1、前言

　　中國天然氣探明總儲量為38萬(wàn)億m3，僅次于前蘇聯(lián)和美國，是世界上天然氣富有的國家之一。中央實(shí)施“西氣東輸”，中國東部地帶以天然氣為主的清潔能源的應用比重將大大增加。而從其它國家的實(shí)踐經(jīng)驗來(lái)看，美國73%的熱電聯(lián)產(chǎn)項目使用的是燃氣，俄羅斯熱電聯(lián)產(chǎn)燃料構成中，70%是石油和天然氣。

　　中國能源結構多元化的變化，是冷熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)結構調整的物質(zhì)基礎和前提條件。隨著(zhù)西氣東輸這個(gè)有力契機，以天然氣為燃料的，以小型燃氣發(fā)電機組和余熱鍋爐與溴化鋰吸收式制冷機組等設備組成的小型全能量系統實(shí)現冷熱電聯(lián)產(chǎn)，進(jìn)行清潔優(yōu)質(zhì)能源的梯級利用，使我國有限的資源提高能源效率，合理優(yōu)化利用。

　　冷熱電聯(lián)產(chǎn)（Combined Cooling Heating and Power, CCHP）是一種建立在能量梯級利用概念基礎上，將制冷、制熱（包括供暖和供熱水）及發(fā)電過(guò)程一體化的總能系統。其最大的特點(diǎn)就是對不同品質(zhì)的能量進(jìn)行梯級利用，溫度比較高的、具有較大可用能的熱能用來(lái)被發(fā)電，而溫度比較低的低品位熱能則被用來(lái)供熱或是制冷。這樣做不僅提高了能源的利用效率，而且減少了碳化物和有害氣體的排放，還具有良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

　　據美國國務(wù)院2005年四月份的一份報告，中國將與美國在11個(gè)領(lǐng)域中進(jìn)行合作，旨在2008年奧運會(huì )凈化北京的空氣，其中就有冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。中國對此技術(shù)也表現出極大的興趣，在不久的將來(lái)，至少有三幢建筑作為試點(diǎn)。

　　2、小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)的簡(jiǎn)介

　　小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)的核心設備是熱電轉換裝置，在全球目前投入使用的天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統中，微型燃氣輪機、燃氣熱氣機和燃氣內燃機是主要的幾類(lèi)熱電轉換裝置。隨著(zhù)微型燃機技術(shù)的不斷完善，微型燃機發(fā)電機組已成為小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)的主力。

　　微型燃氣輪機是功率為數百KW以下的、以天然氣、甲烷、汽油、柴油等為燃料的超小型燃氣輪機。它的雛形可追溯到60年代，但作為—種新型的小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統，發(fā)展歷史則較短。目前，開(kāi)發(fā)微型透平的廠(chǎng)商主要集中在北美，歐洲有瑞典和英國。

　　與柴油機發(fā)電機組相比，微型燃機具有以下一系列先進(jìn)技術(shù)特征：

　�。�1）設計簡(jiǎn)單，結構簡(jiǎn)單緊湊，重量輕，運動(dòng)部件少，生產(chǎn)成本低。

　�。�2）低振動(dòng)，低噪音，壽命長(cháng)，運行成本低。

　�。�3）通過(guò)調節轉速，即使不是滿(mǎn)負荷運轉，效率也非常高。

　�。�4）自動(dòng)化控制水平高，可遙控和診斷，可多臺集成擴容。

　　因此，先進(jìn)的微型燃氣輪機是提供清潔、可靠、高質(zhì)量、多用途的小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)的最佳方式，使系統更靠近用戶(hù)，無(wú)論對中心城市還是遠郊農村甚至邊遠地區均能適用。一旦達到適當的批量，微型燃機輪機有能力與中心發(fā)電廠(chǎng)相匹敵。對終端用戶(hù)來(lái)說(shuō)，與其它小型發(fā)電裝置相比，微型燃氣輪機是一種更好的環(huán)保型發(fā)電裝置。

　　早在2000年，遠大與美國能源部、橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室、馬里蘭大學(xué)合作開(kāi)發(fā)“冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統”，將遠大直燃機與歐美生產(chǎn)的燃氣渦輪發(fā)電機進(jìn)行“無(wú)接縫”組合，較大的直燃機配較小的發(fā)電機：將燃氣渦輪發(fā)電機尾氣引入直燃機的燃燒機。發(fā)電機尾氣余熱利用率為80％～90％。較小的直燃機配較大的發(fā)電機：將燃氣渦輪發(fā)電機尾氣一部分引入直燃機的燃燒機，一部分引入專(zhuān)門(mén)設計的余熱發(fā)生器。發(fā)電機尾氣余熱利用率約40％～80％。直接用發(fā)電機尾氣制冷制熱：專(zhuān)門(mén)設計尾氣發(fā)生器，將發(fā)電機尾氣全部引入發(fā)生器。發(fā)電機尾氣余熱利用率為40％～70％。

　　其工藝流程示意如下：

　　3、小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)的特點(diǎn)

　　冷熱電聯(lián)產(chǎn)是—種建立在能的梯級利用概念基礎上，將制冷、供熱（采暖和供熱水）及發(fā)電過(guò)程—體化的多聯(lián)產(chǎn)總能系統，目的在于提高能源利用效率，減少碳化物及有害氣體的排放。與集中式發(fā)電-遠程送電比較，冷熱電聯(lián)產(chǎn)可以大大提高能源利用效率：大型發(fā)電廠(chǎng)的發(fā)電效率—般為35%-55％，扣除廠(chǎng)用電和線(xiàn)損率，終端的利用效率只能達到30-47%.而小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)的能源利用率可達到90%，沒(méi)有輸電損耗，另外，小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)在降低碳和污染空氣的排放物方面具有很大的潛力，因其具有良好的環(huán)保性能，小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)與“小機組”己不是同一概念。

　　二十世紀初以來(lái)電力行業(yè)流行的觀(guān)點(diǎn)是，發(fā)電機組容量越大，則效率越高，單位千瓦投資越低，發(fā)明成本也越低。但是，在許多特殊情況下，小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)是集中供電不可缺少的重要補充：

　�。�1）小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)可以滿(mǎn)足特殊場(chǎng)合的需求。例如，對供電安全穩定性要求較高用戶(hù)，如醫院、銀行等；能源需求較為多樣化的用戶(hù)，需要電力的同時(shí)還需要熱或冷能的供應。這種供電方式最大的優(yōu)點(diǎn)是不需遠距離輸配電設備，輸電損失顯著(zhù)減少，運行安全可靠，并可按需要方便、靈活地利用排氣熱量實(shí)現冷熱電三聯(lián)產(chǎn)，提高能源利用率。

　�。�2）小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)供電方式可以彌補大電網(wǎng)在安全穩定性方面的不足。例如2003年8月份，北美地區電網(wǎng)大面積斷電就是一個(gè)典型的反面教材。而小型燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)體系實(shí)際是一種能源設施的互聯(lián)網(wǎng)，它通過(guò)蜂窩狀的小型、實(shí)行供能設施的互相連接，提高了城市的供能可靠性。此外，各廠(chǎng)家的設備都設計了自動(dòng)調頻并網(wǎng)系統，可以保證電網(wǎng)的運行安全。在電網(wǎng)崩潰和意外災害（例如地震、暴風(fēng)雪、人為破壞、戰爭） 情況下，可維持重要用戶(hù)的供電。

　�。�3）小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)供電方式為能源的綜合梯級利用提供了可能。在常規的集中供電方式中，能量形式相對單—。當用戶(hù)不僅僅需要電力，而且需要其它能量形式如冷能和熱能的供應時(shí)，僅通過(guò)電力來(lái)滿(mǎn)足上述需要時(shí)難以實(shí)現能量的綜合梯級利用：而小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)供電方式以其規模小、靈活性強等特點(diǎn)，通過(guò)不同循環(huán)的有機整合可以在滿(mǎn)足用戶(hù)需求的同時(shí)實(shí)現能量的綜合梯級利用，并且克服了冷能和熱能無(wú)法遠距離傳輸的困難。

　�。�4）小型燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)可以更加有效配置資源，穩定、持續地利用天然氣、煤層氣等資源，減少燃氣的調節，降低因燃氣調峰導致的儲采比下降，地下儲氣庫損失等不必要的資源浪費，減少燃氣管網(wǎng)的建設投資，提高設備運行效率，從而達到降低燃氣利用成本，提高用氣企業(yè)的競爭能力。

　�。�5）在計劃經(jīng)濟體制下，行業(yè)是以產(chǎn)品劃分的，能源設施的產(chǎn)品和任務(wù)非常單一，電力、熱力、燃氣各自獨立，能源設施的重復投資建設，增加了運行成本，降低了效率，直接造成能源代價(jià)的提高。小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)打破了傳統的界限，將采暖、熱水、電、冷、燃氣、水資源合理利用和環(huán)境污染治理統籌考慮，以最小的資金、資源和環(huán)境代價(jià)，換取最高的投資效益、能源轉換效率和能源設施效能。

　�。�6）小型熱電聯(lián)產(chǎn)不僅自身污染小，對環(huán)境污染的治理效果也十分突出�；�本沒(méi)有二氧化硫、一氧化碳和粉塵的污染，氮氧化物為25-65ppm，為燃煤設施的1/10-1/20.由于用戶(hù)端的能源利用效率高，真正減少二氧化碳等溫室氣體的排放。燃氣輪機本身發(fā)電基本不需要用水，所需用水全部是用于供熱，節水性能極好。

　　當然，冷熱電聯(lián)供系統的也有缺點(diǎn)。一是冷熱電聯(lián)供系統規模小，安裝在樓宇里，只能使用天然氣或油品；二是冷熱電聯(lián)供系統雖然規模比大型發(fā)電廠(chǎng)和大型熱電聯(lián)產(chǎn)小，但小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)不能小到一家一戶(hù)安裝一臺，只能適應一幢樓宇或一個(gè)小區的冷熱電聯(lián)供，不象小型戶(hù)用空調器、戶(hù)用熱水器或戶(hù)用電取暖器那樣靈活機動(dòng)。

　　4、應用實(shí)例

　　上海交通大學(xué)閔行校區軟件大樓是一個(gè)以天然氣為能源的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統示范工程。主要內容包括：

　�。�1）建成一套天然氣微型燃氣輪機冷熱電聯(lián)供示范系統，為軟件大樓提供冷（或熱）、熱水和部分優(yōu)質(zhì)的電。

　�。�2）天然氣微型燃氣輪機發(fā)電系統，兩臺30千瓦的微型燃氣輪機發(fā)電輸出電能60千瓦，既可以并網(wǎng)發(fā)電也可以獨立使用。

　�。�3）煙氣補燃型溴化鋰冷熱空調系統，一臺20萬(wàn)大卡級的余熱溴化鋰吸收式空調機提供熱能200千瓦，供冷230千瓦。

　�。�4）煙氣型熱水發(fā)生系統，提供生活熱水25千瓦（60-80℃）。

　�。�5）低溫吸附式制冷空調系統，提供10千瓦制冷量。

　�。�6）天然氣供應系統，冷熱水供給系統和冷卻水循環(huán)系統，煙氣系統和通風(fēng)系統。

　�。�7）電氣及并網(wǎng)發(fā)電系統，儀表和測試系統，完善的控制系統。

　　本項目研究的總體成果是提供以天然氣為能源,以微型燃氣輪機為原動(dòng)力的冷熱電聯(lián)產(chǎn)示范工程，通過(guò)兩臺30千瓦的微型燃氣輪機發(fā)電滿(mǎn)足約4000平方米綜合樓的部分電力需求。這一過(guò)程產(chǎn)生的280度余熱，通過(guò)一臺20萬(wàn)大卡級的余熱溴化鋰吸收式空調機，向大樓提供冷氣或暖氣，并將余熱降低到70度左右。70度的余熱用來(lái)提供大樓的生活熱水。這樣僅以天然氣為能源，解決了大樓的供電、供冷熱和生活熱水三大能源需求，能源綜合利用效率達到85%，遠高于一般發(fā)電和獨立供冷或供熱系統的40％—60％。經(jīng)過(guò)三次利用，最后排出的是38.7度的煙氣，且幾乎沒(méi)有污染，污染物NOX排放低于4ppm，噪聲60db（10 米）。

　　經(jīng)上海交通大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院教授翁一武測算：根據半年的使用經(jīng)驗，和單獨發(fā)電、供冷熱和熱水相比，采用天然氣冷熱電聯(lián)供，每天可節省400—900元燃料費用。由于供冷熱集中于夏、冬兩季，按180天計算，每年可節省8—18萬(wàn)元。從投資成本看，目前試用階段約為150萬(wàn)元，回收期約10年。如果系統規模增大，大樓面積超過(guò)4萬(wàn)平方米，回收期可縮短為6—8年。雖然與電空調、直燃空調比較，設備多支出60—80萬(wàn)元，回收期延長(cháng)2—3年，但過(guò)了回收期后，其在節能和減支方面的優(yōu)勢就十分明顯。

　　5、結論

　　西氣東輸工程的實(shí)施使得我國很多城市，特別是長(cháng)江三角洲區域的經(jīng)濟發(fā)達的一些省市有了較充足的天然氣供應。相關(guān)部門(mén)和企業(yè)如何對寶貴的天然氣資源進(jìn)行合理及有效的利用，成為決定工程成敗的關(guān)鍵。采用天然氣的冷熱電聯(lián)產(chǎn)，是解決這個(gè)問(wèn)題的直接有效的方法。那些賓館、飯店、高檔寫(xiě)字樓、高級公寓、大型商場(chǎng)、學(xué)校、機關(guān)、醫院等有穩定的冷、熱、電負荷需求、對動(dòng)力設備的環(huán)境特性要求較高、對電力品質(zhì)及安全系數要求較高同時(shí)電力供應不足的單位或地區有非常好的適用性，能帶來(lái)很好的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益和社會(huì )效益。

　　小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)作為世界范圍的能源革命性技術(shù)已漸漸被世界各國廣泛接受和應用，它以高效、環(huán)保、低噪音和安全性等特點(diǎn)受到越來(lái)越多的業(yè)主和建筑商的接受和使用。

　　參考文獻：

　　1.Cheryl Pellerin, Beijing Cleans Air for 2008 Olympics with U.S. Help, http://usinfo.state.gov/archive/2005/apr/15-468002.html, 2005

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作者：錢(qián)斌