以天然气为燃料的冷热电联产系统

张莉，姚秀平，李永光，王启杰

（上海电力学院动力工程系，上海　200090）

　  摘　要：阐述了冷热电联产系统的发展及特点，通过分析我国能源的现状和以天然气为燃料的冷热电联产系统的特点，指出在我国发展燃用天然气的冷热电联产系统有着广阔的前景．
    关键词：天然气；冷热电联产

引　言
　　能源是社会发展的物质基础，能源的开发数量和合理利用标志着人类的文明和进步．随着人类文明的进步，全世界的能源问题正逐步由第一代能源系统朝着第二代能源系统建设的方向迈进．第二代能源系统的特征包括了燃料的多元化、设备的小型、微型化，冷热电联产化和洁净化等方面，也反映了今后能源技术发展的重要方向．冷热电联产集中体现了第二代能源系统的主要特征，因此，在全世界积极推动第二代能源系统建设的进程中，国内外关于冷热电联产的研究正成为一个热门课题．与此同时，社会的发展和人民生活水平的提高，也促进了对冷热电联产的发展．随着人们对工作环境和生活环境的舒适程度的要求越来越高，发展具有高效、清洁、安全可靠、可灵活地满足冷、热、电需求特点的能源供给系统已引起世界各主要工业国的重视，并已经开始竞相开发．
　　 在此形势下，我国在1998年颁布了《关于发展热电联产的若干规定》，2000年国家发展计划委员会、国家经济贸易委员会、建设部和国家环保总局又联合发出了《关于发展热电联产的规定》，明确了国家鼓励发展热电联产的政策，特别支持发展以天然气为燃料的燃气轮机热电联产项目，同时强调了国家积极支持发展小型燃气机组组成的冷热电联产系统．

1　冷热电联产概述
　　冷热电联产(CCHP—Combined Cooling Heation and Power System)是一种建立在能量的梯级利用概念基础上，将制冷、供热及发电过程一体化的多联产总能系统．冷热电联产的发展是自20世纪70年代能源危机开始的．由于地球能源的不断匮乏，世界各国能源专家开始注重于新能源的开发及常规能源的高效利用．冷热电联产之所以能够得到能源专家的关注，是因为其与经济、社会发展背景有着密切的关系．
　　 1　出于节约资源、保护环境的考虑，与集中供电相比，冷热电联产可以大大提高能源利用效率（大型发电厂的发电效率是40％左右，扣除厂用电，再扣除输配电损失等，终端利用率仅为30％左右，而冷热电联产的能源利用率最高可达到90％）；
　　 2　冷热电联产在降低硫化物、氮化物、碳化物的污染排放方面也具有很大的潜力；
　　 3　随着经济发展和人类生活水平的提高，能源需求呈现出多元化趋势；
　　 4　国际社会和经济生活中出现的电网崩溃和意外灾害现象（如美国东北部大电网事故、科索沃战争、地震、暴风雪等），也促使了更为安全可靠的能源供给系统———冷热电联产系统的发展．
    美国是冷热电联产的积极倡导者，从1978年就开始提倡发展小型热电联产．在美国能源部的倡导和天然气、电力和暖通空调等工业部门的制造业的参与下，美国已提出了一个“CCHP2020年纲领”．“纲领”宣称，到2020年，美国将使CCHP成为商用和写字楼类建筑高效使用矿物能源的典范，并通过对能源系统的整合，极大地推动经济的增长和居民生活质量的提高，最大限度地降低污染物的排放量．此外，还分别对2000年、2005年、2010年、2020年的目标提出了具体的实施规划．按照计划，美国到2005年将建成200个示范点；到2010年，20％的新建和5％的已有商用、写字楼类建筑物将使用CCHP；到2020年，50％的新建和25％的已有商用、写字楼类建筑物将使用CCHP．除美国外，日本、德国、英国、俄罗斯等国也都对设计制造CCHP关键设备（如燃料电池、微型燃气轮机、内燃机、外燃式热气机、新型吸收式冷热水机组等）具备一定能力和自主知识产权．在我国，由于长期受一次能源供给状况的影响和其他因素的制约，CCHP系统方面的研究起步较晚，有关CCHP系统的一些关键技术的研究还有待进一步地加强．
　　 目前，根据能源供给形式的不同，冷热电联产系统的方案有很多种，主要的方案如表1所示．


2　燃用天然气的冷热电联产
2．1　天然气时代为CCHP的发展带来机遇
   充足的天然气供应是发展CCHP的前提条件．天然气是世界上20世纪70年代以来发展最快的能源，目前其年耗量已接近石油，成为21世纪初、中期世界上最重要的化石能源．由于种种原因，我国的天然气工业发展滞后，1998年产量只占全国能源总量的2％，远远低于先进的工业国家，也低于发展中国家．近年来，我国加大了天然气勘探与开发的力度，特别是“西气东输”工程的开展，以及从俄罗斯等邻国引进天然气项目的实施，天然气工业呈现出蓬勃发展的景象，我国天然气的工业应用时代即将到来．
　　 虽然天然气可用量在高速增长，但目前在能源结构中仍然只占较小的比例，尤其是在我国，以煤为主的基本能源格局不会有根本的变化．因此，如何高效、合理地使用宝贵的天然气是我们需要慎重考虑的．小型化、分散化是世界电力行业发展的趋势，采用中小型燃用天然气的冷、热、电联供系统，高效合理使用天然气，发达国家已走出了一条值得我们借鉴的道路．
2．2　燃用天然气的冷热电联产的特点及应用范围
　　燃用天然气的冷热电联产系统由小型或微型设备组成，以分散的方式布置在用户附近或直接与建筑物集成在一起，可独立地向用户供应冷、热、电和生活热水．燃用天然气的CCHP系统具有高效、灵活、安全可靠、清洁的特点．
　　 1　CCHP系统具有很高的能源利用率．它按照能量梯级利用原则，先用高品位的能量来发电，然后用发电后废弃的低品位的能量制冷、制热和热水，做到了“物尽其用”，从而达到了最高的能源利用率．与传统的热电联产相比，由于CCHP系统布置在用户附近，没有输配电损失和冷热水管网损失，所以其能源利用率也可以更高．
　　 2　CCHP系统有很好的环保性能，因为它的能源利用率高，产生单位电能和热能所消耗的燃料少，产生的CO2少；也因为它所采用的燃烧技术先进，燃烧过程中产生的NOX等污染物少；还因为它所采用的溴化锂制冷剂不像氟氯烷类制冷剂那样，会对大气臭氧层造成危害．
　　 3　由小型或微型设备组成的CCHP系统具有很高的可靠性，它以分散的方式布置在用户附近，并以独立的方式向用户供应冷、热、电和生活热水，不需庞大复杂的大电网（尽管CCHP通常也　　与公用电网相连，但这并非是原理所必须的），因此受电网事故、电网崩溃及战争等因素的影响小．
　　 4　CCHP系统具有工程小、占地少、投资小、易建设、见效快，以及在一定条件下经济性好的特点．
　　 天然气CCHP系统的多种特点使得它有可能成为某些场合或用户的最佳选择，如：大型医院、地铁站、车站、港口，大型展览馆、体育场馆、保健娱乐中心、现代农业中心，商贸中心、金融结算中心、宾馆、饭店，政府机关、学校等企事业单位的办公大楼、图书馆，高级住宅区、未来的居民小区，海岛、边防站、军事基地、战场指挥中心．
2．3　燃用天然气的冷热电联产的系统方案
　　典型冷热电联产系统一般包括：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，根据所采用的设备种类和组合方式的不同，天然气CCHP系统可以有许多种形式，以适应于不同的地域环境、用户类型和规模．以下给出常见的系统方案．

1　微型燃气轮机＋直燃式双效溴化锂冷热水机组

　微型燃气轮机＋余热锅炉（蒸汽）＋双效溴化锂制冷机组

3　微型燃气轮机＋余热锅炉（热水）＋单效溴化锂制冷机组
3　结束语
　　我国的能源结构决定了我国70％以上的发电厂都是以燃煤为主的火电厂．为了提高能源利用效率，降低发电成本，我国电力行业一直朝着大机组、大容量、大电网的方向发展，这样的思路是正确的．但从长远的社会效益和经济效益来看，在近期发展大机组、大电厂的同时，不失时机、因地制宜地兴建CCHP系统有着重大的意义，特别是随着西部大开发的深入进行，“西气东输”工程的开展，可以预见，在我国有天然气供应的沿线区域和边远地区以天然气为燃料的CCHP系统将得到极大地发展．

上海电力学院学