分布式燃气冷热电三联供技术
分布式燃气冷热电三联供技术
0前言 分布式燃气冷热电联供系统(DES/CCHP)是一种建立在能量梯 级利用概念基础上,以天然气为一次能源,同时产生电能和可用热 (冷)能的分布式供能系统 作为能源集成系统( Integrated Energy Systems),冷热电联供 系统按照功能可分成三个子系统:动力系统(发电)、供热系统(供 暖、热水、通风等)和制冷系统(制冷、除湿等)。目前多采用燃气 轮机或燃气内燃机作为原动机,利用高品位的热能发电,低品位的热 能供热和制冷,从而大幅度提高系统的总能效率,降低了燃气供应冷 热电的成本。联供技术的具体应用取决于许多因素,包括:电负荷大 小,负荷的变化情况、空间的要求、冷热需求的种类及数量、对排放 的要求、采用的燃料、经济性和并网情况等
0 前言 分布式燃气冷热电联供系统（DES/CCHP）是一种建立在能量梯 级利用概念基础上，以天然气为一次能源，同时产生电能和可用热 （冷）能的分布式供能系统。 作为能源集成系统（Integrated Energy Systems），冷热电联供 系统按照功能可分成三个子系统：动力系统（发电）、供热系统（供 暖、热水、通风等）和制冷系统（制冷、除湿等）。目前多采用燃气 轮机或燃气内燃机作为原动机，利用高品位的热能发电，低品位的热 能供热和制冷，从而大幅度提高系统的总能效率，降低了燃气供应冷 热电的成本。联供技术的具体应用取决于许多因素，包括：电负荷大 小，负荷的变化情况、空间的要求、冷热需求的种类及数量、对排放 的要求、采用的燃料、经济性和并网情况等
分布式燃气冷热电联供系统采用的燃气轮机和内燃机发电技术 余热回收技术以及制冷技术多为成熟技术,以小规模(几kW至数MW) 分散布置的方式建在用户附近,配置灵活,便于按冷、热、电负荷的 实际需要进行调节,不仅满足了区域内用户的用能需求,还节省了大 量的城市供热管网建设和运行的费用,有助于电网和燃气供应的削峰 填谷,减少碳化物及有害气体的排放,产生良好的社会效益,符合可 持续发展战略,是未来能源技术发展的重要方向之一,在商业、建筑 能源系统中将得到广泛的应用
分布式燃气冷热电联供系统采用的燃气轮机和内燃机发电技术、 余热回收技术以及制冷技术多为成熟技术，以小规模（几kW至数MW） 分散布置的方式建在用户附近，配置灵活，便于按冷、热、电负荷的 实际需要进行调节，不仅满足了区域内用户的用能需求，还节省了大 量的城市供热管网建设和运行的费用，有助于电网和燃气供应的削峰 填谷，减少碳化物及有害气体的排放，产生良好的社会效益，符合可 持续发展战略，是未来能源技术发展的重要方向之一，在商业、建筑 能源系统中将得到广泛的应用
1分布式燃气冷热电三联供技术概述 分布式燃气冷热电三联供(DES/CCHP)是最近几年发展起来的新兴 技术,有其特定的产生背景和技术经济特点。对其推广和应用,一方面要 合理使用,因地制宜,另一方面要提供良好的政策支持和专业可靠的技术 支持 1.1分布式燃气冷热电三联供技术的发展背景 分布式燃气冷热电三联供技术引起广泛应用与关注的时代背景是小型 分布式供电方式成为电力工业新的发展方向,天然气在能源结构中占有越 来越重要的位置,同时季节性缺电成为一种急需解决的能源供需矛盾,节 能成为时代发展的主题之
1 分布式燃气冷热电三联供技术概述 分布式燃气冷热电三联供（DES/CCHP）是最近几年发展起来的新兴 技术，有其特定的产生背景和技术经济特点。对其推广和应用，一方面要 合理使用，因地制宜，另一方面要提供良好的政策支持和专业可靠的技术 支持。 1.1 分布式燃气冷热电三联供技术的发展背景 分布式燃气冷热电三联供技术引起广泛应用与关注的时代背景是小型 分布式供电方式成为电力工业新的发展方向，天然气在能源结构中占有越 来越重要的位置，同时季节性缺电成为一种急需解决的能源供需矛盾，节 能成为时代发展的主题之一
1.1.1供能系统分布化趋向 2003年8月18日的晚上,在纽约一片漆黑的夜空中,数以百计的点点亮光特别耀 眼。那是一些建筑物配置的分布式供能系统在美加大停电中留下令人印象深刻的 幕。安全性是分布式功能最重要的特点之一,同时,分布式功能系统还具有节约联 网成本、环境污染少、调峰性好、调度灵活以及节约土地资源等诸多优点 对目前世界能源产业面临亟待解决的四大问题:合理调整能源结构、进一步提 髙能源利用效率、改善能源产业的安全性、解决环境污染,单一的大电网集中供电 解决上述问题存在困难,而分布式供电系统恰好可以在提高能源利用率、改善安 全性与解决环境污染方面做出突出的贡献。因此,大电网与分散的小型分布式供电 方式的合理结合,被全球能源、电力专家认为是投资省、能耗低、可靠性高的灵活 能源系统,成为二十一世纪电力工业的发展方向。 纵观西方发达国家的能源产业的发展过程,可以发现:它经历了从分布式供电 到集中式供电,又到分布式供电方式的演变。造成这种现象不仅仅是由于生活水平 提高的需求,而且也是集中式供电方式自身所固有的缺陷造成的。因此,虽然从目 前能源产业的发展情况来看,集中式供电是我国能源系统发展的主要方向,但从长 远看,构造一个集中式供电与分布式供电相结合的合理能源系统,增加电网的质量 和可靠性,将为能源产业的发展打下坚实的基础
1.1.1 供能系统分布化趋向 2003年8月18日的晚上，在纽约一片漆黑的夜空中，数以百计的点点亮光特别耀 眼。那是一些建筑物配置的分布式供能系统在美加大停电中留下令人印象深刻的一 幕。安全性是分布式功能最重要的特点之一，同时，分布式功能系统还具有节约联 网成本、环境污染少、调峰性好、调度灵活以及节约土地资源等诸多优点。 对目前世界能源产业面临亟待解决的四大问题：合理调整能源结构、进一步提 高能源利用效率、改善能源产业的安全性、解决环境污染，单一的大电网集中供电 解决 上述问题存在困难，而分布式供电系统恰好可以在提高能源利用率、改善安 全性与解决环境污染方面做出突出的贡献。因此，大电网与分散的小型分布式供电 方式的合理结合，被全球能源、电力专家认为是投资省、能耗低、可靠性高的灵活 能源系统，成为二十一世纪电力工业的发展方向。 纵观西方发达国家的能源产业的发展过程，可以发现：它经历了从分布式供电 到集中式供电，又到分布式供电方式的演变。造成这种现象不仅仅是由于生活水平 提高的需求，而且也是集中式供电方式自身所固有的缺陷造成的。因此，虽然从目 前能源产业的发展情况来看，集中式供电是我国能源系统发展的主要方向，但从长 远看，构造一个集中式供电与分布式供电相结合的合理能源系统，增加电网的质量 和可靠性，将为能源产业的发展打下坚实的基础
1.1.2天然气使用推广 天然气作为一种清洁、便利的能源,其使用范围越来越广,利用规模也越 来越大。天然气发电是缓解能源紧缺、降低燃煤发电比例,减少环境污染的有 效途径,且从经济效益看,天然气发电的单位装机容量所需投资少,建设工期 短,调峰性能好。天然气大量用于化工工业,天然气是制造氮肥的最佳原料, 具有投资少、成本低、污染少等特点。天然气占氮肥生产原料的比重,世界平 均为80%左右。以天然气代替汽车用油,具有价格低、污染少等优点。随着石 油资源的相对紧张,开发潜力极大的天然气已成为现代能源结构中重要的组成 部分。目前世界各国都在加快进行开采和进口量,推广使用天然气。我国天然 气资源的开发和引进也已进入了一个快速发展的新阶段。如何高效、经济地利 用天然气已经成为天然气下游市场开拓的关键问题
1.1.2 天然气使用推广 天然气作为一种清洁、便利的能源，其使用范围越来越广，利用规模也越 来越大。天然气发电是缓解能源紧缺、降低燃煤发电比例，减少环境污染的有 效途径，且从经济效益看，天然气发电的单位装机容量所需投资少，建设工期 短，调峰性能好。天然气大量用于化工工业，天然气是制造氮肥的最佳原料， 具有投资少、成本低、污染少等特点。天然气占氮肥生产原料的比重，世界平 均为80%左右。以天然气代替汽车用油，具有价格低、污染少等优点。随着石 油资源的相对紧张，开发潜力极大的天然气已成为现代能源结构中重要的组成 部分。目前世界各国都在加快进行开采和进口量，推广使用天然气。我国天然 气资源的开发和引进也已进入了一个快速发展的新阶段。如何高效、经济地利 用天然气已经成为天然气下游市场开拓的关键问题
在天然气气源充足的情况下,由于LNG、PNG的价格比气井天然气高出数 倍,因此用于化工业是不经济的。除了一部分提供给工业生产部门供燃烧外,绝 大部分(70%以上)须通过发电和民用燃料环节消耗。居民用城市燃气的数量不 大,且发展潜力往往是有限的,因此须通过建大规模天然气电厂和发展 DES/CCHP系统实现。由于目前煤电技术较为成熟,能源量稳定,发电成本较 低,天然气发电主要用于季节性的调峰。因此分布式燃气供能系统成为天然气推 广中重点发展的一个利用场合,它具有环保、社会、经济的三重效益 1.3电力和天然气的季节性峰谷差 随着经济快速发展和产业结构调整,我国能源、电力消费快速増长,电力供 应缺口逐年拉大,特别是季节峰谷性缺电明显。目前建筑耗能占社会总能耗的 20.7%,而供热与空调能耗占建筑能耗的65%。居民所用电空调比例几乎为 100%,商用空调约80%是电空调,电力高峰负荷出现在夏季,其中40%的电力 负荷是用于电制冷空调的。此时如果不高度重视节能以及改善能源消费结构,能 源、电力的供需矛盾将面临严峻挑战
在天然气气源充足的情况下，由于LNG、PNG的价格比气井天然气高出数 倍，因此用于化工业是不经济的。除了一部分提供给工业生产部门供燃烧外，绝 大部分（70%以上）须通过发电和民用燃料环节消耗。居民用城市燃气的数量不 大，且发展潜力往往是有限的，因此须通过建大规模天然气电厂和发展 DES/CCHP系统实现。由于目前煤电技术较为成熟，能源量稳定，发电成本较 低，天然气发电主要用于季节性的调峰。因此分布式燃气供能系统成为天然气推 广中重点发展的一个利用场合，它具有环保、社会、经济的三重效益。 1.1.3 电力和天然气的季节性峰谷差 随着经济快速发展和产业结构调整，我国能源、电力消费快速增长，电力供 应缺口逐年拉大，特别是季节峰谷性缺电明显。目前建筑耗能占社会总能耗的 20.7%，而供热与空调能耗占建筑能耗的65%。居民所用电空调比例几乎为 100%，商用空调约80%是电空调，电力高峰负荷出现在夏季，其中40%的电力 负荷是用于电制冷空调的。此时如果不高度重视节能以及改善能源消费结构，能 源、电力的供需矛盾将面临严峻挑战
同时,我国城市冬季供暖多采用燃煤、燃气热水锅炉或蒸汽锅炉,生活热 水常采用燃气灶及燃气热水器制取。冬季气温较低,取暖和生活热水使用量增 大,造成了燃气需求量的季节性峰谷差,不利于燃气供应的稳定性 分布式燃气冷热电三联供技术利用了燃气和电力季节性峰谷差互补的特点,将 夏季一部分电力高峰负荷转移到燃气上来,有利于季节调峰,改善能源供给结 构 1.14能源利用效率的要求 在能源利用效率方面,我国的万元GDP能耗与发达国家相比,存在巨大差 距。全国平均能源利用总效率为33.4%左右,与国际先进水平的50~5%相比, 还有较大差距。提高单位GDP能耗和整体的能源利用效率对实现经济和环境的 可持续发展具有重要意义,节能在我国现阶段应备受重视,任重道远。 分别配备供电、供暖、制冷和供应生活热水的装置,不但造价高,而且能 源利用率低。目前的建筑能耗80%属于低品位能量,目前多半采用电力和燃煤, “高质低用”,属于浪费。CCHP可以实现能源梯级利用,提高整体能源利用 率,起到节能的作用
同时，我国城市冬季供暖多采用燃煤、燃气热水锅炉或蒸汽锅炉，生活热 水常采用燃气灶及燃气热水器制取。冬季气温较低，取暖和生活热水使用量增 大，造成了燃气需求量的季节性峰谷差，不利于燃气供应的稳定性。 分布式燃气冷热电三联供技术利用了燃气和电力季节性峰谷差互补的特点，将 夏季一部分电力高峰负荷转移到燃气上来，有利于季节调峰，改善能源供给结 构。 1.1.4 能源利用效率的要求 在能源利用效率方面，我国的万元GDP能耗与发达国家相比，存在巨大差 距。全国平均能源利用总效率为33.4%左右，与国际先进水平的50~55%相比， 还有较大差距。提高单位GDP能耗和整体的能源利用效率对实现经济和环境的 可持续发展具有重要意义，节能在我国现阶段应备受重视，任重道远。 分别配备供电、供暖、制冷和供应生活热水的装置，不但造价高，而且能 源利用率低。目前的建筑能耗80%属于低品位能量，目前多半采用电力和燃煤， “高质低用”，属于浪费。CCHP可以实现能源梯级利用，提高整体能源利用 率，起到节能的作用
1.2分布式燃气冷热电三联供系统构成与特点 分布式燃气冷热电三联供系统主要由燃机设备和余热利用设备构成,有多种 组织形式,在应用中有鲜明的优缺点,推广和规划时应予以充分考虑。 1.2.1系统的基本组成 燃气冷热电联供系统由燃机设备和余热利用设备构成,其中燃机设备是系统 的核心,包括燃气轮机、内燃机等。余热利用设备包括余热锅炉、吸收式制冷机 换热装置、电制冷机,燃气锅炉等 燃机通过燃烧天然气发电后,产生的高温烟气送入余热利用设备,冬季可用 于取暖,夏季可用于供冷,还可生产生活热水,驱动热量不足部分可由补燃的燃 进行供应。根据项目的条件,联供系统及其设备配置可作多种形式的变化,如 可采用冰蓄冷装置、蓄热装置、热泵等,提高系统的整体能源利用效率
1.2 分布式燃气冷热电三联供系统构成与特点 分布式燃气冷热电三联供系统主要由燃机设备和余热利用设备构成，有多种 组织形式，在应用中有鲜明的优缺点，推广和规划时应予以充分考虑。 1.2.1 系统的基本组成 燃气冷热电联供系统由燃机设备和余热利用设备构成，其中燃机设备是系统 的核心，包括燃气轮机、内燃机等。余热利用设备包括余热锅炉、吸收式制冷机、 换热装置、电制冷机，燃气锅炉等。 燃机通过燃烧天然气发电后，产生的高温烟气送入余热利用设备，冬季可用 于取暖，夏季可用于供冷，还可生产生活热水，驱动热量不足部分可由补燃的燃 气进行供应。根据项目的条件，联供系统及其设备配置可作多种形式的变化，如 可采用冰蓄冷装置、蓄热装置、热泵等，提高系统的整体能源利用效率
1.22系统的类别形式 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、余热利 用设备种类、发电机与市电的关系和系统运行时间不同来划分。 根据燃气发电机种类划分,有燃气轮机冷热电联供系统、燃气内燃机冷热电联 供系统、微燃杋冷热电联供系统、燃料电池冷热电联供系统等。 根据余热利用设备种类划分,有传统余热锅炉+吸收式制冷机组系统(含 热水型和蒸汽型)、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。 根据发电机与市电的关系划分,有发电机与市电并网运行方式和发电机与 市电切网运行两种方式。 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, 前者发电机组全年不关机,后者一般采暖季和制冷季运行,过渡季不运行。还 有一些系统为每天间歇运行方式,后半夜电负荷低时,发电机组关机
1.2.2 系统的类别形式 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、余热利 用设备种类、发电机与市电的关系和系统运行时间不同来划分。 根据燃气发电机种类划分，有燃气轮机冷热电联供系统、燃气内燃机冷热电联 供系统、微燃机冷热电联供系统、燃料电池冷热电联供系统等。 根据余热利用设备种类划分，有传统余热锅炉+吸收式制冷机组系统（含 热水型和蒸汽型）、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。 根据发电机与市电的关系划分，有发电机与市电并网运行方式和发电机与 市电切网运行两种方式。 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， 前者发电机组全年不关机，后者一般采暖季和制冷季运行，过渡季不运行。还 有一些系统为每天间歇运行方式，后半夜电负荷低时，发电机组关机