天然氣冷熱電三聯供系統中能源梯級綜合利用分析

摘" 要：天然氣冷熱電三聯供技術具有高能效、高安全性、高經濟效益、清潔環保和削峰填谷等優點。而目前，由于三聯供技術在國內尚有一些法律法規、行業標準和規范等方面的限制，使得天然氣資源難以得到有效的保護。因此，要推進三聯供技術的發展，進一步提高一次能源利用效率，減少環境污染，就需要進一步加強生態文明建設，不斷完善現有的法律、法規，并吸收國外的先進經驗，使相關政策得以實施。該文主要探討天然氣冷熱電三聯供系統中能源梯級綜合利用的現狀，分析存在的問題并相應地提出優化建議。

關鍵詞：天然氣；冷熱電三聯供系統；高經濟效益；能源梯級利用；優化建議

中圖分類號：TE09" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）14-0098-04

Abstract： Natural gas combined cooling， heating and power technology has the advantages of high energy efficiency， high safety， high economic benefits， clean and environmental protection， peak cutting and valley filling and so on. At present， due to the limitations of some laws and regulations， industry standards and norms in China， the natural gas resources are difficult to be effectively protected. Therefore， in order to promote the development of triple supply technology， further improve the efficiency of primary energy utilization and reduce environmental pollution， it is necessary to further strengthen the construction of ecological civilization， constantly improve existing laws and regulations， and absorb advanced experience from foreign countries. so that the relevant policies can be implemented. This paper mainly discusses the present situation of energy cascade comprehensive utilization in natural gas cooling， heating and power cogeneration system， analyzes the existing problems and puts forward some optimization suggestions accordingly.

Keywords： natural gas; combined cooling， heating and power system; high economic benefit; cascade utilization of energy; optimization suggestion

隨著國家節能減排政策的不斷深入，我國天然氣熱電聯產項目建設快速發展。在我國，天然氣供熱已占供暖面積的40%以上，隨著可再生能源發電及天然氣熱電聯產的快速發展，未來將有更多天然氣熱電聯產項目投入運行。隨著生活水平不斷提高，我國人均生活用水量也持續增長，這將導致對生活熱水供應的需求量快速增加。醫院作為人員密集且用水量大的場所，在保證醫院日常運行和患者安全方面有重要意義。

1" 當前天然氣熱電聯產項目的現狀

我國已成為全球最大的能源消費國和進口國，近年來石油消費增速放緩，天然氣消費量保持快速增長態勢，到2021年將達到3 726億m3大關。我國天然氣消費量由2011年1 510億m3增加到2021年3 726億m3，年復合增長率為14.7%，而國內天然氣產量由2015年的1 271.4億m3增加到2021年的2 052.6億m3，年復合增長率8.4%。圖1為我國2015—2021年來天然氣產量和增速的圖示，隨著國內能源消費結構變化，能源消費總量增長放緩及綠色低碳發展推進，我國對天然氣能源利用提出了更高要求。以醫院生活熱水供應系統為例，隨著城市人口規模擴大、公共建筑數量增加、集中供熱面積增加及冬季取暖需求等原因而導致我國醫院規模不斷擴大，現有的集中供暖熱源能力已經不能滿足需求。同時，國內醫院建設水平不斷提高、患者人數增長等因素導致熱水供應需求持續提高。為了實現醫院生活熱水系統向節能減排和環境保護方向的轉型和升級，實現天然氣熱電聯產項目中能源梯級綜合利用目的，本項目提出了在滿足醫療機構生活熱水供應需求基礎上充分利用其余熱回收技術降低蒸汽系統排放、優化蒸汽系統效率來減少常規供熱熱源能力需求、減少設備投資成本投入來提高醫院服務能力的總體解決方案。

生活熱水系統是醫院、學校、酒店和賓館等公共場所提供生活熱水的主要方式，在醫療衛生機構中廣泛應用。醫院生活熱水系統主要由供水管網、蒸汽鍋爐和儲熱鍋爐組成。供水管網主要包括自來水供給管道及各類管件，蒸汽鍋爐則給醫院等公共場所提供電力及蒸汽采暖等。按照使用熱水的類型，醫院生活熱水分為醫院供水、供暖和洗澡3種類型。醫院供熱水系統設計規模主要依據各項目設計服務人口數量及用水量確定。供暖供汽供熱規模一般不超過800 t/d（不含供熱站的容量）；根據熱源及供熱方式，不同項目的供暖供汽規模范圍為800～1 200 t/d（熱負荷在3 000 t/d以下且熱源為燃氣的供熱項目）。洗澡則是最主要且用水量較大的熱水需求，同時洗澡用水與醫療衛生機構日常診療活動息息相關，故對醫院生活用水需求較大、水量穩定充足且水質要求高的場所進行熱水系統改造勢在必行。

2" 基本內涵

冷熱電三聯供是在能源梯級利用的基礎上，以發電、制冷和供熱為一體的多聯供總能系統，是一種新的能源技術。首先是用燃油發電，再利用發電產生的高溫煙氣來冷卻，再利用煙氣中的余熱，將生活用水變成熱水，這是一種既可以充分利用能量，又可以節省大量能量，減少廢氣的排放，增加設備的利用率，從而增加經濟效率，因此，在需要同時利用冷熱供熱的地方，比如居民區、賓館和辦公樓等，在夏天的電力高峰時期，可以有效地減輕電力系統的超載。天然氣冷熱電三聯供系統的工作原理及操作模式與以上內容基本相符。另外，為了適應不同的用途和不同的負載要求，采用不同的燃料補充方式，燃氣發電設備、制冷系統和供暖系統都是必不可少的。

3" 天然氣冷熱電三聯供的特點

3.1" 節能性

在天然氣冷熱電三聯供系統中，節能率是最突出的一項重要指標，從高效的天然氣梯級利用和提高用戶的能源利用率來看，具有很大的優越性。節能性是指在滿足特定環境能量需求的前提下，將三聯供與常規供能方式比較，考察其在特定時期內一次能源消耗的節約率。

3.2" 經濟性

經濟性的考慮主要是從初期投入和運營成本2個角度進行的。與傳統的辦公樓供暖模式相比，冬天供暖、夏天供暖和供暖系統靠蒸汽壓縮制冷機組。三聯供制冷系統的經濟性與燃料價格、供熱價格、電價和供暖時間等因素密切相關。燃油費用占DES/CCHP年度運營費用的比重很大，有關資料表明，燃油費用最高為78%，最低為44%。因此，天然氣價格的變動會對整個系統的年運營費用產生直接的影響。電力價格上漲將會增加系統的投資回報，改善系統的運行經濟效益，而發電效率較高的系統，每年的電力收入所占的比重也較大。同時，提高供熱價格也能提高系統的投資效益，改善系統的運行經濟效益。供暖日愈長，供暖負荷愈大，其能量利用率愈高。只有當供暖負荷足夠時，系統才能產生較大的熱量收益。

3.3" 環保性

天然氣是三聯供系統的主要燃料，天然氣是一種優質、高效、清潔的理想能源，相同熱值下天然氣的碳排放量僅為煤的40%、石油的70%；同時，采用溴化鋰吸附式制冷機替代壓縮式制冷機，可避免大量使用和排放CFC類的氟利昂，降低大氣中的臭氧污染和溫室效應，具有環境友好的效果，熱電聯產作為一種非常重要的技術，這一技術被視為達成碳排放指標的最主要技術，可以減少二氧化碳排放量的1/4。

4" 技術原理

天然氣熱電聯產技術是指將燃氣作為熱載體，將熱能轉化為電能，并通過余熱回收裝置進行回收，最終實現熱能梯級利用的一種節能技術。在生活熱水系統中，利用管道中輸送的冷熱量與熱源水進行換熱、加熱后排放至城市管網。由于醫院內的生活熱水鍋爐、蒸餾爐等設備時產生廢熱，若不對其進行回收，則這些廢熱會成為新的熱源，造成浪費。為了解決醫院內生活熱水熱源不足等問題，需要在醫院內新建一套生活熱水系統。通過合理的工程規劃設計以及天然氣熱電聯產項目中可利用資源的綜合利用，能夠實現對生活熱水的梯級優化及利用。天然氣是一種清潔能源，其主要成分是甲烷，燃燒后可生成二氧化碳、水、氮氣等溫室氣體。天然氣熱電聯產技術是將燃煤、燃油等低熱值燃料直接轉化為熱能，其優點是能量轉化率高，但排放的污染物含量較高。

傳統的冷、熱、電三聯供系統主要由與電網相連的原動機發電裝置和廢熱回收裝置構成。建筑內部負荷主要由制冷負荷、熱水負荷和供暖負荷等因素決定。在這些系統中，有一個負載的運行采用了原動機，當發電量達不到要求時，需要通過網絡來進行補充，而在此期間，所產生的熱量被吸收式溴化鋰制冷機所吸收，用于加熱和冷卻。三聯供冷熱發電系統的原動力是由內燃機、燃料電池等組成。通常，在0.1～5 MW時，其功率與電力系統的功率相當，但其煙氣溫度及傳熱效率并不高。在1 MW以下三聯供氣系統中，以內燃機為主，其原因在于，在一定的空間內，燃氣渦輪機組的發電效率不高，節約能源和經濟效益都不高。在國外，燃料電池的使用較為廣泛，發電效率高，且對環境的污染少，是其最大的優點。當熱電負載與三聯供系統的電荷相近時，可以提高電能的利用率。

5" 醫院生活熱水供應系統的設計與建設

醫院生活熱水系統具有規模大、用水量大和對水質要求高等特點。熱水供應的方式包括鍋爐供應和生活熱水供給2種方式：①鍋爐供熱方式，醫院在新建大樓時普遍采用這種供熱形式；②生活熱水供應系統，醫院內有多種功能用房和各種輔助用房，這些建筑內部均需要有熱水供應設施。生活熱水供給系統設計中應考慮到2種方式之間的協調與匹配關系，并結合醫院用水量的變化進行綜合分析與優化設計。考慮到醫院建筑的多樣性，在設備選型方面需綜合考慮功能用房和輔助用房的供水要求、供暖需求及使用特點等因素，生活熱水系統供水管直徑應根據設備運行時所需供水量的大小進行選擇。在設計中對供水管進行了特殊優化，將供水管直徑定為1 m，并結合用戶需求量及實際工作流程設置供水管及出水點，使整個系統可以滿足醫院內不同功能區域用水要求。對于需要供熱水但未被充分利用的空間或房間應采用地埋式供水設備或利用其自然進水作為熱水水源，并設置相應的水泵出水口。

6" 項目中的資源綜合利用及問題

燃氣鍋爐的運行管理及經濟性問題是影響項目經濟效益的重要因素，燃氣鍋爐設備運行狀態的好壞，直接影響其經濟性能。燃氣鍋爐作為供熱系統中熱源設備，其能耗主要取決于燃燒效率。對于天然氣熱電聯產來說，可通過調節控制燃燒溫度來實現熱量損失最小化，在燃燒過程中會有大量熱量流失。此外，由于天然氣熱值相對較低，為了滿足用熱需求必須進行供熱系統內循環運行。在此情況下，當系統內循環時會導致較大的蒸汽排放和大量冷凝水產生。 此外，由于天然氣熱電聯產項目是利用現有管道輸配系統與天然氣發電進行聯合運行的模式，在滿足用熱需求的同時也需要考慮其投資成本。

熱電聯產的發展還存在一些問題和不足。為了實現所謂的熱電聯產節能減排，一些地方安裝了天然氣熱電聯產發電機組，發電能力是有所提高，但由于缺乏完善和配套的供熱網，余熱供熱并沒有充分凸顯其自身的價值和作用。

隨著國家對清潔能源的推廣，光伏、風電等項目的投產。在現階段的發展中電力需求不斷地減少，這樣就直接地影響了“以熱定電”的熱電發展，一些人就對“熱電聯產”的集中供熱方式產生了一些質疑。在整體上來說，我國的熱電聯產在東北地區大中型城市的占有率在60%左右。但是在全國范圍中分析可以發現，熱電機組并沒有配置儲熱蓄熱罐，這無疑制約了其持續發展。例如，在北京對四大熱電中心年總供熱能力進行分析可知，其每年供熱約6 000萬GJ左右，但是并沒有大型的儲熱蓄熱裝置，這樣就會導致在發電需求量受到限制影響的時候，其外網的供熱量會顯著減少。

而我國沒有大規模的應用蓄熱儲熱裝置，因為蓄熱罐主要就是在熱負荷低谷使其存儲熱量，而在現階段的發展中，我國供熱領域新增供熱量要遠遠低于新增供熱面積需要的熱量問題。也就是說，供熱狀態呈現供不應求的狀態。隨著我國倡導風電全額消納，造成了熱電聯產機組“以熱定電”運行出現的調峰能力不足狀態顯著，這樣就使得在“三北”地區中電網舍棄了風能發電。而隨著供給側結構性改革的實踐，我國的電力需求逐漸減緩，利用配置蓄熱裝置的方式增強機組調峰能力，是一種較為有效的消納方案，必須要對其進行系統分析研究。

7" 基于余熱回收技術的醫院生活熱水供應系統設計優化與運行優化

1）余熱回收裝置的選擇：根據醫院生活熱水供應系統特點，本項目擬采用2種余熱回收方式。低溫余熱回收，在傳統集中式供水系統基礎上增設管道式低溫冷水管道系統，通過將其與生活熱水加熱系統相連，利用低溫冷水的能量使生活熱水加熱升溫，達到醫院生活熱水需求。

2）生活熱水供給方式對醫院熱水循環管網系統運行的影響因素分析：醫療機構和非醫療機構之間的用水需要通過循環泵（水泵）供水時，其供水溫度會影響醫院熱水系統運行效率。醫院熱水供應管網結構設計：在滿足安全要求前提下，采用不同材質與結構組合進行設計可以提高熱水循環管網效率。醫院生活水源的水溫、水質要求及醫院生活用水標準等條件是影響醫院熱水供應系統效率和能耗的主要因素。

3）余熱回收裝置與管道式低溫冷水換熱器之間的匹配關系：在進行醫院生活熱水供應系統設計時考慮余熱回收裝置的設置可以增加蒸汽回流量，提高蒸汽系統熱效率，減少設備投資成本投入以及提高醫院服務能力。

4）余熱回收裝置運行優化方案：根據醫院熱水供應需求特性、運行工況及技術指標對現有傳統管道式低溫冷水換熱器進行改造，將其變為蒸汽循環管路，在滿足常規供熱熱源和醫療機構用水需求基礎上可以進一步降低投資成本和運行能耗。

從項目的設計角度，建議在天然氣熱電聯產項目建設過程中，可利用資源充分發揮出其優勢。一方面，在確定城市燃氣管網的走向時，需要綜合考慮城市用地布局、交通和人口等因素來確定與天然氣熱電聯產項目匹配的管線走向。另一方面，在確定城市燃氣管網規劃布局時，應充分考慮當地的氣候特點及建筑布局要求，盡可能減少對當地供熱管網和天然氣管網的影響。 另外，鑒于天然氣熱電聯產項目具有較高的投資成本和較低的建設周期，應盡可能利用現有城市基礎設施進行配套建設。

8" 項目可替代方案

1）用水高峰期時，可利用市政管網中的冷熱水資源，實現對醫院內部供水管網末端用戶的熱水供給。

2）可根據用水高峰期的用水需求，在滿足醫院內部用水需求前提下，向醫院外部供水管網末端用戶提供生活熱水。

3）采用城市中水系統供冷供熱。

4）項目選址靠近城市公共供暖管網，可利用天然氣熱電聯產項目余熱供暖；也可利用燃氣鍋爐或工業鍋爐提供熱源供熱供冷。

5）項目采用的是中水系統供冷供熱，也可利用市政管網系統末端用戶的熱水用于醫院內部供熱，如將自來水作為熱源，則需要在設計時考慮與市政給水管網之間能否實現連通性，同時也要考慮用戶用水時間與生活用水時間之間的銜接、平衡和相互轉換等問題。

9" 結束語

本文介紹了天然氣熱電聯產項目中天然氣熱電聯產中的梯級綜合利用實踐，包括天然氣和電力的供應方案設計與實施、余熱回收技術在醫院生活熱水供應系統中的應用等。該方法可以有效地提升能源利用效率，可以供應多種能源，促進了資源的合理利用。而隨著人們對節能減排、保障能源供應的重視，分布式能源的應用與發展也順應了時代的發展，三聯供是一種新型的分布式能源系統，具有潔凈、環保的特點，能夠有效降低二氧化碳、二氧化硫等有害氣體的排放量；采用階梯式能源，提高了綜合能耗；與電力網相互支持，具有較高的安全性，具有投資少、經濟效益好等優點。在我國的發展中具有廣闊的應用前景，想要將這些諸多益處有效開發利用，還需要作出更多的探索實踐研究。

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