智能電網(wǎng)第3章

第三章分布式發(fā)電系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)

§3-1概述

§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

§3-4熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

§3-3CHP的典型應(yīng)用§3-5熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的效益分析

§3-6熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能和燃料優(yōu)化

2/4/2023§3-1概述

發(fā)電系統(tǒng)在將燃料轉(zhuǎn)化成電力的過(guò)程中產(chǎn)生大量熱能，對(duì)于電力系統(tǒng)中的常用電廠來(lái)說(shuō)，輸入燃料三分之二以上的能量被轉(zhuǎn)換成熱能。當(dāng)傳統(tǒng)電廠將燃料轉(zhuǎn)換為電能并送達(dá)一般電力用戶時(shí)，只使用了全部能源的30%。由于分布式發(fā)電(DG)具有與負(fù)荷相適應(yīng)的規(guī)模和位置，能夠合理經(jīng)濟(jì)地回收這些熱能。而終端用戶只需利用自身設(shè)備內(nèi)或設(shè)備附近的一臺(tái)組合式熱電聯(lián)產(chǎn)(CombinedheatandPower，簡(jiǎn)寫(xiě)為CHP)系統(tǒng)就可同時(shí)獲得熱能和電能。CHP系統(tǒng)的總效率高達(dá)90%以上。

2/4/2023§3-1概述

CHP系統(tǒng)已在能源密集工業(yè)如紙漿、造紙和石油等行業(yè)應(yīng)用了100多年，滿足了這些行業(yè)對(duì)于蒸汽和電力的需求。CHP具有各種規(guī)模和配置形式供各種工業(yè)、商業(yè)和居民用戶使用。CHP的發(fā)電系統(tǒng)甚至可與電力系統(tǒng)中大規(guī)模的發(fā)電設(shè)備配套使用，通常與地區(qū)發(fā)電系統(tǒng)互聯(lián)使用。CHP還包括非電力功率、機(jī)械功率、或者僅供內(nèi)部使用的電力。多數(shù)CHP的應(yīng)用是聯(lián)合發(fā)電，即采用中等規(guī)模的CHP系統(tǒng)同時(shí)生產(chǎn)電力和蒸汽。本章主要討論使用分布式發(fā)電原動(dòng)機(jī)發(fā)電時(shí)CHP的應(yīng)用。2/4/2023§3-1概述

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)從電力生產(chǎn)中獲得熱能，用于各種目的熱力需求，包括熱水，蒸汽以及生產(chǎn)過(guò)程中的加熱和冷卻。CHP與分離式熱電系統(tǒng)的效率對(duì)比示意圖如圖所示。一臺(tái)典型的CHP系統(tǒng)能將輸入燃料能量的80％轉(zhuǎn)換成有用的能量，其中30％轉(zhuǎn)換成電力，50％轉(zhuǎn)換成熱能。而傳統(tǒng)的分離式熱電生產(chǎn)設(shè)備提供同樣的熱能和電能則需要160％的輸入燃料。即利用現(xiàn)代的CHP技術(shù)能節(jié)省近40％的燃料。2/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

用于分布式發(fā)電的商用CHP技術(shù)包括：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和磷酸燃料電池。各種商用CHP原動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)如表3-1所示。由表3-1可見(jiàn)，CHP的容量變化范圍很大——從1kW的斯特林CHP系統(tǒng)到250MW的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)CHP。由于某些技術(shù)方面的進(jìn)步，所有的CHP都將具有較低的成本、較小的能量損耗，及更高的發(fā)電效率。

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表3-1DG/CHP技術(shù)比較性能特點(diǎn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃料電池斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)電能效率30%~50%25%~45%25%~40%(簡(jiǎn)單)40%~60%(組合式)20%~30%40%~70%25%~40%帶部分負(fù)荷能力最佳一般差差－一般容量/MW0.05~50.05~53~2000.025~0.250.2~20.001~0.1啟動(dòng)時(shí)間10s10s10min~1h60s3~48h60s燃料壓力/kPa<34.57~310830-3450275~7003.5~310－制造費(fèi)用/($/kW)800~1500800~1500700~90040~1000.5~45－燃料柴油天然氣、沼氣、丙烷天然氣、沼氣、丙烷、精煉油天然氣、沼氣、丙烷、精煉油H2、天然氣、丙烷各種燃料熱能利用熱水、低壓蒸汽、供暖熱水、低壓蒸汽、供暖加熱、熱水、低壓-高壓蒸汽、供暖加熱、熱水、低壓蒸汽熱水、低壓-高壓蒸汽直接加熱、熱水、低壓蒸汽CHP輸出/(kJ/kWh)34001000~50003400~120004000~15000500~37003000~6000CHP可用溫度/℃80~480150~260260~590200~34060~370260~5402/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

一、往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)

CHP主要應(yīng)用兩種類(lèi)型的內(nèi)燃機(jī)四循環(huán)火花－點(diǎn)燃式（Ottocycle）發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮點(diǎn)燃式(內(nèi)燃機(jī)循環(huán))發(fā)動(dòng)機(jī)使用往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的CHP系統(tǒng)的發(fā)電費(fèi)用成本大約是800$~1500$/kW，其上限費(fèi)用的產(chǎn)生主要是由于小容量CHP系統(tǒng)對(duì)所用設(shè)備的相關(guān)費(fèi)用十分敏感，如燃料供應(yīng)開(kāi)支、發(fā)動(dòng)機(jī)外殼的費(fèi)用、工程造價(jià)及其他費(fèi)用等。1.熱能的回收利用

燃料中的能量在燃燒過(guò)程中釋放出來(lái)，轉(zhuǎn)換成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的輸出功率和熱能。軸上輸出功率驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，而釋放的熱量則經(jīng)由冷卻設(shè)備、或以廢氣和表面輻射的方式釋放出來(lái)。2/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

回收途徑發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣裝置鍋爐套管中的冷卻箱潤(rùn)滑油冷卻設(shè)備（少量）渦輪增壓器的中間冷熱器和二次冷卻器回收熱中生成的蒸汽和熱水主要用于房間的取暖、再加熱、家庭用熱水和吸收式制冷。通過(guò)從鍋爐套管的冷卻水和排氣裝置中回收熱能，大約有70％~80%的燃料能量可得到有效利用。發(fā)動(dòng)機(jī)回收的排放熱能主要有兩種用途產(chǎn)生110℃左右的熱水生成約103kPa的低壓蒸汽

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2.閉環(huán)熱水冷卻系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)中回收熱量的最常用方法是應(yīng)用閉環(huán)冷卻系統(tǒng)，如圖所示。這些系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)冷卻劑在發(fā)動(dòng)機(jī)通路和外部熱交換器中循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻。熱交換器將額外的發(fā)動(dòng)機(jī)熱量傳送至冷卻塔或散熱器。閉環(huán)水冷卻系統(tǒng)工作時(shí)的冷卻劑溫度為90~120℃。2/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

3.沸騰式冷卻系統(tǒng)沸騰式冷卻系統(tǒng)是利用沸騰冷卻劑的自然循環(huán)，使其流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻。這種方法能夠保持整個(gè)冷卻劑回路的溫度一致，而這種一致的溫度則有助于延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，提高燃燒過(guò)程的效率，降低電動(dòng)機(jī)內(nèi)的摩擦。這種冷卻方法通常還可通過(guò)廢熱回收裝置產(chǎn)生低壓蒸汽。將冷卻水引入到發(fā)動(dòng)機(jī)的底部，在此處傳遞的熱能開(kāi)始加熱冷卻劑，產(chǎn)生兩相流動(dòng)。冷卻水產(chǎn)生的泡沫降低了冷卻水的密度，導(dǎo)致冷卻水自然循環(huán)到發(fā)動(dòng)機(jī)的頂部。在發(fā)動(dòng)機(jī)出口處的冷卻水處于飽和的蒸汽狀態(tài)，限制在120℃以內(nèi)，最大氣壓為103kPa。入口冷卻水也接近飽和狀態(tài)，其溫度比出口溫度低2~3℃。

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二、蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)蒸汽渦輪技術(shù)是用途最廣、最古老的原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)之一，用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，或者是一些機(jī)械設(shè)備。目前在美國(guó)和歐洲，蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于CHP系統(tǒng)中，其中蘊(yùn)含了一些特殊設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)最大效率地利用蒸汽。當(dāng)前在美國(guó)的電力市場(chǎng)中，傳統(tǒng)的蒸汽渦輪發(fā)電廠提供的電能超過(guò)80％。蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的容量可以從幾馬力到大型發(fā)電廠應(yīng)用的1300MW以上。蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)并非直接將燃料資源轉(zhuǎn)換成電能，而是借助于高壓蒸汽。無(wú)論是在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的，還是工業(yè)上應(yīng)用的蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其設(shè)計(jì)方案都適合于CHP。

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1.工作原理

蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱動(dòng)態(tài)循環(huán)系統(tǒng)為蘭金(Rankine)循環(huán)系統(tǒng)，此循環(huán)系統(tǒng)是傳統(tǒng)的發(fā)電廠的基礎(chǔ)。在這種循環(huán)中，熱源(鍋爐)將熱水轉(zhuǎn)換成高壓蒸汽，蒸汽在渦輪中膨脹而產(chǎn)生動(dòng)力。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)排出的蒸汽冷凝后，輸回鍋爐中重復(fù)上述過(guò)程。

蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括一套固定的葉片(稱為噴嘴)和一套移動(dòng)的相鄰葉片(稱為轉(zhuǎn)動(dòng)葉片)，它們安裝在罩殼中。蒸汽推動(dòng)葉片驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的軸和軸上連接的負(fù)載。當(dāng)蒸汽經(jīng)過(guò)葉片時(shí)，蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)將壓力轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，鍋爐中產(chǎn)生的高壓蒸汽能量或其他能量使蒸汽渦輪旋轉(zhuǎn)，而渦輪推動(dòng)發(fā)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。2/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

2.熱能回收

蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)利用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(組合循環(huán)系統(tǒng))排出的余熱來(lái)生產(chǎn)電能即是一種回收熱能的方法。

從燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)回收熱能的方法是利用廢熱預(yù)熱器或空氣預(yù)熱器的排出廢氣或抽取的蒸汽。回收熱能的數(shù)量和質(zhì)量是輸入蒸汽條件和蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的函數(shù)。渦輪排放的蒸汽可直接用于作功或區(qū)域供熱，或者將其轉(zhuǎn)換成其他的熱能形式，如熱水或者制冷水。2/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

3.工業(yè)、商業(yè)和公共事業(yè)方面的應(yīng)用

工業(yè)應(yīng)用方面，蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)或其他設(shè)備，如鍋爐給水泵、處理泵、空氣壓縮機(jī)或者制冷機(jī)等。就非冷凝式應(yīng)用和負(fù)荷跟蹤方面的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，從渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中排出的蒸汽，其壓力和溫度足以供應(yīng)CHP加熱使用。雖然后壓式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)比冷凝式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)效率低，但是它們價(jià)格也較低，而且不需要表面冷凝裝置。小型蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可用來(lái)替代減壓閥，將通常需廢棄的能量轉(zhuǎn)換成有用的電能，而且性價(jià)比較高。替換減壓閥的方式主要用于公共事業(yè)方面或者工業(yè)系統(tǒng)中，其中高壓蒸汽是可利用的，且加工過(guò)程或取暖需要低壓蒸汽。2/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

三、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是一種物超所值的CHP替代產(chǎn)品，可作為商業(yè)和工業(yè)終端用戶使用，它們對(duì)于基本電力負(fù)荷的需求大于5MW。它們帶基本負(fù)荷供電并滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行效果最好。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常用在蒸汽加熱系統(tǒng)中，緣于它們具備的高質(zhì)量熱能輸出，在大部分中壓蒸汽系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。用于CHP的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以是單循環(huán)或者復(fù)合循環(huán)配置形式。單循環(huán)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)不能回收排出氣體的熱能，因此其發(fā)電效率和電能/熱能比最低。具有蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合循環(huán)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于大型系統(tǒng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)很經(jīng)濟(jì)，最先進(jìn)的用于電力系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電效率可高達(dá)60％2/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

通過(guò)燃燒含氧氣豐富的排出燃體(輔助燃燒)，可從渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中抽取出更多的能量。

吸收制冷系統(tǒng)則直接從燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣中獲得制冷水，如圖所示

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吸收制冷器通過(guò)工作流體在高溫燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)排氣和低溫水槽中流動(dòng)產(chǎn)生制冷水，如圖所示2/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

工業(yè)應(yīng)用中，大多數(shù)普通的吸收制冷器采用溴化鋰和水溶液，來(lái)獲得溫度為7℃的制冷水。要獲得更低的水溫則需借助由氨氣和水系統(tǒng)組成的系統(tǒng)。

在溴化鋰吸收式制冷器中，制冷水通過(guò)水在蒸發(fā)區(qū)的蒸發(fā)而產(chǎn)生。2~4Pa的低壓蒸汽用在單級(jí)的溴化鋰吸收制冷機(jī)中，比率是7.7kg/制冷噸。而10Pa的中壓蒸汽用在兩級(jí)的吸收制冷機(jī)中，比率是4.5kg/制冷噸。2/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

四、微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)

一般情況下，在任何位置建立的微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)CHP系統(tǒng)所生產(chǎn)電能的功率為25~200kW。它們通常采用天然氣燃料，但也可以采用柴油、汽油或其他類(lèi)似的高能化石燃料，將沼氣作為燃料的微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)正處于研發(fā)過(guò)程中。由于微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)所用燃料的多樣性，因此可在邊遠(yuǎn)地區(qū)使用。微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)排出的熱氣可用于CHP。盡管多數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)合了一個(gè)回流換熱器，但實(shí)際上卻限制了用于CHP的熱能?；厥盏臒崮芸捎脕?lái)加熱熱水，或供給低壓蒸汽。2/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理類(lèi)似于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，不同之處在于微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)回流換熱器，用于回收排出的部分熱能并預(yù)熱空氣，原理如圖所示

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微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)比常規(guī)的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)更小，比常規(guī)的同等容量的發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)部件小得多，因此微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用將顯著下降。目前開(kāi)發(fā)的微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率可達(dá)30%，氧化氮排量小于10×10－4%。通過(guò)采用陶瓷元件、改進(jìn)渦輪的空氣動(dòng)力性能和回流換熱器的設(shè)計(jì)以及提高接觸反應(yīng)燃燒的效率，可將其熱效率提高到35%~50%，氧化氮排量在2×10－4%~3×10－4%之間。2/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

五、燃料電池磷酸電解質(zhì)燃料電池(PAFC)是到目前為止唯一大量使用的商業(yè)用電池。PAFC可以利用來(lái)自燃料電池組的廢熱，直接將甲烷轉(zhuǎn)換成含氫豐富的氣體作為燃料電池的燃料PFAC可制造成200kW的模塊，這些模塊也很容易組合在一起。PFAC產(chǎn)生的熱能可用于供暖，或者直接作為熱水使用，但其含熱量不高，不能用于其他的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中。

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)有望應(yīng)用于1~20MW的固定電力生產(chǎn)中，且非常適合用在工業(yè)用的CHP中?？晒ぷ髟诟邷叵?，其效率高于PAFC，估計(jì)效率可以達(dá)到55％的低燃燒值(LHV)

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固體氧化物燃料電池(SOFC)是最新型的燃料電池，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段。由固體氧化物燃料電池產(chǎn)生的高質(zhì)量廢熱可用于燃料電池內(nèi)部工作過(guò)程的改良，包括其產(chǎn)生的蒸汽可用在蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合循環(huán)中，生產(chǎn)出更多電力。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEM)工作在相對(duì)較低的溫度(80°C)，不適合于傳統(tǒng)的聯(lián)合發(fā)電，但其起動(dòng)速度很快燃料電池的類(lèi)型決定了整個(gè)工作過(guò)程中釋放熱量的溫度變化范圍，以及對(duì)于不同CHP應(yīng)用的適應(yīng)程度。

低溫的燃料電池產(chǎn)生的熱能適用于低壓蒸汽和熱水型的CHP高溫燃料電池產(chǎn)生高壓蒸汽，可用于復(fù)合循環(huán)及其他的CHP過(guò)程

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六、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是以斯特林熱動(dòng)力循環(huán)命名的通過(guò)外部熱源——通常為連續(xù)燃燒的鍋爐產(chǎn)生動(dòng)力可靠性仍是限制其在某些專門(mén)方面中應(yīng)用的主要問(wèn)題使用化石燃料和生物燃料時(shí)，連續(xù)燃燒加熱器避免了局部高溫，因此其排放非常低，而且容易控制斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)使用的燃料范圍很廣，包括化石燃料、生物燃料、太陽(yáng)能、地?zé)崮芎秃四?。在歐洲，一些斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在電力系統(tǒng)方面的應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明了這項(xiàng)技術(shù)可用于居民用戶的小型CHP中。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的容量很小，其發(fā)電效率很容易達(dá)到30％以上。2/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

七、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能參數(shù)研究CHP系統(tǒng)尋求獲得獲得較高的能量利用系數(shù)：

式中，Uu為使用或回收的熱能；W為生產(chǎn)電能；Ub為輸入熱能。常規(guī)發(fā)電廠的熱效率為

能量利用系數(shù)為

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將常規(guī)電廠轉(zhuǎn)換為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，因此電廠的熱效率會(huì)下降，而能量利用系數(shù)將小于電網(wǎng)值。如果從渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中提取的單位熱能為m，則新的效率為保持原電廠效率不變。而CHP系統(tǒng)的能量利用系數(shù)為

EUFcg小于1是由于在溫度Ta時(shí)還有部分熱能未經(jīng)利用就排出了2/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

由上述分析可知，將常規(guī)電廠轉(zhuǎn)換為CHP系統(tǒng)，實(shí)際上是犧牲了熱效率來(lái)獲取更高的能量利用率。以上是熱動(dòng)力學(xué)方面的分析結(jié)論，是否值得作出這樣的轉(zhuǎn)換主要取決于經(jīng)濟(jì)性方面的考慮。2/4/2023§3-3CHP的典型應(yīng)用

一、電力和熱力負(fù)荷

在CHP可行性分析中，首要的和最重要的因素是得到電力和熱力負(fù)荷的精確表達(dá)，特別是當(dāng)CHP系統(tǒng)不允許向電網(wǎng)輸送電能時(shí)。這樣的應(yīng)用通常要求CHP能夠跟蹤電力負(fù)荷的變化，因此系統(tǒng)必須調(diào)整各自的輸出電功率，使其等于或小于電力負(fù)荷。30min或1h的負(fù)荷特性曲線特別適合用來(lái)對(duì)CHP系統(tǒng)做上述分析。熱負(fù)荷曲線由使用的熱水、低壓和高壓蒸汽的消耗以及制冷負(fù)荷等組成。電力負(fù)荷曲線的形狀以及最大、最小值之間的變化范圍在很大程度上決定了原動(dòng)機(jī)的數(shù)量、容量和類(lèi)型。

2/4/2023§3-3CHP的典型應(yīng)用

對(duì)于承擔(dān)基于負(fù)荷的CHP，可向電網(wǎng)輸出電能，并且滿足最小的熱力負(fù)荷需要，CHP系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)規(guī)模在很大程度上取決于大規(guī)模能源市場(chǎng)的容量需求。

CHP的容量因數(shù)是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，它表征了發(fā)電機(jī)的容量在運(yùn)行中應(yīng)該如何分配。

容量因數(shù)是表達(dá)CHP系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)有用方法，它表示了設(shè)備接近基本負(fù)荷運(yùn)行的程度。容量因素定義如下：2/4/2023§3-3CHP的典型應(yīng)用

對(duì)于大多數(shù)CHP應(yīng)用來(lái)說(shuō)，需要容量因數(shù)很高，目的是為了獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。高容量因數(shù)有效地降低了系統(tǒng)的固定單元成本($/kW·h)，有助于保持CHP提供的電能與電網(wǎng)提供的電能相競(jìng)爭(zhēng)的能力。若是相對(duì)恒定的電力負(fù)荷曲線，一般可選用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。多數(shù)的商業(yè)終端用戶具有變化的電力負(fù)荷曲線，天然氣往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于CHP，源于它具有很好的帶部分負(fù)荷運(yùn)行、空氣質(zhì)量符合環(huán)境要求以及容量多變的特點(diǎn)，使其適應(yīng)許多商業(yè)和公共事業(yè)終端用戶的需要。

2/4/2023§3-3CHP的典型應(yīng)用

二、可回收熱能

終端用戶的熱能需求決定了CHP系統(tǒng)的可行性，也用于選擇原動(dòng)機(jī)。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)提供的高質(zhì)量的熱能，通常可用在蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中。某些正在開(kāi)發(fā)的燃料電池技術(shù)，包括MCFC和SOFC，提供高品質(zhì)的與燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)相比擬的熱能。往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)在同樣的輸出功率范圍內(nèi)，通常比大多數(shù)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)效率高，并能很好地適應(yīng)熱力負(fù)荷比電力負(fù)荷低的場(chǎng)合。

2/4/2023§3-3CHP的典型應(yīng)用

三、工業(yè)熱能的回收

工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的額外的熱能或蒸汽，也可為CHP系統(tǒng)應(yīng)用提供機(jī)會(huì)。如果這些多余的熱能可連續(xù)提供，或具有高負(fù)荷因數(shù)，并且具有足夠高的質(zhì)量，則這些熱能就可以用于蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)循環(huán)中，用于生產(chǎn)電能。除發(fā)電外，蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)還經(jīng)常用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)式設(shè)備，如空氣壓縮機(jī)或空調(diào)壓縮機(jī)等。若使用不同的渦輪設(shè)計(jì)方案，渦輪中排出的蒸汽可用于低級(jí)的加熱應(yīng)用或者在CHP系統(tǒng)中用于制冷，多余的蒸汽也可以用在燃料電池中改良天然氣。2/4/2023§3-3CHP的典型應(yīng)用

四、噪聲

盡管燃料電池在安裝時(shí)相對(duì)昂貴，但仍然在許多地方安裝并進(jìn)行測(cè)試，特別是在停電造成的損失嚴(yán)重影響國(guó)家稅收或降低生成力，且按規(guī)定不能停電的場(chǎng)所。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該也能在這樣的場(chǎng)合中得到很好的應(yīng)用。它們相對(duì)安靜的運(yùn)行狀態(tài)很有吸引力，因此通常安裝在擁擠的商業(yè)區(qū)。在居民區(qū)安裝渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)通常要求特殊的考慮和設(shè)計(jì)。發(fā)電機(jī)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)通常安裝在建筑物內(nèi)，以削弱對(duì)周?chē)鐓^(qū)的噪聲影響，另外需要在其排氣口處安裝特殊的排氣消音器或者消聲器。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)比往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)更易安裝在工廠中封閉的環(huán)境內(nèi)。由于需向外釋放熱能，因此需要更多的流通空氣，最可行的使用方案是將它們安裝在消音的建筑物中。2/4/2023§3-3CHP的典型應(yīng)用

五、CHP系統(tǒng)的大小

三種CHP系統(tǒng)可提供緊湊型封裝形式：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)最小，其次是燃料電池和微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。較大型的蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和往復(fù)式的發(fā)動(dòng)機(jī)可單獨(dú)的安裝于工廠封閉的區(qū)域內(nèi)，或者處于一座有輔助設(shè)備的單獨(dú)的建筑物內(nèi)。表3-2為不同類(lèi)型的CHP的相對(duì)大小

2/4/2023§3-3CHP的典型應(yīng)用

表3-2不同類(lèi)型的CHP的相對(duì)大小CHP原動(dòng)機(jī)類(lèi)型CHP的相對(duì)大小/kW蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)冷藏庫(kù)(100)/車(chē)庫(kù)(100000)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)裝載車(chē)(3000)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)2個(gè)冰箱(30)微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)冰箱(30)燃料電池裝載車(chē)(200)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)烤爐(3)2/4/2023§3-3CHP的典型應(yīng)用

六、CHP系統(tǒng)的燃料

CHP系統(tǒng)燃料費(fèi)用如表3-3所示。

表3-3CHP系統(tǒng)燃料費(fèi)用燃料類(lèi)型設(shè)備安裝費(fèi)燃料費(fèi)用運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用煤中(新)、非常低(舊)低中天然氣低低低石油中中高廢熱中零中沼氣中偏高低高2/4/2023§3-3CHP的典型應(yīng)用

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)潛在的系統(tǒng)問(wèn)題是用戶的天然氣分配系統(tǒng)管道所能提供的壓力。如果不能提供高壓氣體，當(dāng)?shù)靥烊粴夤揪捅仨殞ｉT(mén)建設(shè)高壓天然氣管道，或者由用戶購(gòu)買(mǎi)專門(mén)的氣體壓縮機(jī)。

當(dāng)天然氣無(wú)法提供或者非常貴的時(shí)候，CHP系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)考慮采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

2/4/2023§3-4熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力在于它們可根據(jù)不同的負(fù)荷類(lèi)型和大小選擇特定的工作場(chǎng)合和容量，并且當(dāng)新的市場(chǎng)規(guī)則和新技術(shù)出現(xiàn)后，過(guò)去的指導(dǎo)方針及單憑經(jīng)驗(yàn)的作法將不再適用。本節(jié)將根據(jù)未來(lái)電能和燃料的價(jià)格、CHP的費(fèi)用和性能以及用戶的規(guī)模和需求，得到可能的需求模式來(lái)評(píng)估CHP的競(jìng)爭(zhēng)能力。預(yù)測(cè)一般只能提供平均價(jià)格。由于CHP極大地改變了用戶的負(fù)荷曲線，因此基于平均價(jià)格的分析將受到應(yīng)用的限制。通常的做法是：分析人員將費(fèi)用按基本負(fù)荷、中間負(fù)荷和峰值負(fù)荷三種形式來(lái)分配。2/4/2023§3-4熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

一、CHP技術(shù)成本和性能特征表3-4為CHP系統(tǒng)的費(fèi)用和性能比較，表中給出了小型50kW到大型的25MW實(shí)際應(yīng)用規(guī)模的CHP特性。熱能比率和可回收熱能因數(shù)是從商業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格得到的，但微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)例外，其性能因數(shù)是估計(jì)出來(lái)的。運(yùn)行費(fèi)用包括燃料和非燃料費(fèi)用(如發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞和燃料電池組的更換等)。由上述分析可知，許多最有效的CHP技術(shù)只能采用非常純凈的，而且非常昂貴的燃料。最廉價(jià)的燃料是煤，但煤只能用于鍋爐/蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)以及斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中。2/4/2023§3-4熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

表3-4CHP系統(tǒng)的費(fèi)用和性能比較費(fèi)用/性能特征微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能容量/kW50100800500025000熱能/(kJ/kW·h)1330613127106051177910311排放熱能/(kJ/kW·h)44981786144351934522散熱劑/(kJ/kW·h)34042750費(fèi)用封裝費(fèi)用($/kW)500650350400300熱能回收($)150100757575排放物控制($)07029102100系統(tǒng)管理($)2533182015場(chǎng)地和建設(shè)($)3546252821工程($)2026141612市政($)5075381513勞工/安裝($)100130446045燃料壓縮機(jī)($)40003020連接/開(kāi)關(guān)設(shè)備($加費(fèi)用($)2533182015一般承包商加價(jià)($)1641971018164設(shè)備運(yùn)輸($)8399518769基本監(jiān)視費(fèi)用($/kW)13751647842998789維護(hù)費(fèi)用($/kWh)0.0100.0140.0110.0030.003電能費(fèi)用($/kWh)無(wú)熱能回收0.0750.0850.0530.0510.040有熱能回收0.0670.0750.0420.0370.0272/4/2023§3-4熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

CHP的最主要的經(jīng)濟(jì)動(dòng)力在于其生產(chǎn)的電能費(fèi)用低于電力系統(tǒng)輸送的電能費(fèi)用。CHP與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的中央發(fā)電、分散輸配電方式的發(fā)電成本比較如圖所示。2/4/2023§3-4熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

多種CHP技術(shù)的原始費(fèi)用變化軌跡如圖所示，圖中所有這些技術(shù)的費(fèi)用都將平穩(wěn)下降，而某些技術(shù)費(fèi)用的降低速度遠(yuǎn)大于其他的技術(shù)。

2/4/2023§3-4熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

二、

CHP系統(tǒng)的融資

CHP項(xiàng)目通常由內(nèi)部投資和債務(wù)投資共同來(lái)融資有時(shí)候，采用租借的方式可減少當(dāng)?shù)叵M(fèi)者為CHP項(xiàng)目提供原始資金的數(shù)額，使得擁有CHP系統(tǒng)的第三方獲得部分盈利。引入某種類(lèi)型的折扣現(xiàn)金流分析方式

償還分析：償還分析是一種單憑經(jīng)驗(yàn)的方法，經(jīng)常用于潛在能源開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的初步評(píng)估，主要分析需要多長(zhǎng)時(shí)間才能從CHP系統(tǒng)的盈利中收回最初的投資，通常用年作為時(shí)間計(jì)算單位。折扣現(xiàn)金流分析決定一個(gè)項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上是否可行的方法是使用凈現(xiàn)值(NPV)，或者是內(nèi)部收益率(IRR)。若凈現(xiàn)值為正，或者內(nèi)部收益率大于決策者花費(fèi)的成本，那么這一項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上就是可行的。

2/4/2023§3-5熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的效益分析

一、CHP的效率

將燃料轉(zhuǎn)換為電力的過(guò)程中，發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生大量的熱能，三分之二以上輸入燃料的能量被轉(zhuǎn)換成熱能。作為一種可選方案，位于這些設(shè)施附近的對(duì)于熱能和電能有較大需求的用戶，利用簡(jiǎn)單的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)就發(fā)出大量的熱能和電力。圖3-1顯示出正常的CHP系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)的遠(yuǎn)距離供電和就地鍋爐熱能系統(tǒng)的組合。由圖3-1可知，CHP將輸入燃料的80%轉(zhuǎn)換為有用的能量輸出，其中30%轉(zhuǎn)換為電能，50%轉(zhuǎn)換為蒸汽或其他形式的有用的熱能。傳統(tǒng)的熱電分離生產(chǎn)模式要輸出同樣大小的能量，則需要163%的燃料輸入。與中央發(fā)電系統(tǒng)相比，CHP系統(tǒng)仍然能顯著地節(jié)約總的能源。就地使用的CHP也將輸配電系統(tǒng)的線損降至零，而典型的中央發(fā)電、輸配電送電的線損率一般為4%~7%。

2/4/2023§3-5熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的效益分析

二、CHP的排放

通過(guò)增加能量利用的效率，CHP極大地降低標(biāo)準(zhǔn)污染物如氧化氮、二氧化硫，以及非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體如二氧化碳的排放量。圖3-8和圖3-9給出了采用不同的發(fā)電技術(shù)和燃料類(lèi)型時(shí)，氧化氮和二氧化碳的排放量對(duì)比。由圖可知，從固體燃料、液體燃料到天然氣，采用CHP技術(shù)時(shí)，氧化氮和二氧化碳的排放量都將下降。CHP技術(shù)也能顯著地減少污染物的排放量，與先進(jìn)的低污染排放的中央發(fā)電技術(shù)如氣體燃燒復(fù)合循環(huán)相比具有優(yōu)越性2/4/2023§3-5熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的效益分析

圖3-8CHP系統(tǒng)和常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)氧化氮排放對(duì)比2/4/2023§3-5熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的效益分析

圖3-9CHP系統(tǒng)和常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)二氧化碳排放量比較2/4/2023§3-5熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的效益分析

三、輔助效益

在一個(gè)新建的電力系統(tǒng)中，CHP和其他分布式發(fā)電還能為電力系統(tǒng)提供配電方面的支持，它們也使得能源服務(wù)供應(yīng)商或用戶具有了一定的為系統(tǒng)提供輔助服務(wù)的能力，主要包括：提供電壓和頻率支持，加強(qiáng)供電的可靠性和提高電能質(zhì)量避免或延緩輸配電系統(tǒng)增容的高額投資承擔(dān)大規(guī)模電力系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)管理降低線損，提供無(wú)功功率控制減小停電造成的損失降低中央發(fā)電廠的備用發(fā)電容量緩解了輸電系統(tǒng)的容量限制2/4/2023§3-6熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能和燃料優(yōu)化

一、概述

從經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)方面考慮，監(jiān)測(cè)熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)發(fā)電廠是必要的。發(fā)展更為成熟的發(fā)電和熱能生產(chǎn)技術(shù)將十分重要，而燃料選擇和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在能量生產(chǎn)中具有主要的地位。熱電聯(lián)產(chǎn)能量?jī)?yōu)化可通過(guò)優(yōu)化其熱動(dòng)力性能參數(shù)和合理的設(shè)計(jì)安排來(lái)達(dá)到目的。在技術(shù)上，熱電聯(lián)產(chǎn)可以做到既滿足能量供應(yīng)，還具有低燃料消耗、低成本、高生產(chǎn)率和減少污染氣體排放等優(yōu)點(diǎn)。本節(jié)討論的熱電聯(lián)產(chǎn)不僅僅指一種特定的技術(shù)，而是多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，既可滿足制冷或取暖的需求，也可以為用戶提供機(jī)械能或電能。新的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)還有待于繼續(xù)發(fā)展，必將具有很廣闊的應(yīng)用前景。2/4/2023§3-6熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能和燃料優(yōu)化

二、性能因數(shù)和指標(biāo)

為了達(dá)到能量、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的要求，熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠運(yùn)行效率應(yīng)達(dá)到最優(yōu)。然而，有時(shí)候這些目標(biāo)是互相矛盾的，因此監(jiān)測(cè)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能及運(yùn)行狀態(tài)是否處于最優(yōu)化是非常重要的。1.性能因素(1)熱功比熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠主要特性是熱和功率之比，即所利用的熱量和總電能之比。這個(gè)比值不是常數(shù)，而是壓力和發(fā)電廠負(fù)荷的函數(shù)。負(fù)荷減小時(shí)，熱功比增加。需求越穩(wěn)定，應(yīng)用效果越好。熱需求是隨季節(jié)變化的，冬季主要為熱力負(fù)荷，夏季為制冷負(fù)荷。

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。熱功比的大小直接影響熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠消耗的燃料量。2/4/2023§3-6熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能和燃料優(yōu)化

圖3-10熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2/4/2023§3-6熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能和燃料優(yōu)化

(2)燃料類(lèi)型和有效性

理論上，任何燃料都適合于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。而在實(shí)際應(yīng)用中，化石燃料，特別是天然氣(既有經(jīng)濟(jì)因素，也有環(huán)境因素)，占統(tǒng)治地位?？紤]環(huán)境因素，生物能源和其他形式的可再生能源將有可能取代天然氣的位置。例如，雙燃料(天然氣/燃料油)。天然氣具有比燃料油更低的價(jià)格，在油料緊張時(shí)可以取代燃料油。2/4/2023§3-6熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能和燃料優(yōu)化

(3)環(huán)境的考慮和限制

關(guān)于污染限制的環(huán)境立法隨各地而異。如果立法較嚴(yán)，燃料的選擇和使用會(huì)受到環(huán)境性負(fù)荷限制的影響。減小常規(guī)化石燃料的消費(fèi)可以減輕環(huán)境的壓力。廢氣的排放比率和類(lèi)型取決于燃料類(lèi)型。采用普通方法燃燒化石燃料，其廢氣直接向大氣排放。燃燒中排放的二氧化碳和二氧化硫與燃料中的碳和硫所占的含量直接相關(guān)。發(fā)電站每噸燃料燃燒所產(chǎn)生的氮氧化物大部分由發(fā)電廠的設(shè)計(jì)所決定，其余由燃料與空氣的混合方式及燃燒時(shí)所達(dá)到的溫度來(lái)決定。發(fā)電廠的改良會(huì)減小燃料消耗，廢氣排放量也會(huì)有相應(yīng)的減小。

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2.性能指標(biāo)燃料利用率基于熱力學(xué)第一定律給出的，是最直接的指標(biāo)，僅僅考慮了能量的利用數(shù)值加權(quán)效率由于燃料利用效率同時(shí)考慮了熱能和功，通常和加權(quán)效率一起使用，即對(duì)熱能的利用引入加權(quán)因子放射本能效率隨著熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠數(shù)量不斷增加，生產(chǎn)單位熱量所消耗的燃料將逐漸減少，在自由市場(chǎng)中將導(dǎo)致不同的熱功價(jià)格比。因此采用放射本能效率來(lái)精確描述燃料能量所產(chǎn)生的熱量能源節(jié)省率在評(píng)價(jià)或優(yōu)化熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠時(shí)，引入熱力學(xué)第二定律可得,表征發(fā)電廠燃料消耗情況2/4/2023§3-6熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能和燃料優(yōu)化

3.燃料能量節(jié)約率(FESR)FESR是最好的標(biāo)準(zhǔn)，可用于熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)評(píng)估。圖3-11說(shuō)明了熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠及熱電分離生產(chǎn)項(xiàng)目的基本框圖。

圖3-11熱電聯(lián)產(chǎn)和分離式電能、熱能生產(chǎn)示意圖2/4/2023§3-6熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能和燃料優(yōu)化

總的燃料消耗可以表達(dá)為

如果熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠不能提供所有負(fù)荷所需的熱能和電力，則還需要采用熱電分離的生產(chǎn)方式。上式中前兩項(xiàng)為熱電分開(kāi)生產(chǎn)方式為滿足負(fù)荷需求時(shí)所需的燃料消耗量。CHP發(fā)電廠的燃料消耗可以表示為生產(chǎn)的熱能與熱效率的比值或生產(chǎn)的電功率與電效率的比值。

通過(guò)為CHP發(fā)電廠和熱電分開(kāi)生產(chǎn)項(xiàng)目引入熱效率和電效率系數(shù)，并且引入CHP發(fā)電廠的熱功系數(shù)和需求側(cè)的熱功系數(shù)，則上式可表示為

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如果熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠全部提供熱量，則有

如果熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠產(chǎn)生的熱量與熱需求量之比為，則可以寫(xiě)為總的燃料消耗可以與參考案例進(jìn)行比較，要求熱量和發(fā)電分別進(jìn)行比較。相對(duì)燃料消耗系數(shù)可以定義為2/4/2023§3-6熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能和燃料優(yōu)化

如果將熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目和參考熱電分離生產(chǎn)項(xiàng)目在生產(chǎn)同等熱量的條件下比較，則相對(duì)燃料消耗系數(shù)可用于評(píng)估任何熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目和熱電分開(kāi)生產(chǎn)項(xiàng)目或其組合，即

因此燃料消耗上的不同反應(yīng)了熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠節(jié)約燃料的能力。

第一項(xiàng)為參考鍋爐發(fā)電廠所消耗的燃料總和，在熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠，此燃料可以產(chǎn)生出等額的功率。第二項(xiàng)為熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠所消耗的燃料。比較燃料的不同消耗，則燃料節(jié)約為

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由于燃料節(jié)約為絕對(duì)值，燃料能量節(jié)約率(FESR)定義為熱電分開(kāi)發(fā)電項(xiàng)目的燃料節(jié)約與消耗之比

，

本例中，熱需求與電力需求相等時(shí)，即FESR和Φ之間的關(guān)系很簡(jiǎn)單當(dāng)燃料節(jié)約為0時(shí)，可得考慮分開(kāi)發(fā)電生產(chǎn)的效率為常數(shù)，熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠的效率可以這樣得到：在熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠的熱效率和電效率之間可以做出一條零節(jié)約線。2/4/2023§3-6熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能和燃料優(yōu)化

三、燃料能量?jī)?yōu)化方法

1.設(shè)計(jì)優(yōu)化熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠是一個(gè)高效的系統(tǒng)，而不是若干組成部件的簡(jiǎn)單疊加，這是其重要特點(diǎn)之一。要使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到最大效率，最常用的方法是對(duì)熱力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行放射本能分析，即分析從給定狀態(tài)到與周?chē)橘|(zhì)平衡的過(guò)程可做的最大功。

熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備也有經(jīng)濟(jì)使用壽命。在適合的環(huán)境下，熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的補(bǔ)償周期可以是3~5年，或更短一些。相對(duì)于燃料價(jià)格變動(dòng)因素，熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)電價(jià)變動(dòng)更為敏感。因此采取何種經(jīng)濟(jì)分析方式進(jìn)行分析時(shí)，敏感性分析都應(yīng)作為可行性研究的一部分。

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2.運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行和停止的時(shí)間可以由運(yùn)行計(jì)劃簡(jiǎn)單的加以控制。多數(shù)情況下熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠采用一種以上的燃料，運(yùn)行時(shí)可選擇最便宜的燃料。選擇燃料的關(guān)鍵因素取決于所提供的鼓勵(lì)政策及燃料的質(zhì)量。有些國(guó)家鼓勵(lì)使用更好的燃料，例如天然氣、沼氣等。質(zhì)量低的燃料有時(shí)價(jià)格較為便宜(隨國(guó)家不同而異)，但是處理和燃燒質(zhì)量差的燃料，以及遵守環(huán)境保護(hù)法規(guī)時(shí)，需承擔(dān)一些額外的成本。優(yōu)質(zhì)燃料通常會(huì)更貴一些，而且是基于化石燃料的。選擇何種燃料會(huì)影響原動(dòng)機(jī)的類(lèi)型。2/4/2023§3-6熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能和燃料優(yōu)化

3.環(huán)境優(yōu)化

優(yōu)化發(fā)電廠的效率在很多年前就已經(jīng)被認(rèn)識(shí)到。煤、油氣等燃料費(fèi)用始終是燃燒發(fā)電廠運(yùn)行總成本的一個(gè)主要部分。減少燃料消耗對(duì)于發(fā)電公司降低成本發(fā)電，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力是非常重要的。在目前的發(fā)電廠中，對(duì)于熱效率的優(yōu)化還有小的改進(jìn)余地。例如，如果將熱效率從37.0%提高到37.1%，對(duì)于容量為2000MW的發(fā)電廠而言，一年可以減少燃料消耗14500t，相當(dāng)于每年減少上百萬(wàn)美元的支出。根據(jù)發(fā)電廠的不同設(shè)計(jì)，能量效率在不同運(yùn)行階段是不同的。對(duì)現(xiàn)有的發(fā)電廠設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，能使系統(tǒng)效率更高，而在系統(tǒng)維護(hù)和成本效益方面也會(huì)有很大的好處。2/4/2023§3-6熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能和燃料優(yōu)化

四、熱電聯(lián)產(chǎn)中先進(jìn)的燃燒技術(shù)和循環(huán)技術(shù)

1.燃燒技術(shù)目前有很多采用燃燒技術(shù)來(lái)生產(chǎn)電能和熱能的方法，如以蒸汽和熱水的方式生產(chǎn)熱能、以蘭金蒸汽循環(huán)的方式生產(chǎn)電能、以熱電聯(lián)產(chǎn)的方式同時(shí)生產(chǎn)電能和熱能等。此處分析的先進(jìn)的熱能和電能生產(chǎn)主要考慮兩個(gè)方面的目標(biāo)：改善生產(chǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)換效率減少排放的廢氣，同時(shí)保持系統(tǒng)的高效性和較低的運(yùn)行費(fèi)用2/4/2023§3-6熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能和燃料優(yōu)化

(1)燃料噴射燃燒燃料噴射燃燒是將煤研磨成精細(xì)的顆粒與空氣混合噴入燃燒室的底部進(jìn)行燃燒，燃料顆粒在懸浮的狀態(tài)下燃燒并釋放出熱能。大多數(shù)燃料噴射燃燒用于發(fā)電廠，煤燃燒產(chǎn)生的熱能傳送到燃燒室墻壁中鋪設(shè)的管道內(nèi)的水中，從而產(chǎn)生高溫、高壓的蒸汽，并將它們送到汽輪機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)組生產(chǎn)電能?，F(xiàn)代實(shí)際應(yīng)用中處于接近臨界狀態(tài)的發(fā)電廠，汽輪機(jī)-發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的蒸汽壓力約為180Pa，溫度約為570℃，發(fā)電效率可達(dá)39%；而精密設(shè)計(jì)的過(guò)臨界狀態(tài)的發(fā)電機(jī)組其蒸汽壓力可達(dá)約240Pa，發(fā)電效率可達(dá)