天然氣冷熱電聯供能源系統發展中的理論探討與規劃實例研究

周路燕

【摘 要】隨著社會的發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供系統的含義，對國內天然氣冷熱電聯供系統發展現狀進行了分析和總結，并就規劃建設實例分析了某市推廣應用天然氣冷熱電聯供系統的機遇和發展前景。

【關鍵詞】 天然氣 ?冷熱電聯供 ?規劃 ?實例 ?集中供冷

1 天然氣冷熱電聯供系統簡介

天然氣冷熱電聯供系統（Combined Cold Heat and Power， CCHP）是與大電網和天然氣管網相連接的，向一定區域內的用戶同時提供電能、冷能和熱能的能源服務系統。天然氣冷熱電聯供系統是在熱電聯產系統基礎上發展起來的，與大電網和天然氣管網相連接的，向一定區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。

系統以天然氣作為燃料，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。系統實現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。系統實現了將天然氣燃燒產生的高品位熱能用于發電，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 天然氣冷熱電聯供系統的并網與運行方式

（1）天然氣冷熱電聯供系統的并網。天然氣冷熱電聯供系統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供系統與公共電網的并網問題仍持相當謹慎的態度。天然氣冷熱電聯供系統的并網運行是指系統在正常運行狀態下，與公共電網在主回路上存在電氣連接，電氣連接包括電纜直接連接、經變壓器連接、經逆變器連接等方式。天然氣冷熱電聯供系統并網必須遵照兩個原則：一是保證機組設備與電網的安全可靠性，及公共電網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）天然氣冷熱電聯供系統的運行方式。天然氣冷熱電聯供系統的電力裝機可以根據實際區域負荷情況靈活配置，小到1MW大到100MW以上均可。天然氣冷熱電聯供系統以“冷熱電聯供”狀態運行時，系統所發的電應首先在區域內直供和消納，當系統所發的電不足以滿足用戶側的電量需求時，需要從公共電網購電補充;當系統所發的電大于用戶側的電量需求時，可以向公共電網輸送多余的電量。相較于燃煤發電機組所發的電，天然氣冷熱電聯供系統以“冷熱電聯供”狀態運行時多發的電應給予優先調度。電網調峰首先安排具有調節能力的水電、燃氣、燃油、抽水蓄能機組和燃煤發電機組，然后再視電力系統需要安排其他機組，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，天然氣冷熱電聯供系統以“調峰電廠”狀態運行時，其所發的電也能給予優先調度。

3 國內天然氣冷熱電聯供系統發展及應用狀況

與發達國家相比，我國在天然氣冷熱電聯供系統方面的發展相對滯后，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供系統項目，主要安裝在商業樓宇、醫院、居民小區和大學城等，我國目前已有天然氣冷熱電聯供系統總裝機容量近100萬kW。我國最早應用的天然氣冷熱電聯供系統的是上海黃浦區中心醫院，于1998年IH式投產（現停運）。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、上海閔行中心醫院等項目。在相關政府部門和專業公司的推動下，我國開發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供系統能源項目，也開發了廣州大學城等區域型能源站項目。

在一些城市商業中心、居民區和工業園區，用戶比較集中，電力負荷和冷、熱負荷密度都比較大，天然氣冷熱電聯供系統可以利用不同用戶對冷、熱、電的不同需求在季節和一天中各個時段的區別性和互補性獲得更高的效率，并且由于規模效應而具有更好的經濟性，從而體現出天然氣冷熱電聯供系統潛在的廣闊發展空間。我國天然氣冷熱電聯供系統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;南方區域供電及供冷市場，以滿足城市商業、行政中心區公共建筑集中供冷需求為主要負荷，同時可以向附近住區建筑物居民提取生活熱水來提高能源利用效率;大型工業園區，主要以大量使用蒸汽的用戶為主;大型聯合循環調峰電廠，同時兼顧向周邊供冷、暖和熱水;現有城鄉工業園區;大城市規劃新區;新規劃中的中小城鎮;對現有城市燃煤熱電廠的改造等。

4 天然氣冷熱電聯供系統的發展機遇

在我國環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，我國迫切需要發展清潔的能源生產方式。截至2012年，我國煤電裝機規模7.58億kW，占總裝機規模的66.2%，煤電發電量3.68萬億kWh，占總發電量的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化石能源，燃燒排放的S02和PM10、PM2.5等顆粒物較少。

由于傳統的冷熱電分產和熱電聯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供生產方式逐漸發展起來。隨著人們節能意識的提高，用于生產電能、冷能和熱能的冷熱電聯供系統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供系統存在受地域和季節影響較大、短期內大容量大規模發展較為困難等問題。因此，高效率、低污染且容量較大的天然氣冷熱電聯供系統成為未來較為合適的發電供能方式。

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供系統，可以在夜晚利用電網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，進一步降低對電網電力負荷需求。

此外，我國發展天然氣冷熱電聯供系統還具有政策導向方面的優勢。2011年國家發展和改革委員會等四部委發布的《關于發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模達5000萬千瓦的目標。2012年國家發展和改革委員會發布的新版《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電利用方式的優先級別，將天然氣分布式能源和除十三個大型煤電基地所在地區之外的天然氣熱電聯產項目列入優先類。因此，靠近區域用戶負荷附近的以天然氣冷熱電聯供系統為代表的綜合發電和供能方式擁有了前所未有的歷史機遇和發展使命，成為我國未來能源和電力領域的主要發展方向之一。

5 規劃建設實例

以筆者在對華南某市空港區能源規劃中對天然氣冷熱電聯供系統的應用為例。該市提出“以城市發展引領各項事業發展”的理念，加快建設現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，其中就包括“加快西部空港區建設，打造推進經濟發展方式轉變的新載體”。

根據該市空港區的自然條件，空港區夏熱冬暖，夏季長、平均氣溫高、供冷需求長期存在;根據空港區的規劃，空港區和該市機場相鄰，空港區啟動區內有會展商貿區，需集中制冷的建筑面積約達30萬平方米以上，周邊配套辦公商業約50萬平方米，而機場正規劃新建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，因此該區域非常適合采用集中供冷的方式。

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

根據核算，空港區分布式能源站服務范圍包括規劃的會展中心約35萬平方米，近期建設配套辦公商業約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、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約電空調用電量約865萬千瓦時;發電機組按5800小數運行考慮，可提供約17億瓦時電量，對該市西部區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內現狀保留的一些工業生產所需高溫蒸汽，可逐步取消區內的工業小鍋爐，減少環境污染。

該市由于西部區域工業集中，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，空港區的快速發展又加重電力缺口的問題。空港區供冷需求集中，時間長，進行集中供冷可大大減少空港區發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，天然氣高壓網絡完善，可作為能源站的穩定天然氣供應來源。因此，將天然氣冷熱電聯供系統的應用納入西部空港區的能源規劃，是非常適宜和值得推廣的，規劃與空港區開發建設同步，由國內大型電力生產集團投資建設。

6 結語

天然氣冷熱電聯供系統 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的能耗，節能效果明顯，還可以減輕電網的高峰負荷壓力。在北方推廣應用天然氣冷熱電聯供系統，可結合熱電廠和集中熱網系統改建，滿足冬季集中供熱、夏季集中供冷;在南方，則主要結合區域集中供冷，在集中供冷面積大，時間長，供冷需求較大的區域建設，同時所產電力入網，也是智能電網的一部分補充。總之，天然氣冷熱電聯供系統 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展前景。

參考文獻：

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