燃气轮机冷热电联产技术分析

燃气轮机冷热电联产技术分析

摘要：任何一个企业或家庭，对于能源的需求都是多样的，需要电力、采暖热力、空调制冷、生活热水，炊事燃气等等。这些需求在传统工业社会中是通过明

确的社会分工，由各个专业企业分别加以解决。但是最大的问题是能源利用效率低、设备使用效率低，从而带来资源和资金的浪费，以及环境污染的加剧等。本

文主要探讨的就是关于燃气轮机冷热电联产技术的剖析。

关键词：燃气轮机；冷热电联产技术

引言：

世界各国的能源环境专家普遍认为：应将需求供应整合优化，实现能源和温度对口梯级

利用，就近供能减少中间环节损耗，这将是解决问题的最好手段。燃气轮机热电联产系统既

可以单独使用，承担给一栋大楼或一个小区同时提供热、电两种能量的任务；更可作为分布

式电源的一种，以一个子系统的身份和其它的分布式电源一起在分布式能源系统中发挥作用。毫无疑问，以小型或微型燃气轮机为主要动力装置的分布式热电联产系统必将具有很大的发

展潜力。

1.燃气轮机热电联产系统的工作原理

1.1燃气轮机发电机组的工作原理

热电联产系统按照功能可以分成两个子系统：动力系统（发电）和供热系统（供暖、热水、通风等）。动力系统处于联产系统的顶端，通常根据动力系统确定联产系统所采用的技术。联供技术的采用取决于许多因素，包括：电负荷大小、负荷的变化情况、空间的要求、

热需求的种类及数量、对排放的要求、采用的燃料、经济性和并网情况等。以燃气轮机为原

动机的分布式联产系统的主要原动机又可以分为两类：小型燃气轮机和微型燃气轮机。下面

分别介绍其工作原理。

1.1.1燃气轮机发电机组的工作原理

（1）工作原理

燃气轮机是以气体作为工质、把燃料燃烧时释放出来的热量转变为有用功的动力机械。

它由压气机、燃烧室和透平等部件组成。空气被压气机连续地吸入和压缩，压力升高，接着

流入燃烧室，在其中与燃料混合燃烧成为高温燃气，再流入透平中膨胀做功，压力降低，最

后排至大气。由于加热后的高温燃气做功能力显著提高，燃气在透平中的膨胀功大于压气机

压空气所消耗的功，因而使透平在带动压气机后有多余的功率带动发电机转动。

1.1.2燃气轮机发电机组的工作原理

（1）工作原理和参数

简单循环燃气轮机的透平排气温度很高，因此透平排气带走的热量很多，这就是简单循

环燃气轮机效率较低的原因。利用透平排气余热的方法很多，其中之一是采用回热器（即热

交换器）将透平的排气加热即将进入燃烧室的空气，部分地回收了透平排气的余热，这可以

显著地提高燃气轮机的经济性。具体参数见下图2：

2.燃气轮机冷热电联产系统技术分析

热力系统的性能分析主要包括设计工况和变工况两大类，二者的前提和目标都有着本质

的区别。设计工况是一种基准工况，其目的是对硬件设备提出明确要求。变工况分析研究是

在系统硬件条件确定的情况下，研究系统偏离设计工况时其它运行工况（包括过渡工况）的

热力学性能、经济性能以及安全性等，其目的是为优化系统运行提供依据。全工况概念涵盖

系统所有的可能运行情况，并对不同的运行情况按运行时间长短进行了加权处理，因此可以

更科学地描述复杂系统的工况特性。衡量一个系统性能的好坏，不仅要看它在设计工况性能

方面的好坏，而且还要看它在全工况条件下的工作性能如何。

冷热电联产系统主要应用于建筑能源领域，建筑中冷、热能应用的目的是为了获得舒适

的生活、工作环境，而这种要求与用户的工作、生活周期和外界的环境温度有很大的关系；

环境温度在不同的月份，甚至在一天的不同时段都有较大的不同；因此，联产系统的冷、热

需求长期处于波动状态。建筑负荷中冷、热需求在全部需求中占有相当大的比重；目前国内

联产系统提供的电力很难并入大电网，联产系统主要采用“以冷（或热）定电”的方式运行；

因此，联产系统的运行工况长期处于变化之中。与传统的以工业用热为主要热负荷的功热并

供系统相比，由于更多的在变工况下运行，冷熟电联产系统对全工况的要求更高。

冷热电联产系统由动力子系统、供热子系统、制冷予系统等各自相对独立的子系统共同

构成，这些子系统的性能必然对联产系统总体性能产生影响。子系统性能变化时，联产系统

的性能就随之而变。因此，必须在各个子系统变工况的基础上分析联产系统的变工况性能。

2.1燃气轮机的变工况特性

可用于冷热电联产系统的燃气轮机种类、型号繁多，由于不同厂商技术水平的巨大差异，不同型号的燃气轮机性能也有很大的不同。特定型号的燃气轮机变工况特性曲线很难得到，

而变工况显式解析解虽然不能准确表达任何一种具体燃气轮机的变工况特性，但是它相当典

型的表达了这种动力装置的通用特性，足以反映燃气轮机性能的变化规律。

2.2冷热电联产系统变工况分析

燃气轮机位于冷热电联产系统的顶端，制冷、供热子系统利用的是燃气轮机排气中的热量。制冷、供热子系统对燃气轮机的影响主要在于：在“以冷（热）定电”方式运行时，冷

（或热）负荷确定后，制冷、供热子系统的性能变化将改变对输入热源，即对燃气轮机排气

温度、流量等参数的要求，从而影响燃气轮机型号或工况的选取。当不考虑供、需负荷匹配

的时候，基本上可以认为制冷、供热子系统对燃气轮机没有影响，因此燃气轮机可以独立计算。余热锅炉和蒸汽型溴化锂机组紧密的联系在一起：用于驱动溴化锂机组运转的饱和蒸汽

在加热、蒸发溴化锂稀溶液后冷凝为液态水，冷凝水返回到余热锅炉受热、蒸发，然后再次

进入溴化锂机组充当驱动热源。因此，余热锅炉和溴化锂机组在进行变工况计算时，需要一

起迭代求解。简单循环燃气轮机和回热循环燃气轮机性能差异较大，联产系统变工况按照这

两种机组分别进行研究。由于回热器的存在，回热循环燃气轮机的总压恢复系数通常较简单

循环的大：设计工况不含回热器部分的压力保持系数取为0.94；回热器空气侧压力保持系数

为0.98，燃气侧的为0.96。

2.3冷热电联产系统全工况分析

由于环境大气条件、用户需求或各子系统设备本身的变动，冷热电联产系统更多的是在

非设计工况下运行，因此突破设计工况的框架，全面考虑所有可能运行区域特性的新方法显

得更为重要和实用。

冷热电联产系统是一种直接面向用户的能源供应系统，而不同地区、不同行业的用户冷、热需求将存在很大的差异，在应用中应该因地制宜，考虑不同用户的特殊需求。

3.总结语

冷热电联产将制冷、供热（采暖及热水）及发电三者合为一体，大大提高了能源的利用

效率，降低了用户在能源方面的支出，而且冷热电的比例可以灵活调节，可为不同的用户量

身定做冷热电联产系统，满足不同的能源需求，因而有广阔的发展前景。

我国现在要加快发展天然气、煤层气，积极引进液化天然气和管道天然气。发展天然气

冷热电联产技术，可以合理有效地利用天然气，提高一次能源利用率。

参考文献

[1]李朋，减向东，刘幸拯，刘丽红.分布式热电联产中热电比的确定[J].燃气轮机技术，2005，18（4）：43-46.

[2]鲁德宏，王领全，郝薇，郑洁.基于燃气轮机的热电冷联产的技术经济评价[J].节能与环保，2005，10（8）：8-10.

[3]孙建国，冯志兵.冷热电联产系统的发展及前景[J].燃气轮机技术，2006，19（2）：11-17，43.