京能未來燃氣熱電有限公司對未來科技城的能源供應為例，比較了三聯供系統與常規市電供電系統的經濟和環保效益。

1.2 研究意義

在工業化和城市化的推進進程中，能源與環境問題已經成為我國經濟和社會發展的主要矛盾。同時，一次能源的緊缺、環境持續惡化是目前人類共同面對的全球性問題。用天然氣替代燃煤發電供熱，其發電效率及環保效益顯著，但劣勢是燃氣成本過高同時缺少燃氣資源，大力促進天然氣冷熱電聯產技術的發展，必將顯著改善我國，特別是城市的環境質量及用能品質［2-4］。

2 三聯供系統介紹

2.1 三聯供系統及特點介紹

燃氣蒸汽聯合循環冷熱電三聯供是區域型分布式能源的一種，具有節能降耗、提高能效、科技環保等優勢，是提高能源利用率及減少污染物排放的必要手段之一，符合我國提出的可持續發展戰略。從技術層面來看，冷熱電三聯供系統是以燃氣為能源，對其產生的高溫煙氣通過余熱鍋爐再次利用，通過余熱供熱制冷，以達到冷熱電三聯供的一個能源供應系統。該系統通常由燃氣蒸汽聯合循環發電機組、熱交換裝置及吸收式制冷裝置組成，三聯供使得燃氣的熱能被充分利用，大大提高了能源的綜合利用效率［4］。

2.2 系統分類

分布式燃氣冷熱電三聯供系統主要由燃機發電機組、余熱鍋爐、汽機發電機組及吸收式制冷機組組成，有多種優化組合形式，在應用中根據用戶需求各有優缺點，在推廣和規劃時應予以充分考慮。

分布式天然氣冷熱電聯供的系統形式很多。根據燃氣發電機種類劃分，分為內燃機聯供系統、燃氣輪機聯供系統、燃料電池聯供系統等。根據發電機與電網的關系劃分，有發電機與市電并網運行方式和發電機與市電切網運行方式兩種規劃方案。根據余熱利用設備種類劃分，有余熱鍋爐+吸收式制冷機組系統、補燃型余熱鍋爐+吸收式制冷機組系統、余熱吸收式制冷機組系統等。根據系統運行時間不同劃分，有全年連續運行和季節性間歇運行兩種系統。

2.3 關鍵技術原理

傳統燃氣蒸汽聯合循環三聯供項目都采用擴大式省煤器余熱集中供熱、供冷，循環水系統公用及大溫差集中供冷等多項新技術、新工藝，體現了項目建設的新思路。以燃氣-蒸汽聯合循環機組為基礎，通過傳統的蒸汽輪機低壓缸抽氣，利用熱網系統加熱熱網循環水，實現熱電聯產，滿足供暖季用戶的基本需求。利用天然氣發電排煙中污染物含量低、不容易形成低溫腐蝕的特點，考慮進一步利用余熱鍋爐的尾部余熱，在余熱鍋爐尾部加裝擴大式省煤器，回收煙氣余熱；通過改造供熱系統，擴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，充分利用擴大省煤器余熱制冷，降低制冷成本；采用集中冷站循環水系統與電廠循環水系統共用的方案，減少了冷站循環水冷卻塔及冷卻水泵的投資。吸收式制冷機與離心式制冷機前后串連工作，可實現“大溫差供冷”，擴大了集中供冷的服務半徑，使供熱供冷管徑相互匹配，“冷熱同網”得到實現。

3 三聯供系統實用案例與分析

3.1 設計方案及分析

3.1.1 設計方案

建設有一套255MW的“一拖一”燃氣-蒸汽聯合循環機組和區域集中制冷站（總容量16000RT），實現區域能源冷、熱、電三聯供。該工程天然氣接自京承高速路西側燃氣集團的高壓管線京承供氣支線。機組可在純凝、抽氣供熱、背壓供熱、汽輪機全切供熱等方式下運行，冬季背壓供熱是本機組的保證工況。夏季供冷采用的是余熱鍋爐尾部煙氣余熱驅動溴化鋰吸收式制冷機制冷串聯離心式電制冷深冷的工藝方案，能夠實現遠距離、大溫差供冷。

燃氣輪機組，為上海電氣/西門子公司制造的SGT5-2000E型燃氣輪機，采用單一天然氣原料，室內布置、配置干式低氮燃燒器，由一臺16級的軸流式壓氣機、2個低NOx燃燒器、一臺4級的透平和燃機輔助系統組成。余熱鍋爐（HRSG）是由無錫華光鍋爐股份有限責任公司生產的型臥式、自然循環、雙壓、無補燃、全密封的燃機余熱鍋爐，鍋爐直接接受燃氣輪機排出的煙氣，經各受熱面換熱后，通過氣候擋板排入大氣。汽輪機為上海汽輪機廠生產的次高壓、雙缸型、雙壓、無再熱向下排汽的可抽凝、可背壓、可純凝運行供熱汽輪機。汽輪機除純凝運行、抽氣供熱運行外，還可以在線將低壓缸與整機解列，汽輪機高壓缸排汽全部進入熱網加熱器供熱，即轉入“背壓模式”運行方式，從而實現最大程度的供熱。

3.1.2 設計方案分析

首先，以燃氣-蒸汽聯合循環機組為基礎，通過傳統的蒸汽輪機低壓缸抽汽，利用熱網系統加熱熱網循環水，實現熱電聯產，滿足供暖季用戶的基本需求。

其次，利用天然氣發電排煙中污染物含量低、不容易形成低溫腐蝕的特點，考慮進一步利用余熱鍋爐的尾部余熱，在余熱鍋爐尾部加裝擴大式省煤器，回收煙氣余熱約20MW。該方式提高了機組的一次能源利用率，降低了集中制冷對機組發電的影響。通過改造供熱系統，擴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，安裝了國內最大的熱水型溴化鋰吸收式制冷機組，在夏季供熱期，充分利用擴大省煤器余熱制冷，降低制冷成本。

再次，采用集中冷站循環水系統與電廠循環水系統共用的方案，減少了冷站循環水冷卻塔及冷卻水泵的投資。為整個循環水系統配置了2大2小4臺循環水泵，配置更加合理，運行更加靈活，水泵及冷卻風機能夠更多的運行在經濟負荷區域，系統能耗大幅下降。

最后，采用熱水型溴化鋰吸收式冷水機組和離心式電制冷技術相結合的兩級復合型供冷裝機方案。即吸收式制冷機（第一級初冷）與離心式制冷機（第二級深冷）前后串聯工作，使供冷溫度范圍達到10℃（13℃-3℃），實現了“大溫差供冷”，擴大了集中供冷的服務半徑，由傳統的3公里擴大到5公里。該方案縮小了供冷管網的管徑要求，使供熱供冷管徑相互匹配，“冷熱同網”得到實現。同時，有效減少了冷凍水輸送系統的輸配能耗，降低冷凍水系統的補給水量，減少水資源的消耗，也大大提高了供冷系統的可靠性。

3.2 經濟性分析

3.2.1 減小了鍋爐排煙熱損失，實現了煙氣余熱的充分利用，節約了一次能源消耗，提高了能源利用效率。通過擴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，對機組發電影響較小。按照標注煤的含熱量為7 000kcal/kg計算，年平均可利用余熱、廢熱量折合標煤為7 048噸。利用廢熱制冷每年可節省電量1 400萬kW·h，按照火力發電廠折標煤系數0.36kg標煤/kWh計算，可折標煤5 040t/y。節省電力的標煤與利用廢熱、余熱制冷折標煤總量為12 088噸/年，節約成本3 244萬元。按照工業鍋爐每燃燒1噸標準煤,可產生二氧化碳2 620kg，二氧化硫8.5kg，氮氧化物7.4kg計算，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 兩級制冷系統的設計、實施，實現了大溫差集中供冷。大幅減少了供冷管徑的要求，實現了冷熱同網運行。節約管網建設投資約2億元，同時降低了管網檢修維護工作量，提高了管網使用率，年節約管網檢修維護費用約100萬元。

3.2.3 大溫差集中供冷可以有效減少冷凍水輸送系統的輸配能耗，降低冷凍水系統的補給水量，減少水資源的消耗，同時可以降低冷凍水附屬系統的規模。供冷用戶側可實現低溫送風，滿足用戶特殊需要，且換冷板減小，節約用戶換冷站的占地和投資。

3.2.4 供熱、供冷運行更加靈活，安全性提高，可根據實際情況選擇最優運行方式。

4 問題與對策

4.1 存在問題

4.1.1 CCHP系統成本的經濟性問題。

CCHP成本中燃料占67%-78%，經濟效益受市場燃料與電價的影響，這些因素與市場行為有關，如果不靠政府補貼燃氣發電很難有利可圖。

CCHP可通過市場定價企業自負盈虧，迫使其自主提高能源利用率；否則其推廣就一定需要相關優惠政策支持，不能讓發電企業提升能源利用率減少排放后，財務上卻得到了損失。

4.1.2 國內缺乏自主生產大型整套燃氣輪機的能力，設備及技術進口成本較高。

4.2 解決思路

4.2.1 政府應給予CCHP項目優先立項權，鼓勵清潔能源使用。

4.2.2 支持電廠直發用能企業，提前規劃區域發展，提供相關政策支持，實現區域能源集中供應，努力推進老舊城區改造。

4.2.3 主機及其他設備的國產化。為了降低投資，燃機設備的國產化是重要環節。我國的大型高精機械設計能力及制造水平必須加快提升。

5 結論

本文依托北京京能未來燃氣熱電有限公司項目的實踐，驗證了冷熱電三聯供技術的可行與合理性，為今后大型冷熱電三聯供項目的建設、運營提供了很好的參考和借鑒作用。燃氣蒸汽聯合循環冷熱電三聯供系統將天然氣作為一次能源進行發電、供熱及制冷，提高了一次能源利用率，是我國發展分布式能源的一種重要途徑，符合可持續發展的規劃要求。目前國內關于大型冷熱電三聯供在區域能源供應中應用的相關研究和文獻并不是很多。希望通過上述課題的研究和應用，為分布式能源供應產業的進一步發展提供參考。

［1］朱文俊.城市綜合體的功能及價值分析［D］.北京，清華大學，2009.

［2］李宇紅.中國的天然氣熱電聯產與清潔發展機制［J］.能源工程，2002（3）：4-8.

［3］胡小堅.冷熱電三聯供系統（CCHP）的優化研究進展［J］.能源研究與管理，2010（2）.

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