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基于燃气内燃机的热电冷三联供系统代 焱 叶水泉 刘月琴杭州华电华源环境工程有限公司 国电机械设计研究院 摘要：热电冷三联供作为提高能源利用率的一种有效形式，对电力、燃气调峰和城市节能有很大的益处，越来越引起人们的重视，本文主要探讨基于燃气内燃机的热电冷三联供的运行模式及其设计方法，并与常规系统进行了经济性比较。关键词：热电冷三联供 内燃机 余热利用1 引言1.1 概述热电冷三联供CCHP（Combined Cooling, Heating &Power）是一种建立在能量的梯级利用基础上，将制冷、供热（采暖和卫生热水）及发电过程一体化的多联产总能系统，目的在于提高能源利用效率，减少碳化物及有害气体的排放。典型热电冷三联供系统一般包括：动力系统和发电机（供电）、余热回收装置（供热）、制冷系统（供冷）等。针对不同的用户需求，热电冷联供系统方案的可选择范围很大：就动力装置而言可选择外燃烧式（蒸汽动力装置）、内燃烧式（燃气动力装置）、燃料电池、以及采用太阳能、风力等可再生能源等；就制冷方式而言可选择压缩式、吸收式或其它热驱动制冷方式，还可以根据用户性质、条件选择大规模热电冷联供生产装置和设在用户现场的三联供装置。 热电冷三联供系统可以广泛应用于同时具有电力和空调需求的场所，如工厂、医院、大型商场、酒店、生活小区和工业园区等。1.2热电冷三联供的特点1）与集中式发电-远程送电比较，CCHP可以大大提高能源利用效率：大型发电厂的发电效率一般为3040；而CCHP的能源利用率可达到8090，且没有输电损耗。2）CCHP在降低碳和污染空气的排放物方面具有很大的潜力：据有关专家估算，如果将现有建筑实施CCHP的比例从4提高到8，到2020 年CO2的排放量将减少30，有利于环境保护。3）缓解电力短缺，平衡电力峰谷差。CCHP采用自发电，可以避开电网用电高峰，并且大大提高了建筑供电可靠性和安全性。4）扩大了燃气使用量，平衡燃气峰谷差。5）投资回报率高，具有良好的经济性。2 热电冷三联供系统常见的几种配置模式1）对各种规模的火电厂或热电厂，较适合采用“蒸汽轮机蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组”模式。从蒸汽轮机抽汽或利用发电后的乏汽驱动蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组，进入汽水换热器换热对外供热水或者直接对外供蒸汽。2）以燃气轮机发电的热电冷三联供系统，适合采用“燃气轮机烟气（补燃型）溴化锂吸收式冷热水机组”模式。燃料进入燃气轮机燃烧产生高温高压烟气推动燃气轮机发电机组发电，排烟直接进入烟气（补燃型）溴化锂吸收式冷热水机组，驱动机组制冷（制热），对外提供空调冷（热）水。当排烟量较小时启动补燃系统，由补燃提供机组热量。3）以燃气轮机蒸汽轮机联合循环发电的热电冷三联供系统，适合采用“燃气轮机（补燃型）余热锅炉蒸汽轮机蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组”模式。燃料进入燃气轮机燃烧产生高温高压烟气推动燃气轮机发电机组发电，排烟进入（补燃型）余热锅炉，产生高温高压蒸汽推动蒸汽轮机发电机组发电，发电后的乏汽或从蒸汽轮机抽汽用于驱动蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组，进入汽水换热器换热对外供热水或者直接对外供蒸汽。4）以内燃机发电的热电冷三联供系统，适合采用“内燃机烟气热水（补燃型）溴化锂冷热水机组”模式。燃料进入内燃机燃烧室燃烧，使内燃机输出机械功带动发电机组发电，内燃机排放的高温烟气及缸套热水直接进入烟气热水（补燃型）溴化锂冷热水机组，驱动机组制冷（制热），对外提供空调冷（热）水。根据目前国内外已建热电冷三联供系统来看，模式1）、2）、3）适合用于规模相对较大的区域式热电冷三联供系统CCHP，向周边建筑供冷、暖、生活热水和电力。由于这类系统相对比较独立，根据国际和国内的惯例，一般称之为“能源岛”系统。 如图3所示为广州大学城的“能源岛”系统示意图。图3 燃气轮机+余热锅炉+蒸汽轮机+溴化锂吸收式及电制冷式机组示意图模式4）较适合于楼宇的热电冷联供系统BCHP（Building Cooling, Heating &Power），向本楼宇供冷、暖、生活热水和电力，同时也可实现临近系统的互相支援和补充。3 楼宇热电冷三联供系统设计原则楼宇热电冷三联供系统设计原则为：1) 系统配置：一种是“兼顾冷热电负荷”，根据楼宇冷热电负荷配置BCHP系统，兼顾余热利用和楼宇能源负荷；另一种是“以电定热（冷）”，根据楼宇配电负荷确定发电机功率，冷热根据发电机余热来配套制热制热设备。2) 电力：并网不售电；3）燃料：以气为主，以油为补，还可采用可再生能源、二次能源等。4）发电装置的功率接近或小于工程要求的电力（一般不超过总容量的70），并具有较大的调节灵活性，要依照全年用热、用电负荷曲线进行选择。发电装置应具有气体、液体双燃料能力，并且保证发电机组全年处于较高的运行状态。如图1，需根据年度电力、热能和冷量的能源需求曲线，确定相应的热电冷三联供配置方案。如图2，需根据设计日电力、热能和冷量逐时负荷曲线考虑合适的形式及运行模式，使电力与热能、冷量需求相互协调，达到综合效率最高的目的。如果与蓄冷、蓄热等技术结合，可以达到减小系统配置及提高系统综合效率的目的。图1 热/电/冷年负荷曲线 图2 热/电/冷日负荷曲线4 内燃机热电冷三联供系统4.1 发电机系统发电机组与电网并网设计，但不能向电网送电，由电力设计院审核并网是否会影响电网波动。发电机组运行时负荷率不能低于35，否则效率下降很快。发电机组有如下几种运行模式：1）发电机组单独为末端供电；2）发电机组与市电自动切换运行；3）发电机组与市电并网运行。4.2 余热利用系统对于燃气（油）内燃机，燃料热量约1/3用来做功发电，约1/3通过烟气散热，还有约1/3通过缸套水、中冷水及辐射热散失。因此对烟气和缸套水、中冷水进行余热回收利用，系统综合能源效率可达8090（辐射热较少，一般不加以利用）。余热利用采取的原则是：优先利用缸套水，其次利用烟气，再次利用补燃。1）完全利用余热：末端空调负荷较小，缸套水及烟气余热能够满足末端使用要求。2）部分利用余热部分利用燃气：末端空调负荷较大，缸套水及烟气余热不能够满足末端使用要求，需要燃气补燃。3）完全使用燃气：发电机组停机，溴化锂机组驱动热源采用燃气直燃。4.2.1 烟气系统内燃机发电机组满负荷运行时，烟气排气温度约为450500，发电机组排烟管一路接溴化锂机组高温发生器，一路接烟囱，通过烟气三通调节阀调节控制各路烟气流量。发电机组在负荷低时，余热烟气温度低，流量变小。在内燃机空气入口处通过阀门调节空气进量，与燃气进量相配合，阀门依照负荷变化进行动作。4.2.2 缸套水系统内燃机发电机满负荷运行时，缸套水出水温度一般为9599，进水温度约为8085，缸套水进出水温差约为1015。制冷时，缸套水进入烟气热水型溴化锂吸收式冷热水机组低温发生器，烟气进入高温发生器，充分利用内燃机余热进行制冷，余热不能满足溴化锂机组制冷量要求时，通过补燃提供。供热时，通过烟气热水型溴化锂吸收式冷热水机组来制热，也可以将采暖回水或自来水通过缸套水换热器和烟气换热器进行热交换后获得高温热水，供末端采暖或者生活热水使 用。当需热量很少时，通过散热装置对缸套水进行散热，以维持一定的进水温度，防止缸套水进水温度过高，影响发动机效率。如果缸套水进水温度太低，也将对发动机效率有影响。因此缸套水进水温度要控制在一个合理的温度范围（约8085），缸套水出水温度由内燃机内部的节温器进行控制。缸套水可以通过机带泵或者外带水泵进行循环。4.2.3中冷水系统中冷器出水温度较低，约为4045，一般直接通过散热水箱散热循环利用；也可根据工程实际情况，经过经济技术比较，用来预热生活热水蓄热水箱自来水进水。5 内燃机热电冷三联供水系统设计的几种形式内燃机热电冷三联供水系统中，冷却水、冷冻水系统流程与常规空调系统一样，本文仅描述余热利用水系统流程，如图5、图6、图7所示。5.1重庆某商业综合区热电冷三联供项目流程如图5所示流程示意图。 图5 内燃机热电冷三联供流程图1缸套水出口处的电动三通阀V1根据缸套水进水温度（设定85，可调）控制，用于散热的冷却塔的冷却水泵变频。1）在缸套水进水温度低于85时，冷却水泵、冷却塔关闭，根据缸套水进水温度传感器控制V1的旁通量；2）在缸套水进水温度高于85时，冷却水泵、冷却塔开启，冷却水泵定频率运行，根据缸套水进水温度传感器控制V1的旁通量。3）当不需要利用余热时，缸套水散热全部通过板换由冷却塔带走，此时由水泵变频控制缸套水进水温度为85V2、V3分别为缸套水供溴化锂机组低温发生器和卫生热水回路的二通电动阀，制冷时，V2开启，V3关闭，充分利用缸套水余热驱动溴化锂机组制冷；制热时，V3开启，V2关闭，通过板式换热器提供生活热水。6 内燃机热电冷三联供技术经济评价 如表1、表2、表3、表4为重庆某商业综合区采用燃气内燃机热电冷三联供系统和常规方案（电制冷+燃气锅炉）经济性比较。6.1部分基准参数：1）天然气低位发热量：35200kJ/m3；2）重庆市天然气价格（商业用气）：2.05元/ m3；3）重庆市电价政策：尖峰电时段：19：0021：00，价格：1.394元/kWh；高峰电时段：8：0012：00，21：0023:00，价格：1.230元/kWh；平电时段：7：008：00，12：0019：00，价格：0.820元/kWh；低谷电时段：23：00次日7：00，价格：0.410元/kWh；4）夏季制冷期考虑120天，冬季供暖期考虑120天；5）商业区使用时间为：9：0021:00。6.2技术经济评价本方案采用差额比较法，即在满足热电冷负荷的前提下，热电冷联供系统和常规系统相比，比较增加的初投资及减少的运行费用。这种方法只用到电价、燃料价格及各种设备投资，避免了目前市场上较为混乱的供热供冷价格，因而评价体系比较客观。表1 燃气内燃机热电冷三联供设备初投资费用主要设备设备参数数量初投资（万元）内燃机发电机组发电功率500kW1台300烟气热水型溴化锂直燃机组4652 kW1台720溴化锂直燃机组4652 kW1台560冷却塔300 m3/h10台78冷却塔125 m3/h1台3冷却水泵640 m3/h，17m5台(备一)25冷却水泵103.4m3/h，17m2台2.5冷热水泵300 m3/h，32m5台(备一)15缸套水循环泵109 m3/h，7.5 kW1台1软水及补水装置1套1.5合计1706表2 燃气内燃机热电冷三联供运行及维护管理费用费用运行及维护管理费用（万元）发电机组维护管理费用25耗燃料费用211制冷制热设备耗电费用111照明、电器等其它耗电费用82合计429表3 常规系统（电制冷+燃气锅炉）设备初投资费用主要设备设备参数数量初投资（万元）离心电制冷机组3165kW，输入功率548 kW3台540冷却塔750 m3/h3台58.5冷却水泵700 m3/h，22m4台(备一)35冷热水泵590 m3/h，32m4台(备一)38软水及补水装置1套1.5燃气热水锅炉3500kW2台28合计701表4常规系统（电制冷+燃气锅炉）运行及维护管理费用费用运行及维护管理费用（万元）耗燃气费用26制冷制热设备耗电费用320照明、电器等其它耗电费用288合计634增量投资回收期为（1706-701）/（634-429）4.9年，不到5年。另一方面，目前火电机组的售价约为4000元/kW，电网建设投资约为2500元/kW，因而，热电冷三联供系统500 kW发电机组为国家节约电力投资费用约325万元。可见燃气内燃机热电冷三联供系统不仅大大提高了一次能源利用率，而且在经济性上相对常规系统具有较大的优势。7 小结1、热电冷三联供是对能源的梯级利用，具有能源利用率高、节电、环保、调节气电峰谷差等优点，合理的设计和运行可以取得良好的经济效益。2、热电冷三联供的设计应根据能源利用次序、运行方式、规模大小确定合理的形式。3、内燃机热电冷三联供系统对于余热的利用有多种形式，要根据项目实际情况，通过经济技术比较，选择合适的方式。4、内燃机热电冷三联供系统相对传统系统，增量投资回收