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天然气冷、热、电三联供系统简介
1、 背景
天然气是洁净能源，在其完全燃烧后及采取一定的治理措施，烟气中NOx等有害成分远低于相关指标要求，具有良好的环保性能。美国有关专家预测如果将现有建筑实施冷、热、电三联供(Combined cooling heating and power，简称CCHP)的比例从4%提高到8%，到2020年CO2的排放量将减少30%。
2、 概念与优势
燃气冷、热、电三联供简单地说即为：天然气发电、余热供热、余热制冷。相比于常规供能燃煤发电、燃气供热、电制冷，具有能源梯级利用，综合能源利用率高；清洁环保，减少排放CO2，SO2；与大型电网互相支撑，供能安全性高的优势及对燃气和电力有双重削峰填谷作用。
以天然气为燃料的动力装置，例如燃气轮机、燃气内燃机、斯特林发动机、燃料电池等，在发电的同时，其排放的余热被回收，用于供热或驱动空调制冷装置，如吸收式制冷机或除湿装置等，这种以天然气为燃料，同时具备发电、供热和供冷功能的能源转换和供应系统，就是天然气冷、热、电联供系统。
相比传统的集中式供能，天然气冷、热、电三联供系统是建立在用户侧的小型的、模块化的能源供给系统，避免了长距离能源输送的损失，为能源供应增加了安全性、可靠性和灵活性。
3、 天然气冷、热、电三联供分类
天然气冷、热、电三联供系统应用于商业、工业等各个领域，一般分为楼宇型和区域型两种。楼宇型冷、热、电三联供系统，规模较小，主要用于满足单独建筑物的能量需求(如医院、学校、宾馆、大型商场等公共设施)。单独建筑物一天内的负荷变化较大，会出现高峰或低谷的情况，而系统的运行需要不断进行调整，与负荷需求相匹配。因此，楼宇型冷、热、电三联供系统对设备的启停机及变工况运行性能有较高的要求，同时在系统集成方面，发电设备、热源设备、蓄能设备之间的优化设计以及与电网配合的优化运行模式也十分必要。
区域型分布式冷、热、电三联供系统主要应用于一定区域内的由多栋建筑物组成的建筑群。区域内建筑物用途具有多样性，各个建筑物对用能需求的时间段也不同，由于不同用途建筑物负荷之间的相互荆合，使得区域能源需求虽然比较大，但是供能曲线相对比较平稳，设备的变工况运行要求不高。当规模较大时，一般采用高效的燃气蒸汽联合循环机组。
4、 供能形式
下图为常规的冷、热、电三联供系统图，该系统主要由原动机为核心的发电设备和余热回收设备组成，与电网并网运行。建筑物的基础负荷一般由电力负荷、制冷负荷、采暖负荷、热水负荷组成，其中电力负荷优先由原动机发的电来提供，当原动机的发电量不能满足需求时，从电网买电。发电过程中产生的余热被蒸汽型、热水型吸收式嗅化铿制冷机等余热吸收式热源设备所利用来制冷制热，或者通过热交换的方式，提供采暖和热水负荷。热水负荷不能满足需求时，由锅炉进行补给。
冷、热、电三联供系统的原动机形式主要有微型燃气轮机、内燃机、燃料电池等。微燃机规模一般在25~400kW，发电效率比较低，而产热品味较高，烟气温度可以达到500℃以上，适用于热负荷比较高的用户。内燃机规模一般在100kW~5MW，发电效率很容易与大电网的平均效率持平，但烟气温度低，换热效率低。对于1MW以下的三联供系统，内燃机占据了主导地位，这是由于燃气轮机在此容量范围内发电效率较低，节能和经济效益不明显。对于1 ~5MW的三联供系统，燃气轮机数量大约为燃气内燃机的50%。对于5~10MW及以上范围的三联供系统，燃气轮机占主要地位。燃料电池的应用在国外较为普及，相比传统的发电方式具有发电效率高，环境性好的优势。如果建筑物的热电负荷比例与冷、热、电三联供系统的热电比接近，系统能源利用效率还是非常高的，所带来的经济性回报也很高，投资回收期也较短。

5、 应用
案例一：北京南站
原理：
冷、热、电三联供采用燃气内燃发电机组。内燃发电机的余热主要有两部分，烟气余热和缸套水余热。烟气余热可以有2种利用方式。
发电机的高温排气进入余热锅炉，产生蒸汽，通过蒸汽吸收式制冷机，产生冷热水供空调或采暖。这种系统是典型系统，特别适用于有蒸汽需求的情况。发电机的高温排气直接进入烟气型溴化锂吸收式冷热水机组，产生冷热水供空调或采暖。

应用特点：
（1）冷、热、电三联供系统通常采用的方法是通过燃气轮机或内燃机技术，一方面发电，另一方面回收余热，经过烟气吸收式冷温水机提供冷达到夏季制冷和冬季采暖效果。可以实现能源的梯级利用，大幅提高整个系统的一次能源利用率。还可以提供并网电力作能源互补，整个系统的经济收益及效率均相应增加。
三联供系统能充分利用天然气的热能，综合用能效率可达90%以上。同时可降低以天然气为燃料的供热成本，把一部分成本摊到电费上，减轻运营成本负担，设计合理时与常规系统相比，超出的初投资靠运行费用的节省5年内可收回。
（2）节能性分析
对三联供系统节能率与两种对象进行比较，一是按照天然气大型联合循环系统发电效率50%进行比较，该比较对象目前节能性最高，经模拟计算结果表明北京南站能源系统全年运行节能率12%；二是按照北京用能的实际情况进行比较，与常规系统能源利用比较，冬季与夏季的节能率分别为67%和59%。
（3）节水性
采用污水源热泵系统，取消冷却塔可减少冷却塔的飘水和蒸发补水量，每年节省用水量约7万t。
（4）环保性分析
三联供系统以天然气为燃料，天然气是优质、高效、清洁的理想能源，天然气燃烧后产生的温室气体只有煤炭的1 /2，石油的,2/3；同时利用吸收式冷温水机承担部分冷热负荷，减少氟里昂的排放量。三联供系统被认为是对实现排放目标贡献最大的一项技术，其减少CO2排放量占总目标的1 /4。
北京南站能源站三联供系统与常规系统年节能约420万kw。h节能量折合标准煤约为1 600 t/年，减排CO2约4 000 t/年，减排SO237 t/年。
(5) 经济性分析：预计5年内收回初投资。
案例二：民用建筑办公楼
原理图：

建筑概况：
该办公楼建筑面积5. 2万m2，其中地下1. 4万m2用于停车库，地上3. 8万m2主要用于办公，建筑高度99 m，地上23层。能源中心设于楼外，夏季供冷、冬季采暖面积为地上的3. 8万m2。
经济性分析：
对电负荷、冷热负荷、发电机组容量、配电系统主接线型式的确定后，对其经济型进行分析。
计算年产生发电量、年消耗天然气费用、年运行费用（包括人员管理、机油消耗、设备折旧、维护、机组占地等费用），核算预计9年内回收成本。
6、 天然气冷、热、电三联供系统应用的结论：
（1）能源梯级利用，综合利用率较高。冷热电三联供系统其综合能源利用率可接近90 %。从能量品质的角度看，燃气锅炉的热效率虽然也能达到90 % ，但是它最终产出能量形式为低品位的热能，而三联供系统中将有37%左右的高品位电能产出，电能的做功能力是相同数量热能的2倍以上，所以三联供系统的综合能源利用效率比燃气锅炉直接燃烧天然气供热高得多。另外，系统建设在用户附近，与传统长距离输电相比，还能减少6%-7%的线损。
（2）对燃气和电力有削电力之峰填燃气之谷的作用。我国大部分地区冬季需要采暖，夏季需要制冷。大量的空调用电使得夏季电负荷远远超过冬季，即电力使用的高峰出现在夏季。而目前50%以上的天然气消费量用于冬季采暖，即燃气使用的高峰出现在冬季。采用燃气三联供系统，夏季燃烧天然气制冷，增加夏季的燃气使用量，减少夏季空调的电力负荷，同时系统的自发电也可以降低电网的供电压力。
（3）清洁环保，减少碳排放。天然气是清洁能源，燃气发电机组采用先进的燃烧技术，燃气三联供系统的排放指标均能达到相关的环保标准。根据美国的调查数据，采用冷热电三联供系统分布式能源，写字楼类建筑可减少温室气体排放22. 7 %，商场类建筑可减少温室气体排放34. 4 %，医院类建筑可减少温室气体排放61. 4 %，体育场馆类建筑可减少温室气体排放22. 7 %，酒店类建筑可减少温室气体排放34. 3%。
（4）与电网互相支撑，提高供电安全性。冷、热、电三联供系统的发电机组作为备用电源与市电并网运行，提高了供电的可靠性。在春秋季系统不运行时，发电机组亦可作为备用电源，尤其是对于医疗、酒店等建筑节约了柴油发电机组的安装投入。