燃气冷热电三联供系统（CCHP）燃气发电装置的选择

燃气冷热电三联供系统（CCHP）燃气发电装置的选择

中石油（北京）科技开发有限公司 宋泓明

中建(北京)国际设计顾问有限公司王明友、杨智勇、李炳华、邹政达

摘要： 燃气冷热电三联供，即CCHP（Combined Cooling, Heating and Power），是指以天然气为主要燃料带动燃气轮机发电装置或内燃发动机等产生动力驱动发电机发电，满足用户的电力需求，系统排出的废热通过余热回收利用设备(余热锅炉或者余热直燃机等)向用户供热、供冷和生活热水。燃气冷热电三联供技术作为分布式能源的一种，因其技术新颖、建设周期短、系统综合效率高，已经在发达国家得到了广泛的认可。燃气发电装置作为燃气冷热电三联供技术的关键设备之一，其类型和容量能否根据具体的项目情况进行正确、合理地选择，是CCHP系统将来成功运行与否的关键。

关键词：冷热电联产、燃气轮机发电装置、燃气内燃机发电装置、选型、匹配

1 简介

燃气冷热电联供（简称CCHP，下同）是以天然气为一次能源的分布式能源系统，通过燃气发动机燃烧天然气做功，带动发电机发电，并回收发动机做功过程中产生的高温缸套水和高温烟气中的能量进行供热和制冷。

燃气三联供技术通过对一次能源的梯级利用，提高了能源的综合利用率，减少了污染物排放；三联供机房可以建在终端用户附近，减少能源输送过程中的损耗，节能效果明显；三联供系统与大电网互相依靠、互为补充，提高了能源系统的可靠性，有助于应对突发事件。

因此，燃气三联供系统是建设节约型社会的重要措施之一，是我国大力推广的节能环保技术之一，符合我国可持续发展战略，并编入到我国“节能中长期专项规划、中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）”中。

CCHP系统的典型流程如图1所示：

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图1 CCHP系统示意图

从上图中可以看出：燃气发电装置是燃气三联供系统的核心设备，它与燃料的品质有关且直接影响发电的效率、缸套水流量及温度、烟气的流量及温度。在具体的项目中，能否根据其负荷大小、负荷性质，合理确定燃气发电装置类型、容量，以满足项目对冷热电的需求，是直接影响项目在建成后能否经济运行的关键。

2 燃气发电装置的分类及性能

CCHP系统通常采用内燃机、燃气轮机发电装置、微燃机等作为原动机，以其驱动发电机进行发电。根据原动机类型的不同，将发电装置分为燃气内燃机发电装置、燃气轮机发电装置、微型燃气轮机发电装置等。各种燃气发电装置的性能参数见表1。

表1 各种燃气发电装置的性能对比

目前，以燃气内燃机发电装置和燃气轮机发电装置为动力的热电联产系统应用相对较多，综合效率也较高，技术比较成熟，运行比较稳定，其中燃气内燃机发电装置的额定功率通常在50～5 000kW，而燃气轮机发电装置的额定功率一般在800kW以上。以下对此功率范围内的燃气内燃发电装置和燃气轮机发电装置的特性进行分析。

2.1 燃气内燃机发电装置

燃气内燃机发电装置将天然气与空气注入气缸混合，点火引发其爆炸做功，推动活塞运动，驱动发电机发电，回收燃烧后的烟气和各部件的冷却水的热量用于供热、制冷。燃气内燃机发电装置的发电效率通常在30~40%之间，比较常见的机型一般可以达到35%。

燃气内燃机发电装置最突出的优点是发电效率比较高，其次是设备集成度高，安装快捷，对于气体中的粉尘要求不高，基本不需要水，设备的单位千瓦造价也比较低。

但是燃气内燃机发电装置也有一些不足的地方，首先，燃气内燃机发电装置燃烧低热值燃料时，机组出力明显下降，一台燃烧热值8000大卡/立方米天然气燃料的500千瓦级燃气内燃发电装置，在使用低热值4000大卡/立方米的焦化煤气时，出力可能下降到350～400kW左右；此外，燃气内燃发电装置需要频繁更换机油和火花塞，消耗材料比较大，也影响到设备的可用性和可靠性两个主要设备利用指标，对设备利用率影响比较大，有时不得不采取增加发动机组台数的办法，来消除利用率低的影响。

2.2 燃气轮机发电装置

燃气轮机发电装置主要由压气机、燃烧室和汽轮机组成。压气机将空气压缩进入燃烧室，在燃烧室内与喷入的燃气（如天然气）混合燃烧，之后在汽轮机里膨胀，驱动叶轮转动，使其驱动发电机发电。燃气轮机发电装置比较适用于高含氢低热值和气体含杂质较多的劣质燃料，一些燃气轮机发电装置甚至使用原油和高硫渣油燃料。燃气轮机发电装置自身的发电效率不算很高，一般在30%～35%之间，但是产生的废热烟气温度高达650℃，可以通过余热锅炉再次回收热能转换蒸汽，驱动蒸汽轮机再发一次电，形成燃气轮机发电装置——蒸汽轮机联合循环发电，发电效率可以达到45%~50%，一些大型机组甚至可以超过55%。

采用燃气轮机发电装置的优势相对比较多：（1）设备的可用性和可靠性都比较高，综合利用率一般可以保持在90%；（2）对于燃料的适应性比较强，含硫、含尘高一点问题都不大；（3）发电出力一般不会减少，甚至因为燃料进气量增加而有所增加；（4）燃气轮机发电装置功率密度大、体积小，比较适合再移动，这对于存在一些不确定性的焦化厂项目的焦化煤气利用非常有利。

但是，燃气轮机发电装置也存在一些缺点。燃气轮机发电装置进气压力比较大，越是发电效率高的机组燃料进气压力越高，对于低压气体来说就需要增加燃气压缩机，而压缩燃气需要消耗大量的能量，影响到发动机的实际输出功率，一些项目甚至需要消耗燃气轮机发电装置15%~20%的功率。

2.3 两种发电装置热效率和发电效率的比较

2.3.1 燃气内燃发电装置和燃气轮机发电装置热效率和发电效率统计数据

图2、图3是两种不同形式的发动机发电功率和热电效率统计数据⁽¹⁾，图中数据是在CCHP机组工作在额定状态下的数据，即发电机输出在额定功率、额定电压、额定频率状态下。由图2和图3可以得出以下几个结论：

第一，一般情况下燃气内燃机发电装置的发电效率高于燃气轮机发电装置10个百分点以上。对于余热利用（最终烟气排放温度为120℃），燃气轮机发电装置的余热利用效率明显高于燃气内燃机发电装置；

第二，发动机额定功率越大，CCHP的发电效率越高，而热效率同时降低；

第三，燃气内燃机发电装置组的热效率与电效率之和在80%~90%，具有较好的综合利用价值；

第四，燃气轮机发电装置的电效率与热效率合计在80%上下。

图2 燃气内燃发电装置热效率与发电效率

Fig.2 Heatand power efficiencies of gas engine

图3 燃气轮机发电装置的热效率与发电效率

Fig.3 Heatand power efficiencies of gas turbine

2.3.2 变工况下燃气内燃发电装置和燃气轮机发电装置的热效率和发电效率

以3MW 燃气内燃发电装置( G3616 型)和燃气轮机发电装置(Centaur 40)为对象进行比较^（2）。通过基本参数和热力学计算,两者在变工况下的热效率和发电效率比较如图4所示。

图4 3 MW燃气内燃机发电装置和燃气轮机发电装置不同负荷率下

热效率和发电效率的比较

Fig. 4Comparison of heat and power efficienciesof 3MW gas engine and gas turbine under different load factors

随着负荷率的降低，燃气内燃发电装置和燃气轮机发电装置的发电效率均呈下降趋势，且下降的幅度大致相同。对于余热利用(最终烟气排放温度为120℃，以防止烟气析出冷凝水腐蚀烟道) ,燃气轮机发电装置的余热利用效率明显高于燃气内燃机发电装置,其中燃气轮机发电装置的余热利用效率随着负荷率的降低而降低,而燃气内燃机发电装置的余热利用效率随着负荷率的降低有上升趋势。这是因为当原动机负荷率减小时,燃气轮机发电装置的进口空气流量基本保持不变,其烟气出口温度随负荷率减小而降低;而燃气内燃机发电装置的进口空气流量随负荷率减小而减小,出口烟气温度反而呈上升趋势。因此,尽管两者在额定工况下具有大致相同的热电总效率,燃气内燃机发电装置具有比燃气轮机发电装置更好的部分负荷特性。显然,对于那些冷热负荷波动较大的终端,而其系统又不能采用联合循环形式,燃气内燃机发电装置冷热电联产系统在部分负荷下将具有更高的热电效率和经济性。

根据美国不同规模建筑冷热电联产系统内燃机与燃气轮机发电装置装机情况统计，对于1 MW以下的冷热电联产系统,燃气内燃机发电装置占据了绝对主导地位,这是由于此容量范围内的燃气轮机发电装置发电效率通常较低,节能和经济效益不明显。对1～5MW的冷热电联产系统,燃气轮机发电装置数量大约为内燃机的一半。对于5～10 MW及以上范围,燃气轮机发电装置占据了主导地位,这是因为此范围内燃气轮机发电装置一次发电效率通常已在30%以上,如果进一步采用联合循环,整个系统的发电效率、调节灵活性和经济效益都将大大提高。

3 燃气发电装置的选择与系统优化

燃气冷热电三联供系统（CCHP）可以同时向用户供冷、供热、供电，因此在选择燃气发电装置时应同时考量冷、热、电负荷的大小及相互关系。

用户实际需求热(冷)电比是冷热电联产系统设计选型的一个重要因素，一般根据用户需求热(冷)电比来选择相应的燃气发电装置类型和容量，使得系统设计的热(冷)电比能够与用户需求一致，尽量避免补燃和余热排空现象，从而获得较大的节能和经济效益。对于办公和居住建筑等电负荷比冷、热负荷小的场合应优先选用产热量较大的燃气轮机发电装置系统，并将部分发电机发出的电驱动电制冷装置，用以提高系统产热和制冷能力，优化匹配电制冷和烟气余热吸收式制冷机组，以满足用冷、用热负荷，提高系统经济性，这种方式通常被称为以热（冷）定电；对于厂房和数据中心，电负荷比冷热负荷大的场合，应该优先采用发电效率较高的燃气内燃发电装置，以电定热（冷），满足用电需求，并考虑向临近区域供冷供暖。

燃气发电装置和烟气余热制冷机的选型匹配和优化过程如下：

（a）以热定电流程 （b）以电定热流程

图5 CCHP设备选型流程图

Fig.5 EquipmentSelection of CCHP

4 结论

燃气冷热电三联供系统是解决天然气综合利用效率、降低运行成本、保持用气负荷季节性平衡的有效方式之一，其中如何合理的选择燃气发电装置又成为解决燃气冷热电系统的关键技术难题。本文初步探讨了不同燃气发电装置的性能，并设计出一套根据不同负荷特性要求的燃气发电装置选择的模型，对指导燃气冷热电三联供系统的设计有很大的帮助。

参考文献：

[1] Hui Li , Lin Fu, Kecheng Geng, Yi Jiang,Energy utilization evaluation of CCHP systems, Energy and Buildings 38 (2006)253–257.

[ 2] 左政，华贲. 燃气内燃发电装置与燃气轮机发电装置冷热电联产系统的比较，煤气与热力[ J ]，2005,25（1）：39-42.

[3] 宋泓明、李炳华、王明友、杨智勇、邹政达，初探冷热电三联供系统在A级数据中心中的应用，智能建筑电气技术，2011.2