热电冷三联产技术在第三产业中的应用
日期：2008-11-5 23:11:17 来源：中国自动化网
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摘 要：热电冷三联产能源利用率高，能节省燃料并有效减少大气污染物的排放。近年来第三产业能源消费量迅速增加，大型超市、医院、酒店等为三联产的应用提供了广阔的空间。
关键词：三联产；第三产业；经济性分析
Abstract: Trigeneration can save energy and reduce pollutant emissions due to hi gh energy efficiency. In recent years, energy consumption of tertiary sector has increased sharply. Numerous supermarkets, hospitals, and hotels provide enormou s potential for trigeneration application.
Keywords:trigeneration； tertiary sector； economic analysis
0 引言
传统火电厂仅能将燃料化学能的三分之一转换成电能，其余部分以热的形式耗散，在能量转换过程中对环境的负面影响十分显著。因此，提高电能生产效率是将来的发展方向，其途径之一是热电联产，它可将燃料能量的五分之四转化成可用能。
热电联产就是利用与热电分产等量的燃料，同时生产两种能源，即热能和电能（或机械能）。热电联产应用在同时有热和电需要，且年需求时间在4000 h以上的部门。
在气候温和地区的第三产业部门，热需求仅仅局限在冬季较短的一段时间，而在夏季对制冷（空调）的需求则非常巨大（见图1）。这时，热电联产过程中生产的热通过吸收循环来生 产冷却水。这样热电联产扩展成为热、电、冷三联产（见图2）。
1热电/热电冷联产的优点
在第三产业中，热电冷联产的潜力用户主要是医院、旅馆、运动中心、写字楼、购物中心及集中供热系统。选择最适合的热电联产技术需要考虑许多因素，例如热电比、热能的温度范围、燃料来源及热需求的波动等。目前在第三产业采用三联产技术多为往复式内燃机、微型燃气轮机和吸收制冷装置。
热电冷联产具有如下优点。
(1) 节省燃料：与传统电力生产相比，热电/热电冷三联产技术的使用能节省25%的燃料。
(2) 减少污染排放：热电/热电冷三联产技术的使用，可使污染物的排放减少近四分之一。
如果使用天然气来取代煤和石油，则二氧化硫和烟尘的排放可以减少到接近零的水平。
(3) 经济效益：热电/热电三联产的经济效益也是明显的，三联产的能源生产成本比传统方法低，据估计，成本下降幅度在20%～30%之间。
(4) 提高能源供应安全：在大型发电厂运行或供电中断时，小型热电联产/三联产机组接入电网，可保证继续供应终端用户。
(5) 增加电网稳定性：由于使用吸收循环取代目前普遍采用的制冷循环，故在盛夏时节， 三联产机组大大缓解了电网的压力。鉴于夏季用电高峰时电力公司常启用备用机组，输电线路常处于超负荷状态，三联产机组可进一步提高电网稳定性，并提高系统效率。
目前，第三产业的三联产技术，最常用的是内燃机技术，数量众多，负荷范围 较广；燃气轮机用于大型建筑群，如医院、集中供热/制冷等。而汽轮机则不适用于第三产业。
高效、无噪声运行的燃料电池适用于第三产业。燃料电池生产成本高，目前尚难以进行市场推广，不过预期未来几年内将可望实现推广应用。燃料电池的其他重要优点与系统运行的副产品（氢）有关。氢可作为储能介质，在能源生产与能源需求之间进行缓冲。这一点对提高三联产机组总效率和设备利用率十分重要。
斯特林发动机技术问世已有多年，它的发展主要集中在几个国家，如丹麦和澳大利亚。欧盟资助开发为数不多的小型装置。斯特林发动机技术要与其他技术竞争，还必须做大量工作。
另外，近年来人们对微型透平进行了广泛研究，尤其是在美国。研究的焦点是微型透平在机车和热电联产机组上的应用。但目前的问题是其效率低且价格较高。
2系统选择
2.1确定热电比
热电冷联产项目灵活性强，对各种能源用户没有固定的解决方案。严格的前期可行性研究是项目的关键，根据用户需求选择最合适的系统，并确认是否具有经济合理性。
可行性研究的第一阶段，分析用户的能源需求是非常重要的。在决定应用热电联产系统之前，应当采用一切可能措施，根据现有系统对电、热/冷需求、输送以及成本进行分析，必须详细列出最近两三年燃料和热水/蒸汽以及制冷需求，及典型时段的日消耗量曲线，给出系统的使用潜力。还应当预估未来消费量和使用情况。根据上述数据计算热电比，热电比是选择系统类型的主要标准之一。
2.2选择合适的系统
对于用户能源需求及可能变化也应当进行详细的研究。一旦情况确定以后，就应当决定最适合的系统，例如燃气轮机、往复式内燃机等。
在进行研究与评估时，必须重视热电的消费结构及其他要素（如运行时间、燃料等）。每个系统的选择都有不同的标准。
2.2.1优先选择燃气轮机的场合
(1) 有连续的用电需求；
(2) 保证天然气供应（这并不是一个限制因素）；
(3) 生产热能优先保证；
(4) 用户对高压蒸汽需求量大；
(5) 要求大型单相电源；
(6) 燃气蒸汽联合循环；
(7) 需要高温蒸汽（400～500℃）。
2.2.2优先选择内燃机的场合
(1) 电需求有波动或者运行不连续；
(2) 需要低压蒸汽、110℃热水或蒸汽（90～150℃）；
(3) 用户电/热比高；
(4) 用电需要中断。
如果没有天然气供应，且环境方面没有限制，可以优先考虑使用燃油的内燃机。
若有天然气供应，则天然气内燃机通常是最适宜的选择。
2.3可能性评估
下面是使用热电联产系统可能性的初步评估。
(1) 用热量 (蒸汽, 热水)
是否大于8万L/a的燃油?
或是否大于8万m3/a的天然气?
(2) 用电量
是否大于50万kWh/a?
(3) 用电基本负荷
是否不小于100kW和年运行5000h?
(4) 用电用热比
是否大于0.7?
上述回答“是”的选项越多，则使用热电联产系统的经济合理性也越高。
在选择了适当系统以后，应当确定制冷容量，制冷容量必须与系统主机的能源输出特性相匹配。
3经济性分析
经济性分析就是评估热电冷三联产是否具有经济可行性。对于热电联产机组主要有以下三点：
(1) 机组运行时满足用电基本负荷和热需求，不足电量从电网补充，不足热量则由备用锅炉或者助热器补充。
(2) 机组运行时供电量大于当地的需求则外售，生产的热量全部满足当地需求。
(3) 机组运行时发电量满足当地需求，而产热供应当地有剩余时，外售给别的用户。
通常热电联产机组满足用电基本负荷，剩余部分向电力公司购买，系统生产的热则全部加以利用。
系统成本包括：
(1) 投资成本
主要是机械、热/冷、电生产的费用，燃料储存设备，燃气过滤设备，建筑安装费用，管道、卷柱、控制系统以及一切工程研究和分析费用等。
(2) 运行与维护费用
热电冷联产机组的主要运行成本包括燃料成本。售电收入和购电费用也考虑在内。周期性维护系统的劳动力和辅助设施费用也要进行评估。
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关键词：三联产；第三产业；经济性分析
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Abstract: Trigeneration can save energy and reduce pollutant emissions due to hi gh energy efficiency. In recent years, energy consumption of tertiary sector has increased sharply. Numerous supermarkets, hospitals, and hotels provide enormou s potential for trigeneration application.
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Keywords:trigeneration； tertiary sector； economic analysis
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传统火电厂仅能将燃料化学能的三分之一转换成电能，其余部分以热的形式耗散，在能量转换过程中对环境的负面影响十分显著。因此，提高电能生产效率是将来的发展方向，其途径之一是热电联产，它可将燃料能量的五分之四转化成可用能。
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热电联产就是利用与热电分产等量的燃料，同时生产两种能源，即热能和电能（或机械能）。热电联产应用在同时有热和电需要，且年需求时间在4000 h以上的部门。
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在气候温和地区的第三产业部门，热需求仅仅局限在冬季较短的一段时间，而在夏季对制冷（空调）的需求则非常巨大（见图1）。这时，热电联产过程中生产的热通过吸收循环来生 产冷却水。这样热电联产扩展成为热、电、冷三联产（见图2）。
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1热电/热电冷联产的优点
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在第三产业中，热电冷联产的潜力用户主要是医院、旅馆、运动中心、写字楼、购物中心及集中供热系统。选择最适合的热电联产技术需要考虑许多因素，例如热电比、热能的温度范围、燃料来源及热需求的波动等。目前在第三产业采用三联产技术多为往复式内燃机、微型燃气轮机和吸收制冷装置。
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热电冷联产具有如下优点。
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(1) 节省燃料：与传统电力生产相比，热电/热电冷三联产技术的使用能节省25%的燃料。
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(2) 减少污染排放：热电/热电冷三联产技术的使用，可使污染物的排放减少近四分之一。
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如果使用天然气来取代煤和石油，则二氧化硫和烟尘的排放可以减少到接近零的水平。
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(3) 经济效益：热电/热电三联产的经济效益也是明显的，三联产的能源生产成本比传统方法低，据估计，成本下降幅度在20%～30%之间。
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(4) 提高能源供应安全：在大型发电厂运行或供电中断时，小型热电联产/三联产机组接入电网，可保证继续供应终端用户。
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(5) 增加电网稳定性：由于使用吸收循环取代目前普遍采用的制冷循环，故在盛夏时节， 三联产机组大大缓解了电网的压力。鉴于夏季用电高峰时电力公司常启用备用机组，输电线路常处于超负荷状态，三联产机组可进一步提高电网稳定性，并提高系统效率。
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目前，第三产业的三联产技术，最常用的是内燃机技术，数量众多，负荷范围 较广；燃气轮机用于大型建筑群，如医院、集中供热/制冷等。而汽轮机则不适用于第三产业。
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高效、无噪声运行的燃料电池适用于第三产业。燃料电池生产成本高，目前尚难以进行市场推广，不过预期未来几年内将可望实现推广应用。燃料电池的其他重要优点与系统运行的副产品（氢）有关。氢可作为储能介质，在能源生产与能源需求之间进行缓冲。这一点对提高三联产机组总效率和设备利用率十分重要。
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斯特林发动机技术问世已有多年，它的发展主要集中在几个国家，如丹麦和澳大利亚。欧盟资助开发为数不多的小型装置。斯特林发动机技术要与其他技术竞争，还必须做大量工作。
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另外，近年来人们对微型透平进行了广泛研究，尤其是在美国。研究的焦点是微型透平在机车和热电联产机组上的应用。但目前的问题是其效率低且价格较高。
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2系统选择
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2.1确定热电比
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热电冷联产项目灵活性强，对各种能源用户没有固定的解决方案。严格的前期可行性研究是项目的关键，根据用户需求选择最合适的系统，并确认是否具有经济合理性。
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可行性研究的第一阶段，分析用户的能源需求是非常重要的。在决定应用热电联产系统之前，应当采用一切可能措施，根据现有系统对电、热/冷需求、输送以及成本进行分析，必须详细列出最近两三年燃料和热水/蒸汽以及制冷需求，及典型时段的日消耗量曲线，给出系统的使用潜力。还应当预估未来消费量和使用情况。根据上述数据计算热电比，热电比是选择系统类型的主要标准之一。
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2.2选择合适的系统
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对于用户能源需求及可能变化也应当进行详细的研究。一旦情况确定以后，就应当决定最适合的系统，例如燃气轮机、往复式内燃机等。
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在进行研究与评估时，必须重视热电的消费结构及其他要素（如运行时间、燃料等）。每个系统的选择都有不同的标准。
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2.2.1优先选择燃气轮机的场合
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(1) 有连续的用电需求；
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(2) 保证天然气供应（这并不是一个限制因素）；
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(3) 生产热能优先保证；
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(4) 用户对高压蒸汽需求量大；
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(5) 要求大型单相电源；
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(6) 燃气蒸汽联合循环；
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(7) 需要高温蒸汽（400～500℃）。
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2.2.2优先选择内燃机的场合
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(1) 电需求有波动或者运行不连续；
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(2) 需要低压蒸汽、110℃热水或蒸汽（90～150℃）；
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(3) 用户电/热比高；
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(4) 用电需要中断。
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如果没有天然气供应，且环境方面没有限制，可以优先考虑使用燃油的内燃机。
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若有天然气供应，则天然气内燃机通常是最适宜的选择。
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(1) 用热量 (蒸汽, 热水)
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是否大于8万L/a的燃油?
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或是否大于8万m3/a的天然气?
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(2) 用电量
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是否大于0.7?
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上述回答“是”的选项越多，则使用热电联产系统的经济合理性也越高。
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在选择了适当系统以后，应当确定制冷容量，制冷容量必须与系统主机的能源输出特性相匹配。
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3经济性分析
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经济性分析就是评估热电冷三联产是否具有经济可行性。对于热电联产机组主要有以下三点：
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(1) 机组运行时满足用电基本负荷和热需求，不足电量从电网补充，不足热量则由备用锅炉或者助热器补充。
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(2) 机组运行时供电量大于当地的需求则外售，生产的热量全部满足当地需求。
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(3) 机组运行时发电量满足当地需求，而产热供应当地有剩余时，外售给别的用户。
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通常热电联产机组满足用电基本负荷，剩余部分向电力公司购买，系统生产的热则全部加以利用。
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系统成本包括：
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(1) 投资成本
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主要是机械、热/冷、电生产的费用，燃料储存设备，燃气过滤设备，建筑安装费用，管道、卷柱、控制系统以及一切工程研究和分析费用等。
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(2) 运行与维护费用
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