热泵在燃气冷热电联供系统的应用_工程实践

摘要

摘要：介绍了某生态园燃气冷热电联供能源站的技术方案。采用水源热泵利用夜间城市电网低谷电进行蓄冷、蓄热，白天用于供冷、供热，延长了燃气发电机组的运行时间，降低了运行成本，提

摘要：介绍了某生态园燃气冷热电联供能源站的技术方案。采用水源热泵利用夜间城市电网低谷电进行蓄冷、蓄热，白天用于供冷、供热，延长了燃气发电机组的运行时间，降低了运行成本，提高了供冷、供热的安全可靠性。

关键词：燃气冷热电联供系统；燃气发电机组；热泵

Application of Heat Pump in Gas-fired Combined Cooling，Heating and Power System

YANG Jie，WANG Zheng，LIANG Yongjian，BAI Liying

Abstract：The technical scheme of gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)systern applied in an ecological garden is introduced.Heat and cold generated by valley electricity from electric network are stored by water-source heat pump at night and supplied as complements in the daytime.Thus，the running time of the gas-fired electricity generator is extended，the cost is reduced，and the safety of heat and cold supply is improved.

Key words：gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)system；gas-fired electricity generator；heat pump

1 工程概况

随着《中华人民共和国节约能源法》的修订实施，国家对节能工作提出了更高的要求。降低建筑能耗是节能工作的一项重要任务，为提高能源综合利用率，燃气冷热电联供技术受到高度关注^[1～6]，行业标准CJJ 145—2010《燃气冷热电三联供工程技术规程》自2011年3月1日起实施。北京市自1999年以来开始着手进行燃气冷热电联供系统的调研和工程试点工作，先后有燃气集团指挥调度中心、文津国际大厦、北京会议中心9号楼、京丰宾馆、蟹岛绿色生态园等多项燃气冷热电联供工程实施。

蟹岛绿色生态园位于北京市朝阳区金盏乡机场辅路中段南侧，距首都国际机场7km，集种植、养殖、餐饮、住宿、娱乐、会议接待为一体。为满足生态园游泳馆、会议楼、文化中心、俱乐部及宾馆(总建筑面积为9.2×10⁴m²)的冷热负荷(设计总冷负荷为12588kW，设计总热负荷为9027kW)，并考虑生态园用电需求，在生态园人工湖畔建设燃气冷热电联供能源站。能源站于2009年底竣工，2010年1月成功投入运行，是世界银行“北京环境二期项目”中“高效燃气能源技术推广的技术支持”子项目的示范工程。目前，能源站由北京蟹岛集团公司管理。

2 能源站技术方案

2.1 系统流程

能源站主要设备见表1。能源站优先利用1360kW燃气发电机组(采用燃气内燃机)发电余热(烟气、缸套冷却水)通过烟气热水型溴化锂吸收式冷热水机组(以下简称溴化锂机组)供应冷量、热量。燃气发电机组出口烟道以及冷却水管道上分别安装调节阀，根据负荷变化情况，调节烟气、冷却水流量。燃气锅炉房作为生活热水和供热系统的备用热源。燃气发电机组设有备用冷却系统，冷却水源为蟹岛人工湖水，人工湖水同时作为热泵机组冷热源。

表1 能源站主要设备

名称	主要技术参数	数量/台
燃气发电机组	发电功率为1360kW	2
燃气发电机组	发电功率为360kW	2
溴化锂机组	制冷能力为1740kW，制热能力为1400kW	2
热泵	制冷能力为1590kW，制热能力为2050kW	6
燃气锅炉	热功率为4.2MW	1
燃气锅炉	热功率为2.8MW	1

能源站设1路10kV高压进线，燃气发电机组经2台容量为2000kVA变压器升压后分别接入10kV配电母线与市电并网运行，每台变压器各接入1台1360kW及1台360kW燃气发电机组。燃气发电机组采用并网不上网的方式(或独立运行方式)，在10kV进线侧设有逆功率保护装置，防止向城市电网送电。燃气发电机组发电在生态园范围内使用，除能源站设备用电外，用于生态园的为外供电量，不足部分由城市电网补充。为充分利用城市电网低谷时段电，并考虑夜间冷热负荷较低，通常夜间燃气发电机组不工作，热泵利用城市电网低谷电进行蓄冷、蓄热，蓄冷热装置采用共用方式。能源站系统流程见图1。

2.2 生活热水流程

360kW燃气发电机组只用于发电和制备生活热水，其内置换热器，利用余热制备生活热水，与现有太阳能热水系统联合供应生活热水，不足部分由燃气锅炉房补充。由于生活热水负荷波动较大，因此设置了生活热水储罐，以保证燃气发电机组余热的充分利用。当生活热水负荷较低时，将利用余热制备的生活热水储存在生活热水储罐中，避免了燃气发电机组余热的浪费。

2.3 供冷供热流程

① 夏季供冷

在白天，利用1360kW燃气发电机组余热通过溴化锂机组供冷，并开启蓄冷装置进行供冷，不足部分由热泵补充。

在夜间，城市电网低谷电价时段，热泵利用人工湖水作为热源通过蓄冷装置蓄冷，燃气发电机组不开启。系统不单独设置热泵机组制备空蒯系统冷水，而是将空调系统冷水与蓄冷装置换热后向空调系统末端供冷，这样简化了系统流程，热泵机组之间能互为备用。

② 冬季供热

在白天，利用1360kW燃气发电机组发电余热通过溴化锂机组供热，热泵利用蓄热装置作为热源供热，而不再采用人工湖水作为冷源。

在夜间，城市电网低谷电价时段，热泵利用人工湖水作为冷源通过蓄热装置蓄热，燃气发电机组不开启。空调系统热水同样来自蓄热装置，不单独设置热泵机组制备空调系统热水。对于严寒期，夜间无法采用人工湖水作为热泵冷源蓄热时，全天采用燃气锅炉房供热。

3 热泵应用特点分析

蟹岛能源站采用热泵配合蓄冷、蓄热装置供冷、供热，在技术经济方面具有以下特点。

① 延长燃气发电机组运行时间

燃气发电机组是燃气冷热电联供系统中造价最高的设备之一，为充分发挥其作用，必须保证燃气发电机组达到一定的运行时间。有资料显示，燃气冷热电联供项目应保证燃气发电机组年运行时间达到3500h甚至4000h以上。因此，准确的负荷分析和合理的燃气发电机组容量选择是燃气冷热电联供项目成功的关键。该项目燃气发电机组的年满负荷运行时间为3830h。若不采用热泵机组，而采用电制冷机+燃气锅炉房供应冷热量。因发电机追踪负荷情况运行，当电负荷不高时，发电机不能满负荷运行。在本工程中，夏季采用电制冷机和热泵组同样为电制冷，发电机夏季运行工况不变。冬季若不使用热泵机组而使用燃气锅炉供热，实际用电负荷减小，导致发电机负载下降，满负荷运行时间缩短。燃气发电机组年满负荷运行时间将缩短至3260h。

② 提高项目经济效益

燃气冷热电联供系统除了在提高能源综合利用率、节能、环保等方面的贡献较大以外，还可创造一定的经济效益。能源站采用热泵配合蓄冷热装置供应冷热量，对比采用电制冷机+燃气锅炉房的方式，能源站的主要技术数据见表2。由表2可知，若不采用热泵配合蓄冷热装置，冬季燃气发电机组开机时间缩短，余热减少，不足热量全部由燃气锅炉供应。对于能源站运行成本，虽然燃气发电机组耗气量减少，但供热耗气量增加，年耗气量增加36×10⁴m³/a，燃气成本增加。对于能源站收益，若不采用热泵配合蓄冷热装置，由于燃气发电机组运行时间缩短，年外供电量减少265×10⁴kW·h/a，能源站收益大幅下降。

表2 采用两种冷热源的能源站主要技术数据

冷热源	热泵+蓄冷热装置	电制冷机+燃气锅炉房
年发电量/(kW·h·a^-1)	1017×10⁴	865×10⁴
年外供电量/(kW·h·a^-1)	705×10⁴	440×10⁴
年耗气量/(m³·a^-1)	314.8×10⁴	350.8×10⁴
能源站年自耗电量(包括城市电网电)/(kW·h·a^-1)	618.4×10⁴	473.9×10⁴

③ 提高供能安全性

能源站在设备配置上，无论冬夏季，都实现了电能和天然气双能源供应冷热量，但热泵和溴化锂机组并不是互为备用，而是共同运行满足冷热负荷。在实际运行中，冷热负荷达到最大值只有较短的时间，因此在较长时段内，蟹岛能源站可以选择只用电能或只用燃气供应冷热量。既保证了冷热量供应的安全性，还可根据电能和天然气价格的变化随时调整运行策略，以达到经济效益的最优化。

4 结论

① 该项目采用燃气冷热电联供的供能方式，解决了电力供应紧张的问题，具有良好的经济效益。

② 采用燃气发电机组为热泵供电，为应用可再生能源提供了更有利的条件。热泵配合蓄冷热装置可以起到延长燃气发电机组工作时间、提高能源站经济效益、提高供能安全性等作用。

③ 蟹岛能源站已投入运行，它的成功实施，提供了燃气冷热电联供能源站配置新模式，为燃气冷热电联供项目的发展起到示范和推动作用。

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(本文作者：杨杰王峥梁永健白丽莹北京市煤气热力工程设计院有限公司北京 100032)