燃气冷热电联供系统推广应用的可行性分析

摘 要：燃气冷热电三联供系统是一种新式的能量供应系统，它实现了能量的梯级利用。基于冷热电三联供系统，建立了系统的能量平衡方程和经济模型，通过工程案例，得到推广燃气冷热电三联供系统合理的电力与天然气比价为4：1，相关部门可据此参考制定冷热电联供用户的天然气价格优惠政策。

关键词：冷热电三联供 经济性 节能性 电气比价

1 前言

随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，人们对能源的需求在不断增加，而能源的稳定供应是保证我国经济持续快速发展的前提。据报道，今年3月份以来，我国浙江、湖南、重庆、贵州等地均出现不同程度的电荒现象，部分地区对工业用户还实行了限产限电。

每逢夏季高温，由于空调的长时间使用，使得电网不堪重负。气温在31℃～37℃之间，每上升1℃，电力负荷就要提高10万千瓦至15万千瓦。可见，夏季应用燃气冷热电三联供系统即可以降低电网的高峰负荷，使电网负荷和使用趋于平衡，还能调整天然气冬夏供应之间的峰谷差。

迄今为止，已有不少学者从不同角度探讨燃气冷热电联供系统的应用问题，并得到一定的研究成果[1，2，3]。本文通过建立燃气冷热电联供系统的能量平衡方程和经济模型，采用工程案例，分析推广燃气冷热电联供系统时的可行性气价。

2 燃气冷热电联供系统介绍

2007年8月30日正式颁布实施的《天然气利用政策》将冷热电联供系统列为城市燃气发展的优先类。冷热电联供系统的发电效率一般在28%~43%，但其综合能源利用效率在75%~90%之间。

传统的冷热电联供系统形式是采用燃气内燃机＋余热锅炉，见图1，通过余热锅炉将内燃机的余热（烟气和缸套水所含热量）转换成热水或蒸汽，再通过换热器和吸收式制冷机将能量转换成冷、热量加以利用。技术较成熟，系统较为可靠。但是这种连接方式的缺点是系统设备较多、结构较为复杂、转化效率低、占地面积大等[4]。

图1 传统的燃气内燃机冷热电联供系统

在传统系统形式的基础上，余热型直燃机系统根据余热温度分别利用烟气和缸套水热量，提高制冷效率，使余热也得到了梯级利用，见图2。温度约500℃的烟气进入高发端，缸套水进入低发端，冬季提供采暖用热水，夏季提供空调用冷水，实现热、电、冷三联供，使天然气资源得到合理的梯级利用。本系统的特点是结构形式较简单、系统的转换效率高、占地面积小[4]。

图2 燃气内燃机与余热直燃机结合

3 冷热电联供系统能量平衡方程和经济模型[5]

（1）能量平衡方程

冷热电联供系统因春秋季热负荷需求较少，设备停运，故能量方程为供暖期和制冷期的热电冷总量和能源消耗的平衡方程。

供暖期：

制冷期：

年耗气量：

热电比：

式中：――小时耗气量，m3/h；

――天然气低位发热值，kJ/m3；

――发电量，kW；

――制冷量，kW；

――供热量，kW；

h――综合效率，％；

hgr――供热系数，％；

hd――发电效率，％；

――制冷系数，％；

――年工作小时数，，其中为年采暖时间；为年制冷时间；年发电时间。

（2）经济模型

经济模型主要包括年净收益和项目静态投资回收期的模型。

设备投资成本：

折旧费：（折旧费按等值折旧，残值10％）

年运行费用：（运行费用按0.04元/kWh）

年净收益：

热价：

冷价：

静态投资回收期：

式中：K――设备投资成本，元；

――单位千瓦燃机成本，元/kW；

――单位千卡燃机成本，元/kcal；

――设备使用寿命，年；

――年折旧费，元/年；

――年运行费用，元/年；

――电价，元/kWh；

――热价，元/kWh；

――冷价，元/kWh；

――天然气价格，元/m3；

由以上式子可知，影响冷热电系统年净收益的因素有发电效率、热电综合效率、电价、热价、冷价、天然气价格、单位千瓦燃机成本、设备年运行时间。其中热价和冷价由电价和热电比等决定。

4 工程案例分析

以南方某城市为研究对象，采用上面建立的能量和经济数学模型对冷热电三联供系统的经济性进行分析。燃机的单机效率为300kW，单位千瓦燃机造价4000元/kW。制冷机的制冷系数为1.27，供热系数为92.5％，余热制冷机单位千卡造价为1元。设备使用年限为20年。该系统的经济性分析结果见表1。

由表1可见，该城市的冷热电三联供系统的静态投资回收期为8.2年，此时，等热值的电、气比价为2.5：1。若要将该系统的静态投资回收期控制在5年，则等热值的电、气比价为3.6：1。国际上为推广冷热电联供系统，等热值的电、气比价一般定为4左右，见表2。

北京市推广冷热电三联供系统时，等热值的电、气比价达到了4.732：1。上海市在等热值电、气比价为3.883：1时，应用冷热电三联供系统的经济性并不乐观[6]。为推广冷热电三联供系统，上海市于2004年9月了《关于鼓励燃气空调和分布式供能系统发展的政策意见》，其中规定了对冷热电联供系统按700元/kW设备投资给予一定的补贴。由此可见，在我国推广应用冷热电三联供系统，等热值的电、气比价需提高到4：1。

5 结论

（1）推广燃气冷热电三联供系统符合《天然气利用政策》。以天然气为燃料的冷热电三联供系统，实现了对能量的梯级利用，是一种节能环保方式，有利于经济的可持续发展。

（2）为推广燃气冷热电三联供系统，政府部门应给予相应的政策支持，如电力并网、环境效益补贴等。在天然气供应、电力上网及财政政策等方面，政府部门应给冷热电三联供系统的推广创造一个有利的发展环境。

（3）通过工程案例得到，推广燃气冷热电三联供系统，合理的等热值电、气比价需达到4：1。在一些已经推广应用燃气冷热电三联供系统，但等热值电、气比价未达到4：1的地区，政府部门应给予冷热电三联供用户合理的天然气价格补贴政策。

参考文献：

[1]华贲，龚婕.分布式冷热电联供能源系统经济性分析[J].天然气工业，2007，7：118-120

[2]左政.分布式冷热电联产系统的集成建模与优化设计[D].广州：华南理工大学，2005.

[3]刘岩，葛斌，王培红.联合循环热电冷三联供系统的热经济性分析分析[J].燃气轮机技术，2007，20（2）：6-22

[4]糜华，岳永亮，康相久.热电冷联供系统设计应用中的问题探讨[J].制冷技术，2005，4：14-20

[5]曹望，苏磊.天然气热电冷联供系统经济模型的建立与分析[J].节能技术，2007，25（145）：446-449

[6]白玮，龙惟定.三个城市应用BCHP系统的可行性气价分析[J].暖通空调，2006，30（10）：35-38

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文