天然气冷热电联供能源系统发展中的理论探讨与规划实例研究

【摘 要】随着社会的发展和人民生活水平的不断提高，人们在生产生活中对电能、冷能和热能的需求日益增加。文章阐述了天然气冷热电联供系统的含义，对国内天然气冷热电联供系统发展现状进行了分析和总结，并就规划建设实例分析了某市推广应用天然气冷热电联供系统的机遇和发展前景。

【关键词】 天然气  冷热电联供  规划  实例  集中供冷

1 天然气冷热电联供系统简介

天然气冷热电联供系统（Combined Cold Heat and Power， CCHP）是与大电网和天然气管网相连接的，向一定区域内的用户同时提供电能、冷能和热能的能源服务系统。天然气冷热电联供系统是在热电联产系统基础上发展起来的，与大电网和天然气管网相连接的，向一定区域内的用户同时提供电力、蒸汽、热水和空调冷水（或风）等的能源服务系统。

系统以天然气作为燃料，通过燃气轮机或内燃机首先做功，400-600°C的排出烟气通过各种方式按不同的温位进行逐级利用，最终可以达到80%以上的利用效率。系统实现了一次能源的梯级利用，直接面向用户端，按照用户的需求供电、供冷、供热和提供生活热水等。系统实现了将天然气燃烧产生的高品位热能用于发电，然后将燃气轮机排放的蒸汽用于制冷、采暖和生活热水等等，符合综合用能和按质用能的原则，实现了“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”的利用方式。

2 天然气冷热电联供系统的并网与运行方式

（1）天然气冷热电联供系统的并网。天然气冷热电联供系统在我国的应用尚处于起步阶段，地方供电管理部门对天然气冷热电联供系统与公共电网的并网问题仍持相当谨慎的态度。天然气冷热电联供系统的并网运行是指系统在正常运行状态下，与公共电网在主回路上存在电气连接，电气连接包括电缆直接连接、经变压器连接、经逆变器连接等方式。天然气冷热电联供系统并网必须遵照两个原则：一是保证机组设备与电网的安全可靠性，及公共电网其他用户的电能质量不受损害;二是确保公众与运行人员的安全，不对电力供给设备和其他用户设备造成不良影响。

（2）天然气冷热电联供系统的运行方式。天然气冷热电联供系统的电力装机可以根据实际区域负荷情况灵活配置，小到1MW大到100MW以上均可。天然气冷热电联供系统以“冷热电联供”状态运行时，系统所发的电应首先在区域内直供和消纳，当系统所发的电不足以满足用户侧的电量需求时，需要从公共电网购电补充;当系统所发的电大于用户侧的电量需求时，可以向公共电网输送多余的电量。相较于燃煤发电机组所发的电，天然气冷热电联供系统以“冷热电联供”状态运行时多发的电应给予优先调度。电网调峰首先安排具有调节能力的水电、燃气、燃油、抽水蓄能机组和燃煤发电机组，然后再视电力系统需要安排其他机组，必要时安排火电机组进行降出力深度调峰和启停调峰。因此，天然气冷热电联供系统以“调峰电厂”状态运行时，其所发的电也能给予优先调度。

3 国内天然气冷热电联供系统发展及应用状况

与发达国家相比，我国在天然气冷热电联供系统方面的发展相对滞后，尚处于起步阶段，随着近几年天然气的广泛应用，北京、上海、广州等城市相继建设了一批天然气冷热电联供系统项目，主要安装在商业楼宇、医院、居民小区和大学城等，我国目前已有天然气冷热电联供系统总装机容量近100万kW。我国最早应用的天然气冷热电联供系统的是上海黄浦区中心医院，于1998年IH式投产（现停运）。随后上海又进行了一些项目的试点，包括上海浦东国际机场、上海闵行中心医院等项目。在相关政府部门和专业公司的推动下，我国开发了北京燃气指挥中心、北京燃气广渠门站和中关村软件园等楼宇式天然气冷热电联供系统能源项目，也开发了广州大学城等区域型能源站项目。

在一些城市商业中心、居民区和工业园区，用户比较集中，电力负荷和冷、热负荷密度都比较大，天然气冷热电联供系统可以利用不同用户对冷、热、电的不同需求在季节和一天中各个时段的区别性和互补性获得更高的效率，并且由于规模效应而具有更好的经济性，从而体现出天然气冷热电联供系统潜在的广阔发展空间。我国天然气冷热电联供系统可以有以下几种类型作为主要目标市场：①北方集中供暖市场，在满足大部分城市居民冬季供暖的需求基础上，开拓非采暖季制冷和热水用户;南方区域供电及供冷市场，以满足城市商业、行政中心区公共建筑集中供冷需求为主要负荷，同时可以向附近住区建筑物居民提取生活热水来提高能源利用效率;大型工业园区，主要以大量使用蒸汽的用户为主;大型联合循环调峰电厂，同时兼顾向周边供冷、暖和热水;现有城乡工业园区;大城市规划新区;新规划中的中小城镇;对现有城市燃煤热电厂的改造等。

4 天然气冷热电联供系统的发展机遇

在我国环境污染较为严重的今天，尤其是近期的PM2.5问题严重影响了人们的生活，我国迫切需要发展清洁的能源生产方式。截至2012年，我国煤电装机规模7.58亿kW，占总装机规模的66.2%，煤电发电量3.68万亿kWh，占总发电量的73.9%，我国煤炭资源丰富的禀赋决定了我国将在较长时间段内保持以煤电为主的电源结构。我国燃煤发电的碳排放量和S02排放量分别在全国总排放量中所占的比例是比较大的，天然气作为较为清洁的常规化石能源，燃烧排放的S02和PM10、PM2.5等颗粒物较少。

由于传统的冷热电分产和热电联产结合终端空调等提供电能、冷能和热能的生产方式，在一定程度上存在一次能源利用效率低下等问题，因此，高效灵活的冷热电联供生产方式逐渐发展起来。随着人们节能意识的提高，用于生产电能、冷能和热能的冷热电联供系统的一次能源也逐渐向较为清洁的天然气以及风能、太阳能和潮汐能等可再生能源转变，但是一些可再生能源冷热电联供系统存在受地域和季节影响较大、短期内大容量大规模发展较为困难等问题。因此，高效率、低污染且容量较大的天然气冷热电联供系统成为未来较为合适的发电供能方式。

随着城市化进程的加快，建筑空调用电占城市总用电的比例逐年上升，给电网供电造成很大负担。而采用含有电动压缩式制冷机组和蓄冷装置的天然气冷热电联供系统，可以在夜晚利用电网的低谷低价电来制冷，并储存在蓄冷装置，在第二天空调用电负荷高峰期用储存的冷量来替代部分空调负荷，可以在夏季空调用电高峰期缓解电力高峰的压力，进一步降低对电网电力负荷需求。

此外，我国发展天然气冷热电联供系统还具有政策导向方面的优势。2011年国家发展和改革委员会等四部委发布的《关于发展天然气分布式能源的指导意见》提出“十二五”期间建设1000个天然气分布式能源项目，2020年天然气分布式能源装机规模达5000万千瓦的目标。2012年国家发展和改革委员会发布的新版《天然气利用政策〉〉相较于2007年的版本，几乎放宽了所有天然气发电利用方式的优先级别，将天然气分布式能源和除十三个大型煤电基地所在地区之外的天然气热电联产项目列入优先类。因此，靠近区域用户负荷附近的以天然气冷热电联供系统为代表的综合发电和供能方式拥有了前所未有的历史机遇和发展使命，成为我国未来能源和电力领域的主要发展方向之一。

5 规划建设实例

以笔者在对华南某市空港区能源规划中对天然气冷热电联供系统的应用为例。该市提出“以城市发展引领各项事业发展”的理念，加快建设现代化国际化先进城市，以重大项目推动城市高水平建设，将建设六大新型功能区，其中就包括“加快西部空港区建设，打造推进经济发展方式转变的新载体”。

根据该市空港区的自然条件，空港区夏热冬暖，夏季长、平均气温高、供冷需求长期存在;根据空港区的规划，空港区和该市机场相邻，空港区启动区内有会展商贸区，需集中制冷的建筑面积约达30万平方米以上，周边配套办公商业约50万平方米，而机场正规划新建3号、4号航站楼，两座航站楼建筑面积约40万平方米。根据该市一年中约有八个月以上时间的制冷需求，而机场一天中约有20小时的供冷时间，因此该区域非常适合采用集中供冷的方式。

根据以上分析，规划拟在空港区与该市机场接壤的南部区域，新建一座天然气冷热电三联供分布式能源站，保障3号、4号航站楼、会展商贸区的集中供冷需求，还可在其经济可行的服务半径内，充分发展有集中供冷需求的公共建筑用户，以期达到环境效益、经济效益、能源利用效率最大化。

根据核算，空港区分布式能源站服务范围包括规划的会展中心约35万平方米，近期建设配套办公商业约50万平方米，机场航站楼约40万平方米。会展中心及航站楼空调负荷以140瓦/平方米估算，商业、办公空调负荷以80瓦/平方米估算，总空调负荷约14.5万千瓦。取集中供冷率0.7，同时使用率0.7，输送效率0.95，能源站非电空调制冷将满足约7.5万千瓦用冷需求。

按拟建300兆瓦分布式能源站计算，所产热量大部分用于供冷，按制冷季9个月、平均负荷率60%考虑，分布式能源站一年可节约电空调用电量约865万千瓦时;发电机组按5800小数运行考虑，可提供约17亿瓦时电量，对该市西部区域长期存在电力缺口也是个非常不错的补充。同时，分布式能源站可供应空港区内现状保留的一些工业生产所需高温蒸汽，可逐步取消区内的工业小锅炉，减少环境污染。

该市由于西部区域工业集中，用电负荷较大，而电力设施又集中在该市东部，故而长期存在电力供需不平衡，西部电力缺口大的问题，空港区的快速发展又加重电力缺口的问题。空港区供冷需求集中，时间长，进行集中供冷可大大减少空港区发展电力空调带来的电力需求增量。该市的天然气主要来源于西气东输二线，由该市的西北部输入，气源充足，天然气高压网络完善，可作为能源站的稳定天然气供应来源。因此，将天然气冷热电联供系统的应用纳入西部空港区的能源规划，是非常适宜和值得推广的，规划与空港区开发建设同步，由国内大型电力生产集团投资建设。

6 结语

天然气冷热电联供系统 能够大大提高能源的利用效率，减少输配电线路的损耗和供热管网的能耗，节能效果明显，还可以减轻电网的高峰负荷压力。在北方推广应用天然气冷热电联供系统，可结合热电厂和集中热网系统改建，满足冬季集中供热、夏季集中供冷;在南方，则主要结合区域集中供冷，在集中供冷面积大，时间长，供冷需求较大的区域建设，同时所产电力入网，也是智能电网的一部分补充。总之，天然气冷热电联供系统 将在能源综合利用方面占有十分重要的地位，具有良好的应用价值和发展前景。

参考文献：

[1]华贲.低碳发展时代的世界与中国能源格局[J].中外能源，2011，16（2）.

[2]殷平.冷热电三联供系统研究[J].暖通空调，2013，43（4）.

[3]华贲.从热电联产到天然气冷热电联供[J].中外能源，2011，16（11）.

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