1、前言

　　中國天然氣探明總儲量為38萬億m3，僅次于前蘇聯和美國，是世界上天然氣富有的國家之一。中央實施“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。而從其它國家的實踐經驗來看，美國73%的熱電聯產項目使用的是燃氣，俄羅斯熱電聯產燃料構成中，70%是石油和天然氣。

　　中國能源結構多元化的變化，是冷熱電聯產產業(yè)結構調整的物質基礎和前提條件。隨著西氣東輸這個有力契機，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現冷熱電聯產，進行清潔優(yōu)質能源的梯級利用，使我國有限的資源提高能源效率，合理優(yōu)化利用。

　　冷熱電聯產（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)電過程一體化的總能系統。其最大的特點就是對不同品質的能量進行梯級利用，溫度比較高的、具有較大可用能的熱能用來被發(fā)電，而溫度比較低的低品位熱能則被用來供熱或是制冷。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，還具有良好的經濟效益和社會效益。

　　據美國國務院2005年四月份的一份報告，中國將與美國在11個領域中進行合作，旨在2008年奧運會凈化北京的空氣，其中就有冷熱電聯產技術。中國對此技術也表現出極大的興趣，在不久的將來，至少有三幢建筑作為試點。

　　2、小型冷熱電聯產的簡介

　　小型冷熱電聯產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產系統中，微型燃氣輪機、燃氣熱氣機和燃氣內燃機是主要的幾類熱電轉換裝置。隨著微型燃機技術的不斷完善，微型燃機發(fā)電機組已成為小型冷熱電聯產的主力。

　　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產系統，發(fā)展歷史則較短。目前，開發(fā)微型透平的廠商主要集中在北美，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技術特征：

　�。�1）設計簡單，結構簡單緊湊，重量輕，運動部件少，生產成本低。

　　（2）低振動，低噪音，壽命長，運行成本低。

　　（3）通過調節(jié)轉速，即使不是滿負荷運轉，效率也非常高。

　�。�4）自動化控制水平高，可遙控和診斷，可多臺集成擴容。

　　因此，先進的微型燃氣輪機是提供清潔、可靠、高質量、多用途的小型冷熱電聯產的最佳方式，使系統更靠近用戶，無論對中心城市還是遠郊農村甚至邊遠地區(qū)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)電廠相匹敵。對終端用戶來說，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、橡樹嶺國家實驗室、馬里蘭大學合作開發(fā)“冷熱電聯產系統”，將遠大直燃機與歐美生產的燃氣渦輪發(fā)電機進行“無接縫”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，一部分引入專門設計的余熱發(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：專門設計尾氣發(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、小型冷熱電聯產的特點

　　冷熱電聯產是—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)電過程—體化的多聯產總能系統，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，冷熱電聯產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到30-47%.而小型冷熱電聯產的能源利用率可達到90%，沒有輸電損耗，另外，小型冷熱電聯產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，小型冷熱電聯產與“小機組”己不是同一概念。

　　二十世紀初以來電力行業(yè)流行的觀點是，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，小型冷熱電聯產是集中供電不可缺少的重要補充：

　�。�1）小型冷熱電聯產可以滿足特殊場合的需求。例如，對供電安全穩(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，需要電力的同時還需要熱或冷能的供應。這種供電方式最大的優(yōu)點是不需遠距離輸配電設備，輸電損失顯著減少，運行安全可靠，并可按需要方便、靈活地利用排氣熱量實現冷熱電三聯產，提高能源利用率。

　�。�2）小型冷熱電聯產供電方式可以彌補大電網在安全穩(wěn)定性方面的不足。例如2003年8月份，北美地區(qū)電網大面積斷電就是一個典型的反面教材。而小型燃氣熱電聯產體系實際是一種能源設施的互聯網，它通過蜂窩狀的小型、實行供能設施的互相連接，提高了城市的供能可靠性。此外，各廠家的設備都設計了自動調頻并網系統，可以保證電網的運行安全。在電網崩潰和意外災害（例如地震、暴風雪、人為破壞、戰(zhàn)爭） 情況下，可維持重要用戶的供電。

　�。�3）小型冷熱電聯產供電方式為能源的綜合梯級利用提供了可能。在常規(guī)的集中供電方式中，能量形式相對單—。當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時，僅通過電力來滿足上述需要時難以實現能量的綜合梯級利用：而小型冷熱電聯產供電方式以其規(guī)模小、靈活性強等特點，通過不同循環(huán)的有機整合可以在滿足用戶需求的同時實現能量的綜合梯級利用，并且克服了冷能和熱能無法遠距離傳輸的困難。

　�。�4）小型燃氣熱電聯產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，減少燃氣的調節(jié)，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）在計劃經濟體制下，行業(yè)是以產品劃分的，能源設施的產品和任務非常單一，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，直接造成能源代價的提高。小型冷熱電聯產打破了傳統的界限，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，換取最高的投資效益、能源轉換效率和能源設施效能。

　　（6）小型熱電聯產不僅自身污染小，對環(huán)境污染的治理效果也十分突出。基本沒有二氧化硫、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(jié)水性能極好。

　　當然，冷熱電聯供系統的也有缺點。一是冷熱電聯供系統規(guī)模小，安裝在樓宇里，只能使用天然氣或油品；二是冷熱電聯供系統雖然規(guī)模比大型發(fā)電廠和大型熱電聯產小，但小型冷熱電聯產不能小到一家一戶安裝一臺，只能適應一幢樓宇或一個小區(qū)的冷熱電聯供，不象小型戶用空調器、戶用熱水器或戶用電取暖器那樣靈活機動。

　　4、應用實例

　　上海交通大學閔行校區(qū)軟件大樓是一個以天然氣為能源的冷熱電聯產系統示范工程。主要內容包括：

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

　　（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，煙氣系統和通風系統。

　　（7）電氣及并網發(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力的冷熱電聯產示范工程，通過兩臺30千瓦的微型燃氣輪機發(fā)電滿足約4000平方米綜合樓的部分電力需求。這一過程產生的280度余熱，通過一臺20萬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％。經過三次利用，最后排出的是38.7度的煙氣，且?guī)缀鯖]有污染，污染物NOX排放低于4ppm，噪聲60db（10 米）。

　　經上海交通大學機械與動力工程學院教授翁一武測算：根據半年的使用經驗，和單獨發(fā)電、供冷熱和熱水相比，采用天然氣冷熱電聯供，每天可節(jié)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(jié)省8—18萬元。從投資成本看，目前試用階段約為150萬元，回收期約10年。如果系統規(guī)模增大，大樓面積超過4萬平方米，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—80萬元，回收期延長2—3年，但過了回收期后，其在節(jié)能和減支方面的優(yōu)勢就十分明顯。

　　5、結論

　　西氣東輸工程的實施使得我國很多城市，特別是長江三角洲區(qū)域的經濟發(fā)達的一些省市有了較充足的天然氣供應。相關部門和企業(yè)如何對寶貴的天然氣資源進行合理及有效的利用，成為決定工程成敗的關鍵。采用天然氣的冷熱電聯產，是解決這個問題的直接有效的方法。那些賓館、飯店、高檔寫字樓、高級公寓、大型商場、學校、機關、醫(yī)院等有穩(wěn)定的冷、熱、電負荷需求、對動力設備的環(huán)境特性要求較高、對電力品質及安全系數要求較高同時電力供應不足的單位或地區(qū)有非常好的適用性，能帶來很好的經濟效益、環(huán)保效益和社會效益。

　　小型冷熱電聯產技術作為世界范圍的能源革命性技術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受到越來越多的業(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

　　2.徐建中，分布式供電和冷熱電聯產的前景，中國能源網，http://china5e.com/dissertation/cogen/0250.htm, 2005

作者：錢斌