燃气冷热电三联供系统节能性与经济性分析

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摘 要：相燃气冷热电三联供系统，以下简称“CCHP系统”。作为分布式能源的一种，是指以燃气作为一次能源用于发电，利用发电产生的余热进行制冷、供热，能同时向用户输出电、热、冷多种能量的能源供应系统。因其有节能、经济、环保、安全可靠、平衡能源供应等诸多优势，已在世界范围内被广泛推广使用，近年来我国也出台了一系列政策鼓励燃气冷热电三联供系统的应用。

关键词：燃气冷热电三联；节能性；经济性

1 燃气冷热电三联供系统的热力学分析

1.1 联供系统的工作原理

燃气冷热电三联供是指以天然气为主要燃料燃烧带动燃气轮机或内燃机发电满足用户的电力需求，同时回收系统排放出的废热向用户供热、供冷。与常规的燃料燃烧直接供热制冷相比，由于实现了能量的梯级利用，使能源利用效率得到大幅提高，一些发达国家的热电效率已经达到了96%。本文以小型燃气轮机、余热锅炉、吸收式制冷机等设备构成的联供系统为例进行分析，如图1所示。

1.2 制冷系统当量热力系数

当量热力系数是指消耗单位一次能源热量能够产生多少冷量，即消耗1kJ燃料热能所能得到的制冷量。制冷系统主要由制冷主机和溶液泵、冷水泵、冷却水泵、冷却塔风机等辅助设备组成。冷热电联供的吸收式制冷系统与压缩式制冷系统不仅制冷机的能耗不同，系统中其他辅助设备的能耗也存在一定程度的差异，所以在分析冷热电联产制冷系统的节能性时应综合考虑，应计算制冷系统的当量热力系数而不仅是制冷机的。根据上述分析，常规的电压缩式制冷系统的能耗包括制冷机和系统内其他设备的耗电量。所以，对于压缩式制冷系统，当量热力系数ξce计算式为：

式中：Qc为制冷量，kW；Wce、W"ce分别为压缩式制冷机的耗电量及其他设备的耗电量，kW；ηe、ηn、ηm分别为全国平均发电效率、电网输送效率及电动机总效率。吸收式制冷系统的能耗主要包括制冷系统消耗的热量和溶液泵、冷却水泵、冷水泵以及冷却风机等设备的耗电量。所以，吸收式制冷系统的当量热力系数ξca为：

式中：Qc为制冷量，kW；Qh为吸收式制冷机组的耗热量，kW；Wca为吸收式制冷系统的总耗电量，kW；ηp为蒸汽管道输送效率。燃气轮机—余热锅炉—蒸汽溴化锂吸收式制冷系统方案的μ值的计算公式为：

式中：Qf为燃料热量，kJ；P为燃气轮机发电功率，kW；ηb余热锅炉的效率；cp为燃气轮机排气比热，kJ/（kg·K）；v为燃气轮机发电耗热率，kJ/（kW·h）；D1、D2分别为余热锅炉产生的蒸汽量、燃气轮机的排气量，kg/h；h1、h2为余热锅炉给水焓、余热锅炉的出口蒸汽焓，kJ/kg；t0、tp为环境温度、燃气轮机排气温度，K。

1.3 制冷系统的一次能耗

一次能耗率是一次能耗量与需要输出能量的比值。所以联供系统中吸收式制冷系统的一次能耗率和一次能耗量分别为：

2 计算分析

2.1 μ值的计算

表1为美国Solar公司小型燃气轮机技术参数，由公式（3）计算出不同型号的燃气轮机的μ值，列于表1。

2.2 一次能耗的计算分析

表2为1163kW电压缩式制冷系统与溴化锂吸收式制冷系统（蒸汽双效型）能耗数值。由公式（1）、（2）、（5）和（7）可以计算出上述两种系统的当量热力系数和一次能耗，见表3。其中，大型火力发电厂的发电效率只有30%～39%，全国平均发电效率取火力发电效率0.33，电网输配电效率取0.9，拖动压缩机的电动机的总效率取0.9。

系统得到相同制冷量的一次能耗越少则节能效果越好，根据表3，联供的吸收式制冷系统一次能耗明显低于电压缩式制冷系统。所以，冷热电三联供制冷系统节能性优于分供系统的电压缩式制冷系统。分别以不同的压缩式制冷系统为比较基准计算一次能耗节约率与系统当量热力系数的关系，如图2所示。

由图2可以看出吸收式制冷系统相对于压缩式制冷系统是节能的，且系统当量热力系数越大，一次能耗节约率越高。相对于离心式制冷机的制冷系统的节能率都在25%以上。上述分析是建立在全国平均发电效率为0.33的基础上的，但是目前我国纯燃煤电厂效率最高可达40%～42%，纯燃气电厂的发电效率以燃气蒸汽联合循环的最高，通常可达55%，再分别以平均发电效率为40%和55%进行计算，得出不同发电效率下一次能耗节约率随当量热力系数的变化。

3 结论

联供系统在供热工况下的节能效果是一致认可的，热电联供利用发电后的低品位热量向外供热，而锅炉则是将高品位燃料化学能直接转化低品位热量向外供热。因而热電联供的（火用）效率一定高于锅炉供热。但制冷工况下的吸收式制冷与常规的电压缩式制冷相比却不一定节能，虽然吸收式制冷也是利用低品位的蒸汽热能，但压缩式制冷机的COP远高于吸收式制冷机。

参考文献：

[1] 刘青容，阮应君，任建兴，等.冷热电三联产系统节能减排效果的理论分析[J].华东电力，2010（2）：267～270.

[2] 熊霞丽.热电冷三联产系统的节能研究[D].武汉：华中科技大学，2004.

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