燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)（CCHP）燃?xì)獍l(fā)電裝置的選擇

中石油（北京）科技開發(fā)有限公司 宋泓明

中建(北京)國(guó)際設(shè)計(jì)顧問有限公司王明友、楊智勇、李炳華、鄒政達(dá)

摘要： 燃?xì)饫錈犭娙?lián)供，即CCHP（Combined Cooling, Heating and Power），是指以天然氣為主要燃料帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置或內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)生動(dòng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，滿足用戶的電力需求，系統(tǒng)排出的廢熱通過余熱回收利用設(shè)備(余熱鍋爐或者余熱直燃機(jī)等)向用戶供熱、供冷和生活熱水。燃?xì)饫錈犭娙?lián)供技術(shù)作為分布式能源的一種，因其技術(shù)新穎、建設(shè)周期短、系統(tǒng)綜合效率高，已經(jīng)在發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛的認(rèn)可。燃?xì)獍l(fā)電裝置作為燃?xì)饫錈犭娙?lián)供技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其類型和容量能否根據(jù)具體的項(xiàng)目情況進(jìn)行正確、合理地選擇，是CCHP系統(tǒng)將來成功運(yùn)行與否的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：冷熱電聯(lián)產(chǎn)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置、選型、匹配

1 簡(jiǎn)介

燃?xì)饫錈犭娐?lián)供（簡(jiǎn)稱CCHP，下同）是以天然氣為一次能源的分布式能源系統(tǒng)，通過燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒天然氣做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，并回收發(fā)動(dòng)機(jī)做功過程中產(chǎn)生的高溫缸套水和高溫?zé)煔庵械哪芰窟M(jìn)行供熱和制冷。

燃?xì)馊?lián)供技術(shù)通過對(duì)一次能源的梯級(jí)利用，提高了能源的綜合利用率，減少了污染物排放；三聯(lián)供機(jī)房可以建在終端用戶附近，減少能源輸送過程中的損耗，節(jié)能效果明顯；三聯(lián)供系統(tǒng)與大電網(wǎng)互相依靠、互為補(bǔ)充，提高了能源系統(tǒng)的可靠性，有助于應(yīng)對(duì)突發(fā)事件。

因此，燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)是建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的重要措施之一，是我國(guó)大力推廣的節(jié)能環(huán)保技術(shù)之一，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，并編入到我國(guó)“節(jié)能中長(zhǎng)期專項(xiàng)規(guī)劃、中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）”中。

CCHP系統(tǒng)的典型流程如圖1所示：

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圖1 CCHP系統(tǒng)示意圖

從上圖中可以看出：燃?xì)獍l(fā)電裝置是燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)的核心設(shè)備，它與燃料的品質(zhì)有關(guān)且直接影響發(fā)電的效率、缸套水流量及溫度、煙氣的流量及溫度。在具體的項(xiàng)目中，能否根據(jù)其負(fù)荷大小、負(fù)荷性質(zhì)，合理確定燃?xì)獍l(fā)電裝置類型、容量，以滿足項(xiàng)目對(duì)冷熱電的需求，是直接影響項(xiàng)目在建成后能否經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。

2 燃?xì)獍l(fā)電裝置的分類及性能

CCHP系統(tǒng)通常采用內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置、微燃機(jī)等作為原動(dòng)機(jī)，以其驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。根據(jù)原動(dòng)機(jī)類型的不同，將發(fā)電裝置分為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置等。各種燃?xì)獍l(fā)電裝置的性能參數(shù)見表1。

表1 各種燃?xì)獍l(fā)電裝置的性能對(duì)比

目前，以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置為動(dòng)力的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用相對(duì)較多，綜合效率也較高，技術(shù)比較成熟，運(yùn)行比較穩(wěn)定，其中燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置的額定功率通常在50～5 000kW，而燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置的額定功率一般在800kW以上。以下對(duì)此功率范圍內(nèi)的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電裝置和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置的特性進(jìn)行分析。

2.1 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置將天然氣與空氣注入氣缸混合，點(diǎn)火引發(fā)其爆炸做功，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，回收燃燒后的煙氣和各部件的冷卻水的熱量用于供熱、制冷。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置的發(fā)電效率通常在30~40%之間，比較常見的機(jī)型一般可以達(dá)到35%。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置最突出的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電效率比較高，其次是設(shè)備集成度高，安裝快捷，對(duì)于氣體中的粉塵要求不高，基本不需要水，設(shè)備的單位千瓦造價(jià)也比較低。

但是燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置也有一些不足的地方，首先，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置燃燒低熱值燃料時(shí)，機(jī)組出力明顯下降，一臺(tái)燃燒熱值8000大卡/立方米天然氣燃料的500千瓦級(jí)燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電裝置，在使用低熱值4000大卡/立方米的焦化煤氣時(shí)，出力可能下降到350～400kW左右；此外，燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電裝置需要頻繁更換機(jī)油和火花塞，消耗材料比較大，也影響到設(shè)備的可用性和可靠性兩個(gè)主要設(shè)備利用指標(biāo)，對(duì)設(shè)備利用率影響比較大，有時(shí)不得不采取增加發(fā)動(dòng)機(jī)組臺(tái)數(shù)的辦法，來消除利用率低的影響。

2.2 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置主要由壓氣機(jī)、燃燒室和汽輪機(jī)組成。壓氣機(jī)將空氣壓縮進(jìn)入燃燒室，在燃燒室內(nèi)與噴入的燃?xì)猓ㄈ缣烊粴猓┗旌先紵笤谄啓C(jī)里膨脹，驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使其驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置比較適用于高含氫低熱值和氣體含雜質(zhì)較多的劣質(zhì)燃料，一些燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置甚至使用原油和高硫渣油燃料。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置自身的發(fā)電效率不算很高，一般在30%～35%之間，但是產(chǎn)生的廢熱煙氣溫度高達(dá)650℃，可以通過余熱鍋爐再次回收熱能轉(zhuǎn)換蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)再發(fā)一次電，形成燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置——蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，發(fā)電效率可以達(dá)到45%~50%，一些大型機(jī)組甚至可以超過55%。

采用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置的優(yōu)勢(shì)相對(duì)比較多：（1）設(shè)備的可用性和可靠性都比較高，綜合利用率一般可以保持在90%；（2）對(duì)于燃料的適應(yīng)性比較強(qiáng)，含硫、含塵高一點(diǎn)問題都不大；（3）發(fā)電出力一般不會(huì)減少，甚至因?yàn)槿剂线M(jìn)氣量增加而有所增加；（4）燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置功率密度大、體積小，比較適合再移動(dòng)，這對(duì)于存在一些不確定性的焦化廠項(xiàng)目的焦化煤氣利用非常有利。

但是，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置也存在一些缺點(diǎn)。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置進(jìn)氣壓力比較大，越是發(fā)電效率高的機(jī)組燃料進(jìn)氣壓力越高，對(duì)于低壓氣體來說就需要增加燃?xì)鈮嚎s機(jī)，而壓縮燃?xì)庑枰拇罅康哪芰?，影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出功率，一些項(xiàng)目甚至需要消耗燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置15%~20%的功率。

2.3 兩種發(fā)電裝置熱效率和發(fā)電效率的比較

2.3.1 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電裝置和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置熱效率和發(fā)電效率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖2、圖3是兩種不同形式的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電功率和熱電效率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)⁽¹⁾，圖中數(shù)據(jù)是在CCHP機(jī)組工作在額定狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，即發(fā)電機(jī)輸出在額定功率、額定電壓、額定頻率狀態(tài)下。由圖2和圖3可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

第一，一般情況下燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置的發(fā)電效率高于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置10個(gè)百分點(diǎn)以上。對(duì)于余熱利用（最終煙氣排放溫度為120℃），燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置的余熱利用效率明顯高于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置；

第二，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率越大，CCHP的發(fā)電效率越高，而熱效率同時(shí)降低；

第三，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置組的熱效率與電效率之和在80%~90%，具有較好的綜合利用價(jià)值；

第四，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置的電效率與熱效率合計(jì)在80%上下。

圖2 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電裝置熱效率與發(fā)電效率

Fig.2 Heatand power efficiencies of gas engine

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置的熱效率與發(fā)電效率

Fig.3 Heatand power efficiencies of gas turbine

2.3.2 變工況下燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電裝置和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置的熱效率和發(fā)電效率

以3MW 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電裝置( G3616 型)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置(Centaur 40)為對(duì)象進(jìn)行比較^（2）。通過基本參數(shù)和熱力學(xué)計(jì)算,兩者在變工況下的熱效率和發(fā)電效率比較如圖4所示。

圖4 3 MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置不同負(fù)荷率下

熱效率和發(fā)電效率的比較

Fig. 4Comparison of heat and power efficienciesof 3MW gas engine and gas turbine under different load factors

隨著負(fù)荷率的降低，燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電裝置和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置的發(fā)電效率均呈下降趨勢(shì)，且下降的幅度大致相同。對(duì)于余熱利用(最終煙氣排放溫度為120℃，以防止煙氣析出冷凝水腐蝕煙道) ,燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置的余熱利用效率明顯高于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置,其中燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置的余熱利用效率隨著負(fù)荷率的降低而降低,而燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置的余熱利用效率隨著負(fù)荷率的降低有上升趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)原動(dòng)機(jī)負(fù)荷率減小時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置的進(jìn)口空氣流量基本保持不變,其煙氣出口溫度隨負(fù)荷率減小而降低;而燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置的進(jìn)口空氣流量隨負(fù)荷率減小而減小,出口煙氣溫度反而呈上升趨勢(shì)。因此,盡管兩者在額定工況下具有大致相同的熱電總效率,燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置具有比燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置更好的部分負(fù)荷特性。顯然,對(duì)于那些冷熱負(fù)荷波動(dòng)較大的終端,而其系統(tǒng)又不能采用聯(lián)合循環(huán)形式,燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在部分負(fù)荷下將具有更高的熱電效率和經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)美國(guó)不同規(guī)模建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置裝機(jī)情況統(tǒng)計(jì)，對(duì)于1 MW以下的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置占據(jù)了絕對(duì)主導(dǎo)地位,這是由于此容量范圍內(nèi)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置發(fā)電效率通常較低,節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益不明顯。對(duì)1～5MW的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置數(shù)量大約為內(nèi)燃機(jī)的一半。對(duì)于5～10 MW及以上范圍,燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置占據(jù)了主導(dǎo)地位,這是因?yàn)榇朔秶鷥?nèi)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置一次發(fā)電效率通常已在30%以上,如果進(jìn)一步采用聯(lián)合循環(huán),整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率、調(diào)節(jié)靈活性和經(jīng)濟(jì)效益都將大大提高。

3 燃?xì)獍l(fā)電裝置的選擇與系統(tǒng)優(yōu)化

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)（CCHP）可以同時(shí)向用戶供冷、供熱、供電，因此在選擇燃?xì)獍l(fā)電裝置時(shí)應(yīng)同時(shí)考量冷、熱、電負(fù)荷的大小及相互關(guān)系。

用戶實(shí)際需求熱(冷)電比是冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型的一個(gè)重要因素，一般根據(jù)用戶需求熱(冷)電比來選擇相應(yīng)的燃?xì)獍l(fā)電裝置類型和容量，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱(冷)電比能夠與用戶需求一致，盡量避免補(bǔ)燃和余熱排空現(xiàn)象，從而獲得較大的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于辦公和居住建筑等電負(fù)荷比冷、熱負(fù)荷小的場(chǎng)合應(yīng)優(yōu)先選用產(chǎn)熱量較大的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置系統(tǒng)，并將部分發(fā)電機(jī)發(fā)出的電驅(qū)動(dòng)電制冷裝置，用以提高系統(tǒng)產(chǎn)熱和制冷能力，優(yōu)化匹配電制冷和煙氣余熱吸收式制冷機(jī)組，以滿足用冷、用熱負(fù)荷，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，這種方式通常被稱為以熱（冷）定電；對(duì)于廠房和數(shù)據(jù)中心，電負(fù)荷比冷熱負(fù)荷大的場(chǎng)合，應(yīng)該優(yōu)先采用發(fā)電效率較高的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電裝置，以電定熱（冷），滿足用電需求，并考慮向臨近區(qū)域供冷供暖。

燃?xì)獍l(fā)電裝置和煙氣余熱制冷機(jī)的選型匹配和優(yōu)化過程如下：

（a）以熱定電流程 （b）以電定熱流程

圖5 CCHP設(shè)備選型流程圖

Fig.5 EquipmentSelection of CCHP

4 結(jié)論

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)是解決天然氣綜合利用效率、降低運(yùn)行成本、保持用氣負(fù)荷季節(jié)性平衡的有效方式之一，其中如何合理的選擇燃?xì)獍l(fā)電裝置又成為解決燃?xì)饫錈犭娤到y(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難題。本文初步探討了不同燃?xì)獍l(fā)電裝置的性能，并設(shè)計(jì)出一套根據(jù)不同負(fù)荷特性要求的燃?xì)獍l(fā)電裝置選擇的模型，對(duì)指導(dǎo)燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很大的幫助。

參考文獻(xiàn)：

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