1、前言

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

　　中國(guó)能源結(jié)構(gòu)多元化的變化，是冷熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的物質(zhì)基礎(chǔ)和前提條件。隨著西氣東輸這個(gè)有力契機(jī)，以天然氣為燃料的，以小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組和余熱鍋爐與溴化鋰吸收式制冷機(jī)組等設(shè)備組成的小型全能量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)，進(jìn)行清潔優(yōu)質(zhì)能源的梯級(jí)利用，使我國(guó)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(jí)利用概念基礎(chǔ)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(tǒng)。其最大的特點(diǎn)就是對(duì)不同品質(zhì)的能量進(jìn)行梯級(jí)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(jì)效益和社會(huì)效益。

　　據(jù)美國(guó)國(guó)務(wù)院2005年四月份的一份報(bào)告，中國(guó)將與美國(guó)在11個(gè)領(lǐng)域中進(jìn)行合作，旨在2008年奧運(yùn)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(guó)對(duì)此技術(shù)也表現(xiàn)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(shè)備是熱電轉(zhuǎn)換裝置，在全球目前投入使用的天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鉄釟鈾C(jī)和燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)是主要的幾類熱電轉(zhuǎn)換裝置。隨著微型燃機(jī)技術(shù)的不斷完善，微型燃機(jī)發(fā)電機(jī)組已成為小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)的主力。

　　微型燃?xì)廨啓C(jī)是功率為數(shù)百KW以下的、以天然氣、甲烷、汽油、柴油等為燃料的超小型燃?xì)廨啓C(jī)。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(tǒng)，發(fā)展歷史則較短。目前，開(kāi)發(fā)微型透平的廠商主要集中在北美，歐洲有瑞典和英國(guó)。

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

　�。�1）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，重量輕，運(yùn)動(dòng)部件少，生產(chǎn)成本低。

　�。�2）低振動(dòng)，低噪音，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行成本低。

　　（3）通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，即使不是滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，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(tái)集成擴(kuò)容。

　　因此，先進(jìn)的微型燃?xì)廨啓C(jī)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(tǒng)更靠近用戶，無(wú)論對(duì)中心城市還是遠(yuǎn)郊農(nóng)村甚至邊遠(yuǎn)地區(qū)均能適用。一旦達(dá)到適當(dāng)?shù)呐�量，微型燃機(jī)輪機(jī)有能力與中心發(fā)電廠相匹敵。對(duì)終端用戶來(lái)說(shuō)，與其它小型發(fā)電裝置相比，微型燃?xì)廨啓C(jī)是一種更好的環(huán)保型發(fā)電裝置。

　　早在2000年，遠(yuǎn)大與美國(guó)能源部、橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、馬里蘭大學(xué)合作開(kāi)發(fā)“冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)”，將遠(yuǎn)大直燃機(jī)與歐美生產(chǎn)的燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行“無(wú)接縫”組合，較大的直燃機(jī)配較小的發(fā)電機(jī)：將燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)尾氣引入直燃機(jī)的燃燒機(jī)。發(fā)電機(jī)尾氣余熱利用率為80％～90％。較小的直燃機(jī)配較大的發(fā)電機(jī)：將燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)尾氣一部分引入直燃機(jī)的燃燒機(jī)，一部分引入專門設(shè)計(jì)的余熱發(fā)生器。發(fā)電機(jī)尾氣余熱利用率約40％～80％。直接用發(fā)電機(jī)尾氣制冷制熱：專門設(shè)計(jì)尾氣發(fā)生器，將發(fā)電機(jī)尾氣全部引入發(fā)生器。發(fā)電機(jī)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(jí)利用概念基礎(chǔ)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(tǒng)，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(yuǎn)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)電廠的發(fā)電效率—般為35%-55％，扣除廠用電和線損率，終端的利用效率只能達(dá)到30-47%.而小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)的能源利用率可達(dá)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(jī)組”己不是同一概念。

　　二十世紀(jì)初以來(lái)電力行業(yè)流行的觀點(diǎn)是，發(fā)電機(jī)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(bǔ)充：

　�。�1）小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)可以滿足特殊場(chǎng)合的需求。例如，對(duì)供電安全穩(wěn)定性要求較高用戶，如醫(yī)院、銀行等；能源需求較為多樣化的用戶，需要電力的同時(shí)還需要熱或冷能的供應(yīng)。這種供電方式最大的優(yōu)點(diǎn)是不需遠(yuǎn)距離輸配電設(shè)備，輸電損失顯著減少，運(yùn)行安全可靠，并可按需要方便、靈活地利用排氣熱量實(shí)現(xiàn)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(bǔ)大電網(wǎng)在安全穩(wěn)定性方面的不足。例如2003年8月份，北美地區(qū)電網(wǎng)大面積斷電就是一個(gè)典型的反面教材。而小型燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)體系實(shí)際是一種能源設(shè)施的互聯(lián)網(wǎng)，它通過(guò)蜂窩狀的小型、實(shí)行供能設(shè)施的互相連接，提高了城市的供能可靠性。此外，各廠家的設(shè)備都設(shè)計(jì)了自動(dòng)調(diào)頻并網(wǎng)系統(tǒng)，可以保證電網(wǎng)的運(yùn)行安全。在電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害（例如地震、暴風(fēng)雪、人為破壞、戰(zhàn)爭(zhēng)） 情況下，可維持重要用戶的供電。

　　（3）小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)供電方式為能源的綜合梯級(jí)利用提供了可能。在常規(guī)的集中供電方式中，能量形式相對(duì)單—。當(dāng)用戶不僅僅需要電力，而且需要其它能量形式如冷能和熱能的供應(yīng)時(shí)，僅通過(guò)電力來(lái)滿足上述需要時(shí)難以實(shí)現(xiàn)能量的綜合梯級(jí)利用：而小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)供電方式以其規(guī)模小、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，通過(guò)不同循環(huán)的有機(jī)整合可以在滿足用戶需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量的綜合梯級(jí)利用，并且克服了冷能和熱能無(wú)法遠(yuǎn)距離傳輸?shù)睦щy。

　�。�4）小型燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)可以更加有效配置資源，穩(wěn)定、持續(xù)地利用天然氣、煤層氣等資源，減少燃?xì)獾恼{(diào)節(jié)，降低因燃?xì)庹{(diào)峰導(dǎo)致的儲(chǔ)采比下降，地下儲(chǔ)氣庫(kù)損失等不必要的資源浪費(fèi)，減少燃?xì)夤芫W(wǎng)的建設(shè)投資，提高設(shè)備運(yùn)行效率，從而達(dá)到降低燃?xì)饫�用成本，提高用氣企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

　�。�5）在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制下，行業(yè)是以產(chǎn)品劃分的，能源設(shè)施的產(chǎn)品和任務(wù)非常單一，電力、熱力、燃?xì)飧髯元?dú)立，能源設(shè)施的重復(fù)投資建設(shè)，增加了運(yùn)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(tǒng)的界限，將采暖、熱水、電、冷、燃?xì)�、水資源合理利用和環(huán)境污染治理統(tǒng)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(zhuǎn)換效率和能源設(shè)施效能。

　　（6）小型熱電聯(lián)產(chǎn)不僅自身污染小，對(duì)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(shè)施的1/10-1/20.由于用戶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?xì)廨啓C(jī)本身發(fā)電基本不需要用水，所需用水全部是用于供熱，節(jié)水性能極好。

　　當(dāng)然，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的也有缺點(diǎn)。一是冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)規(guī)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(tǒng)雖然規(guī)模比大型發(fā)電廠和大型熱電聯(lián)產(chǎn)小，但小型冷熱電聯(lián)產(chǎn)不能小到一家一戶安裝一臺(tái)，只能適應(yīng)一幢樓宇或一個(gè)小區(qū)的冷熱電聯(lián)供，不象小型戶用空調(diào)器、戶用熱水器或戶用電取暖器那樣靈活機(jī)動(dòng)。

　　4、應(yīng)用實(shí)例

　　上海交通大學(xué)閔行校區(qū)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(tǒng)示范工程。主要內(nèi)容包括：

　�。�1）建成一套天然氣微型燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)供示范系統(tǒng)，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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)，兩臺(tái)30千瓦的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電輸出電能60千瓦，既可以并網(wǎng)發(fā)電也可以獨(dú)立使用。

　　（3）煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰?yán)錈峥照{(diào)系統(tǒng)，一臺(tái)20萬(wàn)大卡級(jí)的余熱溴化鋰吸收式空調(diào)機(jī)提供熱能200千瓦，供冷230千瓦。

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

　�。�5）低溫吸附式制冷空調(diào)系統(tǒng)，提供10千瓦制冷量。

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

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

　　本項(xiàng)目研究的總體成果是提供以天然氣為能源,以微型燃?xì)廨啓C(jī)為原動(dòng)力的冷熱電聯(lián)產(chǎn)示范工程，通過(guò)兩臺(tái)30千瓦的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電滿足約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(tái)20萬(wàn)大卡級(jí)的余熱溴化鋰吸收式空調(diào)機(jī)，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(dá)到85%，遠(yuǎn)高于一般發(fā)電和獨(dú)立供冷或供熱系統(tǒng)的40％—60％。經(jīng)過(guò)三次利用，最后排出的是38.7度的煙氣，且?guī)缀鯖](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(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院教授翁一武測(cè)算：根據(jù)半年的使用經(jīng)驗(yàn)，和單獨(dú)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(jié)省400—900元燃料費(fèi)用。由于供冷熱集中于夏、冬兩季，按180天計(jì)算，每年可節(jié)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(tǒng)規(guī)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(diào)、直燃空調(diào)比較，設(shè)備多支出60—80萬(wàn)元，回收期延長(zhǎng)2—3年，但過(guò)了回收期后，其在節(jié)能和減支方面的優(yōu)勢(shì)就十分明顯。

　　5、結(jié)論

　　西氣東輸工程的實(shí)施使得我國(guó)很多城市，特別是長(zhǎng)江三角洲區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的一些省市有了較充足的天然氣供應(yīng)。相關(guān)部門和企業(yè)如何對(duì)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、高檔寫字樓、高級(jí)公寓、大型商場(chǎng)、學(xué)校、機(jī)關(guān)、醫(yī)院等有穩(wěn)定的冷、熱、電負(fù)荷需求、對(duì)動(dòng)力設(shè)備的環(huán)境特性要求較高、對(duì)電力品質(zhì)及安全系數(shù)要求較高同時(shí)電力供應(yīng)不足的單位或地區(qū)有非常好的適用性，能帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)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(guó)廣泛接受和應(yīng)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。

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作者：錢斌