天然氣冷熱電三聯供在不同場景下的應用分析

王開杰

摘? 要：天然氣冷熱電三聯供是在負荷中心就近實現能源供應的現代能源供應方式，也是天然氣高效利用的重要方式，具有能源利用率高、節能環保、供電安全等特點。通過分析天然氣冷熱電三聯供在酒店、數據中心、小區等不同場景下的工程應用案例，并進一步對其技術指標及經濟性數據進行比較，得出的結論對后期天然氣冷熱電三聯供項目的開發、裝機選擇和經濟性評價具有一定的參考意義。

關鍵詞：天然氣;冷熱電三聯供;技術經濟指標;經濟性

中圖分類號：TK01+9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）21-0162-03

Abstract： The combined cooling， heating and powersupply （CCHP） of natural gas is a modern energy supply mode to realize energy supply nearby the load center， and it is also an important way for efficient utilization of natural gas， which has the characteristics of high energy efficiency， energy saving and environmental protection， power supply security and so on. By analyzing the engineering application cases of natural gas combined cooling， heating and power in different scenes such as hotel， data center and residential area， and further comparing its technical index and economic data， the conclusion has a certain reference significance for the development， installation selection and economy evaluation of natural gas combined cooling and heating power project in the later stage.

Keywords： natural gas; combined cooling， heating and powersupply （CCHP）; technical and economic indicator; economic

引言

天然氣作為優質、穩定、高效、安全、無毒和低污染的清潔能源不斷為用戶所青睞，其他能源難以相比。在能源供應日益緊張的今天，節能降耗，合理利用資源、提高能源利用效率已成為人們普遍關注的問題，也是我國未來能源發展的重要方向。為了提高能源利用效率，需要將高品質的電與低品質的冷、熱三種能量需求統籌考慮，天然氣冷熱電三聯供系統正是在能源結構調整中涌現出來的提高能源利用效率的一種最佳利用方式，它兼具能源效率高、安全、經濟、環境友好等特點。

1 天然氣冷熱電三聯供技術簡介

天然氣冷熱電三聯供是指以天然氣為主要燃料帶動天然氣輪機或內燃機等天然氣發電設備運行，產生電力以滿足用戶電力需求，而系統排出的廢熱則通過余熱鍋爐或溴化鋰等設備向用戶供熱、供冷。三聯供系統實現能源的梯級利用，其能源綜合利用效率高達75%以上， 典型能量梯級利用如圖1所示。

目前，國內較常用的三聯供系統主要是天然氣內燃發電機組和天然氣燃氣輪機發電機組的三聯供系統，其典型流程如圖2和圖3[1]所示。

2 天然氣冷熱電三聯供在不同場景下的應用

2.1 天然氣冷熱電三聯供在較小單體建筑的應用

酒店、賓館、辦公樓等應用場景，單體建筑面積較小，用能總量不大，但種類卻較為復雜，包括夏季供冷，冬季供暖，日常生活熱水等，目前大多以電能使用為主，成本較高且季節性的用電給電網帶來不利影響。天然氣冷熱電三聯供系統不僅能夠產生電力以滿足電力需求，還能夠充分利用高溫煙氣余熱和缸套熱水，向用戶供熱供冷和提供生活熱水，充分利用清潔一次能源。

以某酒店A為例，該酒店總建筑面積約2.5萬平方米，作為一個實驗項目，酒店采用了額定發電功率350kW的天然氣內燃發電機組，發電效率36.8%，耗天然氣量95m3/h。配套煙氣熱水型溴化鋰機組供熱供冷，最大制冷功率490kW，最大供暖功率525kW[2]。可滿足酒店約30%的冷熱負荷。

根據酒店提供的數據，該冷熱電三聯供系統在冬季運行時，一次能源利用效率為81.3%，余熱回收效率為71.8%。在該項目運行過程中，冬季的一次能源利用率及余熱回收效率均高于夏季運行工況。這是由于冬季運行時，溴化鋰機組作為換熱器使用，熱量的使用僅有部分散熱損失，夏天用熱水吸收制冷效率較低，故而降級了整體的能源利用率及余熱利用率。

將天然氣冷熱電三聯供方案與傳統電空調+天然氣鍋爐方案進行比較。根據測算，采用三聯供方案，投資額為336萬元，采用傳統方案，投資額為193萬元。天然氣價格按市場價3.3元/m3，商業電價按1元/kWh。通過計算可得，采用天然氣冷熱電三聯供方案相比傳統方案的增量投資回收期僅為2.97年。考慮到機組的使用壽命均在10年以上，在三年后三聯供機組的低運行費用的優勢會進一步凸顯。

2.2 天然氣冷熱電三聯供在數據中心的應用

近年來，國內數據中心爆發式增長，導致數據中心行業能耗急劇增加。因此，尋求多能源解決方案成為一種內在需求。天然氣冷熱電聯供作為一種分布式能源，與數據中心的電力、冷源系統有較好的匹配度，可將聯供系統與復雜的數據中心能源進行匹配對接。冷電聯供一般有以冷定電和以電定冷兩個不同的方法。在數據中心應用中，若采用兩個冷源，會進一步增加系統的復雜性，帶來穩定性可靠性的降低。故一般采用以冷定電，電量的調節依靠市電的彈性。

以北京某數據中心為例，經統計，該數據中心最大電負荷為14423kW，最小電負荷12723kW，用電負荷較為平穩。數據中心的冷負荷有工藝設備散熱，維護結構傳熱等組成，經統計，機房的全年冷負荷為10100kW，辦公樓夏季低溫冷負荷2950kW，辦公樓冬季采暖熱負荷為1950kW。且該數據中心附近地塊有12800kW熱負荷需求[3]。

由于天然氣內燃發電機組的冷電比小于1，而天然氣輪機的冷電比大于1.4，考慮到數據中心的冷電，比如前文所述均小于1，故采用內燃機組更適合數據中心使用。且內燃機組造價僅為天然氣輪機機組的50%～70%，因此數據中心一般選用內燃發電機組作為三聯供能源中心。

該數據中心采用五臺顏巴赫JMS620內燃發電機，機組配套五臺煙氣熱水型溴化鋰吸收冷水機組。單臺發電機額定發電量3349kW，單臺溴化鋰機組額定制冷量3000kW。根據運行得到的數據，發電機組的發電效率為38.7%，溴化鋰吸收機組的制冷COP為1.3，制熱效率為95%，機組整體的一次能源利用率為78%。

三聯供系統的經濟性受多方面的因素影響，其主要因素包括：

（1）系統初期建設投資。

（2）地區電費價格。

（3）地區天然氣價格。

（4）數據中心冷電比例。

（5）數據中心三聯供建成后的系統使用率[4]。

經統計，北京的全年平均電費約為0.82元/度，在實際運行中，考慮冬季和夜晚用電會減小，同時考慮公共事業附加費，實際的電費價格約為0.85元/度。根據計算，1m3天然氣約可產生4度電，同時生產4kW冷量。按照電制冷冷凍機組1：6的能效比進行計算，產生4kW的冷量需要電能0.67度。在不考慮熱量利用的情況下，1m3天然氣可折合約4.67度電。按北京發電天然氣2.51元/m3計算，為0.54元/度。考慮20%的三聯供機組運行費用，采用三聯供后折合每度電成本不超過0.648元，相較全部用市電節約23.8%。

在數據中心采用三聯供機組一般建設投資比傳統電制冷方案高約20%，而電費成本占總成本的約21%。若每年用電成本降低23.8%，增量投資靜態回收期僅為4年，具有較明顯的經濟性。

2.3 天然氣冷熱電三聯供在居民小區的應用

我國大多數人口居住在夏熱冬冷區域，目前大多數小區采用各戶安裝分體空調來制冷供暖，或是采用單冷空調加集中供暖的形式，整體能耗及費用較高。目前冷熱電三聯供作為一種新的冷暖供應形式，已經在部分區域得到試點使用。

以鄭州某小區為例，供冷采暖面積共46萬m2。根據該地區的氣象條件及建筑圍護等情況，確定該小區采暖最大熱負荷為23MW，制冷最大冷負荷為46MW。

該小區作為試點，選擇了4臺顏巴赫J616天然氣內燃機組配套4臺煙氣熱水型溴化鋰吸收冷水機組。單臺內燃發電機組額定發電功率2677kW，單臺溴化鋰機組制冷量2663kW，制熱量2756kW。在該分布式系統滿負荷運行時，供電能力為10708kW，供冷量10652kW，供熱量11024kW。

該項目全部供冷時間2700h內，機組均可滿負荷運行，供熱時2537h內機組可滿負荷運行，343h內機組帶一半負荷運行[5]。

根據小區提供的運行數據，該項目全年的綜合能源利用率為74.7%。項目總投資約為9250萬元，投資回收期（稅前）約為9.62年，投資回收期（稅后）約為10.62年。主要原因是鄭州的天然氣氣價較高，且向居民供暖供冷所收費用受到諸多限制，導致項目經濟性一般。若是在天然氣價較低的區域，該類項目會具有更好地適用性。

3 結束語

采用天然氣冷熱電三聯供的分布式能源站系統，經過數年的發展和國家的政策支持，目前已在全國各地建設了一定數量的項目，技術上逐步成熟，電源安全可靠，一次能源的綜合利用率可達75%以上，有力的推進了節能減排工作。

天然氣冷熱電三聯供應用于商業用戶時，包括較小容量的酒店及較大容量的數據中心等，考慮到市場化的商業電價及供暖制冷費用均較高，三聯供方案的經濟性優勢比較明顯。而應用于居民小區時，一方面負荷過大，投資較高，另一方面由于居民電價及供暖制冷費用較低，導致三聯供方案的經濟性不及在商業用戶上的使用。

隨著我國天然氣發展、智能電網的建設及提高能源利用效率，促進結構調整及節能減排的需求，天然氣冷熱電三聯供在我國已具備大規模發展的條件。

現階段，天然氣冷熱電三聯供核心設備價格及維保成本較高、大部分區域天然氣價格偏高、冷熱電三聯供項目的上網電價和冷熱價格的議價能力較弱等問題，導致三聯供項目的推廣步驟比較緩慢。隨著國家推動天然氣管網獨立運營和電力體制改革，出臺系列扶持政策等措施，必將推動天然氣冷熱電三聯供項目的迅速發展，進而助推我國天然氣燃氣輪機及內燃機等核心設備的技術進步與國產化，從而進一步降低設備造價與維保成本，使得天然氣冷熱電三聯供項目的建設投入逐步減少。且隨著天然氣進口通道的進一步增加，相信未來天然氣價格會有所緩和?？傮w上，我國天然氣冷熱電三聯供還是有著較好的發展前景。

參考文獻：

[1]韓高巖，呂洪坤，蔡潔聰，等.天然氣冷熱電三聯供發展現狀及前景展望[J].浙江電力，2019，38（1）：18-24.

[2]張金磊，宗榮，陳永超.酒店天然氣冷熱電三聯供系統技術經濟性分析[A].供熱工程建設與高效運行研討會[C].《煤氣與熱力》雜志社編，2019（4）：910-913.

[3]許家琪，梁永建，代勇，等.天然氣冷熱電三聯供系統在數據中心的應用[J].發電與空調，2012（9）：5-8.

[4]李新鵬，侯振寧，陳碩.冷熱電三聯供在數據中心的應用[J].通信電源技術，2014，31（4）：75-78.

[5]彭丹，焦建通，姚瑤.鄭州市某小區冷熱電三聯供能源系統配置方案及經濟性分析[J].能源研究與管理，2019（1）：102-105.