冷热电三联供系统配置与运行策略的优化

冷热电三联供系统配置与运行策略的优化

王存府

新奥泛能网络科技股份有限公司065000

摘要：随着能源危机和环境恶化，人类的节约、环保意识不断加强，节能环保成为了当今社会发展的趋势，冷热电三联供系统正是在这样的环境下诞生的，为建筑的制冷、供热、发电打开了一个新的局面，虽然在具体的应用中还存在一定的问题，但是发展前景很好。文章通过简要概述三联供系统的几个问题，分析并提出了优化解决的方案，以期能够更好地完善建筑的冷热电供应，同时实现资源的节约和环境保护。使其在建筑中的应用提高资源的利用率，让相关技术在应用中能有效的联系配合，将技术的优化不断加强。

关键词：三联供系统典型建筑优化

冷热电三联供是实现能源梯级利用的高效能源利用形式，它可将发电之后的低品位热能用于制冷供热，以提高能源的综合利用效率。冷热电联供发展较迅速的主要有英国、美国、加拿大、法国、德国和日本等国；早在上世纪30年代，美国就建成了第一个冷热电联供系统，分布式能源站总数现已超过6000座；在过去的20年里，英国已安装1000多个小型的分布式供能系统设备。关于系统的节能性问题，国内研究较多，多数认为冷热电联供系统是节能的，某些认为节能是有条件的，而另一些认为不节能。文章从一次能耗的角度出发，通过计算制冷工况的吸收式制冷系统和电压缩式制冷系统的一次能耗，分析冷热电三联供制冷系统的节能性。联供系统在供热工况下的节能效果是一致认可的，热电联供利用发电后的低品位热量向外供热，而锅炉则是将高品位燃料化学能直接通转化低品位热量向外供热。因而热电联供的(火用)效率一定高于锅炉供热。但制冷工况下的吸收式制冷与常规的电压缩式制冷相比却不一定节能，虽然吸收式制冷也是利用低品位的蒸汽热能，但压缩式制冷机的COP远高于吸收式制冷机。本文以小型燃气轮机作为动力设备组成的联供系统为例分析其节能性。

一、三联供系统概述

三联供系统（CCHP）的“三”指的是冷、热、电，即指以天然气为主要燃料带动发电设备运行，产生的电力供应用户的电力需求，系统发电后排出的余热通过余热回收利用设备向用户供热、供冷，实现冷热电的三联系统供应。三联供系统主要具备多联产、分布式、能源利用最大化的特点，在具体的应用中能够高效利用能源、减少污染排放量，具有很明显的优势，同时得到国家相关政策的支持，不仅如此，三联供系统作为一个比较全面的供应体系，大大提高了电力系统的安全可靠性，这为三联供系统在建筑中的应用打开了一个局面。

1.三联供系统的发展现状

（1）国外发展状况

三联供系统在美国、日本、英国、荷兰等国家都得到了很好的发展，相关的适用范围和技术水平一直在不断地发展，已经逐渐形成了一个比较成熟完善的体系。就美国而言，在1978年美国《国家能源法》颁布以来，有关能源结构的改善一直在不断地推广，随着技术的成熟和相关需求的迫切，目前已经实现了大范围的三联供系统应用，预计到2020年还将有更多的学校建筑、商用企业加入到三联供系统的使用中来。除了美国，日本的三联供系统在政府的支持下已经相当完善，民用、医院、学校、办公楼等都的三联供系统推广工作都取得了很大的突破，另外，很多欧洲国家的三联供技术都已经达到世界水平。三联供系统环保节能的优势为其应用提供了很好的前提，在国外，三联供技术的应用一直在不断推广，同时相关技术也在不断的完善总结和更新发展。

（2）国内发展现状

我国的三联供技术应用相比一些国外的先进国家起步较晚，这也就导致了相关技术与应用结合上还存在一定的差距。随着近年来国家能源战略的兴起，三联供系统凭借其多联产、高效率、低污染的工作机理得到了很高的重视，相关的技术研究取得了很大的突破。将三联供系统应用于建筑供热、制冷、发电技术需要考虑多方面因素，在技术的研究与应用中存在很多的问题，很多的难题随着研究的深入得到了解决，相关技术目前已经不断地推广，同时，中科院也展开了多次应用三联供系统的效益评估，三联供系统得到了社会的广泛认可，相关技术的应用展开了规划。随着建筑应用三联供系统的不断推广，有关的优化措施也在不断的调试，我国一直保持着相关技术的优化与发展。

二、三联供系统优化运行的方法

三联供系统工艺流程CCHP系统主要由动力设备、余热利用设备、调峰设备及相关主辅设备构成。本分布式能源站以天然气为一次能源，机组选型综合考虑冷热负荷变化规律，采取“以热(冷)定电”的原则，并网不上网，动力设备选取发电效率高、设备集成度高且安装快捷的燃气内燃机发电机组，余热利用设备选取运行简单、占地较少、热效率高的双效溴化锂机组，最大限度利用发电余热制冷制热，实现能源梯级利用，提高能源利用效率。调峰设备选取启动速度快、高效运行的离心式冷水机组和燃气热水锅炉。在此基础上，配置灵活可靠的储能装置共同满足负荷需求，以余热利用系统供能为主。

1.典型建筑应用三联供系统的优化

（1）动态负荷合理配置

在三联供系统工程施工中，首先需要对建筑的负荷进行计算，通常采用的负荷计算方法有面积指标法、逐时系数法和软件模拟法，但是一次计算并不能直接得出需要配置系统指标，具体的配置还需要掌握一个全年的动态负荷情况。动态负荷配置的优势在于可以更加全面综合的考虑到气候、季节、气温等不同时期的冷热电负荷系数，这样动态的负荷才能实现合理配置。因此，典型建筑应用三联供系统的优化首先要从动态负荷计算开始，确保配置的合理准确。

（2）设备仪表的控制

三联供系统包括制冷、供热、发电三重的工艺技术，因此相关的设备仪表也比较复杂。一个完整的三联供系统由燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机、发电机、热交换站、制冷设备等主机和很多的辅机设备构成，除此之外，为了保证工作的精确进行，系统还包括许多压力、温度、压强、转速、功率、电压、电流等测量仪表，整个三联供系统需要主机和辅机的相互配合，仪表与设备的协调工作，才能达到冷热电的多联产，实现资源的有效利用。三联供系统需要这么多的设备和仪表来才能完成工作，当中任意一个部分出现问题，都将导致系统的瘫痪，因此，在建筑应用三联供系统上必须优化设备和仪表的控制，只有将这些复杂、冗繁的器械控制好，才能确保工作的井然有序。具体而言，设备和仪表的控制可以从几个方面入手。首先，简化系统结构，减小设备体积、数量，优化仪表的测量功能，实现一表多测，精简设备和仪表不仅可以节约能源，还能为工作管理和工序减负，实现更好的控制。其次，增加设备仪表的自动报警功能，一旦某一个环节出现故障，可以快速排查，提高工作效率。除此之外，设备仪表作为建筑三联供系统的重要组成部分，为了能够有效优化系统功能，必须从科技的角度不断完善和更新设备仪表功能，确保设备功能的先进性、仪表测量的精确性，逐渐实现三联供系统的自动化、信息化和智能化。

（3）运行策略的优化选择

三联供系统的设备繁多，工艺复杂，因此，为了实现更好的功能优化，运行策略选择十分重要。为了选择合适的运行策略，可以就设备进行数学模型构建，将三联供系统中涉及的主要设备集结起来，以年总费用最小作为目标函数，将各个主要设备的特性方程罗列出来，以此求解找出最优的数学模型。数学模型建立之后需要进行适当的测试，判断模型的实用性与准确性，同时依据实际情况进行适当的修正，找到三联供系统最优的运行策略。计算数学模型的方法来进行运行策略的选择相对比较科学，但是在具体的实践中也难免有纰漏之处，因此，得到模型之后必须进行测试与修正，同时，在日后的具体实践中，也可以就模型进行不断的完善。三联供系统的优化需要我们选择出最优的运行策略，才能真正发挥三联供系统的优势，将效益最大化。

三、如何选择系统优化配置方式的选择及依据

为平衡系统中负荷变化，解决冷热电供需不平衡的问题，需要对燃气轮机冷热电联供的运行方式进行优化选择。目前而言，“以热定电”和“以电定热”是天然气冷热电联供系统两种传统的配置方式。“以热定电”是以热需求（冷热负荷）为基准确定系统的电力输出，“以电定热”则是以电需求为基准确定系统的热需求（冷热负荷）输出。康书硕等人应用AspenPlus软件模拟分析了两种配置方式下的热电输出比（即HPR：heat-to-powerratio），研究表明：

1.在“以热定电”运行方式下，随着回热温度升高电量输出随之增加。当1≤HPR<1.75时，机组自发电量小于项目所需电负荷，不足电量部分需外电网补充；当1.75≤HPR<2.5时，则机组自发电量大于项目所需电负荷，电量过剩，可通过上网对外输出。

2.在“以电定热”运行方式下，随着回热温度升高，热量输出随之增加，但增加幅度小于电量输出的增加幅度。当1≤HPR<1.75时，机组输出热量大于项目所需热负荷，多余热量可通过蓄能装置储存；1.75≤HPR<2.5时，机组输出热量小于项目所需热负荷，不足部分通过辅助锅炉补充。根据文献的结果可以分析得到系统配置方式的初步选择依据：

（1）随着热电需求比增大，燃料消耗量相应增加，当1≤HPR<1.75时，“以热定电”燃料消耗量相对较少，故宜采用“以热定电”配置方式，在最大程度满足热、电需求的同时减少燃料消耗量，降低系统的运行费用。

（2）当1.75≤HPR<2.5时，“以热定电”燃料消耗量明显增加，系统总热效率基本不变，故宜采用“以电定热”配置方式；

（3）当HPR=1.75时，电量输出约等于电量需求，热量输出约等于热量需求，能够同时满足热电需求，两种方式的燃料消耗量和总的热效率相当，故两种方式均可采用。

3.发展难点分析

（1）经济性冷热电联产系统

在降负荷运行时各子系统性能均有所下降，联产系统的性能随负荷的降低不断下降。系统运行经济性提高所带来的效益在多长时间内能弥补投资增加额，即投资回收期有多长是设计和发展天然气热电冷联供系统最关心的问题。设备负荷及运行策略是决定系统经济性的最主要因素。首先应根据用能特点及负荷匹配、负荷变化情况和年供冷（热）、供电时数，确定系统的运行控制模式即“以电定热”或“以热定电”，进而确定设备容量。其次，根据用能系统的负荷变化及用能、功能需求制定运行策略即制定三联供机组的运行时间、蓄能系统的运行时间及辅助系统等的运行策略。

（2）热电不平衡问题

受用能区域热电需求特点及政策制约，系统很难实现满负荷运行。天然气冷热电三联供系统目前存在两个缺点：一是只能使用天然气或油品作为一次能源；二是系统规模虽然比大型发电厂和热电联产小，但是不能小到一家一户安装一台，只能适应一幢楼宇或一个小区的冷热电联供。热电不平衡性主要通过系统的配置解决，根据用能区域的热电比综合考虑热电需求特点选择合适的系统配置，采用蓄能系统等辅助系统调节可能存在的热电不平衡。已运行系统通常采用优化多工况下的运行策略来平衡运行过程中出现的热电不平衡问题。在区域能源综合用能供应体系中，分别分析在不同运行策略下的经济性、节能性及环保性，针对不同系统运行特点制定相应的运行策略，使系统热电比达到最佳平衡状态并实现经济最大化。

（3）能源系统的划分及管网系统

按能源分布特点还是按能源中心划分水系统是设计时必须考虑的问题，三联供系统的管道运输长度、管径比常规空调系统相比较大，管道铺设、管道保温、管道防渗漏、管道检修等成本会对初投资及运行费用产生一定影响。工程项目中，应对不同管网系统的运行费用及管道建设费用进行计算，从技术经济角度选型分析。管网布置一般分为支状管网和环状管网，支状管网投资较省但供水安全性较差；环状管网投资高但提高供水可靠性。在天然气三联供系统中，应根据具体的地理位置特点选择适宜的管网系统，使管段数量和施工工程量最小，投资最少，管理维护方便。

四、三联供系统发展趋势分析

目前三联供系统使用天然气或油品，增加了一次能源的消耗，发展基于可再生能源的三联供系统、开发能源利用形式之间的集成应用成为目前三联供系统发展的新趋势。

1.可再生能源三联供系统

太阳能冷热电联供系统是以太阳能作为唯一热源加热气体工质，进行闭式Brayton循环发电。其透平释放的余热通过余热制冷供冷或通过换热器直接供热，实现独立建筑的冷热电联供。燃料电池系统和该热动力系统结合，可以实现白天和夜间连续独立的冷热电联供。该系统不消耗化石能源，无污染，能源利用率高，兼备三联供系统与可再生能源的优点。太阳能三联供系统利用太阳能集热器驱动闭式Brayton循环完成发电，废热温度高达450K，利用气-气换热器加热送风系统的空气，直接作为热源。寒冷季节通过管路和散热器进行供热或利用气-水换热器加热供水供暖或者供热水，炎热季节则可以利用这部分余热驱动制冷系统供冷。地源、海水源热泵消耗较少的电能提供安全可靠地冷热源，系统可供暖、制冷、供生活热水，一机多用。

2.蓄能系统

蓄能系统利用夜间廉价电力制备白天需求的空调冷热能，如冰蓄冷或水蓄能技术通过“削峰填谷”缓解峰电时段用电紧张问题，同时提高整个能源系统的经济性。风能、太阳能、潮汐能等可再生能源完全独立于外界能源供应系统，独立的为用户提供安全、可靠、清洁的冷热电需求，符合区域能源系统最初的设想。

综合运用热泵、蓄能及新能源等系统形成基于天然气冷热电三联供的集成系统不仅能发挥各个系统本身的优点，而且各种能源系统之间相互补充为能源中心提供更加安全可靠、经济性更高的冷热源及电能需求。此外，集中输送冷却水的能源总线系统是区域供热/供冷系统形式之一，与集中输送冷冻水的区域供热供冷系统相比，当用户末端负荷率较低时，能源总线系统在效率、经济性和计费管理上，都有更大优势。能源总线系统以集成应用低品位的“未利用能源”，发挥规模效益的优点在近年来得到长足发展。

参考文献

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