天然氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)簡介

天然氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)簡介背景天然氣是潔凈能源，在其完全燃燒后及采取一定的治理措施，煙氣中NOx等有害成分遠(yuǎn)低于相關(guān)指標(biāo)要求，具有良好的環(huán)保性能。美國有關(guān)專家預(yù)測如果將現(xiàn)有建筑實施冷、熱、電三聯(lián)供(Combinedcoolingheatingandpower，簡稱CCHP)的比例從4%提高到8%，到2023年CO2的排放量將減少30%。概念與優(yōu)勢燃?xì)饫洹?、電三?lián)供簡單地說即為：天然氣發(fā)電、余熱供熱、余熱制冷。相比于常規(guī)供能燃煤發(fā)電、燃?xì)夤?、電制冷，具有能源梯級利用，綜合能源利用率高；清潔環(huán)保，減少排放CO2，SO2；與大型電網(wǎng)互相支撐，供能平安性高的優(yōu)勢及對燃?xì)夂碗娏τ须p重削峰填谷作用。以天然氣為燃料的動力裝置，例如燃?xì)廨啓C、燃?xì)鈨?nèi)燃機、斯特林發(fā)動機、燃料電池等，在發(fā)電的同時，其排放的余熱被回收，用于供熱或驅(qū)動空調(diào)制冷裝置，如吸收式制冷機或除濕裝置等，這種以天然氣為燃料，同時具備發(fā)電、供熱和供冷功能的能源轉(zhuǎn)換和供給系統(tǒng)，就是天然氣冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)的集中式供能，天然氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)是建立在用戶側(cè)的小型的、模塊化的能源供給系統(tǒng)，防止了長距離能源輸送的損失，為能源供給增加了平安性、可靠性和靈活性。天然氣冷、熱、電三聯(lián)供分類天然氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用于商業(yè)、工業(yè)等各個領(lǐng)域，一般分為樓宇型和區(qū)域型兩種。樓宇型冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)，規(guī)模較小，主要用于滿足單獨建筑物的能量需求(如醫(yī)院、學(xué)校、賓館、大型商場等公共設(shè)施)。單獨建筑物一天內(nèi)的負(fù)荷變化較大，會出現(xiàn)頂峰或低谷的情況，而系統(tǒng)的運行需要不斷進(jìn)行調(diào)整，與負(fù)荷需求相匹配。因此，樓宇型冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)對設(shè)備的啟停機及變工況運行性能有較高的要求，同時在系統(tǒng)集成方面，發(fā)電設(shè)備、熱源設(shè)備、蓄能設(shè)備之間的優(yōu)化設(shè)計以及與電網(wǎng)配合的優(yōu)化運行模式也十分必要。區(qū)域型分布式冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)主要應(yīng)用于一定區(qū)域內(nèi)的由多棟建筑物組成的建筑群。區(qū)域內(nèi)建筑物用途具有多樣性，各個建筑物對用能需求的時間段也不同，由于不同用途建筑物負(fù)荷之間的相互荊合，使得區(qū)域能源需求雖然比擬大，但是供能曲線相比照擬平穩(wěn)，設(shè)備的變工況運行要求不高。當(dāng)規(guī)模較大時，一般采用高效的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機組。供能形式下列圖為常規(guī)的冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)圖，該系統(tǒng)主要由原動機為核心的發(fā)電設(shè)備和余熱回收設(shè)備組成，與電網(wǎng)并網(wǎng)運行。建筑物的根底負(fù)荷一般由電力負(fù)荷、制冷負(fù)荷、采暖負(fù)荷、熱水負(fù)荷組成，其中電力負(fù)荷優(yōu)先由原動機發(fā)的電來提供，當(dāng)原動機的發(fā)電量不能滿足需求時，從電網(wǎng)買電。發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱被蒸汽型、熱水型吸收式嗅化鏗制冷機等余熱吸收式熱源設(shè)備所利用來制冷制熱，或者通過熱交換的方式，提供采暖和熱水負(fù)荷。熱水負(fù)荷不能滿足需求時，由鍋爐進(jìn)行補給。冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)的原動機形式主要有微型燃?xì)廨啓C、內(nèi)燃機、燃料電池等。微燃機規(guī)模一般在25~400kW，發(fā)電效率比擬低，而產(chǎn)熱品味較高，煙氣溫度可以到達(dá)500℃以上，適用于熱負(fù)荷比擬高的用戶。內(nèi)燃機規(guī)模一般在100kW~5MW，發(fā)電效率很容易與大電網(wǎng)的平均效率持平，但煙氣溫度低，換熱效率低。對于1MW以下的三聯(lián)供系統(tǒng)，內(nèi)燃機占據(jù)了主導(dǎo)地位，這是由于燃?xì)廨啓C在此容量范圍內(nèi)發(fā)電效率較低，節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益不明顯。對于1~5MW的三聯(lián)供系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C數(shù)量大約為燃?xì)鈨?nèi)燃機的50%。對于5~10MW及以上范圍的三聯(lián)供系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C占主要地位。燃料電池的應(yīng)用在國外較為普及，相比傳統(tǒng)的發(fā)電方式具有發(fā)電效率高，環(huán)境性好的優(yōu)勢。如果建筑物的熱電負(fù)荷比例與冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)的熱電比接近，系統(tǒng)能源利用效率還是非常高的，所帶來的經(jīng)濟(jì)性回報也很高，投資回收期也較短。應(yīng)用案例一：北京南站原理：冷、熱、電三聯(lián)供采用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機組。內(nèi)燃發(fā)電機的余熱主要有兩局部，煙氣余熱和缸套水余熱。煙氣余熱可以有2種利用方式。發(fā)電機的高溫排氣進(jìn)入余熱鍋爐，產(chǎn)生蒸汽，通過蒸汽吸收式制冷機，產(chǎn)生冷熱水供空調(diào)或采暖。這種系統(tǒng)是典型系統(tǒng)，特別適用于有蒸汽需求的情況。發(fā)電機的高溫排氣直接進(jìn)入煙氣型溴化鋰吸收式冷熱水機組，產(chǎn)生冷熱水供空調(diào)或采暖。應(yīng)用特點：〔1〕冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)通常采用的方法是通過燃?xì)廨啓C或內(nèi)燃機技術(shù)，一方面發(fā)電，另一方面回收余熱，經(jīng)過煙氣吸收式冷溫水機提供冷到達(dá)夏季制冷和冬季采暖效果?？梢詫崿F(xiàn)能源的梯級利用，大幅提高整個系統(tǒng)的一次能源利用率。還可以提供并網(wǎng)電力作能源互補，整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益及效率均相應(yīng)增加。三聯(lián)供系統(tǒng)能充分利用天然氣的熱能，綜合用能效率可達(dá)90%以上。同時可降低以天然氣為燃料的供熱本錢，把一局部本錢攤到電費上，減輕運營本錢負(fù)擔(dān)，設(shè)計合理時與常規(guī)系統(tǒng)相比，超出的初投資靠運行費用的節(jié)省5年內(nèi)可收回?！?〕節(jié)能性分析對三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能率與兩種對象進(jìn)行比擬，一是按照天然氣大型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電效率50%進(jìn)行比擬，該比擬對象目前節(jié)能性最高，經(jīng)模擬計算結(jié)果說明北京南站能源系統(tǒng)全年運行節(jié)能率12%；二是按照北京用能的實際情況進(jìn)行比擬，與常規(guī)系統(tǒng)能源利用比擬，冬季與夏季的節(jié)能率分別為67%和59%?！?〕節(jié)水性采用污水源熱泵系統(tǒng)，取消冷卻塔可減少冷卻塔的飄水和蒸發(fā)補水量，每年節(jié)省用水量約7萬t。〔4〕環(huán)保性分析三聯(lián)供系統(tǒng)以天然氣為燃料，天然氣是優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的理想能源，天然氣燃燒后產(chǎn)生的溫室氣體只有煤炭的1/2，石油的,2/3；同時利用吸收式冷溫水機承當(dāng)局部冷熱負(fù)荷，減少氟里昂的排放量。三聯(lián)供系統(tǒng)被認(rèn)為是對實現(xiàn)排放目標(biāo)奉獻(xiàn)最大的一項技術(shù)，其減少CO2排放量占總目標(biāo)的1/4。北京南站能源站三聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)年節(jié)能約420萬kw。h節(jié)能量折合標(biāo)準(zhǔn)煤約為1600t/年，減排CO2約4000t/年，減排SO237t/年。經(jīng)濟(jì)性分析：預(yù)計5年內(nèi)收回初投資。案例二：民用建筑辦公樓原理圖：建筑概況：該辦公樓建筑面積5.2萬m2，其中地下1.4萬m2用于停車庫，地上3.8萬m2主要用于辦公，建筑高度99m，地上23層。能源中心設(shè)于樓外，夏季供冷、冬季采暖面積為地上的3.8萬m2。經(jīng)濟(jì)性分析：對電負(fù)荷、冷熱負(fù)荷、發(fā)電機組容量、配電系統(tǒng)主接線型式確實定后，對其經(jīng)濟(jì)型進(jìn)行分析。計算年產(chǎn)生發(fā)電量、年消耗天然氣費用、年運行費用〔包括人員管理、機油消耗、設(shè)備折舊、維護(hù)、機組占地等費用〕，核算預(yù)計9年內(nèi)回收本錢。天然氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用的結(jié)論：〔1〕能源梯級利用，綜合利用率較高。冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)其綜合能源利用率可接近90%。從能量品質(zhì)的角度看，燃?xì)忮仩t的熱效率雖然也能到達(dá)90%，但是它最終產(chǎn)出能量形式為低品位的熱能，而三聯(lián)供系統(tǒng)中將有37%左右的高品位電能產(chǎn)出，電能的做功能力是相同數(shù)量熱能的2倍以上，所以三聯(lián)供系統(tǒng)的綜合能源利用效率比燃?xì)忮仩t直接燃燒天然氣供熱高得多。另外，系統(tǒng)建設(shè)在用戶附近，與傳統(tǒng)長距離輸電相比，還能減少6%-7%的線損?！?〕對燃?xì)夂碗娏τ邢麟娏χ逄钊細(xì)庵鹊淖饔?。我國大局部地區(qū)冬季需要采暖，夏季需要制冷。大量的空調(diào)用電使得夏季電負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過冬季，即電力使用的頂峰出現(xiàn)在夏季。而目前50%以上的天然氣消費量用于冬季采暖，即燃?xì)馐褂玫捻敺宄霈F(xiàn)在冬季。采用燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)，夏季燃燒天然氣制冷，增加夏季的燃?xì)馐褂昧浚瑴p少夏季空調(diào)的電力負(fù)荷，同時系統(tǒng)的自發(fā)電也可以降低電網(wǎng)的供電壓力?！?〕清潔環(huán)保，減少碳排放。天然氣是清潔能源，燃?xì)獍l(fā)電機組采用先進(jìn)的燃燒技術(shù)，燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)的排放指標(biāo)均能到達(dá)相關(guān)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)美國的調(diào)查數(shù)據(jù)，采用冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)分布式能源，寫字樓類建筑可減少溫室氣體排放22.7%，商場類建筑可減少溫室氣體排放34.4%，醫(yī)院類建筑可減少溫室氣