冷热电联供（CCHP）系统是一种基于能量梯级利用原理、同时向用户提供电力、供热和制冷三种能源产品的分布式供能方式，其一次能源利用率可达80%以上。以燃气-蒸汽联合循环为核心的CCHP系统因发电效率高、余热品质好、调节能力强，已成为分布式能源领域的主流技术路线之一。本文系统梳理了CCHP联合循环系统的技术原理、研究现状与最新进展。研究表明，以燃气轮机为原动机、余热锅炉回收烟气余热、吸收式制冷机组利用低品位热能制冷的经典联合循环构型已在工业园区、数据中心和商业建筑等场景得到广泛应用。近年来，CCHP联合循环系统在燃料拓展、可再生能源耦合、储能集成以及智能优化调度等方面取得显著进展，太阳能-天然气互补系统实现了61.49%的能量效率，广义储能集成方案将可再生能源利用率提升12%–18%。然而，系统在部分负荷工况下的效率衰减、多能流耦合的动态控制以及高可再生能源渗透率下的不确定性管理仍构成核心挑战。未来研究应聚焦于灵活运行策略的优化、混合储能系统的深度集成以及低碳化技术的融合应用。

关键词：冷热电联供；联合循环；分布式能源；余热利用；多能互补；优化调度

建筑部门碳排放约占全球碳排放总量的37%，推动建筑和工业领域的能源系统低碳转型已成为实现碳中和目标的关键环节。冷热电联供系统作为一种典型的分布式能源系统，通过能量的梯级利用，将发电过程中产生的余热用于供热和制冷，大幅提高了能源利用效率，其综合能源利用率可达80%以上，远高于传统分产方式30%–45%的效率水平。

在CCHP系统的多种技术路线中，以燃气-蒸汽联合循环为核心的构型因其发电效率高、余热温度适宜、负荷调节灵活等优势，成为中型和大型分布式能源站的首选方案。典型的联合循环CCHP系统由燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机和吸收式制冷机组等主要设备构成，通过“燃气发电—余热产汽—蒸汽发电/供热—低品位热能制冷”的能量梯级利用路径，实现了能源的高效转化与综合利用。

近年来，随着可再生能源渗透率的不断提高和“双碳”目标的推进，CCHP联合循环系统正经历从单一化石燃料驱动向多能互补、从稳态运行向灵活调节、从经验调度向智能优化的深刻转变。本文旨在系统梳理CCHP联合循环系统的技术原理、研究现状与最新进展，分析其核心挑战与发展方向。

以燃气-蒸汽联合循环为核心的CCHP系统，通常由以下主要子系统构成：燃气轮机发电机组、余热锅炉、蒸汽轮机发电机组、吸收式制冷机组以及辅助设备。其工作流程为：天然气在燃气轮机燃烧室中燃烧，产生高温高压烟气驱动透平发电；透平排气进入余热锅炉，通过热交换产生蒸汽；蒸汽可驱动蒸汽轮机进一步发电，或直接用于供热；在制冷需求侧，蒸汽或高温热水驱动溴化锂吸收式制冷机组实现制冷。

在系统集成方案设计方面，一种典型构型为“燃气-蒸汽轮机联合循环+补燃型双压余热锅炉+溴化锂吸收式制冷机组”，通过余热锅炉中抽汽实现简单的调峰。此外，集成固体氧化物燃料电池、燃气-蒸汽联合循环和双效溴化锂制冷的新型CCHP系统也被提出，该系统利用高温固体氧化物燃料电池的尾气作为补燃气体输入联合循环系统的三压再热余热锅炉，在保证热量匹配的同时减少了余热损失。

燃气轮机是联合循环CCHP系统的核心原动机，其排烟温度通常在450–600°C范围，为余热回收提供了良好的热源条件。在实际运行中，燃气轮机输出功率随环境温度升高而下降，针对这一问题，有方案提出利用热水型溴化锂吸收式制冷机回收余热锅炉排烟余热制冷、以降低燃机进气温度的改造方案。

余热锅炉是连接燃气循环与蒸汽循环的关键设备，其性能直接决定了系统的余热回收效率。补燃型双压余热锅炉能够在燃气轮机排气热量不足时通过补充燃烧提高蒸汽产量，增强系统在变工况下的适应能力。

吸收式制冷机组利用低品位热能驱动制冷，是CCHP系统中实现“热转冷”的关键环节。溴化锂吸收式冷水机组以蒸汽或高温热水为驱动热源，其制冷量随驱动热源温度的变化而变化，与联合循环的余热特性具有良好的匹配性。

CCHP联合循环系统的性能评价通常从热力学、经济和环境三个维度展开。热力学指标包括一次能源利用率、㶲效率和一次能源节约率等。分析显示，地源热泵与焦炉煤气基CCHP深度耦合的联供系统，一次能源利用效率和㶲效率分别达到95.12%和35.12%，高于常规系统的83.80%和31.80%。经济指标主要包括运行成本、比投资和投资回收期等。环境指标则涵盖CO₂排放率和碳排放量等。

系统集成研究是CCHP联合循环领域的核心方向之一。从最初的燃气轮机+余热锅炉+吸收式制冷机的经典构型，到如今涵盖燃料电池、超临界CO₂循环、有机朗肯循环等多种先进动力循环的复杂集成系统，CCHP联合循环的构型设计不断向高效化和多元化方向发展。

在燃气-蒸汽联合循环CCHP的优化研究中，常以一次能源节约率和运行成本节约率为目标，采用粒子群算法进行系统运行优化分析。在负荷调节能力提升方面，一种采用抽凝背汽轮机发电机组的冷热电多联供系统被提出，其高压缸转速可达6000 r/min，可提高汽轮机整体发电效率约3%，且通过3S离合器实现高压缸与低压缸的联合或独立运行，机组可在纯凝、背压、抽凝三种工况间灵活切换，有效解决了背压式汽轮机负荷调节能力差、抽凝式汽轮机供热能力降低等问题。

在设备层面，燃气轮机进气冷却技术的改进、余热锅炉换热面积的优化以及吸收式制冷机组的性能提升是研究的重点方向。有方案提出了集成中间冷却和回热燃气轮机循环的CCHP系统，通过参数分析和三目标优化实现了冷热电工质的联产。

在热经济学分析方面，对内燃机驱动的CCHP系统各部件进行㶲成本和热经济学成本计算的结果显示，内燃机的㶲损最大，㶲效率为53.95%，其次为高压发生器，㶲损为155.88 kW，㶲效率为71.82%。这些分析为系统关键部件的改进提供了量化依据。

运行策略的合理设计是提高CCHP系统经济性的必要途径。常见的运行策略包括“以电定热”“以热定电”和混合运行策略。对不同运行策略的经济性对比分析表明，经济最优运行策略能够在满足冷热电负荷平衡的前提下，根据各设备的不同特性制定最优运行模式，系统运行成本和燃气轮机运行效率均优于其他运行策略。

在优化算法方面，NSGA-Ⅲ与TOPSIS相结合的求解方法被应用于微电网CCHP系统的最优经济调度，以系统运行成本、防污染成本和电力成本为优化目标，实现了多目标优化的有效求解。粒子群算法也被广泛用于求解以系统经济性和环保性为目标的CCHP系统运行优化问题。

可再生能源与CCHP联合循环系统的耦合是近年来的研究热点。生物质能因其储量大、分布广、可运输和可储存的特点，与CCHP系统的耦合具有独特优势。研究表明，生物质-CCHP系统不仅能实现冷热电的高效稳定输出，还能克服太阳能、风能等可再生能源固有的时间不稳定性问题。

在太阳能耦合方面，一种面向零能耗社区的太阳能驱动分布式CCHP系统可用于满足约50户家庭的能源需求。更具创新性的是全光谱太阳能与甲烷互补的CCHP系统，该系统通过光谱分束技术将太阳能分为短波和长波两部分，短波用于光伏发电，长波驱动甲烷干重整反应产生合成气，实现了61.49%的能量效率和29.94%的㶲效率。

储能技术的集成是解决CCHP系统供需不匹配问题的关键手段。跨季节钻孔热能储存被引入混合可再生能源-CCHP系统，将夏季过剩的可再生能源以热能形式储存于地下，供冬季使用。在共享储能方面，一种结合电储能和热储能的混合共享储能系统被提出，研究表明引入电转热装置后，混合共享储能系统的投资成本降低了21.39%。

在卡诺电池型CCHP系统方面，有方案提出了基于级联潜热储能的动态性能与控制策略，通过温度匹配控制策略实现电力和多品位供热供冷的灵活输出。

随着可再生能源在CCHP系统中渗透率的不断提高，系统运行面临可再生能源间歇性、需求波动性和多能耦合不确定性的多重挑战。综合来看，广义储能集成物理储能和虚拟储能后，可使可再生能源利用率提高12%–18%，成本降低45%；结合鲁棒优化和深度强化学习的混合优化策略可将运行成本降低15%–20%，同时将系统应对可再生能源波动的鲁棒性提升30%–40%。

在低碳优化调度方面，以系统参与电力市场购售电交易和新能源消纳为前提，可构建考虑风光资源不确定性的综合能源系统优化调度模型，仿真结果显示系统每日运行成本为9025.6元，碳排放为7442.7 kg。并网型冷热电联供能源站的碳能流动态建模及站网低碳互动优化分析表明，站内储能设备的动态蓄放过程对供能网络碳流分布有重要影响，所提出的优化模型能够实现运行成本下降3.9%、碳排放量下降4.4%。

数据中心已成为CCHP联合循环系统的重要新兴应用场景。在数据中心领域，已有大型园区项目规划采用集成式CCHP解决方案，配置燃气发电机组并引入液冷架构，以提升供能可靠性和能源利用效率。这一方向代表了CCHP系统在AI算力基础设施领域的规模化应用趋势。

在工业园区领域，负荷波动大的特点对CCHP系统的负荷调节能力提出了更高要求。前述采用抽凝背汽轮机发电机组的方案，通过与储能技术调节方法耦合集成，实现了热电联产与灵活调节的统一，特别适合负荷波动大的工业园区用户。

CCHP联合循环系统的发展面临若干核心挑战。技术层面，燃气轮机在部分负荷工况下的效率衰减、吸收式制冷机组对驱动热源温度的敏感性以及系统在变工况下的多能流耦合动态特性，仍是制约系统全工况高效运行的关键因素。经济层面，天然气价格波动、上网电价政策不确定性以及系统初始投资较高，影响了CCHP项目的投资积极性。系统层面，高可再生能源渗透率带来的波动性和不确定性，要求系统具备更强的灵活调节能力和不确定性管理策略。

展望未来，CCHP联合循环系统的发展将呈现以下趋势：一是燃料的低碳化转型，天然气掺氢燃烧和生物质气化气的应用将逐步降低系统的碳排放强度；二是与碳捕集技术的深度融合，实现近零碳排放的CCHP供能；三是数字化和智能化技术的全面渗透，基于人工智能的能源管理平台将增强多能源协同控制能力，通过精准预测新能源发电功率优化系统调度；四是模块化和小型化设计，降低首台套工程的风险门槛，推动CCHP系统在更多场景的规模化部署。

冷热电联供联合循环系统以其高能源利用效率、灵活的负荷适应能力和显著的环境效益，在分布式能源领域占据重要地位。经过数十年的发展，以燃气-蒸汽联合循环为核心的CCHP系统已在系统集成、关键设备、运行优化等方面形成了较为成熟的技术体系。近年来，可再生能源耦合、储能集成和智能优化调度成为新的研究热点，全光谱太阳能-甲烷互补系统实现了61.49%的能量效率，广义储能集成方案将可再生能源利用率提升12%–18%，标志着CCHP联合循环系统正从传统化石能源驱动向多能互补、低碳智能方向加速转型。然而，部分负荷工况下的效率保持、高可再生能源渗透率下的不确定性管理以及系统经济性的持续改善，仍是制约其进一步推广的关键瓶颈。未来研究应聚焦于灵活运行策略的深度优化、混合储能系统的工程化集成以及碳捕集等低碳技术的融合应用，推动CCHP联合循环系统成为综合能源系统和新型电力系统的重要支撑。

支持单位：