分布式冷热电联供系统及工程实例介绍

分布式能源系统(Distributed EnergySystem，DES) 是一种新型的能源系统，它一般建于用户附近，减少了输配系统投资和能量损失，是更高效、更可靠和更加环保的能源系统。

国际分布式能源联盟于2002 年成立，其对分布式能源系统提出了以下界定：“分布式能源系统包括高效热电联产、就地式可再生能源系统以及能量循环系统（包括利用废气、余热和压差来就地发电），同时这些发电系统能在或靠近消费的地点提供电力，而不论其项目大小、燃料种类或技术，也不论该系统是否与电网联网与否。”

分布式能源系统可在以下几个方面区别于集中式能源。分布式能源是小型的、模块化的，规模大致在kW至MW级；分布式能源包含一系列的供需双侧的技术；位于用户现场或附近。这样，便于实现更强大的就地控制、更高效的余热利用，以达到节能与降低污染排放的目的。

分布式能源系统是一个开放的、灵活组合的系统，其中可以包括多项新技术, 如燃料电池、微型涡轮机、先进的内燃气轮机、吸收式制冷机、热泵、干燥和能源回收系统、蓄热和蓄冷技术、智能建筑的热电控制和系统集成技术等。当今的分布式能源系统主要是指用液体或气体燃料的内燃气轮机、微型或小型燃气轮机和其他小型动力装置，如燃料电池等为核心组成的总能系统。

以分布式能源系统为核心，发展分布式能源系统可以带动多项能源相关产业和技术的发展, 具有十分重要的发展前景。

分布式能源系统又称分布式供能或分布式电源，是以燃气、轻柴油、生物质能、氢能等为燃料以及利用太阳能、风能、其他可再生能源等，在用户现场或靠近用户现场的小型和微型独立输出电、热（冷）能的系统。

分布式冷热电联供系统（DES/CCHP，Distributed Energy System/Combined Cooling, Heating and Power）是分布式能源系统中前景最为明朗，也是最具实用性和发展活力的系统。它是在热电联产系统基础上发展起来的一种总能系统，直接面向用户需求供电、供冷、供热、生活热水等。

分布式冷热电联供系统（DES/CCHP），即“第二代能源系统”，集燃气轮机、燃气内燃气轮机、蒸汽轮机、吸收式冷热水机、压缩式冷热水机、热泵、吸收式除湿机和能源综合控制体系等高新技术和设备为一体，对输入能量及内部能流根据热能品味进行综合梯级利用，来达到更高能源利用率，减少CO ₂ 及有害气体排放。

分布式冷热电联供系统的基本原理是能的梯级利用，如图1所示。如以天然气为燃料燃烧后，化学能转换为700～1500℃的高品位热能，首先利用这部分热能驱动发电机发电( 天然气燃料电池CCHP系统直接将化学能转换为电能) ；然后对中低品位热能进行逐级利用，200~500℃的热能可以作为吸收式制冷系统的驱动热源进行供冷或对外供应高压蒸汽，而200℃以下的热能则可以通过换热器供应热水或低压蒸汽，实现对天然气的多级多次利用。如何根据用户能源消费结构的特点，综合设计能源供应体系，将简单的单一电力供应，改变成电、热、冷的联合供应，充分利用燃料燃烧后放出的热量，就有可能在现有发电效率的基础上，增加热能利用率，从而大幅度地提高能源利用率。

根据卡诺定理，理论条件下的热力循环效率上限为63%左右，实际热力循环效率通常在45%以下，目前最先进的超超临界机组也无法突破50%。而理论条件下，燃气轮机的布雷登循环效率上限为48%，实则接近40%，燃气蒸汽联合循环的效率则接近60%，根本原因是实现了能量的梯级利用。但是与卡诺循环还有近20% 的差距，主要原因是燃气轮机排烟损失和余热锅炉中换热不完全造成的损失。若采用分布式冷热电联供系统，一次能源利用率通常可达70% 以上。

2 分布式冷热电联供系统的特点

分布式冷热电联供是科技、高效、节能、环保的新式能源，具有分布在用户端的高效能源综合利用系统，可独立地输出冷、热、电能，有效解决区域能源供应的特点和优势，具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增加电力供应等综合效益。燃气热电冷三联供系统可以有效地利用天然气资源，实现“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”，最大限度的提高燃气综合利用效率。集中供热供冷的建设是城市治理大气污染、提高能源利用率的重要措施，是提高人民生活质量的公益性基础设施，是现代化建设所必不可少的。

20 世纪初以来电力行业流行的观点是：发电机组容量越大效率越高，单位千瓦投资越低、发电成本越低。所以随着能源产业的发展，电力工业发展方向是“大机组、大电厂和大电网”。但是，在很多情况下，分布式冷热电联供系统是集中供电不可缺少的重要补充，两者的有机结合是未来能源系统的重要发展方向。分布式冷热电联供主要有以下几个特点：

（1）分布式冷热电联供可以满足多种场合的需求

如：不适宜架设电网的西部等边远地区或分散的用户；对供电安全稳定性要求较高的特殊用户，如医院、银行、机场等；能源需求较为多样化的用户，如炼焦、化工、电子、食品、制药等，在为他们提供电力的同时还能满足热或冷能的需求。这种供能方式最大的优点是不需远距离输配电设备，输电损失显著减少，运行安全可靠，并可按需要方便、灵活地利用排气热量实现热电联产或分布式冷热电联供，提高能源利用率。

（2）分布式冷热电联供可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足

在世界上大型火电厂建设的趋势有增无减之时，电网的急速膨胀给供电安全与稳定性带来很大威胁，而各种形式的小型分布式冷热电联供系统，使国民经济、国家安全至关重要而又极为脆弱的纽带—大电网不再孤立和笨拙。直接安置在用户近旁的分布式发电装置与大电网配合，可大大地提高供电可靠性，在电网崩溃和意外灾害（例如地震、暴风雪、人为破坏、战争等）情况下，可维持重要用户的供电。

（3）分布式冷热电联供为能源的综合梯级利用提供了可能

在常规的集中供电方式中能量形式相对单一，当用户不仅仅需要电力，而且需要其它能量形式如冷能和热能的供应时，仅通过电力来满足上述需要时难以实现能量的综合梯级利用，而分布式冷热电联供以其规模小、灵活性强等特点，通过不同循环的有机整合可以在满足用户需求的同时实现能量的综合梯级利用，并且克服了冷能和热能无法远距离传输的困难。

（4）分布式冷热电联供可以降低投资风险和运行成本

分布式冷热电联供的小额增量模式比单次增量较大、次数较少的大型项目，可以更好地跟踪负荷的变化，使得长时间并网的空余容量较低，体现出更好的价值优势。如果负荷增长与预测有较大的出入，采用大增量模式的发电厂将会有长期的空余容量，增加了投资和运行成本。同时，分布式冷热电联供的减少周期短（一般5～ 8年），可以缩短收益年限，降低投资风险和成本。表1列出了主要类型发电厂的造价投入比较。

表1 主要类型发电厂的造价投入比较

注：[1] 自宽带网上国家计委“2002 能源与电力行业景气分析及2003 年走势预测”；

[2] 自宽带网上韩晓平的“分布式燃气热电联产在‘西气东输’市场中的应用”。

（5）分布式冷热电联供体现了良好的节能环保性能

分布式冷热电联供系统具有良好的环保性能，与分散供热（冷）相比，具有明显的优势，即大量减少了烟囱数量，大大减少了CO ₂ 、NOx 的排放。

天然气冷热电联供系统的CO ₂ 排放量仅为传统能源系统的30%～50%。有关专家做了这样的估算，美国如果从2000 年起每年有4% 的现有建筑的供电、供暖和供冷采用天然气冷热电联供系统，从2005年起25% 的新建建筑及从2010年起50% 的新建建筑均采用冷热电三联供的话，该国到2020 年的CO ₂ 排放量将减少19% ；如果将现有建筑实施冷热电联供的比例从4% 提高到8%，到2020 年CO ₂ 的排放量将减少30%。而且，天然气冷热电联供系统的氮氧化物(NOx) 的排放量也极低[一般为（9~25）×10 ^-6 ]。

（6）分布式冷热电联供为可再生能源的利用开辟了新的方向

相对于化石能源而言，可再生能源能流密度较低、分散性强，而且目前的可再生能源利用系统规模小、能源利用率较低，作为集中供电手段是不现实的。而分布式冷热电联供为可再生能源利用的发展提供了新的动力。我国的可再生能源资源丰富，发展可再生能源是21 世纪减少环境污染和温室气体排放以及替代化石能源的必然要求，因此为充分利用量多面广的可再生能源发电，方便安全地向偏僻、少能源地区供电，建设可再生能源分布式冷热电联供应受到高度重视。

3 分布式冷热电联供系统的应用与发展

3.1 分布式冷热电联供系统的应用场合

分布式冷热电联供系统应用的条件可以归纳为以下几个：

（1）人口密度比较大，单位面积用电、冷热负荷较高的地区，如经济发达地区（沿海、特大城市）；

（2）具有相对比较匹配的热（冷）、电负荷，通常电与热（冷）的比例在0.5 ～ 2.5 之间，这样的比例与现有的系统设备的技术特性相一致。

（3）年有效利用时间较长，通常认为系统年利用时间在3500～4000h以上才能够比较快速的回收投资；

（4）建筑密度较大，使得管网的初投资和冷热介质的输送费用较低。

具备上述特点的医院、宾馆、学校、大型商场、高档办公楼、大型机场、大型铁路客站、某些工矿企业、娱乐场所、高档小区等都是分布式冷热电联供系统应用的理想场所。

3.2 分布式冷热电联供系统的发展

到目前为止，按节能水平和技术先进性，分布式冷热电联供系统的发展大致可划分为三代：第一代分布式冷热电联供系统的相对节能率大约在5%~10%，主要是实现了常规动力技术与余热利用技术的简单叠加，大部分还是依靠直燃气轮机补燃、电压缩式制冷等常规方式以满足用户的制冷空调需要。因此，梯级利用程度不高、相对节能率低。第二代的相对节能率可以达到10%-20%，主要是由于动力与中温余热利用构成了较好的梯级利用。目前实施的多数分布式冷热电联供系统可以达到这一水平。而第三代技术的相对节能率将达到20%-40%，特点是采用新一代分布式冷热电联供系统的集成技术。联供系统的集成程度显著增加，燃料化学能做功能力损失降低，中温段热利用的温度断层减少，低品位余热得到有效利用，从而使能的梯级利用程度大幅提升。同时兼顾了动力子系统的高效运行与用户不同冷、热负荷变动。第一二代技术采用的主要为简单集成，第三代则更多地考虑了深度集成，而分布式冷热电联供系统的发展潜力主要在于深度集成。

（1）国外分布式冷热电联供系统的发展

美国在1999 年提出了“CCHP 创意” 和“CCHP2020 年纲领”；至2003 年，美国DES/CCHP总装机容量为56 000 MW，占全美电力总装机容量的7% ；DES/CCHP 可以帮助美国实现CO2 减排19%的目的。

日本规定热电联产的上网电价高于火力发电，鼓励发展热电联产；截止2004 年，日本全国DES/CCHP 总装机容量达到了7.78GW ；燃气轮机冷热电联供和汽轮机驱动压缩式制冷设备是日本冷热电联供的主要形式。

欧洲各国也都非常重视分布式冷热电联供系统的发展。英国对热电联产项目免除气候变化税、商务税；丹麦政府给予热电联产项目投资补贴和调度优先；德国规定对于总效率达到70% 以上的电厂免征天然气税，对分布式冷热电联供系统予以长期的补贴。

（2）我国分布式冷热电联供系统的发展

虽然分布式冷热电联供系统在发达国家已有20多年的发展历史，我国在二十世纪九十年代就开始引入并推广建设分布式冷热电联供系统，到目前为止已有十几年的历史，但是，由于种种的原因，发展速度一直比较缓慢，直到二十一世纪，随着国家天然气工业的发展和“西气东输”工程的实施，分布式能源系统才开始逐渐加快发展速度。近几年引起了国内的广泛关注，我国的DES/CCHP 技术的研究尚处于起步阶段。

为了鼓励和促进热电事业的健康发展，原国家计委、经贸委、建设部和电力部于1998 年联合发布了220 号文件—《关于发展热电联产的若干规定》。

2000 年1 月，原国家计委、经贸委、建设部和环境保护总局又针对当前的新形势，以220 号文件为基础，发布了新的关于热电联产的文件—关于印发《关

于发展热电联产的规定》的通知( 急计基础［2000］1268 号)。《规定》中明确指出：“热电联产具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增加电力供应等综合效益”，“各地区应结合当地的实际情况，因地制宜地制定发展和推广热电联产、集中供热的措施”，还进一步明确了“鼓励使用清洁能源，鼓励发展热、电、冷联产技术和热、电、煤气联产，以提高热能综合利用效率。针对燃气－蒸汽联合循环热电联产，文件中第十四条明确指出“积极支持发展燃气－蒸汽联合循环热电联产”，而“以小型燃气发电机组和余热锅炉等设备组成的小型热电联产系统”，“具有效率高、占地小、保护环境、减少供电线损和应急突发事件等综合功能，在有条件的地区应逐步推广”。

2011 年10 月9 日，发改委、财政部、住建部、国家能源局等4 部委联合下发《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，进一步增大了财政、电网对天然气分布式能源的支持力度，推动了天然气资源利用，促进了节能减排。

目前，我国天然气供应日趋增加，智能电网建设步伐加快，专业化服务公司方兴未艾，天然气分布式能源在我国已具备大规模发展的条件。重点在能源负荷中心建设区域分布式能源系统和楼宇分布式能源系统。到2020 年，在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统，装机规模达到5000万kW，初步实现分布式能源装备产业化。如果利用分布式能源发电来满足2021 年前的电力需求增长可节省大约40% 的资金成本，同时零售电价可降低28%，CO ₂ 可减排56%。

以天然气为燃料的分布式冷热电联供系统建设已逐步进入实质性开发实施阶段，并且首先在北京、上海、广州等大城市有一批热、电、冷联供示范工程建成投运，并取得了较好的示范效果。上海市的发展目标是到2020 年建设100 个系统，装机容量为30万kW。

（3）我国分布式冷热电联供系统发展中面临的问题及建议

分布式冷热电联供系统涉及供热、电力、燃气等行业的利益。如何做好各行业间的利益协调，在国家利益的高度上统一认识至关重要。要想从宏观上把握分布式冷热电联供系统的发展，需要在国家层面有专门机构负责协调。

首先，并网问题是目前我国发展分布式冷热电联供技术的主要障碍之一。由于目前电网建设的大部分工作由电力部门完成，而分布式冷热电联供技术应用毫无疑问将影响电网公司的利益。电网公司一般只允许分布式冷热电联供系统并网但不售电，即使允许售电，电价也是很低的。在这种情况下，分布式冷热电联供系统上网售电是不合算的。因此，分布式冷热电联供在规划系统容量时就应明确是否能上网售电，及上网电价，并在此基础上做好经济性分析，以规避风险。

其次，分布式冷热电联供系统较传统供能系统要复杂许多，设备国产化率较低，单位kW造价通常比常规电厂要高一些，导致分布式冷热电联供系统的前期投入比常规电厂多，而后期收益会受多种因素影响，差别很大。但是传统电力供应模式需要庞大的电网投资，而分布式冷热电联供系统没有额外的燃料或能源成本，仅仅是回收动力装置的余热。国内运行着的诸多项目，只要设计合理，运行良好，一般几年就能收回全部投资。

再次，如果系统容量按用户的电、热（冷）负荷的峰值选取，虽然在峰值负荷时，用户的能源利用率较高，但是从全年的角度来看，很多时间内系统的容量无法全部利用，机组的利用率下降导致项目的经济性差，这是国内许多分布式冷热电联供项目失败的主要原因。所以，在项目的规划设计阶段应在确实可靠的、经批准的热、电、冷负荷规划基础上，科学地确定系统容量，在运营期应和冷、热、电用户签订合同，保证负荷的相对稳定性，以保证较高的机组利用率和盈利。

4 分布式冷热电联供系统的组成及分类

4.1 分布式冷热电联供系统的基本组成

采用常规能源的分布式冷热电联供系统一般由原动机、余热利用设备、燃料供应系统、供热（冷）系统、电气系统等组成。

分布式冷热电联供系统中常用的设备和系统主要包括：光电系统、燃料电池、燃气内燃气轮机、高性能燃气轮机和微燃气轮机、热力驱动的制冷系统。除湿装置、风力透平、需求侧管理装置、太阳能（发电）收集装置和地热能量转换系统。

这些技术可以满足不同用户的能量需求，包括：连续的电能、备用电力、可移动电源、分布式冷热电联供和调峰电力等。

4.2 分布式冷热电联供系统的分类

按能源利用形式分类，可分为：化石燃料分布式冷热电联供系统、可再生能源分布式冷热电联供系统、化石燃料与可再生燃料结合的分布式冷热电联供系统等。

按动力子系统类型分类，可分为：燃气轮机分布式冷热电联供系统、内燃气轮机分布式冷热电联供系统、蒸汽轮机分布式冷热电联供系统、斯特林机分布式冷热电联供系统、燃料电池分布式冷热电联供系统等，其各自特点见表2。

表2 按动力子系统类型分类的分布式冷热电联供系统特点比较

按系统规模分类，可分为：楼宇型分布式冷热电联供系统、区域型分布式冷热电联供系统、产业型分布式冷热电联供系统等，其各自特点见表3。

表3 按系统规模分类的分布式冷热电联供系统特点比较

5 工程实例介绍

上海地区某工程一期拟建设供热能力为105t/h，同时满足19.8MW夏季冷负荷的2×60MW级燃气冷热电联供机组，与热网管道、用户热力站及其附属设施组成一个完整、可靠供热的蒸汽生产和输送系统。

根据对现有、近期热负荷的统计，考虑供热管网的热损失系数和热源厂自用热系数后，项目一期设计冷、热负荷统计见表4。

表4 设计热负荷统计表

该工程为燃气冷热电联供机组，选择机组型式及容量时必须首先考虑满足热（冷）负荷的需求。燃气冷热电联供系统流程示意图见图2，其过程是天然气通过管道从LNG 接收站至电厂调压站经过脱水、过滤、加热，然后再经管道送入燃气轮机入口，机组运行时，大气经过进气道内的过滤器、消音器后进入到燃气轮机压气机入口，经压气机加压后部分进入燃烧室和加热后的天然气混合燃烧。在燃烧室产生的高温燃气经燃烧室过渡段进入透平做功后排入余热锅炉烟道, 最后经烟囱排向大气。

燃气轮机的排气送入余热锅炉产生水蒸气，余热锅炉的次高压蒸汽进入汽轮机中做功，汽轮机抽汽（或排汽）再用于供热，当汽轮机故障时可由次高压蒸汽经减温减压装置后直接送给热用户，以保障供热可靠性。余热锅炉出来的低压蒸汽作为溴化锂机组的驱动蒸汽（夏季）或换热机组的热源（冬季），满足空调冷热负荷，进一步提高联合循环机组的出力和效率。

该期工程在设计中无论是设备选型还是系统设计都将充分考虑资源的有效利用，尽可能提高运行的经济性，减少不必要的损失，节约能源。

该期工程拟建机组（两台）在全年平均供热供冷负荷工况下，主要技术和能耗指标见表5。

表5 燃气-蒸汽热电联供机组主要技术指标

鉴于该项目是热电冷三联供机组，进一步降低了能量的损失，很大程度上提高了能源利用率，且远高于常规燃煤电厂。其次，从运用实践来看，通常燃煤电厂的热效率只能达到35% ～ 40%，而燃气轮机单循环热效率就可达40%，联合循环热效率一般均大于50%，大型燃气轮机甚至可达55%，该项目中燃气冷热电联供机组对外供热（冷）时的热效率高达71.64%，远远高大于常规燃煤电厂热效率，热电比也高达58%，符合热电联产和燃气冷热电三联供项目的规定。

该项目在机组年利用小时数为5500h，满足投资方财务内部收益率8％的条件下，经营期平均上网电价为755.68元/MWh。在此电价下，项目各项经济指标较好，财务内部收益率高于基准收益率，净现值大于零，项目的财务盈利能力和贷款偿还能力较强。

虽然该项目经营期平均上网价高于上海地区煤电新机组电价，但2008年以来电煤价格的持续上涨，也使目前煤电新机组实际测算的上网电价有较大幅度增长。加之该项目是冷热电三联供项目，具有很好的社会效益，能为周边的产业提供长期的热源与冷源，是可持续发展的。而且项目再规划阶段的冷负荷收益将使本项目的收益有所提高，可进一步降低上网电价，使企业效益社会效益得到充分体现。因此该项目的建设是合理、可行的。

6 结论

分布式冷热电联供系统具有以下几个优势：

（1）满足当地供热、冷需求

燃气冷热电联供机组主要担负着附近地区的工业用气和采暖( 制冷) 的任务，是当地主要热（冷）源之一。

（2）有利于地区电力负荷发展

燃气冷热电联供机组可用于满足附近地区的部分负荷需求，在一定程度上减轻当地电网供电压力，有利于附近地区的电力负荷发展。

（3）缓解电力峰谷差。

燃气冷热电联供机组采用自发电，可以作为调峰机组，避开电网用电高峰，缓解地区电力峰谷差。

（4）大大提高能源利用效率

燃气冷热电联供机组，可以大大提高能源利用效率：大型发电厂的发电效率一般为30%～40%；而经过能源的梯级利用使能源利用效率从常规发电系统的40%左右提高到70%～80％，且没有输电损耗。

（5）满足环境保护的需要

在能源发展方向上，必须积极发展清洁能源电厂，改善电力工业对环境的影响，从而为实行可持续发展战略提供有力的保证。而燃气冷热电联供机组在降低碳和污染空气的排放物方面具有很大的潜力：据有关专家估算，如果将现有建筑实施燃气冷热电联供机组的比例从4% 提高到8%，到2020年CO ₂ 的排放量将减少30%，有利于环境保护。

但是，分布式冷热电联供系统的发展还存在一些瓶颈，由于分布式能源站的特点是靠近用户，往往布置在城市小区、公共场所、甚至在建筑物内，这就对运行的安全和环保提出了更高的要求。在设备选择和噪声防治方面需要重点关注，这无疑会加大设备采购和噪声处理方面的费用，提高了项目的初投资。但是分布式冷热电联供系统没有额外的燃料或能源成本，仅仅是回收动力装置的余热。只要解决了并网问题，设计合理，运行良好，就可以使联产系统项目的节能、经济效益得到最充分的发挥，一般几年就能收回全部投资。

综上所述，发展分布式冷热电联供系统，为实现我国短期内大幅度降低能源消耗，减少环境污染，加强能源安全，优化能源结构起到积极作用，是我国实现能源可持续发展的必由之路，是解决我国能源与环境问题这一宏伟目标的重要技术途径。

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