冷-热-电三联供能系统技术研究

冷 -热 -电三联供能系统技术研究

李红君

大唐鸡西第二热电有限公司，黑龙江 鸡西 158150

摘要：针对冷热电三联供系统的技术现状，介绍了冷热电三联供系统的典型构成及核心设备，分析了冷热电三联供系统的运行策略，整体评价了冷热电三联供系统的能源综合利用率，要根据实际情况精确分析，确保其整体经济性。

关键词：冷热电联供；运行策略；经济性评价

1 冷热电三联供系统

冷热电三联供的综合能源利用，一般都是以一固定的区域，如工厂、建筑群为能源利用的支撑平台，综合考虑区域内建筑群对冷、热、电能源的需求，并结合项目所在地的能源供应结构，制定适合的冷热电三联供系统方案，并通过优化与选型，达到最高的能源利用效率。其基本原则是高品质能源发电、低品质能源供热（供冷）、温度对口、能源梯级利用。

冷热电三联供系统的三大核心设备为原动机、余热利用装置和发电装置。本技术上采用的原动机按照燃料性质分为两大类，为燃气轮机和燃料电池，对于燃气内燃机和微型燃气轮机也有应用的案例，燃气供应系统及燃料成本对项目影响较大。对于余热利用装置最重要的设备是余热锅炉、热泵、制冷机及干燥除湿器等^[5]。发电设备相比之下较为简单，是成熟技术的应用。但对于一套完整的冷热电三联供系统，集中控制系统、各辅机系统也是必不可少的。

冷热电三联供系统利用燃料高品位的能量进行发电，满足区域群或楼宇的用电负荷，同时回收来自燃气轮机烟气的低品位热能，生产热水或驱动吸收式制冷机用的蒸汽，进而得到建筑物所需的热量或冷量，构成了区域群或建筑物的空调系统，满足供电、供热、制冷的三项需求。内燃机冷热电联供系统、燃气轮机冷热电联供系统、燃料电池冷热电联供系统等三种最基本的方式都可以应用，但要综合考虑燃料的来源及成本，在此三种基本的模式的基础上，通过区域群、建筑物、楼宇的负荷的预测可进行风能、光能、储热等方式的联合应用，达到整个系统的经济性最优的目的。

2 冷热电三联供运行策略

冷热电三联供系统配置方案确定、优化制冷、供热、发电三大核心设备及辅助系统后，三联供系统的运行方式对系统节能性和经济性的影响最大，由于冷热电联供系统在我国是一项新技术，三联供系统的典型运行策略主要包括以下几种：以热（冷）定电模式、以电定热模式、优化运行模式和孤岛运行模式。

2.1 以热（冷）定电模式

以热（冷）定电模式也称为上网运行模式，发电机组与大电网并网运行，可与大电网实现电量交易。运行原则是发电机组的发电量按照满足每个时间段的热（冷）负荷，即任何时段三联供系统输出的可用热量（冷量）均与建筑热（冷）负荷相等（机组发电量不超过系统各设备容量，且满足其最小运行功率）。其发电负荷在满足建筑物的热（冷）负荷要求的前提下，若当时的项目区域的用电量小于三联供系统的发电量，则多余的电量上网销售；若当时的项目区域的用电量大于三联供系统的发电量，则不足的电量从电网采购。

2.2 以电定热（冷）模式

以电定热（冷）模式下，发电机组按照满足每个时间段的项目需求的电负荷方式来运行，任何时段三联供系统发电量均与项目区域所需电负荷相等（机组发电量不超过系统各设备容量，且满足其最小运行功率）。若系统输出的可用热量（冷量）高于项目区域所需热（冷）负荷，如能利用则利用，不能利用的热量可通过废热排放换热器排至室外；若低于项目区域所需热（冷）负荷，则不足热（冷）量可以通过补燃的方式来（电制冷机制冷）提供。此运行方式也称为并网运行方式，三联供系统随与大电网并列运行，但与大电网没有电量的相互输送。

2.3 优化运行模式

优化运行模式下，发电机组并不是完全按照电定热（冷）或是热（冷）定电的模式。由于目前我国电力上网困难，这就决定了优化运行方案必须从“电主热从”的原则考虑最佳运行计划，基于给定的系统数学优化模型和目标函数及优化条件，根据全年时间段的冷热电负荷需求和峰谷电价以及天然气价格等参数，以非三联供的运行方式作为参照，使用以 NPV 值最优化方法进行求解计算而得到的最优化的运行模式。

2.4 孤岛运行模式

孤岛运行模式又称为孤网运行，三联供系统完全按照封闭的模式来运行，不与大电网并网及交易，冷热电负荷全部由三联供系统来提供。对于该种运行模式，三联供系统需要在紧急情况下配置备用发电和供热设备应急。由于需要配置的设备容量为各种运行模式下的最大值，所以从各类设备的初投资角度来看，这种运行模式最为昂贵；同时由于不能很好的协调冷热电的比例分布，有可能导致浪费多余的电量和余热，因此该运行模式既不经济也不节能。

3 冷热电三联供系统经济评价

对于目前应用最多的燃气冷热电三联供系统来说，典型的方案均为成熟的技术的组合，如热电联产机组，溴化锂机组、电制冷冷水机组、热泵、热网等。因此技术上可行性较高，但对于已经投运的项目进行统计，70%以上运行良好，停运的占20%，停运的大部分原因为经济性太差

^[7]。

3.1 冷热电负荷的确定方法

冷热电三联供系统在运行时，发电过程与热回收处理是同时进行的，因此，在确定电负荷与热负荷（热水量、供热量、制冷量、蒸汽量）的最大值及每个月、每天各个时刻的负荷变化趋势，要根据不同功能的建筑物来决定。

（1）对完成的建筑进行联产系统设计时，不仅要调查核实实际冷、热、电负荷数据，还要根据实际运行数据绘制出不同季节典型日逐时负荷曲线和年负荷曲线。

（2）对于无法实时测出相关冷、热、电数据，影响系统设计时，应根据本建筑设计负荷资料等文件，寻找相似建筑实测负荷数据进行估算，以获得随季节变化的典型日逐时负荷曲线和年负荷曲线。

（3）在绘制随季节变化的负荷曲线时，可适当增加负荷种类、属性及容量等相关因素。

3.2 设备配置

在确定冷热电联产系统设备容量时，应计算年平均能源综合利用率，且联产系统的年平均能源综合利用率应大于70%。联产系统的年平均能源综合利用率如式（1）所示：

η= 式（1）

式中：η——年平均能源综合利用率，%；

W——年净输出电量，kWh；

——年有效余热供热总量，MJ；

——年有效余热供冷总量，MJ；

B——年燃气总耗量，m³；

——燃气低位发热量，MJ/ m³。

当配置发电机组容量时，有必要合理地匹配系统中的热（冷）和电负荷。为了实现系统的经济运行并实现能量的梯级利用，必须充分地从发电机组回收余热量，避免系统以单独发电的运行工况运行。因此，根据要求匹配的发电机组通常在基本空调负荷下执行，选取原则为最大负荷的 50%-70%。既可适当减小发电机组的配置容量，降低设备投资费用，又可提高发电机组的满负荷运转率，保证机组运行的经济性。对于峰值冷（热）负荷通过配置其他供冷（热）设备进行调节。

5 结束语

由于对输入燃料的能量进行了梯级利用，冷热电三联供系统具有很强的节能优势，能源转换过程中的不可逆损失小，能源综合利用效率可以高达70%-90%。减少使用燃料量以及采用低排放的技术，大为降低了系统的污染物排放，从而减轻了对环境的压力，同时产生多种能量的输出，可以有效应对用户的特殊需求，并且因余热供冷供热与发电分摊能源成本。

由于冷热电三联供系统的初投资较大、技术含量高，对运行维护人员的素质要求也更加严格，在加上与可再生能源风电、光伏结合，其对资金和人员的投入会更大，在上项目前，应对该系统的能源综合利用效率要精细评估，保证其经济效益。

参 考 文 献

[1] Frangopoulos CA,Ram say B.EDUCOGEN.Second edition.The European educational tool on cogeneration [Z].European Commission,2001.

[2] 付林，李辉等.天然气冷热电联供技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2008.