引 言

天然氣作為優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定、高效、安全、無(wú)毒和低污染的清潔能源不斷為用戶所青睞，其他能源難以相比。在能源供應(yīng)日益緊張的今天，節(jié)能降耗，合理利用資源、提高能源利用效率已成為人們普遍關(guān)注的問(wèn)題，也是我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展的重要方向。為了提高能源利用效率，需要將高品質(zhì)的電與低品質(zhì)的冷、熱三種能量需求統(tǒng)籌考慮，天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)正是在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中涌現(xiàn)出來(lái)的提高能源利用效率的一種最佳利用方式，它兼具能源效率高、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好等特點(diǎn)。

1 天然氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)簡(jiǎn)介

天然氣冷熱電三聯(lián)供是指以天然氣為主要燃料帶動(dòng)天然氣輪機(jī)或內(nèi)燃機(jī)等天然氣發(fā)電設(shè)備運(yùn)行，產(chǎn)生電力以滿足用戶電力需求，而系統(tǒng)排出的廢熱則通過(guò)余熱鍋爐或溴化鋰等設(shè)備向用戶供熱、供冷。三聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，其能源綜合利用效率高達(dá)75%以上，典型能量梯級(jí)利用如圖1 所示。

目前，國(guó)內(nèi)較常用的三聯(lián)供系統(tǒng)主要是天然氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和天然氣燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的三聯(lián)供系統(tǒng)，其典型流程如圖2 和圖3[1]所示。

2 天然氣冷熱電三聯(lián)供在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用

2.1 天然氣冷熱電三聯(lián)供在較小單體建筑的應(yīng)用

酒店、賓館、辦公樓等應(yīng)用場(chǎng)景，單體建筑面積較小，用能總量不大，但種類卻較為復(fù)雜，包括夏季供冷，冬季供暖，日常生活熱水等，目前大多以電能使用為主，成本較高且季節(jié)性的用電給電網(wǎng)帶來(lái)不利影響。天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)不僅能夠產(chǎn)生電力以滿足電力需求，還能夠充分利用高溫?zé)煔庥酂岷透滋谉崴?，向用戶供熱供冷和提供生活熱水，充分利用清潔一次能源?/p>

以某酒店A為例，該酒店總建筑面積約2.5萬(wàn)平方米，作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，酒店采用了額定發(fā)電功率350kW的天然氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組，發(fā)電效率36.8%，耗天然氣量95m3/h。配套煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組供熱供冷，最大制冷功率490kW，最大供暖功率525kW[2]?？蓾M足酒店約30%的冷熱負(fù)荷。

根據(jù)酒店提供的數(shù)據(jù)，該冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在冬季運(yùn)行時(shí)，一次能源利用效率為81.3%，余熱回收效率為71.8%。在該項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中，冬季的一次能源利用率及余熱回收效率均高于夏季運(yùn)行工況。這是由于冬季運(yùn)行時(shí)，溴化鋰機(jī)組作為換熱器使用，熱量的使用僅有部分散熱損失，夏天用熱水吸收制冷效率較低，故而降級(jí)了整體的能源利用率及余熱利用率。

將天然氣冷熱電三聯(lián)供方案與傳統(tǒng)電空調(diào)+天然氣鍋爐方案進(jìn)行比較。根據(jù)測(cè)算，采用三聯(lián)供方案，投資額為336萬(wàn)元，采用傳統(tǒng)方案，投資額為193 萬(wàn)元。天然氣價(jià)格按市場(chǎng)價(jià)3.3 元/m3，商業(yè)電價(jià)按1 元/kWh。通過(guò)計(jì)算可得，采用天然氣冷熱電三聯(lián)供方案相比傳統(tǒng)方案的增量投資回收期僅為2.97 年?？紤]到機(jī)組的使用壽命均在10 年以上，在三年后三聯(lián)供機(jī)組的低運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)勢(shì)會(huì)進(jìn)一步凸顯。

2.2 天然氣冷熱電三聯(lián)供在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心爆發(fā)式增長(zhǎng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心行業(yè)能耗急劇增加。因此，尋求多能源解決方案成為一種內(nèi)在需求。天然氣冷熱電聯(lián)供作為一種分布式能源，與數(shù)據(jù)中心的電力、冷源系統(tǒng)有較好的匹配度，可將聯(lián)供系統(tǒng)與復(fù)雜的數(shù)據(jù)中心能源進(jìn)行匹配對(duì)接。冷電聯(lián)供一般有以冷定電和以電定冷兩個(gè)不同的方法。在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中，若采用兩個(gè)冷源，會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，帶來(lái)穩(wěn)定性可靠性的降低。故一般采用以冷定電，電量的調(diào)節(jié)依靠市電的彈性。

以北京某數(shù)據(jù)中心為例，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該數(shù)據(jù)中心最大電負(fù)荷為14423kW，最小電負(fù)荷12723kW，用電負(fù)荷較為平穩(wěn)。數(shù)據(jù)中心的冷負(fù)荷有工藝設(shè)備散熱，維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱等組成，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，機(jī)房的全年冷負(fù)荷為10100kW，辦公樓夏季低溫冷負(fù)荷2950kW，辦公樓冬季采暖熱負(fù)荷為1950kW。且該數(shù)據(jù)中心附近地塊有12800kW 熱負(fù)荷需求[3]。

由于天然氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的冷電比小于1，而天然氣輪機(jī)的冷電比大于1.4，考慮到數(shù)據(jù)中心的冷電，比如前文所述均小于1，故采用內(nèi)燃機(jī)組更適合數(shù)據(jù)中心使用。且內(nèi)燃機(jī)組造價(jià)僅為天然氣輪機(jī)機(jī)組的50%~70%，因此數(shù)據(jù)中心一般選用內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組作為三聯(lián)供能源中心。

該數(shù)據(jù)中心采用五臺(tái)顏巴赫J(rèn)MS620 內(nèi)燃發(fā)電機(jī)，機(jī)組配套五臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰吸收冷水機(jī)組。單臺(tái)發(fā)電機(jī)額定發(fā)電量3349kW，單臺(tái)溴化鋰機(jī)組額定制冷量3000kW。根據(jù)運(yùn)行得到的數(shù)據(jù)，發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率為38.7%，溴化鋰吸收機(jī)組的制冷COP 為1.3，制熱效率為95%，機(jī)組整體的一次能源利用率為78%。

三聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性受多方面的因素影響，其主要因素包括：

（1）系統(tǒng)初期建設(shè)投資。

（2）地區(qū)電費(fèi)價(jià)格。

（3）地區(qū)天然氣價(jià)格。

（4）數(shù)據(jù)中心冷電比例。

（5）數(shù)據(jù)中心三聯(lián)供建成后的系統(tǒng)使用率[4]。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，北京的全年平均電費(fèi)約為0.82 元/度，在實(shí)際運(yùn)行中，考慮冬季和夜晚用電會(huì)減小，同時(shí)考慮公共事業(yè)附加費(fèi)，實(shí)際的電費(fèi)價(jià)格約為0.85 元/度。根據(jù)計(jì)算，1m3 天然氣約可產(chǎn)生4 度電，同時(shí)生產(chǎn)4kW 冷量。按照電制冷冷凍機(jī)組1：6的能效比進(jìn)行計(jì)算，產(chǎn)生4kW 的冷量需要電能0.67度。在不考慮熱量利用的情況下，1m3 天然氣可折合約4.67度電。按北京發(fā)電天然氣2.51元/m3 計(jì)算，為0.54元/度。考慮20%的三聯(lián)供機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用，采用三聯(lián)供后折合每度電成本不超過(guò)0.648元，相較全部用市電節(jié)約23.8%。

在數(shù)據(jù)中心采用三聯(lián)供機(jī)組一般建設(shè)投資比傳統(tǒng)電制冷方案高約20%，而電費(fèi)成本占總成本的約21%。若每年用電成本降低23.8%，增量投資靜態(tài)回收期僅為4 年，具有較明顯的經(jīng)濟(jì)性。

2.3 天然氣冷熱電三聯(lián)供在居民小區(qū)的應(yīng)用

我國(guó)大多數(shù)人口居住在夏熱冬冷區(qū)域，目前大多數(shù)小區(qū)采用各戶安裝分體空調(diào)來(lái)制冷供暖，或是采用單冷空調(diào)加集中供暖的形式，整體能耗及費(fèi)用較高。目前冷熱電三聯(lián)供作為一種新的冷暖供應(yīng)形式，已經(jīng)在部分區(qū)域得到試點(diǎn)使用。

以鄭州某小區(qū)為例，供冷采暖面積共46 萬(wàn)m2。根據(jù)該地區(qū)的氣象條件及建筑圍護(hù)等情況，確定該小區(qū)采暖最大熱負(fù)荷為23MW，制冷最大冷負(fù)荷為46MW。

該小區(qū)作為試點(diǎn)，選擇了4 臺(tái)顏巴赫J(rèn)616 天然氣內(nèi)燃機(jī)組配套4 臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰吸收冷水機(jī)組。單臺(tái)內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率2677kW，單臺(tái)溴化鋰機(jī)組制冷量2663kW，制熱量2756kW。在該分布式系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，供電能力為10708kW，供冷量10652kW，供熱量11024kW。

該項(xiàng)目全部供冷時(shí)間2700h 內(nèi)，機(jī)組均可滿負(fù)荷運(yùn)行，供熱時(shí)2537h 內(nèi)機(jī)組可滿負(fù)荷運(yùn)行，343h 內(nèi)機(jī)組帶一半負(fù)荷運(yùn)行[5]。

根據(jù)小區(qū)提供的運(yùn)行數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目全年的綜合能源利用率為74.7%。項(xiàng)目總投資約為9250 萬(wàn)元，投資回收期（稅前）約為9.62 年，投資回收期（稅后）約為10.62 年。主要原因是鄭州的天然氣氣價(jià)較高，且向居民供暖供冷所收費(fèi)用受到諸多限制，導(dǎo)致項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性一般。若是在天然氣價(jià)較低的區(qū)域，該類項(xiàng)目會(huì)具有更好地適用性。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用天然氣冷熱電三聯(lián)供的分布式能源站系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)數(shù)年的發(fā)展和國(guó)家的政策支持，目前已在全國(guó)各地建設(shè)了一定數(shù)量的項(xiàng)目，技術(shù)上逐步成熟，電源安全可靠，一次能源的綜合利用率可達(dá)75%以上，有力的推進(jìn)了節(jié)能減排工作。

天然氣冷熱電三聯(lián)供應(yīng)用于商業(yè)用戶時(shí)，包括較小容量的酒店及較大容量的數(shù)據(jù)中心等，考慮到市場(chǎng)化的商業(yè)電價(jià)及供暖制冷費(fèi)用均較高，三聯(lián)供方案的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)比較明顯。而應(yīng)用于居民小區(qū)時(shí)，一方面負(fù)荷過(guò)大，投資較高，另一方面由于居民電價(jià)及供暖制冷費(fèi)用較低，導(dǎo)致三聯(lián)供方案的經(jīng)濟(jì)性不及在商業(yè)用戶上的使用。

隨著我國(guó)天然氣發(fā)展、智能電網(wǎng)的建設(shè)及提高能源利用效率，促進(jìn)結(jié)構(gòu)調(diào)整及節(jié)能減排的需求，天然氣冷熱電三聯(lián)供在我國(guó)已具備大規(guī)模發(fā)展的條件。

現(xiàn)階段，天然氣冷熱電三聯(lián)供核心設(shè)備價(jià)格及維保成本較高、大部分區(qū)域天然氣價(jià)格偏高、冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目的上網(wǎng)電價(jià)和冷熱價(jià)格的議價(jià)能力較弱等問(wèn)題，導(dǎo)致三聯(lián)供項(xiàng)目的推廣步驟比較緩慢。隨著國(guó)家推動(dòng)天然氣管網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)營(yíng)和電力體制改革，出臺(tái)系列扶持政策等措施，必將推動(dòng)天然氣冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目的迅速發(fā)展，進(jìn)而助推我國(guó)天然氣燃?xì)廨啓C(jī)及內(nèi)燃機(jī)等核心設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步與國(guó)產(chǎn)化，從而進(jìn)一步降低設(shè)備造價(jià)與維保成本，使得天然氣冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目的建設(shè)投入逐步減少。且隨著天然氣進(jìn)口通道的進(jìn)一步增加，相信未來(lái)天然氣價(jià)格會(huì)有所緩和。總體上，我國(guó)天然氣冷熱電三聯(lián)供還是有著較好的發(fā)展前景。