大型冷热电三联供在城市能源供应中的研究与应用

赵云才 邢 珺 游 洋 韩 超 王 鹤

（北京京能未来燃气热电有限公司，北京 102209）

城市综合体的广义定义为城市中的居住、办公、商务等各类功能复合相互作用、互为价值链的高度集约的街区建筑群体［1］。我国横跨五个时区，纵向分为五个温度带，各地区根据用能习惯对于能源需求趋于多样化。

1 研究背景

随着社会高速发展，人民生活水平逐步提高，我国工业与居民对能源需求质量越来越高，同时对冷、热、电能各种利用形式的需求也不尽相同。由于不可再生能源不断减少，新能源开发尚不能完全满足日益增长的能源供应需求，节能、环保、高效就成为人类在能源利用中追求的目标。作为一种新型的分布式能源体系，燃气蒸汽联合循环冷热电三联供系统在发电同时，伴随余热利用技术实现一次能源综合梯级利用，保证了区域能源集中供应。

1.1 本文论点

燃气蒸汽联合循环冷热电三联供系统，应用于城市综合体中，其特点在于区域型能源集中供应，将一次能源进行综合梯级利用，系统过燃气蒸汽联合循环机组发电的同时，实现冬季供热、夏季制冷，使一次能源合理利用，高效节能环保。

本文以北京京能未来燃气热电有限公司对未来科技城的能源供应为例，比较了三联供系统与常规市电供电系统的经济和环保效益。

1.2 研究意义

在工业化和城市化的推进进程中，能源与环境问题已经成为我国经济和社会发展的主要矛盾。同时，一次能源的紧缺、环境持续恶化是目前人类共同面对的全球性问题。用天然气替代燃煤发电供热，其发电效率及环保效益显著，但劣势是燃气成本过高同时缺少燃气资源，大力促进天然气冷热电联产技术的发展，必将显著改善我国，特别是城市的环境质量及用能品质［2-4］。

2 三联供系统介绍

2.1 三联供系统及特点介绍

燃气蒸汽联合循环冷热电三联供是区域型分布式能源的一种，具有节能降耗、提高能效、科技环保等优势，是提高能源利用率及减少污染物排放的必要手段之一，符合我国提出的可持续发展战略。从技术层面来看，冷热电三联供系统是以燃气为能源，对其产生的高温烟气通过余热锅炉再次利用，通过余热供热制冷，以达到冷热电三联供的一个能源供应系统。该系统通常由燃气蒸汽联合循环发电机组、热交换装置及吸收式制冷装置组成，三联供使得燃气的热能被充分利用，大大提高了能源的综合利用效率［4］。

2.2 系统分类

分布式燃气冷热电三联供系统主要由燃机发电机组、余热锅炉、汽机发电机组及吸收式制冷机组组成，有多种优化组合形式，在应用中根据用户需求各有优缺点，在推广和规划时应予以充分考虑。

分布式天然气冷热电联供的系统形式很多。根据燃气发电机种类划分，分为内燃机联供系统、燃气轮机联供系统、燃料电池联供系统等。根据发电机与电网的关系划分，有发电机与市电并网运行方式和发电机与市电切网运行方式两种规划方案。根据余热利用设备种类划分，有余热锅炉+吸收式制冷机组系统、补燃型余热锅炉+吸收式制冷机组系统、余热吸收式制冷机组系统等。根据系统运行时间不同划分，有全年连续运行和季节性间歇运行两种系统。

2.3 关键技术原理

传统燃气蒸汽联合循环三联供项目都采用扩大式省煤器余热集中供热、供冷，循环水系统公用及大温差集中供冷等多项新技术、新工艺，体现了项目建设的新思路。以燃气-蒸汽联合循环机组为基础，通过传统的蒸汽轮机低压缸抽气，利用热网系统加热热网循环水，实现热电联产，满足供暖季用户的基本需求。利用天然气发电排烟中污染物含量低、不容易形成低温腐蚀的特点，考虑进一步利用余热锅炉的尾部余热，在余热锅炉尾部加装扩大式省煤器，回收烟气余热；通过改造供热系统，扩大式省煤器冬季可直接供热，减少了冬季的抽气供热量；在夏季供热期，充分利用扩大省煤器余热制冷，降低制冷成本；采用集中冷站循环水系统与电厂循环水系统共用的方案，减少了冷站循环水冷却塔及冷却水泵的投资。吸收式制冷机与离心式制冷机前后串连工作，可实现“大温差供冷”，扩大了集中供冷的服务半径，使供热供冷管径相互匹配，“冷热同网”得到实现。

3 三联供系统实用案例与分析

3.1 设计方案及分析

3.1.1 设计方案

建设有一套255MW的“一拖一”燃气-蒸汽联合循环机组和区域集中制冷站（总容量16000RT），实现区域能源冷、热、电三联供。该工程天然气接自京承高速路西侧燃气集团的高压管线京承供气支线。机组可在纯凝、抽气供热、背压供热、汽轮机全切供热等方式下运行，冬季背压供热是本机组的保证工况。夏季供冷采用的是余热锅炉尾部烟气余热驱动溴化锂吸收式制冷机制冷串联离心式电制冷深冷的工艺方案，能够实现远距离、大温差供冷。

燃气轮机组，为上海电气/西门子公司制造的SGT5-2000E型燃气轮机，采用单一天然气原料，室内布置、配置干式低氮燃烧器，由一台16级的轴流式压气机、2个低NOx燃烧器、一台4级的透平和燃机辅助系统组成。余热锅炉（HRSG）是由无锡华光锅炉股份有限责任公司生产的型卧式、自然循环、双压、无补燃、全密封的燃机余热锅炉，锅炉直接接受燃气轮机排出的烟气，经各受热面换热后，通过气候挡板排入大气。汽轮机为上海汽轮机厂生产的次高压、双缸型、双压、无再热向下排汽的可抽凝、可背压、可纯凝运行供热汽轮机。汽轮机除纯凝运行、抽气供热运行外，还可以在线将低压缸与整机解列，汽轮机高压缸排汽全部进入热网加热器供热，即转入“背压模式”运行方式，从而实现最大程度的供热。

3.1.2 设计方案分析

首先，以燃气-蒸汽联合循环机组为基础，通过传统的蒸汽轮机低压缸抽汽，利用热网系统加热热网循环水，实现热电联产，满足供暖季用户的基本需求。

其次，利用天然气发电排烟中污染物含量低、不容易形成低温腐蚀的特点，考虑进一步利用余热锅炉的尾部余热，在余热锅炉尾部加装扩大式省煤器，回收烟气余热约20MW。该方式提高了机组的一次能源利用率，降低了集中制冷对机组发电的影响。通过改造供热系统，扩大式省煤器冬季可直接供热，减少了冬季的抽气供热量。另外，安装了国内最大的热水型溴化锂吸收式制冷机组，在夏季供热期，充分利用扩大省煤器余热制冷，降低制冷成本。

再次，采用集中冷站循环水系统与电厂循环水系统共用的方案，减少了冷站循环水冷却塔及冷却水泵的投资。为整个循环水系统配置了2大2小4台循环水泵，配置更加合理，运行更加灵活，水泵及冷却风机能够更多的运行在经济负荷区域，系统能耗大幅下降。

最后，采用热水型溴化锂吸收式冷水机组和离心式电制冷技术相结合的两级复合型供冷装机方案。即吸收式制冷机（第一级初冷）与离心式制冷机（第二级深冷）前后串联工作，使供冷温度范围达到10℃（13℃-3℃），实现了“大温差供冷”，扩大了集中供冷的服务半径，由传统的3公里扩大到5公里。该方案缩小了供冷管网的管径要求，使供热供冷管径相互匹配，“冷热同网”得到实现。同时，有效减少了冷冻水输送系统的输配能耗，降低冷冻水系统的补给水量，减少水资源的消耗，也大大提高了供冷系统的可靠性。

3.2 经济性分析

3.2.1 减小了锅炉排烟热损失，实现了烟气余热的充分利用，节约了一次能源消耗，提高了能源利用效率。通过扩大式省煤器可回收锅炉烟气余热20MW，减少了供热、供冷的抽气量，对机组发电影响较小。按照标注煤的含热量为7 000kcal/kg计算，年平均可利用余热、废热量折合标煤为7 048吨。利用废热制冷每年可节省电量1 400万kW·h，按照火力发电厂折标煤系数0.36kg标煤/kWh计算，可折标煤5 040t/y。节省电力的标煤与利用废热、余热制冷折标煤总量为12 088吨/年，节约成本3 244万元。按照工业锅炉每燃烧1吨标准煤,可产生二氧化碳2 620kg，二氧化硫8.5kg，氮氧化物7.4kg计算，每年可以减少二氧化碳（CO2）排放31 670.56t/y，减少二氧化硫（SO2）排放102.75t/y，减少氮氧化（NOx）排放89.5t/y。

3.2.2 两级制冷系统的设计、实施，实现了大温差集中供冷。大幅减少了供冷管径的要求，实现了冷热同网运行。节约管网建设投资约2亿元，同时降低了管网检修维护工作量，提高了管网使用率，年节约管网检修维护费用约100万元。

3.2.3 大温差集中供冷可以有效减少冷冻水输送系统的输配能耗，降低冷冻水系统的补给水量，减少水资源的消耗，同时可以降低冷冻水附属系统的规模。供冷用户侧可实现低温送风，满足用户特殊需要，且换冷板减小，节约用户换冷站的占地和投资。

3.2.4 供热、供冷运行更加灵活，安全性提高，可根据实际情况选择最优运行方式。

4 问题与对策

4.1 存在问题

4.1.1 CCHP系统成本的经济性问题。

CCHP成本中燃料占67%-78%，经济效益受市场燃料与电价的影响，这些因素与市场行为有关，如果不靠政府补贴燃气发电很难有利可图。

CCHP可通过市场定价企业自负盈亏，迫使其自主提高能源利用率；否则其推广就一定需要相关优惠政策支持，不能让发电企业提升能源利用率减少排放后，财务上却得到了损失。

4.1.2 国内缺乏自主生产大型整套燃气轮机的能力，设备及技术进口成本较高。

4.2 解决思路

4.2.1 政府应给予CCHP项目优先立项权，鼓励清洁能源使用。

4.2.2 支持电厂直发用能企业，提前规划区域发展，提供相关政策支持，实现区域能源集中供应，努力推进老旧城区改造。

4.2.3 主机及其他设备的国产化。为了降低投资，燃机设备的国产化是重要环节。我国的大型高精机械设计能力及制造水平必须加快提升。

5 结论

本文依托北京京能未来燃气热电有限公司项目的实践，验证了冷热电三联供技术的可行与合理性，为今后大型冷热电三联供项目的建设、运营提供了很好的参考和借鉴作用。燃气蒸汽联合循环冷热电三联供系统将天然气作为一次能源进行发电、供热及制冷，提高了一次能源利用率，是我国发展分布式能源的一种重要途径，符合可持续发展的规划要求。目前国内关于大型冷热电三联供在区域能源供应中应用的相关研究和文献并不是很多。希望通过上述课题的研究和应用，为分布式能源供应产业的进一步发展提供参考。

［1］朱文俊.城市综合体的功能及价值分析［D］.北京，清华大学，2009.

［2］李宇红.中国的天然气热电联产与清洁发展机制［J］.能源工程，2002（3）：4-8.

［3］胡小坚.冷热电三联供系统（CCHP）的优化研究进展［J］.能源研究与管理，2010（2）.

［4］李炳华.冷热电三联供系统在城市综合体中的应用［J］.智能建筑电气技术，2012（4）.