天然气冷热电三联供在不同场景下的应用分析

引 言

天然气作为优质、稳定、高效、安全、无毒和低污染的清洁能源不断为用户所青睐，其他能源难以相比。在能源供应日益紧张的今天，节能降耗，合理利用资源、提高能源利用效率已成为人们普遍关注的问题，也是我国未来能源发展的重要方向。为了提高能源利用效率，需要将高品质的电与低品质的冷、热三种能量需求统筹考虑，天然气冷热电三联供系统正是在能源结构调整中涌现出来的提高能源利用效率的一种最佳利用方式，它兼具能源效率高、安全、经济、环境友好等特点。

1 天然气冷热电三联供技术简介

天然气冷热电三联供是指以天然气为主要燃料带动天然气轮机或内燃机等天然气发电设备运行，产生电力以满足用户电力需求，而系统排出的废热则通过余热锅炉或溴化锂等设备向用户供热、供冷。三联供系统实现能源的梯级利用，其能源综合利用效率高达75%以上，典型能量梯级利用如图1 所示。

目前，国内较常用的三联供系统主要是天然气内燃发电机组和天然气燃气轮机发电机组的三联供系统，其典型流程如图2 和图3[1]所示。

2 天然气冷热电三联供在不同场景下的应用

2.1 天然气冷热电三联供在较小单体建筑的应用

酒店、宾馆、办公楼等应用场景，单体建筑面积较小，用能总量不大，但种类却较为复杂，包括夏季供冷，冬季供暖，日常生活热水等，目前大多以电能使用为主，成本较高且季节性的用电给电网带来不利影响。天然气冷热电三联供系统不仅能够产生电力以满足电力需求，还能够充分利用高温烟气余热和缸套热水，向用户供热供冷和提供生活热水，充分利用清洁一次能源。

以某酒店A为例，该酒店总建筑面积约2.5万平方米，作为一个实验项目，酒店采用了额定发电功率350kW的天然气内燃发电机组，发电效率36.8%，耗天然气量95m3/h。配套烟气热水型溴化锂机组供热供冷，最大制冷功率490kW，最大供暖功率525kW[2]。可满足酒店约30%的冷热负荷。

根据酒店提供的数据，该冷热电三联供系统在冬季运行时，一次能源利用效率为81.3%，余热回收效率为71.8%。在该项目运行过程中，冬季的一次能源利用率及余热回收效率均高于夏季运行工况。这是由于冬季运行时，溴化锂机组作为换热器使用，热量的使用仅有部分散热损失，夏天用热水吸收制冷效率较低，故而降级了整体的能源利用率及余热利用率。

将天然气冷热电三联供方案与传统电空调+天然气锅炉方案进行比较。根据测算，采用三联供方案，投资额为336万元，采用传统方案，投资额为193 万元。天然气价格按市场价3.3 元/m3，商业电价按1 元/kWh。通过计算可得，采用天然气冷热电三联供方案相比传统方案的增量投资回收期仅为2.97 年。考虑到机组的使用寿命均在10 年以上，在三年后三联供机组的低运行费用的优势会进一步凸显。

2.2 天然气冷热电三联供在数据中心的应用

近年来，国内数据中心爆发式增长，导致数据中心行业能耗急剧增加。因此，寻求多能源解决方案成为一种内在需求。天然气冷热电联供作为一种分布式能源，与数据中心的电力、冷源系统有较好的匹配度，可将联供系统与复杂的数据中心能源进行匹配对接。冷电联供一般有以冷定电和以电定冷两个不同的方法。在数据中心应用中，若采用两个冷源，会进一步增加系统的复杂性，带来稳定性可靠性的降低。故一般采用以冷定电，电量的调节依靠市电的弹性。

以北京某数据中心为例，经统计，该数据中心最大电负荷为14423kW，最小电负荷12723kW，用电负荷较为平稳。数据中心的冷负荷有工艺设备散热，维护结构传热等组成，经统计，机房的全年冷负荷为10100kW，办公楼夏季低温冷负荷2950kW，办公楼冬季采暖热负荷为1950kW。且该数据中心附近地块有12800kW 热负荷需求[3]。

由于天然气内燃发电机组的冷电比小于1，而天然气轮机的冷电比大于1.4，考虑到数据中心的冷电，比如前文所述均小于1，故采用内燃机组更适合数据中心使用。且内燃机组造价仅为天然气轮机机组的50%~70%，因此数据中心一般选用内燃发电机组作为三联供能源中心。

该数据中心采用五台颜巴赫JMS620 内燃发电机，机组配套五台烟气热水型溴化锂吸收冷水机组。单台发电机额定发电量3349kW，单台溴化锂机组额定制冷量3000kW。根据运行得到的数据，发电机组的发电效率为38.7%，溴化锂吸收机组的制冷COP 为1.3，制热效率为95%，机组整体的一次能源利用率为78%。

三联供系统的经济性受多方面的因素影响，其主要因素包括：

（1）系统初期建设投资。

（2）地区电费价格。

（3）地区天然气价格。

（4）数据中心冷电比例。

（5）数据中心三联供建成后的系统使用率[4]。

经统计，北京的全年平均电费约为0.82 元/度，在实际运行中，考虑冬季和夜晚用电会减小，同时考虑公共事业附加费，实际的电费价格约为0.85 元/度。根据计算，1m3 天然气约可产生4 度电，同时生产4kW 冷量。按照电制冷冷冻机组1：6的能效比进行计算，产生4kW 的冷量需要电能0.67度。在不考虑热量利用的情况下，1m3 天然气可折合约4.67度电。按北京发电天然气2.51元/m3 计算，为0.54元/度。考虑20%的三联供机组运行费用，采用三联供后折合每度电成本不超过0.648元，相较全部用市电节约23.8%。

在数据中心采用三联供机组一般建设投资比传统电制冷方案高约20%，而电费成本占总成本的约21%。若每年用电成本降低23.8%，增量投资静态回收期仅为4 年，具有较明显的经济性。

2.3 天然气冷热电三联供在居民小区的应用

我国大多数人口居住在夏热冬冷区域，目前大多数小区采用各户安装分体空调来制冷供暖，或是采用单冷空调加集中供暖的形式，整体能耗及费用较高。目前冷热电三联供作为一种新的冷暖供应形式，已经在部分区域得到试点使用。

以郑州某小区为例，供冷采暖面积共46 万m2。根据该地区的气象条件及建筑围护等情况，确定该小区采暖最大热负荷为23MW，制冷最大冷负荷为46MW。

该小区作为试点，选择了4 台颜巴赫J616 天然气内燃机组配套4 台烟气热水型溴化锂吸收冷水机组。单台内燃发电机组额定发电功率2677kW，单台溴化锂机组制冷量2663kW，制热量2756kW。在该分布式系统满负荷运行时，供电能力为10708kW，供冷量10652kW，供热量11024kW。

该项目全部供冷时间2700h 内，机组均可满负荷运行，供热时2537h 内机组可满负荷运行，343h 内机组带一半负荷运行[5]。

根据小区提供的运行数据，该项目全年的综合能源利用率为74.7%。项目总投资约为9250 万元，投资回收期（税前）约为9.62 年，投资回收期（税后）约为10.62 年。主要原因是郑州的天然气气价较高，且向居民供暖供冷所收费用受到诸多限制，导致项目经济性一般。若是在天然气价较低的区域，该类项目会具有更好地适用性。

3 结束语

采用天然气冷热电三联供的分布式能源站系统，经过数年的发展和国家的政策支持，目前已在全国各地建设了一定数量的项目，技术上逐步成熟，电源安全可靠，一次能源的综合利用率可达75%以上，有力的推进了节能减排工作。

天然气冷热电三联供应用于商业用户时，包括较小容量的酒店及较大容量的数据中心等，考虑到市场化的商业电价及供暖制冷费用均较高，三联供方案的经济性优势比较明显。而应用于居民小区时，一方面负荷过大，投资较高，另一方面由于居民电价及供暖制冷费用较低，导致三联供方案的经济性不及在商业用户上的使用。

随着我国天然气发展、智能电网的建设及提高能源利用效率，促进结构调整及节能减排的需求，天然气冷热电三联供在我国已具备大规模发展的条件。

现阶段，天然气冷热电三联供核心设备价格及维保成本较高、大部分区域天然气价格偏高、冷热电三联供项目的上网电价和冷热价格的议价能力较弱等问题，导致三联供项目的推广步骤比较缓慢。随着国家推动天然气管网独立运营和电力体制改革，出台系列扶持政策等措施，必将推动天然气冷热电三联供项目的迅速发展，进而助推我国天然气燃气轮机及内燃机等核心设备的技术进步与国产化，从而进一步降低设备造价与维保成本，使得天然气冷热电三联供项目的建设投入逐步减少。且随着天然气进口通道的进一步增加，相信未来天然气价格会有所缓和。总体上，我国天然气冷热电三联供还是有着较好的发展前景。