2022年分布式冷热电联供总能系统及其在节能减排中的应用 .pdf

1 分布式冷热电联供总能系统及其在节能减排中的应用韩吉田，于泽庭（山东大学能源与动力工程学院，济南250061）摘要：分布式冷热电联供总能系统（DCCHP）具有能源综合利用效率高、环境污染小和运行安全可靠等优点。本文在简述分布式冷热电联供总能系统的工作原理、主要类型和特点基础上，给出了一种新的基于高温燃料电池和吸收式制冷机的DCCHP 系统，并简要探讨了我国DCCHP 系统的发展前景，为发展适合我国国情的分布式冷热电联供总能系统提供参考。关键词：冷热电联供；总能系统；固体氧化物燃料电池；分布式能量系统Distributed CCHP System and Its Roles in Energy Efficiency and Carbon Emission ReductionHAN Jitian,YU Zeting(School of Energy and Power1 Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China)Abstract:The distributed combined cooling,heating and power generation system has many advantages,such as high energy efficiency,low pollution emissions,safe and reliable operation.This paper briefly reviews the DCCHP s working principles,main composition types,and advantages in comparison with the traditional energy conversion and utilization systems.A new type of DCCHP is presented based on the solid oxide fuel cells(SOFC)and absorption chillers.The development perspective of DCCHP in china is briefly presented,which may provide useful information for the future development of DCCHP adapting to China s national conditions.Keywords:distributed combined cooling,heating and power(DCCHP),distributed total energy systems,fuel cells,carbon capture and sequestrations 1 引言分布式冷热电联供总能系统（Distributed Combined Cooling,Heating and Power(DCCHP)Generation，DCCHP）是在 20世纪 70年代能源危机后发展起来的1。它是按照能量品位高低进行梯级利用，将制冷、供热和发电过程有机结合在一起的能源综合利用系统，从总体上安排好冷热电与物料内能等各种能量之间的匹配关系与转换利用，在系统高度上综合利用好各种能源。它不但具有节能、环保、投资少、占地面积小和运行维护方便等优点,而且比现有的集中式供能系统更加安全、经济和有效,因而受到了世界各国的普遍关注和高度重视。DCCHP总能系统被认为是解决21世纪人类面临的日益严峻的能源紧缺和环境污染难题的一种重要能源综合利用技术，美国、欧盟和日本等发达国家都已将DCCHP作为 21世纪能源领域优先发展的作者简介:韩吉田,男，博士，教授，主要研究方向为能源研究与可持续发展等，联系电话：86-531-88399060,E-mail: 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6 页 -2 重要方向之一2,3，我国也已将它列为能源领域的优先发展计划。大力发展CCHP系统已成为我国实现节能减排目标的有效途径之一，对于我国实施建设资源节约型可持续发展战略具有特别重要的意义。本文在简述分布式冷热电联供总能系统的工作原理、主要类型和特点的基础上，提出一种新的基于高温燃料电池和吸收式制冷机的总能系统，并简要探讨了我国DCCHP 系统的发展前景。2 DCCHP 系统的分类与特点分布式冷热电联供总能系统主要由动力驱动装置和余热回收利用装置等组成。目前采用的动力驱动装置主要有燃气轮机4、微型燃气轮机5、内燃机、外燃机和燃料电池等；而余热回收利用装置主要有余热锅炉、吸收式制冷机和热泵等。根据动力驱动装置和余热回收利用装置的不同，可将分布式总能系统分为如下几种模式6。2.1 燃气轮机+余热锅炉+吸收式制冷机该类DCCHP 系统主要由燃气轮机和吸收式制冷机组成（见图 1）。天然气首先驱动燃气轮机发电，发电后的排气进入余热锅炉，回收余热产生蒸汽或高温热水。在冬季由换热站利用系统所产生的蒸汽或高温热水直接加热水用于供暖，也可利用蒸汽或热水型溴化锂吸收式制冷机制出热水来供暖。在夏季则利用蒸汽或热水型溴化锂吸收式制冷机来制冷。在燃气轮机故障停运或所需热量不足的情况下，可通过备用锅炉或余热锅炉补燃的方式提供所需的热量。天然气燃气轮机发电机供电余热锅炉蒸汽换热站供暖/热水备用锅炉制冷机供冷图1 燃气轮机/吸收式制冷机模式2.2 燃气轮机+吸收式制冷机该系统也是燃料先通过燃气轮机发电（见图2），与图 1不同的是没有余热锅炉。由于溴化锂制冷机组排出的烟气温度仍然较高，因此还可以进行二次余热利用，夏季用于供应生活热水，冬季用于供暖。在燃气轮机停用或供热、制冷所需热量不够的时候，空调自身可以通过补燃产生驱动热量。因为没有锅炉及相关系统，降低了投资成本，也简化了系统。天然气燃气轮机发电机供电制冷机供冷供暖/热水图2 燃气轮机+吸收式制冷机2.3 内燃机+吸收式制冷机模式图3为内燃机作为驱动装置的总能系统示意图。油或天然气为燃料的内燃机先发电，发电后的余热利名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 6 页 -3 用包括两部分：一部分来自高温烟气，温度在500600，可直接排入余热锅炉产生蒸汽，驱动吸收式制冷机工作，另一部分来自内燃机缸套的温度为8595的冷却水和润滑油系统的温度为50 60的冷却水，可直接用来换热产生热水。通过余热回收利用，可以提高燃料的综合利用效率，同时减少排气对大气的污染作用。天然气内燃机发电机供电供冷供暖/热水溴化锂制冷机排烟烟气发动机冷却水图3 内燃机总能系统示意图2.4 燃料电池+吸收式制冷机模式图 4 是以固体氧化物燃料电池（SOFC）为驱动装置的总能系统原理图7。该总能系统主要由SOFC、换热器、溴化锂吸收式制冷机等组成。燃料电池将燃料和氧化剂的化学能转化为电能和热能，没有反应的燃料被送入后燃烧室内和空气完全燃烧，提高SOFC 排气的温度。从后燃烧室出来的高温气体预热完燃料和空气后，被送往溴化锂吸收式制冷机内，驱动制冷机工作。在提供电能供应外，可实现夏季制冷和冬季制热。热量回收余热锅炉燃料电池排气换热器1阳极阴极后燃烧室燃料空气SOFC废气换热器2图4 基于 SOFC的总能系统示意图2.5 DCCHP 系统的特点与传统的集中式发电系统和热电联供系统相比，DCCHP 系统具有以下特点：（1）能源综合利用效率高。DCCHP 系统可以实现能量的梯级利用，提高了系统的能源综合利用效率，而且由于系统靠近用户端，没有远距离输送能量引起的输配损失。（2）环境友好。总能系统多采用天然气等清洁能源为燃料，动力设备本身也可达到较高的排放标准，与常规的分产能源供应系统相比，总能系统能更好满足环保的要求。（3）装置容量较小、占地面积小和初投资少。DCCHP 系统通常是布置在紧靠用户端，系统装置容量较小，占用空间小和布置灵活，初投资少。（4）系统安全稳定性高和有利于调节用电高峰负荷。由于总能系统通常不使用电网电力，当电网发生故障时，可保证用户的供电不受影响，特别在夏季用电高峰期，可大大缓解用电高峰负荷和电网调峰的压力。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 6 页 -4 3 基于 SOFC 和吸收式制冷机的DCCHP 系统我国已对燃气轮机、内燃机和微型燃气轮机驱动的总能系统进行了研究。如天津大学主要研究了小型燃气机热泵总能系统，利用燃气机驱动螺杆或压缩式热泵进行夏季供冷、冬季供热，对系统经济性、能源利用率以及变负荷特性等方面进行了分析9-13。上海交通大学研究了燃气内燃机、微型燃气轮机与吸附式制冷机相结合的小型冷热电联供系统，重点分析了其变负荷动态特性14-21。虽然国外正在开展基于高温燃料电池的 DCCHP 系统的研究，我国对高温燃料电池驱动的总能系统研究却很少。燃料电池是将燃料的化学能通过电化学反应直接转化为电和热的电化学发电装置。由于反应过程不受卡诺循环限制，因而转换效率很高，而且燃料电池发电过程的污染物排放很少（如表1 所示），被认为是2l 世纪最有发展前景的高效清洁发电技术之一。按照电解质种类的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池（PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。由于 MCFC 和 SOFC 的工作温度高，其中 MCFC 的工作温度是600650，SOFC的工作温度是8001000，其排气余热的温度在400以上，因而特别适合在DCCHP 系统中应用。由于MCFC 和 SOFC 可以天然气、煤气、沼气等为燃料，因而 MCFC 和 SOFC 技术特别适合以煤炭为主要能源的我国国情，对于我国的节能减排工作具有特别重要的意义8。表 1 不同发电方式污染物排放比较发电类型污染物排放量（lbs/MWH）NOxCOxSOx天然气往复式发动机0.093.8 770 0 蒸汽轮机（燃料为含硫2.2%的油）3.03.7 1770 25.4 燃气轮机（燃料为含硫0.3%的油）3.76.8 2190 4.4 蒸汽汽机（燃料为煤）6.19.4 1960 2310 46.6 汽油往复发动机17.0 1700 5.0 天然气轮机3.23.5 970 0.01 燃料电池0 0 0 图 5 给出了一个高温燃料电池总能系统的原理图。该总能系统主要由固体氧化物燃料电池系统（SOFC）、换热器、溴化锂吸收式制冷机组成。燃料电池将燃料和氧化剂的化学能转化为电能和热能，没有反应的燃料被送入后燃烧室内和空气完全燃烧，提高SOFC 排气的温度。从后燃烧室出来的高温气体预热完燃料和空气后，被送往溴化锂吸收式制冷机内，驱动制冷机工作。在提供电能供应外，可实现夏季制冷和冬季制热22。研究结果表明，基于高温燃料电池的DCCHP 系统可以实现能源的梯级利用，能源综合利用效率可达80%以上9，已成为目前DCCHP 系统的重要发展方向之一，具有十分广阔的发展和应用前景。基于高温燃料电池的DCCHP 系统除了具有常规动力装置驱动的DCCHP 的特点外，还具有以下特点：反应过程简单，不像传统的发电装置需要经过许多中间的转化过程，大大降低了能源转换过程中的不可逆损失，能量转换效率高。工作温度高，可在电池内部实现燃料的重整转化过程，使电池系统简化，余热温度高利用价值大，冷热电联供系统的总效率可高达85以上燃料适应性强，不仅可使用氢气，还可以天然气、煤气等为燃料，因而MCFC 和 SOFC 不但可应用于名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -5 天然气发电和洁净煤发电技术，而且也特别适合于分布式冷热电总能系统。由于燃料电池采用模块化设计，因而建设周期短，容易扩容，便于根据冷热电负荷的实际需求而分期建设或运行。污染物排放少和低噪声。发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发发SOFCW发发发发发发发发发发发发发发发发DCAC发发发发发发发AQEQGQCQ发发发 11735624891011发11发发发发发IR-SOFC发发发abc发发发CA图5 基于 SOFC和吸收式制冷剂的总能系统原理图4 DCCHP 系统的发展前景到目前为止，世界上主要工业发达国家都在发展冷热电联供总能系统。欧盟决定到2010 年将其热电联产的比例增加1 倍，提高到总发电量的18%。美国能源部计划到2010 年将热电联产装机容量在1998 年的基础上翻一番，达到 46GW。为了实现该计划，美国政府要求新建建筑物需采用分布式冷热电联供系统，到 2020 年所有联邦政府建筑以及50%接受联邦政府资助的机构须采用该技术。日本也已建成了1000 多个平均容量477kW 的小型冷热电总能系统5,6。DCCHP 系统具有节能、环保、布置灵活和运行安全可靠调节方便等特点，符合我国的能源发展战略要求。根据我国的能源与环境现状和未来发展趋势，DCCHP 系统的应用领域主要包括：取代城区内以燃煤为主的热电厂。这些热电厂大多处在人口众多的城区，燃煤产生的污染物对城区居住环境造成了的很大影响。随着电力供应的发展，这些处在城区中的燃煤热电厂将逐步被总能系统所取代；新开发的城区。随着我国城市化步伐的的加快，建设分布式小城镇是一个必然趋势。为了避免燃煤污染，新建小区也应当优先采用集中供能；城市商业中心和高层商业建筑。该类建筑对电和冷/热的需求比较集中，数量大而时间性很强。建设冷热电联供系统，可以缓解用电高峰时的电网负担，同时降低商业中心空调系统的初投资和运行费用；分散的中小型制造工业园区。这些用户生产用电需求大，同时需要空调、制冷、热水和蒸汽；公用事业单位，如机场、医院、大学校园等。这些机构对电、热、冷三种负荷的需求比较集中，而且用能负荷的时间性很强；作为后备电站使用。在分时电价结构下，大型用户可以将其负荷结构进行分类，在高电价的高峰负荷时段，使用总能系统来降低用电费用，同时也可缓解对电网的需求压力，均衡电网的电力负荷，可以起到经济和环保的调峰作用。随着西气东输工程的顺利进行和液化天然气的引进，中国能源结构调整力度将进一步加强。为了实现天然气的高效利用，北京、上海等地区率先开展了DCCHP 系统的示范性项目建设，如北京已建成燃气集团监控中心、次渠门站综合楼项目，上海已建成浦东国际机场、环球国际金融中心等分布式冷热电项目。这些项目的成功实现将对我国总能系统的发展起到很好的示范和推动作用。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 6 页 -6 5 结束语分布式冷热电总能系统可以实现能源的梯级利用，具有能源综合利用效率高、污染物排放低、布置灵活和运行安全可靠等优点，对于我国实施资源节约型可持续发展战略具有特别重要的意义。由于（微型）燃气轮机和高温燃料电池具有许多其它动力驱动装置所不具有的优点，随着微型燃气轮机技术和燃料电池技术的发展，基于微型燃气轮机和SOFC 等高温燃料电池的冷热电联供总能系统将是能源可持续发展领域中的重要发展方向之一，具有非常重要的研究意义和广阔的发展应用前景。我国应该抓住机遇，加快DCCHP 系统的研发步伐，为我国能源与环境的可持续发展开辟新路。参考文献1江丽霞，金红光，蔡睿贤冷热电三联供系统特性分析与设计优化研究J工程热物理学报，2002，6(增)：21-242冉鹏，张树芳，郭江龙，等分布式能源系统的研究现状与应用前景J 热力发电，2005，34(3)：1-33Honton E J.Energy Balance and Cogeneration for a Cement Plant J.Applied Thermal Engineering,2002,22(5):485-494.4Yunho H.Potential Energy Benefits of Integrated Refrigeration System with Microturbine and Absorption Chiller J.Int.J.of Refrigeration,2004,24(8):816 829.5Honton E.J.Micro and mini turbine technology EB/OL.http:/www.distributed-.6韩吉田，康兴娜，于泽庭分布式冷热电联供总能系统的发展J山东电力技术，2008，6：66-687于泽庭，韩吉田固体氧化物燃料电池电热冷联供总能系统的分析J太阳能学报，2007，28（6）：648-6538于泽庭，韩吉田熔融碳酸盐燃料电池总能系统的热力学分析J山东大学学报(工学版)，2006，36(6)：28-319 Yu Z T,Han J T,Cao X Q,et al.Analysis of total energy system based on solid oxide fuel cell for combined cooling,heating and power applicationsJ.Int.J.of Hydrogen Energy,2010,35(7):2703-2707.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 6 页 -