技术解决方案
分布式热电冷联产是国际能源技术的前沿性成果，是实现能源梯级利用的整合优化方案，是信息时代的能源体系，也是解决我国能源工业可持续发展的重要技术。北京正在筹办奥运会，这一技术为解决首都的能源环境问题，实现“绿色奥运”和“科技奥运”，提供了有效的技术支持。为研究这一先进技术，作为我国最高的电力学府，应为这一技术的完善和发展，以及在中国的应用进行全面的研究和实验。为此，计划建设一个8,000平方米科技楼的分布式热电冷联产实验—师范工程。
通过该“实验—师范工程”的研究，将为国家电力管制局、北京及各地政府、国家电力公司、国家电网公司对于发展该技术的合理配套政策的颁布和制度的制定，提供技术依据。
一、技术设备选型：
采用微型燃气轮机：微型燃气轮机是世界各国发展分布式能源系统的主要技术，它具有体积小、效率高、技术成熟、运行可靠、自动化程度高的优点，适合布置在用户端。
推荐机组：英国宝曼（Bowman）TG80微型燃气轮机。该机组发电容量80kW、供热容量150-420kW，适合2,000-10,000平方米建筑的热电冷需求及变化。
机组数量：采用两台微型燃气轮机。双机组运行，便于模拟多机组同步运行状况，可进行多种联机实验，以及多机组运行控制匹配研究测试。同时，提高实验建筑的热电冷供应的可靠性。
制冷供暖方式：采用余热吸收式溴化锂空调机组。燃气轮机排出的高温余热烟气直接排入余热吸收式溴化锂空调，利用余热转换7℃冷水为建筑物制冷，或生产80℃热水用于采暖，并利用低品位余热生产50℃生活热水，以满足全校师生的24小时热水供应。
此外，可以使用热泵，进一步利用更低品位的能量。
推荐机组：远大VII型余热吸收式溴化锂空调机组。远大公司生产该类机组多台，供应美国能源部项目，具有一定的配套经验。
二、配套方案：
采用2台微型燃气轮机，各串列连接一台余热吸收式溴化锂空调机组，组成两套独立运行单元。每套单元可以满足楼宇80%的设计冷、热需求。2套系统可以同步运行，也可以单独运行。该系统可以利用对于能量，为周边建筑提供冷、热和电力支持，并可利用低品位热量和夏季冷却水中的热量，为全校供应生活热水。
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三、设备概括：
1、TG80微型燃气轮机：
宝曼动力系统公司是从事研制微型透平系列发电系统的英国高技术公司，其装机容量可以从25千瓦到500千瓦，主要用于用户端发电设施和移动电源设备的研发。这些系统基于微型燃气轮机和高转速永磁发电机技术, 回热提效技术，以及有关的电子变频及控制技术。在能源利用方面，它们可以提供高效、经济、可靠的电力供应，同时供应采暖和制冷的能量。
| 项目 | 单位 | 技术指标 |
| 发电出力 | kW | 80 |
| 发电效率 | % | 28 |
| 排烟温度 | ℃ | 275-615 |
| 转速 | rpm | 68000 |
| 烟气流量 | kg/hrs | 3042 |
| 热电综合效率 | % | 75-89 |
| 氮氧化物 | ppm | 25 |
| 长 | mm | 2000 |
| 宽 | mm | 800 |
| 高 | mm | 1600 |
| 重 | kg | < 800 |
宝曼TG80具有回热器可调节的优势，不使用回热器，微型燃气轮机效率为16%，在使用回热器后，效率可以提高到28%。在保持80kW出力的前提下，通过调节回热器和燃料量，供热量从150kW增加到420kW，排烟温度也从275℃，提高到615℃，以满足建筑物对冷和热的变化。
| 回热器关闭程度 | % | 0 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 |
| 回热器进口温度 | ℃ | 615 | 615 | 615 | 615 | 615 | 615 |
| 回热器出口温度 | ℃ | 278 | 352 | 426 | 484 | 547 | 615 |
| 输出热量 | kW | 155 | 216 | 277 | 323 | 372 | 425 |
| 制冷COP | 0.75 | 0.86 | 0.97 | 1.08 | 1.19 | 1.3 | |
| 制冷量 | kW | 116.25 | 185.76 | 268.69 | 348.84 | 442.68 | 552.5 |
| 发电出力 | kW | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 |
| 发电效率 | % | 24.28 | 21.59 | 19.64 | 17.60 | 15.80 | 14.10 |
| 燃料低热值 | mJ/m3 | 34.88 | 34.88 | 34.88 | 34.88 | 34.88 | 34.88 |
| 天然气耗量 | m3 | 34 | 38.25 | 42.04 | 46.91 | 52.26 | 58.56 |
| 燃耗 | mJ | 1185.92 | 1334.16 | 1466.36 | 1636.22 | 1822.83 | 2042.57 |
| 热电综合效率 | % | 71.34 | 79.87 | 87.65 | 88.67 | 89.27 | 89.01 |
| 压缩机电耗 | kW | 4.10 | 4.61 | 5.07 | 5.65 | 6.30 | 7.06 |
| 净供电量 | kW | 75.90 | 75.39 | 74.93 | 74.35 | 73.70 | 72.94 |
| 净发电效率 | % | 23.04 | 20.34 | 18.40 | 16.36 | 14.56 | 12.86 |
| 净热电效率 | % | 70.09 | 78.63 | 86.40 | 87.42 | 88.02 | 87.76 |
| 净电冷效率 | % | 58.33 | 70.47 | 84.36 | 93.11 | 101.98 | 110.23 |
系统示意 | 工艺示意图 |
宝曼微燃机热具有自动调峰、调频功能，可以根据楼宇对热、电、冷、热水的需求自动进行调节，无须专人职守。电力接入380V楼内自用电力系统，电力上网可以保证安全。
微燃机可以利用自身增压机从低压天然气管网采气，进口压力为5kg/cm，无须另外配置天然气增压设备。
2、余热溴化锂吸收式空调机：
微燃机配套的余热溴化锂吸收式空调机，远大已经开发了100万大卡以下的多种配套设施，其中通过美国能源部向马里兰州大学和南加州提供了设备，并即将向四川发货两台100万大卡的同类设备。三洋也有同类产品。
采用1台微燃机拖带1台余热溴化锂吸收式空调机联合循环方案，使用75万大卡级余热溴化锂吸收式空调机。
75万大卡级余热溴化锂吸收式空调机基本数据（参考远大VII型）
四、需求分析：
华北电力大学将该系统安装在一教学实验大楼中，建筑面积8,000平方米。教学实验建筑层高较高、计算机较多，人员流动量比较大，因此单位能量需要比较高。下表中，平均应用用电、制冷和采暖标准是根据北京地区的一些项目得到的预计值，作为参考数据。
需求分析
五、机组供能平衡能力：
总体而言，1套TG80机组基本可以满足8,000平方米建筑物应用标准的基本热力和制冷需求，采用2套系统，可以更加安全可靠的供应电力和热能。
TG80供热制冷平衡图
供需能力分析
通过上表分析可以得到结果，本系统除电力不能满足建筑需求外，热力和制冷均可满足需求。
六、设备造价：
根据英国宝曼动力公司2002年2月报价，由于是否需要采用燃气压缩机，取决与项目从主管道接气的情况，价格计算时考虑采用压缩机。华北电力大学作为研究项目进口设备可以免税。
其投资合算标准如下：
燃气轮机设备造价
远大余热溴化锂吸收式空调机按每制冷大卡一元计算，辅助冷却系统按每台机15万元计算，安装施工费用按制冷系统总造价10%考虑，其工程总费用如下：
热电冷系统总造价
七、经济性分析：
1、天然气价格：北京燃气集团为扩大天然气市场，将对夏季利用天然气给予优惠气价，预计冬季5个月为正常气价，夏季7个月为优惠气价。
| 冬季气价 | 元/m3 | 1.8 |
| 冬季周期 | 月 | 5 |
| 夏季气价 | 元/m3 | 1.4 |
| 夏季周期 | 月 | 7 |
| 应用气价 | 元/m3 | 1.57 |
2、热价与冷价：北京采用天然气采暖费用为30元/a/m2，按此推算，热价为0.208元/kWh。按此热价，采用吸收制冷低于采用小型电力空调制冷成本。
| 采暖费 | 元/a/m2 | 30 |
| 供暖周期 | 日 | 120 |
| 小时 | 2,880 | |
| 平均供暖量 | w/m2/h | 50 |
| 热价 | 元/kWh | 0.208 |
| 热制冷价 | 元/kWh | 0.164 |
| 电制冷价 | 元/kWh | 0.177 |
3、其他计算条件：
| 电价 | 元/kWh | 0.530 |
| 热价 | 元/kWh | 0.208 |
| 燃气价 | 元/m3 | 1.57 |
| 系统造价 | 元 | 2,076,185 |
| 燃机造价 | 元 | 1,457,105 |
| 采暖周期 | hrs/年 | 3,600 |
| 制冷周期 | hrs/年 | 2,112 |
| 利用时间 | hrs/年 | 5,712 |
4、投资回收：下表为一套系统的造价。燃气轮机发电系统投资回收期为6.11年，全部热电冷系统投资回收周期为10.87年，如果实行峰谷电价，投资回收期将大大减短。
| 回热率 | % | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
| 输出电力 | kW | 75.90 | 75.65 | 75.39 | 75.16 | 74.93 | 74.64 | 74.35 | 74.03 | 73.70 | 73.32 | 72.94 |
| 天然气耗量 | m3/hrs | 34 | 36.13 | 38.25 | 40.15 | 42.04 | 44.48 | 46.91 | 49.59 | 52.26 | 55.41 | 58.56 |
| 发电收入 | 元/hrs | 40.23 | 40.09 | 39.96 | 39.83 | 39.71 | 39.56 | 39.41 | 39.23 | 39.06 | 38.86 | 38.66 |
| 供热收入 | 元/hrs | 22.14 | 30.05 | 37.96 | 45.78 | 53.61 | 60.76 | 67.90 | 75.41 | 82.92 | 91.18 | 99.44 |
| 燃料成本 | 元/hrs | 53.27 | 56.60 | 59.93 | 62.89 | 65.86 | 69.68 | 73.49 | 77.68 | 81.87 | 86.81 | 91.74 |
| 运营成本 | 元/hrs | 3.42 | 3.40 | 3.39 | 3.38 | 3.37 | 3.36 | 3.35 | 3.33 | 3.32 | 3.30 | 3.28 |
| 小时收益 | 元/hrs | 5.69 | 10.14 | 14.60 | 19.34 | 24.09 | 27.28 | 30.47 | 33.63 | 36.79 | 39.93 | 43.07 |
| 总投资回收周期 | hrs | 233089 | 130674 | 90785 | 68519 | 55024 | 48588 | 43500 | 39411 | 36024 | 33191 | 30770 |
| 燃机回收周期 | hrs | 130905 | 73388 | 50986 | 38481 | 30902 | 27287 | 24430 | 22133 | 20232 | 18640 | 17281 |
| 设备回收周期 | a | 34.44 | 19.31 | 13.41 | 10.12 | 8.13 | 7.18 | 6.43 | 5.82 | 5.32 | 4.90 | 4.55 |
| 燃机回收周期 | a | 19.34 | 10.84 | 7.53 | 5.69 | 4.57 | 4.03 | 3.61 | 3.27 | 2.99 | 2.75 | 2.55 |
上表说明，发电效率对于投资回收不是主要因素，其综合效率越高，投资偿还周期越短。因此，扩大本系统的制冷供热面积可以提高其经济性。
5、其他能源供应方式的投资比较：采用热电冷方案实际与其他能源供应方式的投资增加不是很大，可以从中减少不少投资。
| 项目 | 单位 | 小燃机 热电冷 | 购电 锅炉 空调 | 购电 集中供热 电空调 | 购电 集中供热 蒸汽空调 | 购电 直燃机 |
| 建筑面积 | m2 | 8000 | ||||
| 电力增容费（kVA） | 元/kVA | 330 | 330 | 330 | 330 | 330 |
| 功率系数 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | |
| 电力增容费（kW） | 元/kW | 412.5 | 412.5 | 412.5 | 412.5 | 412.5 |
| 制冷容量 | kW | 960 | 960 | |||
| COP | 3 | 3 | ||||
| 折合电空调容量 | kW | 320 | 320 | |||
| 空调电力增容费 | 元 | 132,000 | 132,000 | |||
| 燃机发电容量 | kW | 145.88 | ||||
| 发电系统减少增容费 | 元 | -60,176 | ||||
| 第二路电力施工费 | 元/km | 1,700,000 | 1,700,000 | 1,700,000 | 1,700,000 | |
| 平均建设长度 | km | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | |
| 辅助电力施工费 | 元 | 850,000 | 850,000 | 850,000 | 850,000 | |
| 集中采暖配套费 | 元/m2 | 90 | 90 | |||
| 节约集中采暖费 | 元 | 720,000 | 720,000 | |||
| 集中制冷设备单位投资 | 元/m2 | 140.7 | 140.7 | 140.7 | ||
| 集中制冷设备投资 | 元 | 1,125,600 | 1,125,600 | 1,125,600 | ||
| 分散制冷设备单位投资 | 元/m2 | 100 | 100 | |||
| 分散制冷设备投资 | 元 | 800,000 | 800,000 | |||
| 燃气锅炉投资 | 元 | 400,000 | ||||
| 燃气轮机投资 | 元 | 2,914,210 | ||||
| 设备安装费 | 元 | 112,560 | 112,560 | 112,560 | 112,560 | |
| 实际投资 | 元 | 4,092,195 | 1,762,560 | 2,370,000 | 2,808,160 | 2,088,160 |
| 增加投资额 | 元 | 2,329,635 | 0 | 607,440 | 1,045,600 | 325,600 |
6、运行费用比较：
| 项目 | 单位 | 微燃机 热电冷 | 购电 锅炉 空调 | 购电 集中供热 电空调 | 购电 集中供热 蒸汽空调 | 购电 直燃机 |
| 供电量 | kW | 145.88 | -145.88 | -145.88 | -145.88 | -145.88 |
| 预计年设备发电小时 | hrs | 5712 | 5712 | 5712 | 5712 | 5712 |
| 年发电购电量 | kWh | 833,267 | -833,267 | -833,267 | -833,267 | -833,267 |
| 平均电价 | 元/kWh | 0.53 | 0.53 | 0.53 | 0.53 | 0.53 |
| 年发购电收入支出 | 元 | 441,631 | -441,631 | -441,631 | -441,631 | -441,631 |
| 供暖功率 | kW | 440 | 440 | 440 | 440 | 440 |
| 预计年设备供热小时 | hrs | 3600 | 3600 | 3600 | 3600 | 3600 |
| 年供热量 | kWh | 1,584,000 | 1,584,000 | 1,584,000 | 1,584,000 | 1,584,000 |
| 热价 | 元/kWh | 0.2083 | 0.2185 | 0.2083 | 0.2083 | 0.2185 |
| 供热收入 | 元 | 330,000 | 346,183 | -346,183 | -346,183 | 330,000 |
| 总制冷功率 | kW | 680 | 680 | 680 | 680 | 680 |
| 预计设备制冷小时 | hrs | 2112 | 2112 | 2112 | 2112 | 2112 |
| 年制冷量 | kWh | 1,436,160 | 1,436,160 | 1,436,160 | 1,436,160 | 1,436,160 |
| 冷价 | 元/kWh | 0.1636 | 0.1767 | 0.1767 | 0.2083 | 0.1636 |
| 制冷收入 | 元 | 234,980 | -253,722 | -253,722 | -299,200 | 234,980 |
| 天然气总耗量 | m3/hrs | 79.30 | 53.42 | 0 | 0 | 53.42 |
| 天然气价格 | 元/M3 | 1.57 | 1.8 | 0 | 0 | 1.57 |
| 年耗气量 | M3 | 452,977 | 192,324 | 0 | 0 | 305,154 |
| 年燃料成本 | 元 | -709,634 | -346,183 | -478,054 | ||
| 小时运行费用 | 元/hrs | 5.84 | 2.92 | 1.46 | 0.73 | 2.92 |
| 年运行费用 | 元 | -33,331 | -16,665 | -8,333 | -4,166 | -16,665 |
| 自营总支出 | 元 | -742,964 | -1,058,201 | -1,049,869 | -1,091,181 | -936,351 |
| 自营节约支出 | 元 | 315,237 | 0 | 8,333 | -41,312 | 121,850 |
八、环境保护：
微型燃气轮机的排放非常低，NOx 的排放可以达到16-25ppm，北京新颁布了地方《锅炉污染物综合排放标准（DB11/139-2002）》，燃烧天然气的锅炉NOx 的排放不得超过200毫克/立方米，这是一般天然气锅炉难以达到的标准，而微型燃气轮机排放可以满足该标准。
九、结论：
华北电力大学可以根据资金情况选择一套或两套热电冷系统，作为一个既能供应热电冷，又能进行科学实验的师范性工程，有着非常好的前景。
