基于中小型工廠能耗需求的冷熱電三聯供系統

陳凱亮，鄭啟朋，黃徐康，黃思雨

（中南林業科技大學 機電工程學院，湖南 長沙 410004）

基于中小型工廠能耗需求的冷熱電三聯供系統

陳凱亮，鄭啟朋，黃徐康，黃思雨

（中南林業科技大學 機電工程學院，湖南 長沙 410004）

基于現有的冷熱電三聯供系統，以節能減排為理念，綜合分析中小型工廠的動態能耗需求與其所在地的工業能源供應情況之后，設計了一套動態可調的冷、熱、電三聯供系統。系統運行前，根據不同的工況給系統預設不同的控制量；系統運行時，控制系統通過PLC接收和處理各傳感器的反饋信息，控制各預設輸入穩定。在此基礎上，根據工廠能耗需求的動態變化，實時控制燃料的供給量，使得系統設備的能耗最低。

冷熱電三聯供；多級利用；動態可調；節能減排

改革開放以來，我國工業得到迅速發展，化石能源消耗量急速攀升。2015年，我國能源消耗占全球總量23%，是世界上最大的能源消耗國。其中，煤炭消耗量為39.65億噸，占世界煤炭消耗量的一半，在我國能源消耗結構的比重達到64%，遠高于世界煤炭平均水平30%。另外，近年來我國霧霾頻發，根據環保部解析霧霾的根本原因是燃煤排放。因此，如何實現節能和減排已成為了我國經濟發展所面臨的重大挑戰。

1 冷熱電三聯供背景介紹

當前絕大部分工廠的能耗主要是電、熱和冷三種形式，其中熱和電基本都是獨立供應，冷一般也是用電制取。為了降低能耗成本，熱能（供暖、蒸汽和熱水）基本采用工業燃煤鍋爐制取，但是鍋爐在實際使用中排塵大，容易引起霧霾，且煤的含硫量高，對大氣污染嚴重。冷、熱和電采用上述利用方式，都屬于高品質能源的一級利用，使能源總體使用效率低。為了提高能源的利用效率，發達國家大力推廣分布式能源，采用冷熱電三聯供技術，實現了能源的梯度、高效利用。我國也采用三聯供分布式能源可以將不同品質的能源階梯利用，能源的使用效率得到大幅提高。

目前三聯供能源供給系統的設計熱效率較高，但能源需求側能耗時常變化，造成供需不匹配，其實際使用熱效率并不高。目前，三聯供系統在我國多用于大型能耗企業和工廠，而針對中小型工廠的三聯供系統在國內研究和應用地較少。天然氣是清潔燃料，排放污染物少，可以有效地降低顆粒排放量，有助于減輕霧霾天氣。因此，近年來我國陸續出臺并大力推廣“煤改氣”的相關政策，嚴格實行排放法規，使得中小工廠不得不接受“煤改氣”。如此，大幅增加了中小型工廠的能耗成本。本課題調研和分析了某粉條廠的工作情況及能耗需求，并以該廠為例研究設計一套高效率的燃氣內燃機冷熱電三聯供系統。通過使用設計的冷熱電三聯供系統來降低該工廠的能耗使用成本，同時達到環保要求。課題符合國家節能減排、煤改氣、分布式能源、發展循環經濟和綠色發展等政策導向。

2 冷熱電三聯供系統介紹

2.1 三聯供系統組成及工作原理

如圖1所示，天然氣作為燃氣內燃機的燃料，內燃機帶動發電機發電，產生的電能與外部電網配合供電。內燃機的缸套水與蓄水池中輸送進來的常溫水經換熱器進行熱交換可得到中溫熱水，中溫水可作為燃氣鍋爐的預熱水源制取蒸汽，也可供給生活熱水。中溫水與內燃機排出的高溫煙氣經過煙氣換熱器對預熱水源進行二次預熱，之后再經燃氣鍋爐加熱快速制取蒸汽。通過蒸汽發生器后，高溫煙氣變為中溫煙氣，中溫煙氣的部分熱能仍可被溴化鋰吸收式制冷機利用制取所需冷氣，若制冷量不足，則通過以電制冷滿足用戶冷氣需求。通過溴化鋰吸收式制冷機后的低溫煙氣主要成分為水和二氧化碳，可直接排放到大氣中。

圖1 三聯供系統組成及工作原理

2.2 系統動態可調性設計

圖2 系統動態調控原理

（1）內燃機負荷可調。內燃機帶動發電機發電，供應生產用電；生產用電的負荷變化會引起干路電流變化，電流傳感器反饋電信號給PLC，PLC控制電子節氣門的開度，來調節進入的空氣量，內燃機排氣管中的氧傳感器則會探測出混合氣濃度變化，內燃機內部的ECU（控制單元）就會改變燃氣噴射量，進而會改變內燃機的實際運行功率。功率的變化會引起內燃機的轉速變化，轉速傳感器感知內燃機轉速變化，將信號反饋給調速器保證發電機的轉速恒定（即保證發電的頻率恒定），直到發電機功率與其負載功率持平，這時發動機轉速平穩運行。

（2）燃氣鍋爐所用燃氣流量可調。流量計2與溫度傳感器將信號反饋到PLC，PLC結合溫度傳感器檢測的水溫與流量計2測定的供給水量，通過電動閥門3控制通入燃氣鍋爐的天然氣流量，以保證制取足夠的蒸汽。

（3）燃氣鍋爐產生蒸汽量可調。熱水保溫箱中的中溫水通過煙氣換熱器吸收高溫煙氣的部分熱能；經熱交換后的高溫水直接供給燃氣鍋爐制取蒸汽。針對不同工況下所需蒸汽量，可設定不同的供給水量。由流量計2實時監測供給水量，反饋流量信號給PLC；PLC控制電動閥門2保證所需水量充足、穩定。

2.3 幾種基本能源配置及控制流程

配置1：電力、蒸汽、冷氣均需供應。

內燃機、燃氣鍋爐及制冷機組均開機。電動閥門3、4打開，天然氣經管道進入內燃機及燃氣鍋爐。KM1打開、KM2閉合、KM3閉合，內燃機帶動發電機供應生產用電。水泵1工作，內燃機的缸套水與從蓄水池中輸送進來的常溫水進行熱交換，流量計1與電動閥門1控制水流量（根據生活用水量及蒸汽水量預先設定）穩定輸入，加熱后常溫水變為中溫水輸送至熱水保溫箱。水泵2工作，高溫煙氣經換向閥通入煙氣換熱器，中溫水通過煙氣換熱器二次預熱變為高溫水，由流量計2與電動閥門2控制水流量（根據蒸汽水量預先設定）穩定輸入，高溫水通入燃氣鍋爐，經鍋爐加熱快速制取蒸汽。煙氣換熱器排出的中溫煙氣通入溴化鋰吸收式制冷機組中，制冷機組吸收中溫煙氣的部分熱能制取所需冷氣，若冷氣量不足，則KM4閉合，由壓縮機制冷補充冷量。

配置2：不需蒸汽供應而需要電力、冷氣供應，則應綜合考慮工業用電經濟性選擇以下兩種方案之一。①內燃機、制冷機組開機，燃氣鍋爐停機。系統調控與配置1基本相同，由于不需要制取蒸汽，則高溫煙氣直接經換向閥通入溴化鋰吸收式制冷機組中，制冷機組吸收高溫煙氣的熱能制取所需冷量。②內燃機、燃氣鍋爐與溴化鋰制冷機均停機。KM1、KM4閉合，由電網直接供電，由壓縮機制冷。

配置3：不需冷氣供應，而需要電力和蒸汽。

內燃機與燃氣鍋爐開機，溴化鋰制冷機停機，系統調控與配置1基本相同，由于不需要制取冷氣，則煙氣換熱器排出的中溫煙氣，直接排放至大氣。其他中小型工廠應綜合考慮工況后靈活控制使用以上幾種基本能源配置。

3 冷熱電三聯供開發意義

通過試算，冷熱電三聯供系統初投資小，回收年限短，可以節約大量的用電費用，經濟性可觀，且安裝方便，使用范圍較為廣泛。同時系統具有良好的動態調控能力，改善了能源利用情況，提高了能量利用效率，減少了碳排放和SO2、NOX等污染物的排放，充分響應了當下“節能減排”和“煤改氣”的政策，具有很大的環境效益與經濟效益。

［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］李芳芹，魏敦崧.天然氣冷熱電聯供的熱經濟性分析［J］.煤氣與熱力，2002，22（6）：494-496.

［3］付林，江億.熱電冷三聯供系統的節能分析［J］.節能，1999，（9）：3-7.

湖南省普通高等學校教學改革研究項目（2016499）。

陳凱亮（1996-），福建福清人，大學本科。