摘要：由于传统化石能源的消耗给环境带来的污染压力与日俱增，使得冷热电联产(CombinedCooling，heatingandPower，CCHP)这种具有优越节能和环保特性的分布式能量系统极为引人关注。在国外，尤其是欧美日发达国家，已经取得了阶段性的成果;国内前些年由于受天然气供应不足、电力市场体制等原因的限制，发展一直相对缓慢，但随着国家改革的深入、“西气东输”的相继完工和中俄天然气合作协议的签订，我国的分布式能量系统事业必将焕发出更加强大的生机。基于此，本文主要对燃气轮机冷热电联产系统技术与经济性进行分析探讨。
关键词：燃气轮机；冷热电联产；系统技术；经济性分析
1、前言
世界各国的能源环境专家普遍认为：应将需求供应整合优化，实现能源和温度对口梯级利用，就近供能减少中间环节损耗，这将是解决问题的最好手段。燃气轮机热电联产系统既可以单独使用，承担给一栋大楼或一个小区同时提供热、电两种能量的任务；更可作为分布式电源的一种，以一个子系统的身份和其它的分布式电源一起在分布式能源系统中发挥作用。毫无疑问，以小型或微型燃气轮机为主要动力装置的分布式热电联产系统必将具有很大的发展潜力。
2、联供系统的原理与构成
燃气冷热电联产是分布式能源系统的一种主要形式，是冷、热、电三种不同形式能量的联合生产，主要由驱动系统、发电系统、供热系统、制冷系统和控制系统组成，实现能量的梯级利用，总的能源利用率可以高达75%～90%。按系统规模大小及布置型式可分为楼宇型和区域型两类，楼宇型一般采用燃气内燃机或微型燃气轮机作为动力设备，而区域型则主要以燃气轮机作为原动机。燃气在动力设备里燃烧发电以后，产生的高温烟气通过余热回收装置再利用后向用户供热或供冷，从而满足用户对冷、热、电等能源负荷的需求，实现能量的梯级利用，提高能源的利用效率。
本文建立以燃气轮机发电机组为原动机，烟气型溴化锂吸收式冷暖机组为余热利用设备，另外根据需要配置压缩式电制冷机(热泵型)、烟气/热水换热器，如图1所示。
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图1 联供系统流程图
一定压力的天燃气与经压气机压缩的空气在燃烧室燃烧后驱动透平机械发电，排出350～500℃的高温烟气。烟气型溴化锂吸收式冷暖机组夏季利用高温烟气制冷，若制冷量不能满足用户需冷量时，以压缩式电制冷机补充不足冷量;冬季利用高温烟气制热，若制热量不能满足用户所需热量时，根据项目的实际条件采用热泵系统增加供热量。由于溴化锂吸收式冷暖机组排出的烟气温度为150～180℃，为利用烟气显热和冷凝热，配置烟气/热水换热器，夏季供应生活热水等，冬季增加供热量。冬季供热工况和夏季供冷工况具有相似的运行特征，所以本文就只研究在夏季供冷时的经济特性，同时也不考虑热水带来的经济效益。
3、燃气冷热电三联供系统设计思路与实现方式
燃气冷热电三联供系统是以天然气为一次能源，产生热、电、冷的联产联供系统。该系统利用燃气内燃机等设备，将天然气燃烧后释放的高温烟气首先用于发电，然后利用余热在冬季供暖;在夏季通过驱动吸收式制冷机供冷。该系统一次能源利用率最高能达到90%以上，可大量节省一次能源。燃气冷热电三联供系统的设计主要基于3个方面：
（1）控制对象，即满足冷热电负荷的需求；
（2）控制目标，即控制增量投资、运行成本和二氧化碳减排量；
（3）实施策略，即设备选型及运行策略的制定。
概括地讲，就是在满足建筑物冷热电负荷的前提下，建立以增量投资、年运行费用及减排要求等为控制目标的函数，并利用权重系数将多目标转换为单目标建立优化模型，得出冷、热、电三联供系统的最优配置容量及生产运行工艺。
4、运行工艺
4.1电气系统运行工艺
并网运行时，控制一定比例的电负荷由市电供给，其余由发电机组供给，保证发电机组始终处于满负荷状态。如发电机组故障，市电可自动加大负载，承担起园区负载需求；如市电出现故障时，发电机组可作为园区重要负荷的备用电源独立运行。
4.2空调系统运行工艺
夏季制冷时，优先采用热水和烟气余热，通过余热直燃机提供7℃的冷冻水，通过一次泵经空调分水器，送往办公楼及调试楼。冬季供热时，优先利用发电机缸套水和烟气余热通过余热直燃机换热，以满足空调热负荷需求。当余热不足以满足所有冷热需求时，通过直接燃烧部分天然气进行补充。当发电机组出现故障，无烟气余热可利用时，由天然气直燃驱动烟气热水型余热直燃机，产生冷热源以满足空调需求。
5、经济评价
5.1联供系统运行成本分析
结合实际情况，联供系统全年供冷106d，供热101d，每天8:00～18:00运行。园区平均电价为1.05元/kW²h，天然气价为2.3元/m3；每月市政蒸汽价格为7.6元/m2，变压器每月备用容量费为24元/kW。
5.2联供系统与常规系统技术经济指标比较
在冷热电联产系统的评价中，通常用增量评价法评价冷热电联产系统是否可行。所谓增量评价法就是在满足同样的热、电和冷负荷的条件下，将冷热电联供系统与常规供能方式的投入和产出进行比较，进而对冷热电联供系统的投入和产出增量进行比较的方法。增量投资回收年限是指能源系统增量投资与年运行费减量之比，年运行费减量为节约的电费减去包括设备折旧在内的全部运行费增量，增量投资回收年限主要受增量投资额度及电价和天然气价格的影响。联供系统与常规系统技术经济指标对比如下表所示。
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从上表可知，联供系统相对常规系统每年节约158.9万元运行费用，说明联供系统具有一定的经济效益。按联供系统运行20年计算，当联供系统运行5.62年时，累计节约893.06万元，相当于收回全部增量投资，即增量投资静态回收年限为5.62年。当联供系统运行11.91年时，累计节约1893.06万元，相当于收回全部投资，即全部投资静态回收年限为11.91年。
5.3联供系统经济性影响因子分析
5.3.1增量投资对回收期的影响
增量投资对回收期影响较大，增量投资越大，回收期越长，当增量投资超过1000万元以上时，每增加100万元投资，回收期约延长1年。
5.3.2电价对投资回收期的影响
平均电价对投资回收期的影响。以平均电价1.00元/kW2h为基准，电价增加0.05元/kW2h，投资回收期减少约0.5年;电价减少0.05元/kW2h，投资回收期延长约0.7年。由此可见，电价对投资回收期影响较大。
5.3.3天然气价格对投资回收期的影响
天然气价格对投资回收期的影响。随着天然气价格的不断增长，回收年限延长，说明天然气价格对投资回收期影响较大。
6、结束语
冷热电联产将制冷、供热（采暖及热水）及发电三者合为一体，大大提高了能源的利用效率，降低了用户在能源方面的支出，而且冷热电的比例可以灵活调节，可为不同的用户量身定做冷热电联产系统，满足不同的能源需求，因而有广阔的发展前景。
参考文献
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论文作者:谢朝雪
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：系统论文; 烟气论文; 增量论文; 热电论文; 余热论文; 燃气轮机论文; 能源论文; 《电力设备》2018年第21期论文;