天然气冷热电三联供系统设备容量优化

摘  要：天然气冷热电三联供系统能够有效利用资源，在当今能源日益短缺的情况下，使其能源利用率尽量加大，不过大增加环境负担的优势受到了世界重大关注。天然气冷热电三联供系统由发电机、制冷机和制热机三个部分组成，为了保证经济效益，应当选用合适的设备匹配和制定相对应的运行策略对设备容量进行优化。

关键词：天然气冷热电三联供系统;容量优化;电热泵

中图分类号：TU995                  文献标志码：A

0 引言

天然气冷热电三联供系统设备容量优化需要从2个方面进行：1）设备的选择：每个设备如果都是单独运作，那么能源的有效转换率肯定会降低。天然气冷热电三联供系统是由多个设备组成，能将每个设备关联起来，势必会大大降低能源的使用率，增加能源的转换率。因此在设备的选择上：燃气内燃发电机+余热驱动的吸附制冷机+电热泵的组合比较合理，具体原因文章后面做出分析;2）全面分析项目：遵循以热（冷）定电原则，通过对项目的负荷分析、拟定发电功率、优化联供系统工艺流程制定出最为合适的方案，才能对设备容量进行合理的优化。

参考国内外燃气三联供各种项目组合方式，结合实际工程案例，深入分析组合优缺点，该文就燃气内燃机配套吸附制冷机和电热泵联合使用的组合方式进行概述，并选取实例进行设备容量优化介绍。

1 设备的选择

1.1 燃气内燃机

燃气内燃机通过活塞运动，有部分被压缩点燃后的气体，无法继续参与到下一轮的活塞运动中，必须将其排出去。在废气排出的过程中，将携带1/3热量走，这些废气的温度通常在300 ℃～400 ℃，有很高的利用价值;剩余的一部分热量则会被冷却系统带走，这些气缸的冷却水温度则在80 ℃～100 ℃，也有一定的利用价值。将这些热量合理利用起来，能提高能源的利用率，不仅能够节约成本，还能达到减排的效果。

1.2 余热驱动的吸附制冷机

燃气内燃机余热驱动的吸附制冷机运行原理是通过热量加热冷却溶剂，通过冷却溶剂吸热分离出冷却蒸汽，冷却蒸汽被冷却后去吸收热量，变成蒸汽回到溶剂里，实现循环制冷的效果。

1.3 电热泵

电热泵可以利用燃气内燃机发电机部分电量来制冷或者供热，不仅夏天可以用来制冷，冬天还能供热，一年四季都有用。燃气内燃机配套吸附制冷机和电热泵联合使用，不仅能降低成本，还能更好地节约资源，提高能源利用率，是设备容量优化中重要的组成部分。根据广东省发改委、广东省经信委联合发布的《广东省热电联产机组节能发电调度管理办法（试行）通知》要求，燃气联合循环发电项目（含分布式能源站）投产后一年内热电比达到30%，一年后热电比达到50%。顺德西能源站和三水能源站《工程可研报告》中机组选型均遵循“以热定电”机组容量设计原则。

2 项目优化思路

2.1 热（冷）负荷分析预测

选取某园区或建筑负物进行负荷分析，主要从几个方面分析：1）供能面积：在建设天然气冷热电三联供系统之前，应该对该园区或建筑物供能面积和区域半径进行分析，根据适当的面积配备相应的设备;2）供应期：需要结合当地的天气环境，计算出需要供热的时间和制冷的时间，根据时间周期确定负荷范围。热（冷）负荷分析是保证项目未来收益最关键步骤。

2.2 拟定发电功率

目前天然气冷热电三联供系统严格遵循“以热（冷）定电，热量就近消纳，电量全额上网”原则进行发电设备容量选取。选取发电功率，要根据热（冷）负荷分析的情況和当地能源的情况选取发电功率，发电本着并网不上网的原则，罗列出需要设备的数量，计算发电功率，这样最为科学，但实际上所发电量需要全额上网。

2.3 能源价格

能源在不同时间随着需求量的变化跟着变化，因此需要了解当地的能源价格，制定出适合的运行时间，降低能源成本。

2.4 优化模型

2.4.1 优化目标

建立相应的函数，以最大收益为目标，其中需要包括净收益、设备价格、设备使用周期。通过函数来进行分析，达到优化的目的。

2.4.2 约束条件

建立负荷率与设备性能的函数，从而制定设备的额定功率、额定制热量和额定制冷量，通过得出的数据来优化设备容量。

2.5 制定相应的运行方案

根据得出来的数据，制定相应的运行方案，做出相应的经济比较，选择最划算的方案来执行，是对设备容量较大的优化。

3 实例优化分析

3.1 项目概况

河南某超市建筑面积为27 000 m2，供冷时间有150 h，供热时间有90 h。超市开放时间为早上七点到晚上九点，在供冷时期其中冷负荷最高达到2 810 kW，电负荷变化范围在130 kW～963 kW;在供暖时期热负荷最高到达1 490 kW，电负荷变化范围为154 kW～870 kW。

3.2 拟定额定发电功率

根据项目概况，遵循“以热（冷）定电”的原则，我们可以拟定出2套方案：1）燃气内燃发电机组的额定发电功率为800 kW;2）燃气内燃发电机组的额定发电功率为1 050 kW。项目所发电量均全额上网，且充分考虑就近消纳能力，即原则上满足自发自用。

3.3 能源价格

对于项目而言，所发电量必须全额上网，发电上网电价为0.665元/kW·h。而用户在早上10点到晚上8点属于高峰用电，价格为1.14元/kW·h。早上7点到早上10点;晚上8点到晚上11点属于平峰用电，价格为0.79元/kW·h;晚上11点到早上7点属于低谷用电，价格为0.334元/kW·h;天然气价格为2.28元/立方米，冷价和热价都为0.65元/kW·h。

3.4 优化模型

冷量造价为1 100元/kW，换热器热功率900元/kW。辅助设备造价为总造价的37 %。然后根据数据进行演算，得出项目内部收益率和约束条件。

3.5 制定相应的运行方案

根据负荷情况确定发电机功率，并配置热泵机组功率。共配置3台热泵机组，额定制冷功率1 000 kW，额定功率770 kW。夏天运行3台，冬天运行2台，换热器输出功率350 kW。

根据数据能够拟定2个合理运行方案：方案一，在供冷期：早上8点到晚上8点发电功率平均在750 kW，发动机余热带来热量平均为880 kW左右，天然气平均热量1 020 kW;在供暖期：早上8点到晚上8点发电功率平均在790 kW，由天然气补燃、换热器和发电机组烟气提供热量，分别平均为600 kW/200 kW/400 kW;方案二，在供冷期，早上8点到晚上8点发电功率平均在800 kW，发动机余热平均900 kW，天然气平均热量1 000 kW;在供暖期：早上8点到晚上8点发电功率平均在780 kW;由天然气补燃、换热器和发电机组烟气提供热量，分别平均为400 kW/300 kW/500 kW。通过数据得出方案一的内部收益率为8.7%，方案二的内部收益率为9.1%。由此得出方案二额定功率800 kW发动机组的性价比更优。

4 热负荷预测实例

4.1 依据企业类型预测用热需求

广东某天然气冷热电三联供能源站所处工業园区以纺织、印染、机械制造业为主，是热需求较好的园区类型。

4.2 实地调研核实用热（冷）需求

通常天然气冷热电三联供项目最佳供热半径为5 km以内，最佳供冷半径为2 km以内。按照实际摸查收资情况，能源站周边5 km范围内有9家企业，预计用热负荷最大量105 t/h、平均负荷79 t/h，初期暂无用冷负荷，预计两年后会有冷负荷产生。其中已与能源站签约用热协议的客户有10家，每家用热平均负荷7 t/h，可估计项目5 km范围内潜在客户热负荷为70 t/h。

5 结语

该文主要通过热（冷）负荷情况、系统设备配置和项目概况，来优化联供系统设备容量。数据模型的建立，是设备容量优化最好的方法。

参考文献

[1]上海光热实业有限公司.大型内燃机冷热电三联供优化系统[P].2016-08-31.

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