天然气热电冷联产的技术方案分析
摘要：天然气热电冷联产(CCHP)由于其较高的能源利用率，在全世界范围内得到了迅速的发展和广泛的利用。目前国内外相关设备已经比较成熟，因而热、电、冷相关技术参数的匹配便成为该总能系统中的技术关键，并在很大程度上影响到系统的经济效益。介绍了天然气热电冷联产系统的基本概念及发展应用情况，然后以国内某工厂CCHP系统的设计为实例，对“以热定电”和“以电定热”两种技术方案进行了参数计算和方案比较，并确定了“以电定热”的推荐方案。
天然气热电冷联产系统，又称分布式能源站，就是燃料通过热电联产装置发电后，变为低品位的热能用于采暖、生活供热等用途的供热，这一热量也可驱动吸收式制冷机，用于夏季的空调。
这一天然气的梯级利用，是天然气的最有效的利用方式。梯级利用第一步产出高价值、高品位的电力，而后制热、制冷或形成新的功能。高附加值的天然气已成为新能源的生力军。梯级利用的分布式能电成为可持续发展的主力军。
1 热电冷联产工艺
如图1所示，各种热电联产装置与制冷机及其他部件(如热网、蓄冷器等)的组合，可形成多种热电冷联产系统形式。小型热电(冷)联产装置可设置在一个建筑物内，发电直接供建筑物的用电负荷，所产生的热(冷)量由建筑物内管网输送至各房间。大型热电(冷)联产系统，发电一般直接输送至电网，而热(冷)量则通过热网输送给各建筑物用户。
系统可以根据实际情况灵活应用。在我国，由于燃气发电并网问题还未能很好解决，热电联产系统中热电的匹配是影响整个系统运行的关键。
2 热电冷联产的应用
由于热电冷三联产系统(分布式能源站)利用天然气可以达到很高的能量利用效率，在国外得到了非常快的发展。分布式能源站技术从20世纪70年代末期以后开始发展起来，目前美国已经有6000多座分布式能源站，仅大学校园就有200多个采用了分布式能源站。英国只有5000多万人口，但是分布式能源站有1000多座。“911”事件以后，他们加速了分布式能源站建设的步伐，以保证供电安全。比如英国女王的白金汉宫、首相的唐宁街10号官邸，都采用了燃气轮机分布式能源站。俄罗斯采用热电联产的比例占总能耗的33％，美国占50％，而中国只占12.8％。随着燃气轮机技术、余热锅炉、蒸汽透平、吸收式制冷技术的快速发展，分布式能源站的能源利用总效率已可达90％以上。估计在今后一段时间内会有更为成熟的发展。
3 热电冷联产系统实例分析
热电冷联产系统中，天然气的发电效率可达25％以上，整个系统的综合效率可高达80％以上。
笔者曾参与一工厂热电联产方案，该工厂热电冷需求及气源参数如下：
电负荷：4000kW
热负荷：3000kW(200℃蒸汽)；1000kW(300℃蒸汽)
冷负荷：2100kw(1℃冷水)
天然气热值：41 800kJ*Nm-3~45980 kJ*Nm-3
天然气价格：0.71元*Nm-3
年运行时间：350天
根据该工厂的冷、热、电需要，考虑到冷源的温度需达到1℃，所以无法采用吸收式制冷机，在此选择使用压缩机制冷的方式得到该冷源。该方案采取燃气轮机发电，通过余热锅炉供热，通过压缩机制冷。
整个系统流程图见图2。
根据电热负荷及燃气轮机技术参数，若采取以电定热，有热多余。若采取以热定电，则不能满足所需电负荷，须从电网补充用电。但不论何种思路，并不影响制冷部分的选型。
3．1 以热定电方案
若采取以热定电，不足电从电网补充，制冷部分电量从燃汽轮机发电获得。该方案的主要思路是：根据制冷量选择制冷机，以所需热确定燃气轮机选型及发电量等参数，电负荷不足部分从电网补充。其技术经济参数如表1。
3．2 以电定热方案
若采取以电定热，制冷部分电量取用燃汽轮机发电，多余热量不能完全利用。方案的主要思路是：根据制冷量选择制冷机，确定电负荷，与原有电负荷的总和确定燃气轮机选型及参数。其技术经济参数如表2。
3．3 方案比较
从上述两方案的技术经济参数可以看出，就能源利用率而言，方案一要高于方案二，因为方案二中大量的热量没有利用。但就经济效益而言，由于方案二发电量高，而在本文所协商的内部电价条件下，售电的净利润高，故虽然方案二投资高，回收期较方案一短。综合考虑，该工厂推荐采用方案二。
4 结论
我国能源资源不足并且利用效率很低，急需大力发展高能效的联产技术。但是中国的热电联产技术迄今仍然没有发展起来。主要原因之一就是电力系统体制的制约，电力部门垄断了电厂和电网，热电联产发的电难以上网，或者“过网费”高得使高效率得不到高效益。正因为如此，很多项目在电、热的匹配中难以平衡，并偏向于“以电定热”，造成一些不必要的浪费。目前，国家正在加速电力体制改革，提出“厂网分开，竞价上网”，制约联产技术发展的条件正在改变。从现在开始，将是我国迅速发展热电冷三联产技术、建设一大批分布式能源站的重大转机，是一个新时代的开始。
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