摘要： 文章分析了热电冷三联产是合理利用天然气的理想方式,阐述了几种天然气热电冷联产系统的运行方式与特点,包括基于燃气机、燃气轮机、联合循环和燃料电池的热电冷三联产系统。根据国内外天然气热电冷联产系统的研究与应用现状,指出今后相当长时间内该系统在我国经济发达地区具有很好的应用前景,并对未来的主要研究方向作了一些有益的探讨。
关键词： 天然气;热电冷联产;运行方式;燃气轮机;燃料电池;吸收式制冷
天然气热电冷联产系统是以天然气作为一次能源，可同时提供热量、冷量和电量的多联产总能系统。该系统以燃气发电设备为核心，以燃气发电设备排出的高温尾气或以该尾气通过余热锅炉产生的蒸汽或热水供热，并利用发电余热驱动吸收式制冷机，从而实现对天然气进行高效梯级利用，满足用户的电、热、冷负荷的能源需要。近十几年来，针对区域热、电、冷三联供的特点，提出了许多基于天然气利用的热电冷联产系统的运行方式，但由于热电冷联产系统是多目标的非线性系统，其影响因素错综复杂，各运行方式均有一定的适用场合，并需不断的改进和完善。
本文基于有关研究，归纳分析了天然气作为热电冷联产（CCHP）系统一次能源的合理性与可能性，阐述了基于燃气机、燃气轮机、联合循环和燃料电池的CCHP系统的运行方式和特点，并对近年来CCHP系统在天然气利用中的主要研究成果和应用状况进行了总结与评述，并对各CCHP系统的适用范围和未来主要研究方向作了一些有益的探讨。
1 天然气作为能源利用的理想方式
开发和利用天然气是改善能源结构、环境保护和保障能源安全的重要措施，2000年天然气产量为2.72×108m3，预计到2010年，我国本土的生产能力加上从国外进口的管道和液化天然气可达到1
000×108m3，这将使天然气在我国较大范围的利用成为可能。为提高热利用效率，可按天然气燃烧产生的不同形式、不同品位的热能，由高温到低温实行梯级利用，见表1［1］，以使整个系统的能量综合利用效果最佳。
热电冷联产(CCHP)系统是一种建立在能量梯级利用概念基础上，将制冷、供热及发电过程一体化的多联产总能系统，该系统可有效地实现天然气作为燃料的能源梯级利用。其过程大至为：天然气燃烧把化学能转换为700~1500℃高品位热能，首先利用这部分热能驱动发电机发电(天然气燃料电池CCHP系统直接将化学能转换为电能),然后逐级利用低品位热能供应蒸汽、热水，或者将低品位热能作为吸收式制冷系统的驱动热源进行供冷，从而实现对天然气的多级多次利用。
表1 天然气燃烧后在各温位的利用途径
燃烧产物温位/℃
利用设备
应用场合
1500
发动机
电力
1100
燃气轮机
电力
700
蒸汽轮机
电力、动力
300
余热锅炉
蒸汽热利用(工厂)
120
吸收式制冷机
供冷
100
换热器
供高温水
80
换热器
供中温水
50
换热器
采暖
随着我国城市电力采暖空调等生活用电负荷的不断增加，以天然气为燃料的CCHP系统的一次能源利用率是常规热电分产的2~3倍，可以全面满足城市的热、电、冷需求，是高效合理利用天然气的有效途径，可有效地解决城市能源供应、调节季节性用电用气量的峰谷差，使燃气和电力供应负荷趋向均衡，提高管网利用率。另一方面，天然气CCHP系统有很好的环保性能，在降低SOx、NOx、COx等污染物排放方面潜力很大。与燃煤的热电分产相比，CO2排放量可减少1/3左右、细颗粒物减少100%、NO减少约80%。
目前影响天然气CCHP系统在我国的应用与发展的主要障碍是初期投资大和天然气的价格太高。解决这些问题的方法除制定合理的政策与机制、调整各种能源的价格外，可借助清洁发展机制(CDM)的资金与技术设备支持。天然气CCHP系统是符合CDM合格性准则的能源技术选择，我国政府已正式批准《京都议定书》，作为发展中国家，目前不承担温室气体的减排义务。但是在CDM机制下，通过和发达国家进行温室气体减排项目的合作，既可以帮助发达国家完成其减排义务，也可以促进我国的天然气CCHP系统的发展，进而降低我国天然气CCHP的温室气体的减排代价，使之在实施CDM机制中更具竞争力。
2 几种运行方式
2.1 基于燃气机的CCHP系统
燃气机属内燃机，其工作原理是将燃料与空气注入气缸混合压缩，点火引发其爆燃做功，推动活塞运行，通过气缸连杆和曲轴驱动发电机发电。排热回收形态主要为-500℃的排烟、-110℃的汽缸套冷却水，以及空气压缩机和润滑油冷却水中的热量，回收的热量可用于采暖、供热水或作为吸收式制冷机的驱动热源。文献[2]给出了一种燃气机－发电机－热泵组合式CCHP系统原理图，见图1。该系统在燃气供应中断或者燃气机发生故障时，可将发电机转变为电动机驱动热泵，而且两个燃气机之间可互相支援。
图1 基于燃气机的CCHP系统
燃气机CCHP系统的发电容量较小，余热可通过热水或蒸汽+热水方式回收，燃气可以利用内燃机自身携带的空气压缩机增压，不用另配增压设备，发电效率可达到35%~40%，技术成熟、可靠性强，已经被广泛采用，适合于电力需求较大的用户。
2.2 基于燃气轮机的CCHP系统
该系统以燃气轮机为动力驱动发电机供电，并与吸收式制冷机和余热锅炉配套，以蒸汽形式回收燃烧废气的热量。它与燃气机CCHP系统的不同点是燃气轮机余热的回收几乎全部是燃烧废气，余热均以蒸汽形式回收，余热回收率高。与电力输出相比，热电比(热/电=2~3)较高，噪声属高频，易于采取防噪措施。图2所示为一种较完善的基于燃气轮机的CCHP系统流程图[3]。
图2 燃气轮机CCHP系统流程图
燃气轮机CCHP系统的发电容量通常位于1000~3000kW之间，发电效率为25%~30%，适应于整幢楼宇或一个小区使用，可为用户提供可靠的后备电源。与远程送电比较，没有输电损耗，可以大大提高能源利用效率。但系统的初投资大，需从整个系统出发，考虑技术、初投资、运行费用、环境污染等因素，优化系统，找出在其寿命周期内，费用最低的方案[4,5]。
2.3 基于联合循环的CCHP系统
该系统是在联合循环发电基础上，配置热交换器和吸收式制冷系统后发展而成的。用余热锅炉回收燃气轮机排出的尾气的余热，所产生的一部分蒸汽注入蒸汽轮机发电，其余部分用于提供采暖或卫生热水。发电后的乏汽或抽汽用以驱动蒸汽型吸收式制冷机制冷，或以燃气轮机、余热锅炉的排气驱动排气直燃型、排气再燃型制冷机制冷。图3所示为燃气
－蒸汽轮机联合循环+蒸汽型吸收式制冷机系统流程图[6]。
图3 联合循环+吸收式制冷机系统流程
常用的2种并联型联合循环有HAT循环和STIG循环。与常规的回热式燃气轮机相比，HAT循环增加了一个排气给水预热器，在压气机与回热器之间增设一个饱和蒸发器。STIG循环与HAT循环的主要区别在于软水注入的位置不同和给水的加热方式不同，从而使STIG循环的余热锅炉同时起到回热器的作用。文献[7]将并联型联合循环和三联产技术相结合，提出了基于HAT循环和STIG循环的CCHP总能系统，并对两者进行了研究和比较。认为：HAT循环的CCHP系统适用于以发电为主的生产情况。而STIG循环的CCHP系统更适用于以供热和供冷为主的生产情况。
联合循环的CCHP系统的机组效率(可达到50%以上)及能源综合利用率高、占地面积小、建设周期短、并且运行灵活、调峰能力强，适宜于城市小区供热供冷。小区以100~200万m2为宜，发电功率可选用50~100MW机组。
2.4 基于燃料电池的CCHP系统
燃料电池是一种在等温过程中直接将富氢燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应的方式转化为电能的发电装置。其基本工作原理为：气体燃料连续不断地被供入负极，空气(氧气)被连续不断地供入正极，在正负电极处发生电化学反应,从而产生电能。
以天然气为燃料的燃料电池大都以空气作氧化剂，目前已开发出：磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。除PAFC外，MCFC与SOFC技术尚未成熟。
基于燃料电池的CCHP系统通常由以下几部分组成：燃料预处理部分、燃料电池本体、直流交流转换器和热量管理部分。图4为该系统的基本构成及流程。
图4 基于燃料电池的CCHP系统流程框图
燃料电池CCHP系统的能量转化效率高，理论上可达到90%，以低热值(LHV)定义的实际发电效率为40%~55%，能量总利用率可达80%以上，发电效率比上述其他的分布式发电装置(如内燃机、燃气轮机等)高1/6~1/3。天然气燃料电池本身是以电化学反应取代燃烧，所以几乎不产生NOx、SOx和其他污染物质，内部也没有任何活动部件，不会发出任何噪声。与传统的火电机组相比，CO2排放量可减少40%~60%，是名副其实的清洁能源生产方式。此外还具有占地面积小、建设周期短、可模块化设计、易于安装等特点，并且机组启停灵活，负荷响应速度快，负荷调节能力强［8~11］。
MCFC和SOFC电池工作温度高，高温排气可用来与燃气轮机(GT)或蒸汽轮机组成联合循环，从而提高热电站综合效率，是区域性三联供电站的优选方式。文献[11]通过对一个采用内部重整的SOFC与GT组成的联合发电系统进行热力分析，建立系统的计算模型。计算结果表明：SOFC与GT组成的联合系统，发电效率可达68%(LHV)，加上利用的余热，能量总利用率可超过80%。日本也在研究MCFC与GT的组合，使用Li/Na代替Li/K电极以获得更高电压和更长寿命，并对一套由10个1m2电池组成的10kW组件进行了104h运行试验。
3 国内外应用现状
近年来，由于天然气CCHP系统具有很高的经济性、节能潜力和环保性能，在全世界范围内得到越来越广泛的应用与发展。美国早在1978年就开始提倡发展小型热电联产(CHP)，目前除继续发展CHP外，正走向具有更高能源利用效率的CCHP系统，尤其是楼宇热电冷联产(BCHP)在美国发展迅速，采用BCHP的学校、写字楼等大型建筑越来越多。据美国有关资料统计，商用建筑采用CCHP的可达到46%以上。美国工业界已经提出了非常具体的“BCHP”创意和“BCHP2020年纲领”以支持美国能源部总体商用建筑规划及BCHP规划[6]。
日本政府为鼓励高效、低排放的能源系统的建设与发展，颁布了一系列优惠政策，使得天然气热电联供项目从20世纪80年代中后期开始飞速发展。到2000年底，日本热电项目已累计达1413个、总装机容量为2212MW，工业项目有1002个、平均装机容量为477kW，其中BCHP项目逐年增长较快。英国燃料供应充足，价格低廉，所以在这方面比日本、美国等国显得稍为落后。1997年欧洲委员会宣布加速CHP策略，使仅占当年总发电量9%的热电厂到2010年能提高至18%。国内对天然气CCHP的研究起步较晚，已投运的相对较少，且应用领域主要集中于楼宇等民用建筑，表2给出了部分BCHP系统的应用情况。
表2 国内天然气CCHP系统应用与发展状况
项 目 名 称
运行方式
备 注
上海浦东国际机场
1台4000kW燃气轮机
3台9.7t/h蒸汽余热锅炉
已 投 运
上海闵行中心医院
1台400kW燃气内燃机
1台350kg/h蒸汽余热锅炉
已 投 运
上海理工大学
1台60kW燃气内燃机
1台627MJ余热直燃机
系统调试
北京市燃气集团监控中心
480kW+725kW燃气内燃机
2台余热直燃机
系统调试
北京广渠门站综合楼
1台80kW燃气微燃机
1台836MJ余热直燃机
系统调试
北京国际商城
2台4000kW燃气轮机
2台20t/h补燃余热锅炉
方案论证
北京奥运能源展示中心
燃气轮机+余热吸收式制冷
方案论证
广州大学城区域能源站
3台燃气轮机
3台余热锅炉
方案论证
4 未来的研究方向
4.1 变负荷下系统能效特性的研究
以天然气为燃料的热电冷联产系统的负荷会应用户对能量的需求量和对能量结构的要求而随季节、时间、室内外温度的波动而变化，大多数情况是不会在待定负荷下工作的。然而，目前的理论分析大都是在系统固定负荷下进行的，对变负荷下系统能效特性的研究几乎处于空白。在实际应用中，系统能效变化有其内在的规律，这需要更多更细致的能效成因分析，从热电冷负荷构成的物理机理入手，找出影响能效变化的主要相关因素，并确定其影响程度，从而获得变负荷下系统的能效特性变化规律。
4.2 能源供需之间品位的优化匹配问题
热电冷联产系统的特点是可以实现一次能源的梯级利用，为充分体现这一优势，目前亟待解决的一个主要问题是系统中能量供需之间品位的优化控制问题，以保证当冷、热负荷需求变动时，系统能够准确、及时地进行调整，从而维持机组在较高效率下稳定运行。由于热电冷联产系统是多变量、强耦合、动态时变、复杂的非线性系统，目前尚不能确切知道影响系统的状态变量数目，也不能建立决定系统的动力学方程，可以说，能源供需之间品位的优化匹配是一个典型的非线性问题。传统的控制方法会产生较大偏差，难以保证能源供需间品位的优化控制。针对这一现象，专家们进行了许多尝试，如引入模糊控制、神经网络等智能控制方法来实现热电冷联产系统中能量的最优分配。但是，就控制机理而言，能量供需之间品位的优化匹配仍然是一个未能很好解决的问题，在今后系统控制研究中，最优品位匹配的确定仍将是一个热点。
4.3 天然气燃料电池的开发
以天然气为燃料的燃料电池进入商业化的时间还很短，适用于CCHP系统的MCFC和SOFC电池的技术尚未成熟。目前存在的难题是一次投资费用高、可移动式装置的组配以及寿命与可靠性等问题。如果这些问题能够很好解决，并且经过一段时间使其趋于成熟，它将以其较高的能量转换效率、极低的污染排放和很低的噪声等综合优势成为各种CCHP技术中最优的技术之一。此外，天然气燃料电池CCHP系统实用化过程中，一些与暖通空调关系密切的问题也值得关注或研究[10]：比如热量管理与回收利用、传热和传质方案的优化、高性能的冷却方式、适宜的电池运行条件、反应气体增湿程度和尾气排放量的控制、流场板结构等。
5 结束语
开发以天然气为燃料的热电冷联产系统已成为合理利用天然气的一种总体发展方向，目前已提出基于燃气机、燃气轮机、联合循环和燃料电池及其相互组合的热电冷三联产系统。各系统均有一定的适用场合，并已经在合理利用天然气的研究中得到了较大的进展，其中以燃料电池为动力设备的三联产技术尤为引人注目，但是离实用化阶段尚有一段距离，需要不断地改进和完善。从目前的发展趋势看，楼宇热电冷联产将会成为热电冷联产技术中最重要的一个方向；变负荷下系统能效特性及能源供需之间品位的优化匹配研究，具有低成本和高可靠性的天然气燃料电池的开发是热电冷联产技术未来的研究方向。
6 参考文献
［1］ 马一太,杨俊兰,卢苇.天然气热电冷总能系统应用模式的探讨.能源研究与信息, 2004,
20(2):86~91.
［2］ 徐明仿,晏 刚,杜维明，等.天然气冷热电三联产系统的应用分析.天然气工业,
24(8):92~95.
［3］ 刘祥源,李宇红,叶大均，等.燃气轮机热电冷联产系统合理配置研究.华东电力, 2004,
32(1):48~50.
［4］ Shun fu Lee, Sherif S A. Theroeconomic
analysis of absorption systems for cooling. ASHRAE Transactions.
2000. 107(1):629~637.
［5］ 颜永民,彭建国,张国强，等.冷热电三联产在我国的发展前景.制冷与空调, 2003,
3(6):11~15.
［6］ 张万坤,陆震,陈子煜.天然气热、电、冷联产系统及其在国内外的应用现状.流体机械,
2002, 30(12):50~53.
［7］ 赵敬德,朱华,刘妮，等.双工质并联型联合循环热电冷三联产总能系统的研究.动力工程,
2002, 22(3):1808~1811.
［8］ V哈特科普夫,潘毅群,吴刚，等.固体氧化物燃料电池在
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