燃气冷热电分布式能源系统余热利用研究

摘 要：对燃气冷热电分布式能源系统中的余热产生情况和利用方式进行分析，探讨了各种余热利用设备的配置原则，以此实现能源利用效率的最大化。

关键词：燃气轮机；内燃机；余热利用

燃气冷热电分布式能源系统简称CCHP（Combined Cooling，Heating and Power），是天然氣高效利用的最佳途径，通过能源梯级利用的方式，就近满足用户冷、热、电、生活热水等各种负荷的需求。具有能效利用合理、损耗小、污染少、运行灵活、系统经济性好等特点。

据测算，燃气冷热电分布式能源系统中，燃料的能量转化为电能的比列仅占到约35%。剩余能量中，随烟气排出的约为30%，随发动机冷却水带走的约为25%，设备机身散发等途经损失约为10%。总体来看，通过烟气和换热器损失的能量比做的有用功还要多。为了提高系统经济性，必须对这部分能量加以综合利用，这便是能源梯级利用的由来。

如何对系统发电后的余热进行有效回收利用，成为推动燃气分布式能源系统应用的关键。本文对不同种类余热利用设备的特点和选用原则进行了分析和讨论。

1 余热能量分析

燃气冷热电分布式能源系统的动力装置主要分为燃气轮机和内燃机。

（1）燃气轮机属于旋转叶轮式流体机械，通过压气机将空气逐级增压，送到燃烧室与喷入的燃气混合燃烧生成高温高压的气体，并在透平中膨胀做功，带动发电机转子高速旋转，其发电效率约20～38%。采用燃气-蒸汽联合循环，将燃气轮机的烟气引入余热锅炉，产生蒸汽带动汽轮机后，发电效率可提高到约50%。燃气轮机的余热形式为烟气，烟气温度400～650℃。余热利用可考虑回收烟气用来制冷，烟气也可以进余热锅炉产生蒸汽再供热或制冷。

（2）内燃机属于往复活塞式运动机械，燃料与空气混合后，在汽缸内燃烧爆炸，推动活塞做功，并通过连杆机构带动发电机发电，其发电效率约35～47%。下表列出了GE公司主流内燃机的数据。

从表中可以看出，内燃机将天然气化学能转化的效率约90%，但其中仅一半转化为电能，另一半则是以余热的形式存在。

内燃机的余热形式为烟气、冷却水，其中烟气温度400～600℃，缸套冷却水80～110℃，中冷器、润滑油冷却水40～65℃。余热利用可考虑回收烟气和各部件冷却水用于制冷或供热。

2 余热利用方式

余热利用方式可分为热交换式和吸收式。其中热交换式是通过利用余热的焓，将其能量交换出来，转化为蒸汽或热水，主要设备有余热锅炉、板式换热器等；吸收式是通过利用余热的，综合考虑其热量及品质，将低品位的能量转化到另一介质中存在，主要设备有吸收式制冷、吸收式热泵等。

余热锅炉是利用燃气轮机做功后排出的尾气，对水进行加热产生蒸汽。根据不同的蒸汽参数，可以用来推动汽轮发电机，也可用于生产工艺中的加热，或是供生活取暖用。

板式换热器由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成，液体（或气体）与液体通过板片进行热交换，实现能量由余热传递到热媒水，供生活热水或空调使用。

吸收式冷（热）水机组种类较多，根据所需余热的种类不同，可分为热水型机组、蒸汽型机组、烟气型机组、烟气热水型机组等，并且可根据需要增加燃气补燃设施作为辅助驱动热源。其主要原理是以水为制冷剂、溴化锂溶液为吸收剂，利用溴化锂对水蒸气极强的吸附能力，让水在真空环境下蒸发吸热，从而根据需要制取冷、热水，供空调系统使用。

3 余热利用设备配置原则

余热利用设备的配置，需要综合考虑发电机组种类、热效率、余热品质、冷热需求等参数，将不同特性的设备系统组合，实现能源的综合利用。下图为典型的内燃机组余热综合利用系统原理。

在配置方式上，应遵循以下原则：

（1）匹配负荷原则。分布式能源系统的核心特点是能源在用户端就近利用，减少长距离输送的损失。所用燃机及余热利用设备的容量按照平均负荷配置。尽量做到电量自发自用、并网不上网，余热最大化利用。在负荷高峰期可采用常规用电设备进行调峰，如电空调、热泵等。

（2）余热优先原则。按照以热定电的原则，优先保证机组余热优先利用，以此配置发电机组容量，确保发电量、余热量与需求匹配良好，没有发电能力闲置或余热量的浪费，此时可以实现能源综合利用效率的最大化。

（3）灵活搭配原则。需要紧密结合建筑功能，分析冷、热负荷的特点，特别是过渡季负荷的变化，灵活选用直接或间接的换热工艺。对于一般公共建筑，考虑直接供冷供热的余热吸收式空调机组，虽然只能提供常规冷热需求，但是热效率更高。如果有蒸汽需求则要考虑采用余热蒸汽锅炉，这种间接连接的供能方式，可以供应蒸汽，也可通过板式换热器供热，还可与蒸汽型吸收式机组配合供冷，负荷适应能力强，但是综合效率不及直接连接方式。

（4）简洁高效原则。能源转换的环节越多，损耗越大，同时工艺复杂，对控制的要求也越高。简洁合理的工艺流程，配以高水平的自控和监测系统，能提升设备的可靠性，降低运行维护成本。

4 结论

燃气冷热电分布式能源系统的余热主要以烟气和冷却水的形式存在，其能量占到天然气燃烧能量的一半。随着环保要求逐渐严格，提高能源利用效率，降低燃料消耗，已成为行业的共识，也是燃气冷热电分布式能源技术发展的必然趋势。采用冷热电联供的方式，将余热梯级利用后，综合能源利用效率可提升到70%以上。

余热利用设备有热交换型和吸收型，各自有不同的特点和适用范围。而燃气冷热电分布式能源系统的经济性，取决于如何将系统自发电以及发电余热的效率最大化发挥。因此在系统设计中应结合负荷需求情况，针对不同余热利用设备的特性进行合理组合搭配。

参考文献：

[1]高玉华.燃气轮机排气余热回收方式与热交换器的应用[J].燃气轮机技术，2008，34（4）：5-7.

[2]林世平.燃气冷热电分布式能源技术应用手册[M].北京：中国电力出版社，2014.

作者简介：刘凡（1987-），男，工学学士学位，长期从事发电厂热机设备管理工作。

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