天然氣冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)發(fā)展中的理論探討與規(guī)劃實例研究

周路燕

（中國城市規(guī)劃設計研究院深圳分院，廣東深圳 518000）

天然氣冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)發(fā)展中的理論探討與規(guī)劃實例研究

周路燕

（中國城市規(guī)劃設計研究院深圳分院，廣東深圳 518000）

隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們在生產生活中對電能、冷能和熱能的需求日益增加。文章闡述了天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的含義，對國內天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析和總結，并就規(guī)劃建設實例分析了某市推廣應用天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的機遇和發(fā)展前景。

天然氣 冷熱電聯(lián)供 規(guī)劃 實例 集中供冷

1 天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)簡介

天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（Combined Cold Heat and Power，CCHP）是與大電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)相連接的，向一定區(qū)域內的用戶同時提供電能、冷能和熱能的能源服務系統(tǒng)。天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是在熱電聯(lián)產系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，與大電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)相連接的，向一定區(qū)域內的用戶同時提供電力、蒸汽、熱水和空調冷水（或風）等的能源服務系統(tǒng)。

系統(tǒng)以天然氣作為燃料，通過燃氣輪機或內燃機首先做功，400-600°C的排出煙氣通過各種方式按不同的溫位進行逐級利用，最終可以達到80%以上的利用效率。系統(tǒng)實現(xiàn)了一次能源的梯級利用，直接面向用戶端，按照用戶的需求供電、供冷、供熱和提供生活熱水等。系統(tǒng)實現(xiàn)了將天然氣燃燒產生的高品位熱能用于發(fā)電，然后將燃氣輪機排放的蒸汽用于制冷、采暖和生活熱水等等，符合綜合用能和按質用能的原則，實現(xiàn)了“分配得當、各得所需、溫度對口、梯級利用”的利用方式。

2 天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的并網(wǎng)與運行方式

（1）天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的并網(wǎng)。天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在我國的應用尚處于起步階段，地方供電管理部門對天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)與公共電網(wǎng)的并網(wǎng)問題仍持相當謹慎的態(tài)度。天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的并網(wǎng)運行是指系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下，與公共電網(wǎng)在主回路上存在電氣連接，電氣連接包括電纜直接連接、經(jīng)變壓器連接、經(jīng)逆變器連接等方式。天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)并網(wǎng)必須遵照兩個原則：一是保證機組設備與電網(wǎng)的安全可靠性，及公共電網(wǎng)其他用戶的電能質量不受損害；二是確保公眾與運行人員的安全，不對電力供給設備和其他用戶設備造成不良影響。

（2）天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行方式。天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的電力裝機可以根據(jù)實際區(qū)域負荷情況靈活配置，小到1MW大到100MW以上均可。天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)以“冷熱電聯(lián)供”狀態(tài)運行時，系統(tǒng)所發(fā)的電應首先在區(qū)域內直供和消納，當系統(tǒng)所發(fā)的電不足以滿足用戶側的電量需求時，需要從公共電網(wǎng)購電補充；當系統(tǒng)所發(fā)的電大于用戶側的電量需求時，可以向公共電網(wǎng)輸送多余的電量。相較于燃煤發(fā)電機組所發(fā)的電，天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)以“冷熱電聯(lián)供”狀態(tài)運行時多發(fā)的電應給予優(yōu)先調度。電網(wǎng)調峰首先安排具有調節(jié)能力的水電、燃氣、燃油、抽水蓄能機組和燃煤發(fā)電機組，然后再視電力系統(tǒng)需要安排其他機組，必要時安排火電機組進行降出力深度調峰和啟停調峰。因此，天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)以“調峰電廠”狀態(tài)運行時，其所發(fā)的電也能給予優(yōu)先調度。

3 國內天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)展及應用狀況

與發(fā)達國家相比，我國在天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)方面的發(fā)展相對滯后，尚處于起步階段，隨著近幾年天然氣的廣泛應用，北京、上海、廣州等城市相繼建設了一批天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)項目，主要安裝在商業(yè)樓宇、醫(yī)院、居民小區(qū)和大學城等，我國目前已有天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)總裝機容量近100萬kW。我國最早應用的天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的是上海黃浦區(qū)中心醫(yī)院，于1998年IH式投產（現(xiàn)停運）。隨后上海又進行了一些項目的試點，包括上海浦東國際機場、上海閔行中心醫(yī)院等項目。在相關政府部門和專業(yè)公司的推動下，我國開發(fā)了北京燃氣指揮中心、北京燃氣廣渠門站和中關村軟件園等樓宇式天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能源項目，也開發(fā)了廣州大學城等區(qū)域型能源站項目。

在一些城市商業(yè)中心、居民區(qū)和工業(yè)園區(qū)，用戶比較集中，電力負荷和冷、熱負荷密度都比較大，天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)可以利用不同用戶對冷、熱、電的不同需求在季節(jié)和一天中各個時段的區(qū)別性和互補性獲得更高的效率，并且由于規(guī)模效應而具有更好的經(jīng)濟性，從而體現(xiàn)出天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)潛在的廣闊發(fā)展空間。我國天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)可以有以下幾種類型作為主要目標市場：①北方集中供暖市場，在滿足大部分城市居民冬季供暖的需求基礎上，開拓非采暖季制冷和熱水用戶；南方區(qū)域供電及供冷市場，以滿足城市商業(yè)、行政中心區(qū)公共建筑集中供冷需求為主要負荷，同時可以向附近住區(qū)建筑物居民提取生活熱水來提高能源利用效率；大型工業(yè)園區(qū)，主要以大量使用蒸汽的用戶為主；大型聯(lián)合循環(huán)調峰電廠，同時兼顧向周邊供冷、暖和熱水；現(xiàn)有城鄉(xiāng)工業(yè)園區(qū)；大城市規(guī)劃新區(qū)；新規(guī)劃中的中小城鎮(zhèn)；對現(xiàn)有城市燃煤熱電廠的改造等。

4 天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展機遇

在我國環(huán)境污染較為嚴重的今天，尤其是近期的PM2.5問題嚴重影響了人們的生活，我國迫切需要發(fā)展清潔的能源生產方式。截至2012年，我國煤電裝機規(guī)模7.58億kW，占總裝機規(guī)模的66.2%，煤電發(fā)電量3.68萬億kWh，占總發(fā)電量的73.9%，我國煤炭資源豐富的稟賦決定了我國將在較長時間段內保持以煤電為主的電源結構。我國燃煤發(fā)電的碳排放量和S02排放量分別在全國總排放量中所占的比例是比較大的，天然氣作為較為清潔的常規(guī)化石能源，燃燒排放的S02和PM10、PM2.5等顆粒物較少。

由于傳統(tǒng)的冷熱電分產和熱電聯(lián)產結合終端空調等提供電能、冷能和熱能的生產方式，在一定程度上存在一次能源利用效率低下等問題，因此，高效靈活的冷熱電聯(lián)供生產方式逐漸發(fā)展起來。隨著人們節(jié)能意識的提高，用于生產電能、冷能和熱能的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的一次能源也逐漸向較為清潔的天然氣以及風能、太陽能和潮汐能等可再生能源轉變，但是一些可再生能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)存在受地域和季節(jié)影響較大、短期內大容量大規(guī)模發(fā)展較為困難等問題。因此，高效率、低污染且容量較大的天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)成為未來較為合適的發(fā)電供能方式。

隨著城市化進程的加快，建筑空調用電占城市總用電的比例逐年上升，給電網(wǎng)供電造成很大負擔。而采用含有電動壓縮式制冷機組和蓄冷裝置的天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，可以在夜晚利用電網(wǎng)的低谷低價電來制冷，并儲存在蓄冷裝置，在第二天空調用電負荷高峰期用儲存的冷量來替代部分空調負荷，可以在夏季空調用電高峰期緩解電力高峰的壓力，進一步降低對電網(wǎng)電力負荷需求。

此外，我國發(fā)展天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)還具有政策導向方面的優(yōu)勢。2011年國家發(fā)展和改革委員會等四部委發(fā)布的《關于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見》提出“十二五”期間建設1000個天然氣分布式能源項目，2020年天然氣分布式能源裝機規(guī)模達5000萬千瓦的目標。2012年國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布的新版《天然氣利用政策〉〉相較于2007年的版本，幾乎放寬了所有天然氣發(fā)電利用方式的優(yōu)先級別，將天然氣分布式能源和除十三個大型煤電基地所在地區(qū)之外的天然氣熱電聯(lián)產項目列入優(yōu)先類。因此，靠近區(qū)域用戶負荷附近的以天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)為代表的綜合發(fā)電和供能方式擁有了前所未有的歷史機遇和發(fā)展使命，成為我國未來能源和電力領域的主要發(fā)展方向之一。

5 規(guī)劃建設實例

以筆者在對華南某市空港區(qū)能源規(guī)劃中對天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的應用為例。該市提出“以城市發(fā)展引領各項事業(yè)發(fā)展”的理念，加快建設現(xiàn)代化國際化先進城市，以重大項目推動城市高水平建設，將建設六大新型功能區(qū)，其中就包括“加快西部空港區(qū)建設，打造推進經(jīng)濟發(fā)展方式轉變的新載體”。

根據(jù)該市空港區(qū)的自然條件，空港區(qū)夏熱冬暖，夏季長、平均氣溫高、供冷需求長期存在；根據(jù)空港區(qū)的規(guī)劃，空港區(qū)和該市機場相鄰，空港區(qū)啟動區(qū)內有會展商貿區(qū)，需集中制冷的建筑面積約達30萬平方米以上，周邊配套辦公商業(yè)約50萬平方米，而機場正規(guī)劃新建3號、4號航站樓，兩座航站樓建筑面積約40萬平方米。根據(jù)該市一年中約有八個月以上時間的制冷需求，而機場一天中約有20小時的供冷時間，因此該區(qū)域非常適合采用集中供冷的方式。

根據(jù)以上分析，規(guī)劃擬在空港區(qū)與該市機場接壤的南部區(qū)域，新建一座天然氣冷熱電三聯(lián)供分布式能源站，保障3號、4號航站樓、會展商貿區(qū)的集中供冷需求，還可在其經(jīng)濟可行的服務半徑內，充分發(fā)展有集中供冷需求的公共建筑用戶，以期達到環(huán)境效益、經(jīng)濟效益、能源利用效率最大化。

根據(jù)核算，空港區(qū)分布式能源站服務范圍包括規(guī)劃的會展中心約35萬平方米，近期建設配套辦公商業(yè)約50萬平方米，機場航站樓約40萬平方米。會展中心及航站樓空調負荷以140瓦/平方米估算，商業(yè)、辦公空調負荷以80瓦/平方米估算，總空調負荷約14.5萬千瓦。取集中供冷率0.7，同時使用率0.7，輸送效率0.95，能源站非電空調制冷將滿足約7.5萬千瓦用冷需求。

按擬建300兆瓦分布式能源站計算，所產熱量大部分用于供冷，按制冷季9個月、平均負荷率60%考慮，分布式能源站一年可節(jié)約電空調用電量約865萬千瓦時；發(fā)電機組按5800小數(shù)運行考慮，可提供約17億瓦時電量，對該市西部區(qū)域長期存在電力缺口也是個非常不錯的補充。同時，分布式能源站可供應空港區(qū)內現(xiàn)狀保留的一些工業(yè)生產所需高溫蒸汽，可逐步取消區(qū)內的工業(yè)小鍋爐，減少環(huán)境污染。

該市由于西部區(qū)域工業(yè)集中，用電負荷較大，而電力設施又集中在該市東部，故而長期存在電力供需不平衡，西部電力缺口大的問題，空港區(qū)的快速發(fā)展又加重電力缺口的問題?？崭蹍^(qū)供冷需求集中，時間長，進行集中供冷可大大減少空港區(qū)發(fā)展電力空調帶來的電力需求增量。該市的天然氣主要來源于西氣東輸二線，由該市的西北部輸入，氣源充足，天然氣高壓網(wǎng)絡完善，可作為能源站的穩(wěn)定天然氣供應來源。因此，將天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的應用納入西部空港區(qū)的能源規(guī)劃，是非常適宜和值得推廣的，規(guī)劃與空港區(qū)開發(fā)建設同步，由國內大型電力生產集團投資建設。

6 結語

天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng) 能夠大大提高能源的利用效率，減少輸配電線路的損耗和供熱管網(wǎng)的能耗，節(jié)能效果明顯，還可以減輕電網(wǎng)的高峰負荷壓力。在北方推廣應用天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，可結合熱電廠和集中熱網(wǎng)系統(tǒng)改建，滿足冬季集中供熱、夏季集中供冷；在南方，則主要結合區(qū)域集中供冷，在集中供冷面積大，時間長，供冷需求較大的區(qū)域建設，同時所產電力入網(wǎng)，也是智能電網(wǎng)的一部分補充?？傊?，天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng) 將在能源綜合利用方面占有十分重要的地位，具有良好的應用價值和發(fā)展前景。

［1］華賁.低碳發(fā)展時代的世界與中國能源格局［J］.中外能源，2011，16（2）.

［2］殷平.冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)研究［J］.暖通空調，2013，43（4）.

［3］華賁.從熱電聯(lián)產到天然氣冷熱電聯(lián)供［J］.中外能源，2011，16（11）.