冷熱電聯供系統的設計、運行及分析

張文，車延博，任晶鼎，劉建新

（天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072）

冷熱電聯供系統的設計、運行及分析

張文，車延博，任晶鼎，劉建新

（天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072）

冷熱電聯供作為一種分布式供能系統，實現了能源的梯級、高效利用，是目前電力工業和能源產業的重要發展方向。通過介紹常用冷熱電聯供系統方案及其原理，并針對各個方案的優缺點結合項目需求，使用了帶有蓄能環節的冷熱電聯供系統設計方案，實現了能量使用的削峰填谷。同時，對系統內主要設備的選型、配置原則以及系統主要運行方式、運行工況進行了詳細闡述，通過對系統的電氣運行方式及相應控制策略的分析，建立了冷熱電聯供自動運行控制系統。最后，以蓄熱工況實驗為例，對系統運行性能及影響因素進行了分析，并給出了實驗數據及分析結果。通過實驗運行顯示，系統一次能源利用率達到了70%，系統運行安全可靠。

冷熱電聯供；蓄能環節；系統配置；運行工況；一次能源利用率

冷熱電聯供技術作為分布式供能形式之一，近幾年發展十分迅速，它同時提供冷、熱和電3種能量，將能源利用率從普通的40%提高到70%～90%之間。冷熱電聯供與分布式發電相結合被世界許多能源、電力專家公認為是節省投資、降低能耗、提高系統安全性和靈活性的主要方法。

冷熱電聯供系統是以能源梯級利用為目的，發電的同時將產生的余熱回收利用，集制冷、制熱和發電一體化的系統。可以利用余熱利用機組實現冬季供熱、夏季供冷和提供生活衛生用水等，具有節能、環保等諸多優勢。“分布式熱電聯產、熱電冷聯產用戶”屬于國家發改委《天然氣利用政策》中的優先類，是分布式能源發展的重要方向。目前對于聯供系統的研究主要集中在系統的設計優化和運行優化兩方面，即根據實際情況合理配置系統，采用相應的控制策略使系統運行實現經濟性和效率的最優化。一般而言，冷熱電聯供系統方案均按照“發電不售電，電力不足從電網購買”原則而設計，系統常用方案中，天然氣一次能源的綜合利用率都不同程度地得到提高。但它們有一個共同的特點，就是忽略了熱源溫度的周期性變化或供熱間歇，不能將系統內多余的冷/熱量以其他形式的能量儲存備用[1]。

本冷熱電聯供系統基于第1種方案，并引入蓄水池作為儲能環節。類似于給光伏發電系統配備儲能蓄電池一樣，這種方式可減少不必要的能源損失，進一步提高系統能源利用率。

1 帶蓄能環節的CCHP方案

1.1 系統方案

冷熱電聯供系統的常備方案如圖1所示（僅以微燃機為例）。本系統基于其中第1種方案，并引入蓄水池作為儲能環節，系統結構如圖2所示。三聯供系統發電機組裝機容量為30 kW，制冷、制熱能力均為55 kW。整個系統包括燃氣輸配系統、微燃機系統、煙氣系統、制冷/熱機組及水循環系統、末端空調系統和電氣控制系統等。該系統可以同時向外輸出冷、熱、電負荷，滿足用戶的各種需求。

圖1 常用微燃機冷熱電三聯供系統方案Fig.1Common CCHP system with micro gas turbine

圖2 三聯供系統結構Fig.2Structure of CCHP system

由于熱源溫度的周期性變化或供熱間歇，引入蓄能環節，將系統多余的冷/熱量儲存在蓄水池內作為備用冷/熱源。當冷/熱負荷量不能滿足實際需求時，可通過蓄水池釋放冷/熱量。因此，本系統可以起到移峰填谷的作用。另外，系統還可將盤管回水所含的能量儲存在蓄水池內，進一步提高系統的能源利用率[2]。

1.2 系統配置

對于不同的應用場合，聯供系統的設備選型與系統配置方式有很大的不同。本系統涉及的主要設備有燃氣發電機、冷溫水機組、冷卻設備等。為提高效率，采用燃氣發電機與冷溫水機組直接連接方式。選取空調建筑面積冷指標為85 W/m2，熱指標為59 W/m2，經計算設置電制冷空調。當冷溫水機組的制冷量不能滿足負荷需求時，啟動電制冷空調作為補充。負荷末端用12組風機盤管，通過啟動部分或全部盤管、調節盤管的風力等級來調節末端負荷大小。水池循環水泵、冷溫水泵、冷卻水泵均用變頻器控制轉速，進而控制水的流量。各主要設備及技術基本參數如表1所示。

表1 主要設備及技術參數Tab.1Main equipment and technical parameters

1.3 系統運行工況及循環流程

當引入蓄水池作為蓄能環節運行時，由于系統的蓄能水池與大氣相通，系統循環管路為開式系統。未引入蓄能環節運行時，為閉式系統。不論開閉，冷溫水機組又都有供熱、制冷兩種工作方式，可根據實際需求設定冷溫水機組。

三聯供系統夏季供冷時，微燃機的發電供應范圍為冷溫水機組及其輔機（水泵及冷卻塔）、風機盤管、蓄/放冷循環水泵。制冷運行方式下，系統工況可分為閉式供冷、蓄冷、放冷和供蓄冷4種。在供蓄冷工況下，冷溫水機組可以最大限度利用煙氣余熱制備冷水蓄存到水池，末端根據負荷情況適時變流量地將水池冷水抽出供給盤管。此時，蓄水池對空調負荷的變動起調節作用，其調節能力由蓄水池大小決定。

供熱運行方式下不需要冷卻水循環系統，除此之外，其他水路循環回路與供冷運行方式相同。

2 系統電氣運行方式及控制策略

2.1 系統電氣運行方式

為保證聯供系統有效配合運行并能達到最優的能源綜合運用性能，需要分析用戶負荷比例，合理選擇系統的電氣運行方式。負荷需求不僅是動態變化的，而且受氣候、地理位置等諸多因素的影響。三聯供電氣運行方案如圖3所示[3]。作為分布式發電單元，冷熱電聯供系統與電力系統之間存在3種電氣連接方式：獨立運行；并網不售電；并網售購電。

圖3 電氣運行方案Fig.3Electrical operation solution

2.1.1 獨立運行

并網開關A1斷開，微燃機孤網啟動，供系統自身用電和實驗室電負荷用電，冷溫水機供實驗室冷/暖負荷。微燃機孤島運行時，其輸出功率可跟蹤電負荷需求而變化。此時系統運行模式為以電定冷/熱，即微燃機的輸出功率跟蹤電負荷需求，以此決定了聯供系統可提供的冷/熱量。

2.1.2 并網不售電

并網開關A1閉合，微燃機并網啟動，供系統自身用電和實驗室電負荷用電，冷溫水機供實驗室冷/暖負荷。根據系統運行原則，確定此時系統的運行模式為以冷/熱定電，控制目標為連接開關A2功率最小。

2.1.3 并網售購電

微燃機并網啟動，滿負荷運行供系統自身和實驗室用電負荷，冷溫水機組供實驗室冷/暖負荷，多余電力上網。若冷溫水機組和電空調制冷同時運行時，用電不足部分從外網購電。此時系統應在經濟性最優和能源綜合利用效率最優兩種模式下優化運行。其中，經濟性最優模式的控制目標是聯供系統運行成本最低，能源綜合利用效率最優模式的控制目標是使聯供系統一次能源綜合利用效率最高[4]。

2.2 系統總體控制策略

通過分析本地區各季節1天24 h的負荷需求數據，結合以上聯供系統的電氣運行方式，以及電價和天然氣的價格，得到在春秋及冬季熱負荷較大時，“以熱定電”，即并網不售電的方式的運行效益要好于“以電定熱”。

三聯供控制系統涉及到需要控制的負荷參數有：電負荷；熱負荷；冷負荷及水池的水溫。系統的總體控制策略與各分系統的特點和控制分系統有關。微燃機的輸出參數有其固有的規律，當機組輸出功率升高時，排出的煙氣余熱也隨之提高。發電機可以自動跟蹤電負荷，使得系統發電滿足系統其他設備運行的要求。以“以熱定電”為例，在控制電負荷要求的同時還要考慮滿足用戶的熱負荷。要防止冷溫水機組的冷溫水的溫度過高使冷溫水機組停機[5]。

綜上所述，聯供系統的總體控制策略為：

（1）電負荷通過微燃機的輸出功率來確定，冷溫水機組產生的熱（冷）水首先滿足用戶的熱（冷）負荷需求，不足時開啟電空調作為補充；

（2）根據冷熱負荷需求的大小，采用適量大小的水池，當冷溫水機組產生的冷熱量暫時大于冷熱負荷需求的時候，將冷熱量存儲在水池中；

（3）當冷溫水機組提供的冷熱量不滿足用戶需求或者機組停機時，可以釋放水池的冷熱量滿足用戶的冷熱負荷。

3 自動控制系統設計

系統所涉及的設備種類及數量繁多，結構復雜，運行工況靈活多變，很有必要實現自動化控制。自動控制系統主要任務有：①系統啟/停控制為控制系統能夠按要求順序啟動或者停止相關設備；②運行工況的設定和切換為系統可以根據實時需要將運行工況切換到其他任何一種工況下；③數據的采集與歸檔為通過上位機軟件能夠實時采集系統的運行數據，并進行自動歸檔保存；④報警功能為當系統運行異常時報警提示用戶，使異常能夠得到及時的處理，保證系統的安全運行[6]。

3.1 自動控制系統硬件設計

整個系統的結構如圖4所示。自動控制系統由PLC和上位機實現。PLC根據各個設備的功能、安全保護要求以及系統運行工況實施順序控制，包括各個設備的能量調節和設備間的協調控制。上位機用于各個設備及整個系統運行的監測、控制和緊急狀況下的啟停機操作，通過總線與PLC進行通信。

圖4 監控系統結構Fig.4Structure of monitoring and control system

3.2 自動控制系統軟件設計

根據三聯供系統的運行規則，在系統啟動或停止時，需要順序控制系統內各個設備的啟停。PLC需要實時采集系統的相關數據，以便更好地協調控制系統運行工況，使得系統的運行效率盡可能達到更高。系統與微燃機、冷溫水機組、變頻器通過Modbus RTU通信協議進行數據的交換。為了保證系統安全運行，啟動系統時首先應按照閉式工況啟動；工況運行結束時，將系統復位到閉式工況狀態，再進行停止。

4 系統運行分析

4.1 主要評價指標

冷熱電聯供系統的主要評價指標包括一次能源利用率PER和熱電比q。PER定義為獲得單位有效能量（冷、熱或電量）與所消耗的一次能源（即燃料耗量）能量的比值，即

冷熱電聯供系統的一次能源利用率為

式中：Qcold-load為制冷量；Qhot-load為制熱量；Pele-load為供電量；Qfuel為消耗的一次能源能量。

影響聯供系統PER的因素主要有發電效率hc，余熱回收率α，熱量分配系數θ，制冷機COP值。在各影響因素中，對提高系統PER值影響程度順序[7]依次為hc、α、COP、θ。

熱電比q為系統所供冷量與電量的比，定義為

其中，電熱比為熱電比的倒數，即1/q。

4.2 CCHP系統性能

以冷熱電聯供系統開式蓄熱工況實驗為例來分析系統的性能，系統運行在并網售購電方式下，冷溫水機最大限度將煙氣余熱轉換為冷熱量存儲在水池中。在實驗中，微燃機并網啟動，滿負荷運行供系統自身和實驗室電負荷，冷溫水機供實驗室冷/暖負荷，多余電力上網，自動控制系統每隔5 min記錄一次數據，同一功率下記錄5組數據，然后取平均值，測得數據如表2所示。

表2 三聯供系統性能參數Tab.2CCHP system performance parameters

通過燃機的發電效率計算公式為

式中：3.6為單位電量等價的焦耳熱量，MJ/（kW· h）；35.5為天然氣熱值，MJ/（N·m3）。

燃機在不同出力下的發電效率hc依次為11.58%、15.51%、17.85%、19.59%、20.26%。由此可見，隨著輸出功率的增大，微燃機的發電效率越大。考慮到實驗時燃氣輸配系統采用民用燃氣管道，供氣壓力不足的情況，如果提高燃氣供氣壓力，可進一步提高燃機的發電效率。

對于冷溫水機組的制熱效率，其跟進入冷溫水機組的煙氣溫度有關。制熱效率隨著排煙溫度的升高而增大。

由式（2）可以計算出燃氣的一次能源利用率。可以看出聯供系統的一次能源利用率可達到69.61%，較普通的能源利用率有了很大的提高。但PERCCHP與微燃機輸出功率不是簡單的比例關系。PERCCHP的大小受燃機發電功率P、耗燃氣量等多個變量的影響，如果提高燃機發電效率，可進一步提高PERCCHP。

由式（3）可以計算出燃機在不同輸出功率下的電熱比，當輸出功率為10 kW及以上時，電熱比大于0.4，滿足聯供系統電熱比要求的指標。

圖5為耗燃氣量與發電、制熱量的關系曲線。當耗燃氣量增大時，發電量與制熱量相應的有所增加，但不是簡單的線性關系。

圖5 耗燃氣量與發電、制熱量關系Fig.5Gas consumption relationship with electricity，heat

5 結語

通過結合常用冷熱電三聯供系統方案及其原理，介紹了帶有蓄能環節的冷熱電三聯供系統設計方案。文中對系統內主要設備的選型、配置原則以及系統主要運行方式進行了詳細闡述，并利用PLC和工控機完成了CCHP監控系統的設計。

最后以蓄熱工況實驗為例，對系統運行性能的主要評價指標進行了計算。由實驗結果可知，隨著發電功率的增大，耗燃氣量增大，同時冷溫水機組的制熱功率也相應增大，且系統電熱比也隨之增大。PERCCHP值也達到了70%，但是隨著發電功率的增大，其先減小后增大，它不是簡單的線性增大或減小，而是分斷線性關系。文中給出了耗燃氣量與發電量、制熱量的關系曲線。本篇文章為分布式發電與微網實驗室建設實例，可以為三聯供系統的實際應用提供設計參考。建立的冷熱電聯供系統如圖6所示。

圖6 冷熱電聯供系統現場圖Fig.6Picture of CCHP system

[1]華賁．天然氣冷熱電聯供能源系統[M]．北京：中國建筑工業出版社，2010．

[2]任晶鼎（Ren Jingding）.冷熱電三聯供（CCHP）系統運行分析與監控系統設計（Operation Analysis and Research on Monitoring System for CCHP System）[D].天津：天津大學電氣與自動化工程學院（Tianjin：School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University），2012.

[3]馬靜波（Ma Jingbo）．北京南站三聯供系統的電氣設計（The electrical design of CCHP system for Beijing south railway station）[J]．鐵道標準設計（Railway Standard Design），2009，（9）：105-108．

[4]李赟，黃興華（Li Yun，Huang Xinghua）．冷熱電三聯供系統配置與運行策略的優化（Integrated optimization of scheme and operation strategy for CCHP system）[J]．動力工程（Journal of Power Engineering），2006，26（6）：894-898．

[5]汪海貴（Wang Haigui）.采用天然氣的小型斯特林冷熱電三聯供關鍵技術研究和應用分析（The Research and Applied Analysis of Small Natural-Gas Sterling Cooling-Heat-Electricity Cogeneration）[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學動力與能源工程學院（Harbin：College of Power and EnergyEngineering，HarbinEngineeringUniversity），2004.

[6]吳靜怡，吳大為，魏會東（Wu Jingyi，Wu Dawei，Wei Huidong）．建筑冷熱電聯產系統的自動控制與控制策略分析（Design and realization of BCHP control system）[J]．化工學報（Journal of Chemical Industry and Engineering），2008，59（S2）：163-168．

[7]Li Hui，Fu Lin，Geng Kecheng，et al．Energy utilization evaluation of CCHP systems[J]．Energy and Buildings，2006，38（3）：253-257．

Design，Operation and Analysis of CCHP System

ZHANG Wen，CHE Yan-bo，REN Jing-ding，LIU Jian-xin
（Key Laboratory of Smart Grid of Education Ministry，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

As a distributed energy supply system，the combined cooling，heating and power（CCHP）system which implements cascaded，efficient use of energy，is an important development trend of current electric power and energy industry．This paper introduces the common solutions and principle of the CCHP system．Through the comparison of every solutions and combined with the project requirements，we proposed a novel solution with energy storage link for CCHP system，which can realize the energy utilization of peak load shifting．Meanwhile，we also described and analyzed the system main equipment selection，system configuration，the main operation mode and operating conditions，and the CCHP automatic operation control system is constructed after the analysis of the electrical operational mode and the corresponding control strategy.Finally，taking the heat storage mode experiment for example，the system operation performance and influencial factors are analyzed，and obtained the experimental data and analytic results.The experiment results indicate that primary energy utilization rate can be reached to 70%，and the system can run safely and reliably．

combination of cooling，heating and power；energy storage link；system configuration；operationa mode；primary energy utilization rate

TM919

A

1003-8930（2014）12-0080-05

張文（1988—），男，碩士研究生，研究方向為分布式發電、PWM變流技術。Email：Tjuzhangwen@126.com

2013-09-16；

2013-11-25

車延博（1972—），男，博士，副教授，研究方向為新能源技術、電力電子與電力傳動。Email：ybche@tju.edu.cn

任晶鼎（1985—），女，碩士研究生，研究方向為分布式發電技術。Email：79880947@qq.com