摘要：介绍了美国建筑燃气内燃机与燃气轮机冷热电联产系统的应用现状。从变工况下的热电效率和效率两个方面比较了MW级燃气内燃机和燃气轮机冷热电联产系统的技术性能，分析了两者在不同冷热电需求下的一次能耗。对1—3MW建筑冷热电联产系统，燃气内燃机具有明显的节能和经济效益，而燃气轮机联合循环适用于规模更大的系统。
关键词： 冷热电联产；燃气轮机；燃气内燃机； 节能
中图分类号：TU995
文献标识码：A
文章编号：1000—4416(2005)01—0039—04
　 随着我国天然气的快速开发，大力发展以天然气为一次能源的分布式冷热电联产系统的时机已经成熟。分布式冷热电联产系统的规模从数十kW到上万kW，原动机有微燃机、燃气内燃机和燃气轮机等。根据我国目前的用能状况和技术经济水平，从100kW到数千kW的小型分布式冷热电联产系统将占领我国建筑用能的主要市场。燃气内燃机和燃气轮机的热电联产技术均相当成熟，其中燃气内燃机的额定功率通常在50～5 000kW，而燃气轮机的发电功率在800kW以上。对于1000kW到数千kW的冷热电联产系统，存在两种原动机选择。本文对此功率范围内的燃气内燃机和燃气轮机冷热电联产系统的技术性能和节能与经济性进行分析。
1　应用现状
　美国从20世纪70年代开始发展冷热电联产技术，建筑冷热电联产系统是其重要的应用领域。根1999年的统计资料，美国在商业、公共建筑中已运行的分布式冷热电系统980座，总装机容量4926MW,其中内燃机系统770座，平均装机容量0.7MW;燃气轮机简单循环系统104座，平均装机容量9.0MW;燃气轮机联合循环系统27座，平均装机容量78.1MWL“。对小于15MW容量的系统，两者装机情况比较见表l，其中括号内为燃气轮机联合循环系统。

表1 美国不同规模建筑冷热电联产系统内燃机与燃气轮机装机情况比较

由表1可知，对于1 MW以下的冷热电联产系统，内燃机占据了绝对主导地位，这是由于此容量范围内的燃气轮机发电效率通常较低，节能和经济效益不明显。对1～5 MW的冷热电联产系统，燃气轮机数量大约为内燃机的一半。对于5～10 MW及以上范围，燃气轮机占据了主导地位，这是因为此范围内燃气轮机一次发电效率通常已在30%以上，如果进一步采用联合循环，整个系统的发电效率、调节灵活性和经济效益都将大大提高。

2 技术性能比较
①变工况特性比较
以3MW燃气内燃机(G3616型)和燃气轮机(Centaur 40)为对象进行比较。根据基本参数和热力学计算，两者在变工况下的热效率和发电效率比较如图l所示。

负荷率
1.燃气轮机热效率
2.燃气内燃机热效率
3.燃气内燃机发电效率
4.燃气轮机发电效率
图1-3 MW燃气内燃机和燃气轮机不同负荷率下

热效率和发电效率的比较
　由图1可知，此功率下燃气内燃机的发电效率高于燃气轮机10个百分点以上。随着负荷率的降低，两者发电效率均呈下降趋势，且下降的幅度大致相同。对于余热利用(最终烟气排放温度为120℃)，燃气轮机的余热利用效率明显高于燃气内燃机，其中燃气轮机的余热利用效率随着负荷率的降低而降低，而燃气内燃机的余热利用效率随着负荷率的降低有上升趋势。这是因为当原动机负荷率减小时，燃气轮机的进口空气流量基本保持不变，其烟气出口温度随负荷率减小而降低；而燃气内燃机的进口空气流量随负荷率减小而减小，出口烟气温度反而呈上升趋势。因此，尽管两者在额定工况下具有大致相同的热电总效率，燃气内燃机具有比燃气轮机更好的部分负荷特性。显然，对于那些冷热负荷波动较大的终端，而其系统又不能采用联合循环形式，燃气内燃机冷热电联产系统在部分负荷下将具有更高的热电效率和经济性。
②不同负荷率下炯效率比较
　 尽管内燃机一次发电效率较高，但其余热有一部分是低品位热水(温度为90—99℃)只能用于供热或作为单效吸收式制冷机组的热源，而且该部分热量份额较大，通常占总余热量的1/3～1/2。燃气轮机的余热品位较高，烟气温度一般为450—600℃,可产生参数较高的蒸汽，进一步形成燃气一蒸汽联合循环发电系统，可提高系统的发电效率。因此，单纯地以热效率和发电效率来评价它们的性能是不够的，下面从火甩的角度对两种原动机的效率进行比较。如果将烟气视为纯物质，内燃机的冷套冷却水进出口温度为85—95℃,计算得到两者在不同负荷率下的炯效率如图2所示。
　 由图2可知，在满负荷工况下，燃气轮机的炯效率高于燃气内燃机，这是由于燃气轮机的余热品位相对较高；当负荷率降低至O.8以后，燃气内燃机的炯效率高于燃气轮机，说明内燃机具有更好的部分负荷特性。当然，整个冷热电联产系统的火甩效率还取决于余热利用设备的性能和最终热(冷)利用的状态参数。环保效益是以天然气为一次能源的冷热电联产系统的一个优势，在相同发电量下，燃气内燃机的 NO。的排放浓度通常为燃气轮机的5～10倍，因此，燃气轮机在环保方面具有更大的竞争力。

负荷率
1.燃气内燃机
2.燃气轮机

图3-3 MW燃气内燃机和燃气轮机联产系统在不同热电比下燃料耗量比较

冷电比
1．燃气轮机
2．燃气内燃机

图4-3 MW燃气内燃机和燃气轮机联产系统在不同冷电比下燃料耗量比较

　图5、6还分别比较了1 MW燃气内燃机(G3516型)和燃气轮机(Saturn 20)冷热电联产系统在供热和供冷工况下，不同热(冷)电比下的燃料耗量。
　图5、6可知，对于1 MW冷热电联产系统，在任意的冷热负荷需求模式下，燃气内燃机都比燃气轮机节能，这是因为此功率下内燃机的一次发电效率比燃气轮机高13个百分点，即使在余热远远不能满足用户需求，需要投入燃气锅炉大量补燃的情形下，其整体效率也高于燃气轮机系统。

热电比
1．燃气轮机
2．燃气内燃机

图5 1 MW燃气内燃机和燃气轮机联产系统在不同热电比下燃料耗量比较

冷电比
1．燃气轮机
2．燃气内燃机

图6 1 MW燃气内燃机和燃气轮机联产系统在不同电比下燃料耗量比较
　对于更大型的冷热电联产系统，燃气轮机的一次发电效率大大提高，且采用燃气一蒸汽联合循环后系统具有更高的发电效率和调节灵活性，因而其节能特性将优于燃气内燃机系统。如Solar Taurus60型(5 MW)燃气轮机联合循环发电效率可以达到39.6%[4]，发电效率高于内燃机，此时余热锅炉的排气温度仍为160—200℃，可进一步回收其余热用于供热或供冷用途。从造价上看，目前相同功率的燃气内燃机的单位价格大约是燃气轮机机组的一半，两者的使用寿命、大修间隔基本相同，而燃气内燃机单位容量的运行维护费用略高于燃气轮机机组。因此，对于一个具体的冷热电联产项目，采用何种形式原动机需要根据全年负荷波动、当地能源价格以及环保要求做进一步的分析。

4　结论
①燃气内燃机具有比燃气轮机更好的部分负荷特性，主要体现在燃气内燃机的余热利用效率随负荷率的降低有所提高，而燃气轮机的余热利用效率随原动机负荷率的降低而降低；从炯效率的角度看，在较高的负荷工况下，燃气轮机的炯效率要高于燃气内燃机，而在低负荷运行工况下，燃气内燃机将优于燃气轮机。
②对于3MW的系统，当用户热需求在两者最大可利用余热量之间变化时，燃气内燃机在大部分区域比燃气轮机节能，只有当余热需求接近燃气轮机最大可利用余热量时，燃气轮机联产系统才比内燃机节能。对于1MW的系统，由于此功率等级下燃气轮机发电效率较低，任意情形下都不如燃气内燃机节能。对于5 MW以上的联产系统，燃气轮机可以采用联合循环形式，其整体节能特性将会优于燃气内燃机系统。