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文檔簡介
分布式燃氣發(fā)電技術調研報告
目錄TOC\o"1-3"\h\u59561.相關背景 331751.1國家對分布式能源的政策 3272091.1.1相關政策 499071.1.2未來10年發(fā)展方向 413971.2以燃氣為一次能源的分布式能源特點 5109112.分布式燃氣發(fā)電基本概念 7160062.1燃氣發(fā)電概述 7249772.2燃氣發(fā)電的類型 8249282.3分布式燃氣發(fā)電的優(yōu)缺點 9224152.4分布式燃氣發(fā)電的聯(lián)合供能 10171183.分布式燃氣發(fā)電相關標準 12192753.1國內標準 12304983.2國外標準 14306434.分布式燃氣發(fā)電的技術原理 15121434.1燃氣發(fā)電原理 15191684.1.1燃氣輪機 1591724.1.2燃氣內燃機 21321484.1.3燃氣外燃機 23202734.1.4燃料電池 26224494.2燃氣發(fā)電聯(lián)供技術 28144284.2.1燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán) 2944234.2.2冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng) 3165125.分布式燃氣發(fā)電的國內外發(fā)展情況 43320425.1天然氣發(fā)電的國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 43323935.2冷熱電三聯(lián)產的國內外現(xiàn)狀 44207905.3主要燃氣發(fā)電機組廠家及產品介紹 47
1.相關背景目前,各國對于能源供應的安全要求越來越高,短暫的能源供應中斷(特別是電能)就可能造成巨大的經濟損失,并給社會帶來動蕩的因素。如果單純依賴大電網的電力供應,在遇到突發(fā)事件出現(xiàn)中斷時,電網規(guī)模越大損失也就越大。近年來,由于石化能源短缺,提高能源的利用率就成為各國關注的焦點。因此,世界各國都相繼拓寬電力發(fā)展模式,給予政策支持并發(fā)展分布式能源系統(tǒng)。分布式能源系統(tǒng)是指設置在用戶處能夠提供能源的生產、轉換及相關服務的小型系統(tǒng)。它具有以下特點:①就地設置的小型系統(tǒng),一般設置在住宅小區(qū)、學校、醫(yī)院、商場、辦公大樓和工廠里,系統(tǒng)的負荷一般為1kW~100MW。②采用一種能源生產其他形式的能源。采用的一次能源范圍廣泛,包括石化燃料、太陽能、水力和生物質能(沼氣、秸稈)。③一般能夠同時提供冷、熱和電,具有較高的能源利用率。生產的電(熱)能可以單獨供用戶使用,也能夠接入城市電(熱)網。分布式能源系統(tǒng)上述特點對減少碳排放,改善城市環(huán)境意義重大,因此在工業(yè)發(fā)達國家得到迅速發(fā)展。分布式能源傳入我國已有十多年的歷程,剛開始進展較慢,近年來在國家提倡的節(jié)能減排形勢下,分布式能源發(fā)展較快。1.1國家對分布式能源的政策2011年10月9日,國家發(fā)改委、財政部、住房城鄉(xiāng)建設部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《天然氣分布式能源指導意見》,提出:天然氣分布式能源在我國已具備大規(guī)模發(fā)展的條件,將以提高能源綜合利用效率為首要目標,以實現(xiàn)節(jié)能減排任務為工作抓手,重點在能源負荷中心建設區(qū)域分布式能源系統(tǒng)和樓宇分布式能源系統(tǒng)。包括城市工業(yè)園、旅游集中服務區(qū)、生態(tài)園區(qū)、大型商業(yè)設施等,在條件具備的地方結合太陽能、風能、地源熱泵等再生能源進行綜合利用。1.1.1相關政策規(guī)劃先行:政府制定天然氣分布式能源專項規(guī)劃,并與城鎮(zhèn)燃氣、供熱發(fā)展規(guī)劃統(tǒng)籌協(xié)調。標準配套:政府部門制定電力并網規(guī)程和申辦程序、科學合理的環(huán)保規(guī)定以及配套適用的消防條件。投資補貼:對分布式能源項目適當給予投資補貼。政策傾斜:政府土地部門給予優(yōu)惠價格提供土地。政府在上網、電價、氣價、供熱價格等方面給予優(yōu)惠。在近期內還可以給予分布式能源設備進口免稅優(yōu)惠。金融支持:金融系統(tǒng)大力支持分布式能源發(fā)展,積極貸款,保證資金供應,在利息上給予一定的優(yōu)惠政策。1.1.2未來10年發(fā)展方向“十二五”初期啟動一批天然氣分布式能源示范項目,“十二五”期間建設1000個左右天然氣分布式能源項目,并擬建設10個左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域。未來10年內在分布式能源裝備核心能力和產品研制應用方面取得實質性突破。初步形成具有自主知識產權的分布式能源裝備產業(yè)體系。2015年前完成天然氣分布式能源主要裝備研制。通過示范工程應用,當裝機規(guī)模達到500萬千瓦,解決分布式能源系統(tǒng)集成,裝備自主化率達到60%;當裝機規(guī)模達到1000萬千瓦,基本解決中小型、微型燃氣輪機等核心裝備自主制造,裝備自主化率達到90%。到2020年,在全國規(guī)模以上城市推廣使用分布式能源系統(tǒng),裝機規(guī)模達到5000萬千瓦,初步實現(xiàn)分布式能源裝備產業(yè)化。1.2以燃氣為一次能源的分布式能源特點燃氣分布式能源在提高能源利用效率,促進節(jié)能減排等多方面具有不可替代的作用。其特點包括:①能源利用率高,經濟效益巨大燃氣分布式能源系統(tǒng)能實現(xiàn)能源的梯級利用,充分利用發(fā)電余熱,就地供熱、供電,可減少電力與熱力長距離輸送的損耗,能源綜合利用率在80%以上,超過大型煤電發(fā)電機組一倍;同時節(jié)約電網、熱力管網輸送環(huán)節(jié)的投資費用,產生巨大的經濟效益。②大電網的有益補充,提高能源供應安全性燃氣輸送不易受氣候影響,可以就地儲存(LNG、CNG、地上或地下儲氣庫),城市或區(qū)域配有一定規(guī)模燃氣分布式能源供電系統(tǒng),自主發(fā)電能力提高,較單純依賴大電網供電系統(tǒng)具有更高的安全性。如2008年南方冰雪災害直接經濟損失1516.5億元,大部分是電網癱瘓造成。適度的發(fā)展分布式電源可提高地區(qū)能源供應安全性。③降低燃氣以及電網調峰壓力,能源優(yōu)勢互補燃氣分布式能源項目可成為可中斷、可調節(jié)的發(fā)電系統(tǒng),對燃氣和電力具有雙重“削峰填谷”作用。有效地緩解燃氣冬夏季峰谷差,提高夏季燃氣設施的利用效率,增強供氣系統(tǒng)安全性。同時減少電力設備的峰值裝機容量以及燃氣儲氣設施的投資,有效降低電網以及燃氣管網的運行成本。④環(huán)境保護效益采用清潔一次性能源的分布式能源系統(tǒng),可大幅度減少二氧化碳等污染物排放。”十二五規(guī)劃”預計的天然氣分布式能源裝機5000萬千瓦,相當于可以減少1億千瓦燃煤裝機,相當于減少消耗2億噸煤炭,減排4億噸二氧化碳。分布式燃氣發(fā)電系統(tǒng)是分布式能源系統(tǒng)中能源生產的一種重要模式,有必要對其進行深入的探討和研究。本報告對對目前分布式燃氣發(fā)電系統(tǒng)的相關標準、主要技術原理以及應用現(xiàn)狀等方面進行了收資、分析和總結,為今后進一步的深入研究打下基礎。
2.分布式燃氣發(fā)電基本概念2.1燃氣發(fā)電概述燃氣發(fā)電是指以燃氣作為一次能源,驅動各種發(fā)動機做功,最終產生電能的一種發(fā)電方式。燃氣發(fā)電能夠作為最穩(wěn)定的分布式供能方式,優(yōu)秀的冷熱電三聯(lián)供發(fā)電系統(tǒng)能夠把燃氣發(fā)電的有效率提高到95%以上。燃氣發(fā)電所需的可燃氣體主要包括:①天然氣:從地層中開采,以甲烷為主,無色,無臭,無毒,無腐蝕性,是優(yōu)于石油和煤等其他礦物質的優(yōu)質燃料和化工原料。天然氣熱值約8500-10000千卡/立方米,是最主要、也是最清潔高能的燃氣發(fā)電燃料。②沼氣:是碳水化物在微生物的作用下產生的,其可燃成分包括甲烷、硫化氫、一氧化碳和重烴等氣體;不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等氣體,熱值約5000千卡/立方米,是農村地區(qū)燃料的重要來源。③煤氣:又叫瓦斯,來源較多,包括焦爐煤氣、爐煤氣、水煤氣、煤層高濃度瓦斯等,其成分主要為一氧化碳以及甲烷、氫氣等氣體,熱值約3500千卡/立方米。由于一氧化碳含量高,有劇毒。④秸稈氣:以空氣為氣化劑對秸稈進行氣化產生的可燃氣體,其主要成分為氮氣、一氧化碳、氫氣以及少量甲烷等氣體。由于氮氣含量較高,其熱值較低,約1400千卡/立方米。秸稈氣近幾年才在農村地區(qū)開始應用,可作為沼氣的一個補充。2.2燃氣發(fā)電的類型①燃氣發(fā)電機組燃氣發(fā)電機組是發(fā)動機利用可燃氣體作為燃料,將燃料燃燒產生的熱能轉化為動能,帶動發(fā)電機旋轉并產生電能的裝置。它由燃氣發(fā)動機、發(fā)電機和控制系統(tǒng)(控制屏)三部分組成,它是一種由燃料內能→發(fā)動機動能(與發(fā)動機飛輪端軸聯(lián)的旋轉磁極式發(fā)電機轉子動能)→發(fā)電機定子電能的轉換裝置。發(fā)動機是機組的動力部分,它由點火系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)這五大系統(tǒng)構成;發(fā)電機一般采用同步發(fā)電機,由定子、轉子、勵磁系統(tǒng)等構成;控制系統(tǒng)主要包括啟動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、轉速調節(jié)系統(tǒng)、發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)、報警與保護控制系統(tǒng)等。作為動力部分的發(fā)動機是燃氣發(fā)電機組的核心部分,目前主要的發(fā)動機設備有:燃氣輪機、微型燃氣輪機、燃氣內燃機、燃氣外燃機等。大型燃氣輪機功率較大,出力超過20MW,主要用在大、中型電站,特別適合組建燃氣-蒸汽聯(lián)合聯(lián)合循環(huán)機組。其特點是能源綜合利用率高、基建工程單位千瓦造價低,能夠有效減少運行人員、節(jié)約工程占地、支撐國民經濟發(fā)展。小型燃氣輪機、微型燃氣輪機、燃氣內燃機、燃氣外燃機功率較小,出力數(shù)千瓦至幾兆瓦不等,特別適用于分布式能源系統(tǒng),能夠廣泛用于分散的工業(yè)、醫(yī)院、機場、聯(lián)合公用建筑等。其特點是機組容量小、能耗較高、單位千瓦造價高,但因自動化水平高、占地面積小、施工周期短,因而發(fā)電成本較高也能接受。②燃料電池燃料電池是一種主要透過氧或其他氧化劑進行氧化還原反應,把燃料中的化學能轉換成電能的電池。而最常見的燃料為氫氣,一些碳氫化合物例如天然氣亦常作燃料使用。燃料電池有別于原電池,因為需要穏定的氧和燃料來源,以確保其運作供電。此電池可以提供不間斷的穩(wěn)定電力,直至燃料耗盡。燃料電池是以特殊催化劑使燃料與氧發(fā)生反應產生二氧化碳和水,因不需推動渦輪等發(fā)電設備,也不需將水加熱至水蒸氣再經散熱變回水,所以能量轉換效率高達70%左右,比一般發(fā)電方法高出30%以上;而且燃料電池的二氧化碳排放量比一般發(fā)電方式低許多,水又是無害的產生物,因而是一種低污染性的能源。2.3分布式燃氣發(fā)電的優(yōu)缺點分布式燃氣發(fā)電具有一系列的技術和經濟優(yōu)勢:①分布式燃氣發(fā)電占地小,一般的寫字樓、商場、賓館、學校等建筑內或地下室均可。②分布式燃氣發(fā)電一般由各單位籌建,因為工程小,造價低,建設資金自籌易解決,政府只要出臺支持發(fā)展的政策,其他如資金、設備和管理等問題都會自行解決。③分布式燃氣發(fā)電實現(xiàn)了自備電源,減小了大電網的供電壓力。發(fā)電、輸電、配電的基建投資大量減少。電力系統(tǒng)不用投資,增加了發(fā)供電能力,提高了當?shù)刈园l(fā)電的比重,增強了應急突發(fā)事件的能力。同時分布式燃氣發(fā)電能源轉換效率基本可以達到大型熱電裝置的效率,而且由于是就地轉換、就地供應,沒有中間環(huán)節(jié)的損耗,其用戶端能源利用效率大大提高,節(jié)約了資源。④分布式燃氣發(fā)電實現(xiàn)電力自給,減少電網的購電量,因而盡管燃氣價格高、發(fā)電成本高,但也比電網的售電價低,因而有明顯的經濟效益。⑤分布式燃氣發(fā)電使用的燃料本身就是環(huán)保燃料,而且小型燃氣輪機、微型燃氣輪機、燃氣外燃機和燃氣內燃機熱電聯(lián)產的污染排放更低于其他利用形式,好于燃氣鍋爐、直燃機等方式。利用端效率高本身就可以減少排放二氧化碳25%,而少量二氧化碳可以實現(xiàn)資源利用,真正達到零排放,因而有顯著的環(huán)保效益。當然,分布式燃氣發(fā)電也有其不足之處:①機組容量小,單位能耗高,平均每立米天然氣只能發(fā)3度電,單位千瓦造價高。②分布式燃氣發(fā)電系統(tǒng)麻雀雖小、五臟俱全,專業(yè)性較強,而籌建單位往往是“門外漢”,運行、維護較困難。③夜間低負荷時分布式燃氣發(fā)電系統(tǒng)如何運行,如何實現(xiàn)全年生活熱水供應等問題還需深入思考;對于實施峰谷電價的地區(qū),經濟性還需詳細計算。2.4分布式燃氣發(fā)電的聯(lián)合供能目前分布式燃氣發(fā)電最高效的供能方式為冷熱電三聯(lián)供(CCHP),它是傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(CHP)的一種進化和發(fā)展,它以機組更加小型化、分散化的形式布置在用戶附近,以能量的梯級利用為基礎,同時向用戶輸出冷、熱、電能,使能量達到更高的利用率。它從二十世紀八十年代開始興起發(fā)展,到現(xiàn)在已經成為一種技術成熟的能源供應方式。據(jù)美國對商用樓宇終端能源的消費統(tǒng)計,采暖用能占22%,熱水供應占7%,制冷空調用能占18%;普通熱電聯(lián)產只能解決建筑29%的用能及提供電力供應,而冷熱電三聯(lián)供可以提供47%的用能及電力。因此冷熱電三聯(lián)供被視為21世紀最具經濟潛力的組合方式。同時,天然氣作為一種清潔、高效的能源,是中國政府推動能源優(yōu)質化的重點領域。西氣東輸工程的竣工標志著中國天然氣時代的開始,為燃氣冷熱電三聯(lián)供提供了資源基礎。
3.分布式燃氣發(fā)電相關標準與分布式燃氣發(fā)電相關的標準主要包括內燃機相關技術標準和燃氣輪機相關技術標準。3.1國內標準①JB/T9583.1—1999氣體燃料發(fā)電機組通用技術條件該標準規(guī)定了氣體燃料發(fā)電機組的技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、包裝及貯運等要求。適用于0.5~800kW燃燒天然氣、煤氣、沼氣等氣體及其與柴油混合燃燒的內燃機驅動交流工頻發(fā)電機的發(fā)電機組。該標準要求機組的額定電壓為400V(三相)和230V(單相),對機組電壓的輸出范圍、波動率、畸變率,機組的啟動和工作方式、機組的安全性,不對稱負載要求等都有明確的規(guī)定。②JB/T10629-2006燃氣機通用技術條件和試驗方法該標準規(guī)定了燃氣機的技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、包裝及貯運。適用于燃用各種氣體燃料的非道路用往復活塞式內燃機的設計、制造和驗收。該標準定義了可燃氣體,對內燃機的工作條件、可燃氣體品質、啟動性能、燃氣熱耗率、調速性能、安全保護裝置等方面做了明確規(guī)定。③GB/T1147.1-2007中小功率內燃機第1部分:通用技術條件該標準規(guī)定了中小功率內燃機的性能要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、包裝及貯運等。適用于道路車輛、船舶、農用拖拉機、林業(yè)機械、工程機械、發(fā)電機組、排灌機械用中小功率內燃機,其他未被列入的中小功率內燃機可參照執(zhí)行。該標準中的內燃機既包括燃氣內燃機也包括燃油內燃機。④GB/T2820往復式內燃機驅動的交流發(fā)電機組該標準對由往復式內燃(RIC)發(fā)動機、交流發(fā)電機、控制裝置、開關裝置和輔助設備組成的發(fā)電機組的用途、性能、技術條件和設計、試驗方法、安全裝置等各方面進行了規(guī)定。適用于由陸用和船用RIC發(fā)動機驅動的交流發(fā)電機組,不適用于航空或驅動陸上車輛和機車的發(fā)電機組。對于某些特殊用途(例如必要的醫(yī)院供電、高層建筑等等)和其他型式的往復式原動機(例如沼氣發(fā)動機、蒸汽發(fā)動機),以該標準規(guī)定作為基礎。該標準共有12部分,其中前6個部分已更新到2009版。⑤GB/T15548-2008往復式內燃機驅動的三相同步發(fā)電機通用技術條件該標準規(guī)定了往復式內燃機驅動的三相同步發(fā)電機的型式、基本參數(shù)與尺寸、技術要求、檢驗規(guī)則、試驗方法以及標志、包裝和質量保證期。適用于往復式內燃機驅動的三相同步發(fā)電機。該標準對同步發(fā)電機的短路電流做出了明確要求。⑥JB/T5884-1991燃氣輪機控制與保護系統(tǒng)該標準規(guī)定了燃氣輪機控制與保護系統(tǒng)的基本要求和選用依據(jù)。適用于發(fā)電和工業(yè)驅動用的開式、閉式和半閉式循環(huán)的燃氣輪機控制與保護。⑦JB/T7822-1995燃氣輪機電氣設備通用技術條件該標準規(guī)定了與燃氣輪機配套使用的電氣設備(除控制設備外)的通用技術條件。適用于發(fā)電用燃氣輪機裝置,對于機械驅動用燃氣輪機裝置亦可參照采用。⑧CJJ145-2010燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術規(guī)程該規(guī)程為行業(yè)標準,適用于以燃氣為一次能源,發(fā)電機總容量小于或等于15MW,新建、改建、擴建的供應冷、熱、電能的分布式能源系統(tǒng)的設計、施工、驗收和運行管理。該規(guī)程對系統(tǒng)的配置,能源站的選址、布局、結構,燃氣系統(tǒng)及設備,供配電系統(tǒng)及設備,余熱利用系統(tǒng)及設備,監(jiān)控系統(tǒng),施工、驗收及運行管理等方面都提出了明確的要求。3.2國外標準與燃氣輪機與內燃機相關的國外標準較多,包括美國、英國、法國、德國、日本等國家都有各自的相關標準,相應的國際標準也較多。比較重要的國外標準包括:ISO-3977燃氣輪機系列標準IEC60034-2009往復式內燃機系列標準ANSIB133燃氣輪機系列標準,包括燃氣輪機的控制和保護系統(tǒng)、電氣設備、同步發(fā)電機等ASMEPTC17往復式內燃機DIN4342燃氣輪機-標準參考條件、標準功率、性能數(shù)據(jù)4.分布式燃氣發(fā)電的技術原理4.1燃氣發(fā)電原理按照發(fā)動機的不同,燃氣發(fā)電可分為4大類:燃氣輪機發(fā)電機組、燃氣內燃機發(fā)電機組、燃氣外燃機發(fā)電機組和燃料電池。4.1.1燃氣輪機燃氣輪機發(fā)電原理如圖4.1-1所示:圖4.1-1燃氣輪發(fā)電機組原理圖發(fā)電機和燃氣輪機連軸,高溫燃氣推動渦輪旋轉做功帶動發(fā)電機旋轉,從而產生電力。燃氣輪機的結構如圖4.1-2所示:圖4.1-2燃氣輪機結構圖燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室、渦輪三大部分組成:左邊部分是壓氣機、有進氣口,左邊四排葉片構成壓氣機的四個葉輪,把進入的空氣壓縮為高壓空氣;中間部分是燃燒器段、燃燒室,內有燃燒器,把燃料與空氣混合進行燃燒;右邊是渦輪(透平),是空氣膨脹做功的部件,右側是燃氣排出。在圖4.1-3中表示了燃氣輪機的簡單工作過程:空氣從空氣入口進入燃氣輪機,高速旋轉的壓氣機把空氣壓縮為高壓空氣,其流向見淺藍色箭頭線;燃料在燃燒室燃燒,產生高溫高壓空氣,高溫高壓空氣膨脹推動渦輪旋轉做功;做功后的氣體從排氣口排出,其流向見紅色箭頭線。圖4.1-3燃氣輪機工作過程在燃氣輪機中壓氣機是由渦輪帶動旋轉,壓氣機的葉輪與渦輪安裝在同一根主軸上組成燃氣輪機轉子,燃燒室產生的高溫膨脹氣體是同時作用到渦輪葉片與壓氣機葉片上。因此,渦輪葉片工作直徑必須大于壓氣機出口處的葉片工作直徑,渦輪葉片的面積也必須大于壓氣機出口處的葉片面積,這樣才能保證在同一壓力下渦輪的輸出力矩大于壓氣機所需的力矩,才能使燃氣輪機在帶動壓氣機的同時還能向外輸出功率。燃氣輪機的發(fā)電效率能達到30%,熱效率達到40%,綜合效率超過70%。燃氣輪機利用壓氣機進氣導葉的開度來調節(jié)空氣進氣量,調節(jié)的范圍為70%~100%。當負荷小于70%的時候,只能通過控制燃氣供給量來控制燃氣輪機的出力。所以燃氣輪機低負荷運行時,發(fā)電效率大幅度下降,帶50%負荷時發(fā)電效率將下降6~8%左右、熱效率下降10~15%,故燃氣輪機不適宜于帶部分負荷運行。燃氣輪機的起動時間較短,大型的燃氣輪機起動時間一般不超過1小時,最快的微型燃氣輪機,從起動到帶滿負荷不超過2分鐘。燃氣輪機對于燃料的適應性比較強,能夠使用各種高含氫低熱值和氣體含雜質較多的劣質燃料,含硫、含塵高一點問題都不大;且發(fā)電出力一般不會減少,甚至因為燃料進氣量增加而有所增加;此外,燃氣輪機功率密度大體積小,比較適合再移動,便于轉移運行現(xiàn)場,這對于存在一些不確定性的焦化廠項目的焦化煤氣利用非常有利。應用于分布式燃氣發(fā)電的燃氣輪機主要有:小型燃氣輪機和微型燃氣輪機。①小型燃氣輪機主要指額定功率在300kW-15MW的采用渦流式技術的燃氣輪機。其特點是堅固可靠,應用極為廣泛??梢宰鳛楣潭娫椿蛞苿与娫?,可用于熱電聯(lián)產,也可與余熱溴化鋰機組組成熱電冷聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng),還可以直接提供工業(yè)動力或組合成動力熱力聯(lián)合循環(huán),以及應用于交通動力設備等等。企業(yè)可以根據(jù)自己的用途和需求容量隨意配置,有無廠房無所謂,電壓等級隨意選,起停調節(jié)和燃料切換全部可以自動控制,基本上是一個“傻瓜機”的設計,現(xiàn)場可以無人職守。
小型燃氣輪機極為適合于工業(yè)和大型建筑的自備熱電設施,可作為工廠的熱電設施,當用電大用熱少時,可以采用燃氣輪機--背壓機同軸聯(lián)合循環(huán);當用電小用熱大時,可以采用余熱鍋爐補燃技術,能夠適應各種需求變化。小型燃機可以適應天然氣、液化石油氣、煤制氣、柴油等多種燃料,并可隨時自動切換,確保能源供應安全。目前的小型燃氣輪發(fā)電機組大修周期在3-4萬小時,運行穩(wěn)定可靠。調峰能力強,一般都可以在30%的工況下穩(wěn)定持續(xù)運行,機組能夠自動跟蹤頻率,實現(xiàn)并網和離網(自備電源)運行,燃機轉速高達10000轉/分,電力品質甚至能超過普通中、低壓配電網。小型燃氣輪機中有一種用航空發(fā)動機的地面改型,叫輕型燃氣輪機,特點是小巧輕便、啟停快、技術先進、自動化程度更高。目前,輕型燃氣輪機的技術也已經非常完善,大修壽命周期也在30000小時以上,每次大修后可以恢復到原先的出力水平??捎糜诎l(fā)電和直接動力,余熱能夠利用于熱電聯(lián)產和與溴化鋰制冷機組熱電冷聯(lián)產。輕型燃氣輪機還具有一個非常有用的特性就是過載頂峰能力,其瞬間出力能夠迅速增加10-20%,非常適應小型電網的負荷變化。小型燃氣輪機目前正在進行三大技術革命,第一是回熱技術,將空氣作為載體,利用燃燒后的煙氣回收能量,提高效率,發(fā)電效率已經達到40%。第二是永磁發(fā)電機--大功率晶體可控變頻技術,由于小型燃氣輪機的軸轉速極快,每分鐘超過1萬轉,甚至有超過30000轉的,因此使用變速齒輪箱功率損耗大,故障率高。如果采用永磁發(fā)電機,不需要勵磁,發(fā)電效率可高達95%。可控變頻技術可以保障并網的安全可靠,提高自動化控制能力,降低生產成本。各國都在積極開發(fā),目前德國、日本已經可以制造400kW等級機組的永磁發(fā)電機--大功率晶體可控變頻系統(tǒng)。第三是直接與余熱溴化鋰空調聯(lián)合循環(huán),將燃氣輪機煙氣直接排入余熱溴化鋰空調機制冷供熱,省略了鍋爐、化學水系統(tǒng)等設備,大大方便了用戶。②微型燃氣輪機主要指25-300kW采用軸流技術的燃氣輪機。基本原理是通過一個精密鑄造的葉輪和永磁發(fā)電機轉子連接的轉子的高速旋轉,葉輪一側為壓縮機,另一側為燃燒室和動力葉片,來帶動發(fā)電機發(fā)電。轉子的速度為每分鐘6-15萬轉,為了減少阻力,轉子是浮在空氣軸襯上運行。微型燃氣輪機的結構如圖4.1-4所示:圖4.1-4微型燃氣輪機結構圖與傳統(tǒng)的燃氣輪機結構的區(qū)別再于采用了空氣軸承和向心式透平以及離心式壓氣機。微型燃氣輪機的發(fā)電原理和傳統(tǒng)的燃氣輪機相似,只是多了一個回熱循環(huán),發(fā)電原理如圖4.1-5所示:圖4.1-5微型燃氣輪機發(fā)電原理回熱循環(huán)的熱交換器為選裝設備,回熱循環(huán)發(fā)電效率為25-28%,但排煙溫度降低到300℃以下,熱電綜合效率75%左右。不使用回熱器發(fā)電效率14-16%左右,排煙溫度在600℃以上,熱電綜合效率85%。微型燃氣輪機是一種典型的用戶能源系統(tǒng),可以為樓宇和小型工廠項目提供現(xiàn)場電力、熱力、制冷能源,燃料使用天然氣、煤制氣、液化石油氣和柴油。微型燃氣輪機作為一種現(xiàn)場能源系統(tǒng),采用了無人職守的智能化自動控制技術,晶體變頻控制技術,可以自動跟蹤頻率調節(jié),保證了安全運行。微型燃氣輪機結構簡單,由于采用空氣軸承,整套系統(tǒng)只有一個運動部件,連續(xù)運行可靠率高達99.99%,平均每年的停機檢修時間不超過2小時。整機由空氣冷卻,不需要潤滑系統(tǒng)和冷卻劑,保養(yǎng)間隔長,維護成本低。其使用壽命達到20年。4.1.2燃氣內燃機內燃機一般是指活塞式內燃機,包括往復活塞式內燃機和旋轉活塞式內燃機,其中往復活塞式內燃機最為普遍。根據(jù)所用燃料的不同,內燃機主要有汽油機、柴油機、燃氣機、乙醇發(fā)動機等。燃氣內燃機主要使用天然氣、液化石油氣、煤氣等可燃氣體作為燃料。燃氣內燃機發(fā)電原理和燃氣輪機相似,燃氣經管道送入燃氣內燃發(fā)電機組,進行燃燒做功帶動同步發(fā)電機發(fā)電,產生的廢氣經熱量回收、質量控制設施通過煙囪排入大氣。燃氣內燃機一般采用往復活塞式內燃機,工作原理如圖4.1-6所示:圖4.1-6燃氣內燃機工作原理圖燃氣內燃機的典型結構如圖4.1-7所示:圖4.1-7燃氣內燃機結構圖一般包含5大系統(tǒng)結構:燃氣供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、起動系統(tǒng)。燃氣內燃機與燃氣輪機相比,其規(guī)格更齊全,市場上從幾千瓦到數(shù)十兆瓦都有銷售,同等規(guī)格的內燃機比燃氣輪機便宜。燃氣內燃發(fā)電機組的發(fā)電效率比燃氣輪發(fā)電機組更高,發(fā)電效率能達到40%,熱效率40%,綜合效率超過80%。燃氣內燃發(fā)電機組啟動快,在突然停電的情況下,啟動機組只需要很少的輔助電力,通常只要蓄電池就足夠了。內燃機的部分負荷運行性能較燃氣輪機好,當燃氣內燃發(fā)電機組在50%負荷下運行時,其綜合效率只比滿負荷運行時低5-8%。但是內燃機燃燒低熱值燃料時,機組出力明顯下降,一臺燃燒低熱值8000大卡/立方米天然氣燃料的500千瓦級燃氣內燃發(fā)電機組,在使用低熱值4000大卡/立方米的焦化煤氣時,出力可能下降到350~400kW左右。內燃機需要頻繁更換機油和火花塞,消耗材料比較大,也影響到設備的可用性和可靠性兩個主要設備利用指標,對設備利用率影響比較大,有時不得不采取增加發(fā)電機組臺數(shù)的辦法,來消除利用率低的影響。內燃機對燃氣清潔度要求比燃氣輪機高,對燃氣中的水分子含量和硫化氫等比較敏感,可能導致硫化氫和水形成硫酸腐蝕問題,需要對燃氣進行清潔過濾。4.1.3燃氣外燃機燃氣外燃機,又稱斯特林機(Stirlingengine)、熱氣機,是一種閉式循環(huán)往復活塞式外燃機.外燃機可用氫、氮、氦或空氣等作為工質,按斯特林循環(huán)工作。與內燃機不同的是:它的工作氣體是封閉在機器內的,并在各腔室間循環(huán),反復使用。在外然機封閉的氣缸內充有一定容積的工質(氫氣或氦氣),氣缸一端為熱腔,另一端為冷腔。工質在低溫冷腔中壓縮,然后流到高溫熱腔中迅速加熱,膨脹作功。燃料在氣缸外的燃燒室內連續(xù)燃燒,通過加熱器傳給工質,工質不直接參與燃燒,也不更換。斯特林循環(huán)依次經歷等溫壓縮、定容吸熱、等溫膨脹、定容放熱四個過程。其結構一般由燃燒系統(tǒng)、熱端部件(加熱器,回熱器)、冷端部件(冷卻器,冷卻系統(tǒng))、傳動系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)組成。外燃機結構圖如圖4.1-8所示:圖4.1-8外燃機結構圖外燃機的特點:①燃料的多樣性可以使用各種燃料,包括液態(tài)、氣態(tài)或固態(tài)燃料。因為燃燒過程連續(xù),而且是在缸外接近于大氣壓力的狀態(tài)下進行,所以對燃料品質要求不高。凡是燃燒溫度可達到450℃以上的任何種類燃料都可以作為燃氣外燃機的驅動能源,如煤油、重柴油、煤炭、薪柴和秸稈、煤氣、天然氣、沼氣、酒精和植物油等燃料都可使用。當采用載熱系統(tǒng)(如熱管)間接加熱時,幾乎可以使用任何高溫熱源(太陽能、放射性同位素和核反應等),而發(fā)動機本身(除加熱器外)不需要做任何更改。同時,斯特林機也可用來回收各種分散或低品位的熱能。②發(fā)電效率較高實際燃氣外然發(fā)電機組的發(fā)電效率一般為25%~35%,最高可達到47%,在部分負荷下斯特林機仍可達35%的發(fā)電效率。但是熱效率不高,熱量損失是內燃機的2-3倍。燃氣外然發(fā)電機組一般功率較小,從幾百瓦到數(shù)十千瓦不等。③排氣污染少,噪音低外燃機的燃燒過程具有凈化排氣的最大潛力,這主要是因為外燃機的燃燒過程是連續(xù)的;空氣燃燒比變化對效率影響很小,而對功率幾乎沒有影響,發(fā)動機可以在足夠的過量空氣下運轉。外燃機的噪音主要是由于燃燒時汽缸壓力的急驟升高和燃燒氣體在排氣開始突然形成的大梯度壓力降所產生的。外燃機氣缸內壓力是按照正弦規(guī)律變化的,機內工質壓力變化平緩,因而不會產生燃燒爆炸和排氣波。另外,外然機沒有氣閥機構且運轉平衡,因而沒有氣閥的沖擊和活塞的敲缸聲等,噪音一般比內燃機低15-20dB。④運轉特性好外然機氣缸中的壓力變化平穩(wěn),最大和最小壓力之比一般為2.0左右,因此扭矩均勻,運轉平穩(wěn)。轉速變化范圍大,最大與最小轉速的比值一般為8~10(內燃機為3~5)。外然機的超負荷能力很大,能在超過額定負荷50%的情況下正常運轉,而內燃機只能超載15%。外燃機最大的優(yōu)點是出力和效率不受海拔高度影響,因此非常適合于高海拔地區(qū)使用。⑤工藝有待改進,尚未大量使用外燃機雖然零件數(shù)比內燃機少40%左右,且潤滑系統(tǒng)與大氣隔絕不受燃燒產物污染、潤滑油消耗量很少;但是,外燃機的結構比較復雜,制造工藝要求高,制造成本較高,工質密封技術較難,密封件的可靠性和壽命還存在問題,功率調節(jié)控制系統(tǒng)較復雜,機器較為笨重。因此其推廣應用受到一定限制。4.1.4燃料電池燃料電池是利用氫能的最好方式之一,它將燃料和氧氣的化學能通過電化學反應而不是燃燒轉變成電能,因而具有更高的效率、更低的污染排放。燃料電池可以用于所有需要電力的場合,被認為是21世紀高效、潔凈的新型發(fā)電方式之一,是繼火電、水電、核電之后的第四代發(fā)電方式。由于它解決了資源合理利用和環(huán)境污染兩大難題,燃料電池在發(fā)電站、微型電源、動力源等方面展露出廣泛應用前景。燃料電池的發(fā)電原理如圖4.1-9所示:圖4.1-9燃料電池發(fā)電原理圖燃料電池是把化學能直接轉化為電能的裝置,由陰極、陽極、電解質幾個基本單元構成。燃料(氫氣、天然氣等)在陽極催化劑的作用下發(fā)生氧化反應,生成陽離子并給出自由電子;氧化物(通常為氧氣)在陰極催化劑的作用下發(fā)生還原反應,得到電子并產生陰離子;陽極產生的陽離子或者陰極產生的陰離子通過質子導電而電子絕緣的電解質運動到相對應的另外一個電極上,生成反應產物并隨未反應完全的反應物一起排到電池外,與此同時,電子通過外電路由陽極運動到陰極,使整個反應過程達到物質的平衡與電荷的平衡,外部用電器就獲得了燃料電池所提供的電能。依據(jù)電解質不同,燃料電池分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)等。其中屬于堿性燃料電池的只有AFC一種,而其余的燃料電池均屬于酸性燃料電池。各種燃料電池的比較見表4.1-1:表4.1-1各類燃料電池性能對比表簡稱燃料電池類型電解質工作溫度(℃)電化學效率燃料、氧化劑功率輸出AFC堿性燃料電池氫氧化鉀溶液室溫-9060-70%氫氣、氧氣300W-5KWPEMFC質子交換膜燃料電池質子交換膜室溫-8040-60%氫氣、氧氣(或空氣)1KWPAFC磷酸燃料電池磷酸160-22055%天然氣、沼氣、雙氧水、空氣200KWMCFC熔融碳酸鹽燃料電池堿金屬碳酸鹽熔融混合物620-66065%天然氣、沼氣、煤氣、雙氧水、空氣2MW-10MWSOFC固體氧化物燃料電池氧離子導電陶瓷800-100060-65%天然氣、沼氣、煤氣、雙氧水、空氣100KW燃料電池的特點有:①能量轉化效率高:直接將燃料的化學能轉化為電能,中間不經過燃燒過程,因而不受卡諾循環(huán)的限制。電能轉換效率最高能達到70%。②有害氣體SOx、NOx及噪音排放都很低,CO2排放因能量轉換效率高而大幅度降低,無機械振動。③燃料適用范圍廣。④積木化強:規(guī)模及安裝地點靈活,燃料電池電站占地面積小,建設周期短,電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝,十分方便。燃料電池無論作為集中電站還是分布式發(fā)電都非常合適。⑤負荷響應快,運行質量高:燃料電池在數(shù)秒鐘內就可以從最低功率變換到額定功率,而且電廠離負荷可以很近,從而改善了地區(qū)頻率偏移和電壓波動,降低了現(xiàn)有變電設備和電流載波容量,減少了輸變線路投資和線路損失。燃料電池在實際應用中也存在一些瓶頸,包括:燃料電池造價偏高;起動速度尚不及內燃機引擎;氫化合物燃料均需經過轉化器、一氧化碳氧化器處理產生純氫氣后,方可供現(xiàn)今的燃料電池利用,這些設備亦增加燃料電池系統(tǒng)之投資額;目前的氫氣儲存技術需消耗大量的電能,尚需改進。4.2燃氣發(fā)電聯(lián)供技術各種燃氣發(fā)動機在發(fā)電的同時會產生大量的余熱,這些余熱包含了燃料相當大一部分能量,極具利用價值。特別是燃氣輪機,其排出的氣體溫度往往高達數(shù)百攝氏度,這些高溫氣體可以用于發(fā)電、供熱以及制冷。4.2.1燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)以燃氣輪機循環(huán)為前置循環(huán)、以蒸汽輪機循環(huán)為后置循環(huán)所組成的一個整體的熱力循環(huán),統(tǒng)稱為“燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)”,簡稱為“聯(lián)合循環(huán)”。聯(lián)合循環(huán)能夠合理地梯級利用能源,具有提高機組效率、同時增大其功率的功能,它是當今能源利用方式中比較先進的技術。循環(huán)發(fā)電機組的工作原理是:經過加熱后的燃氣進入燃氣輪機的燃燒室,與壓氣機壓入的高壓空氣混合燃燒,產生高溫高壓氣流推動燃氣輪機旋轉做功。從燃氣輪機排出的氣體溫度高達600攝氏度,進入余熱鍋爐將水加熱成高溫高壓蒸汽,高溫高壓蒸汽推動蒸汽輪機旋轉做功。燃氣輪機和蒸汽輪機同時旋轉將內能轉換成機械能帶動同步發(fā)電機旋轉產生電能。燃氣輪機、蒸汽輪機、發(fā)電機的轉軸相互連接同軸旋轉的,稱為單軸系統(tǒng);燃氣輪機帶動一臺發(fā)電機、蒸汽輪機帶動一臺發(fā)電機,各自一個軸系,稱為多軸系統(tǒng)。對于30萬千瓦以上的大型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組,一般采用單軸系統(tǒng),其原理圖如圖4.2-1所示:圖4.2-1單軸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組原理圖20萬千瓦以下的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組一般采用多軸系統(tǒng)。在分布式燃氣發(fā)電中,小型燃氣輪機和小型蒸汽輪機組成的循環(huán)發(fā)電機組一般都是采用多軸系統(tǒng)。其原理圖如圖4.2-2所示:圖4.2-2多軸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組原理圖聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組與傳統(tǒng)的蒸汽輪發(fā)電機組相比具有明顯的優(yōu)點:①有較高的熱效率:聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組發(fā)電效率可以達到45%~50%,一些大型機組甚至可以超過55%。在同等功率條件下效率要比蒸汽輪發(fā)電機組高出15%以上。②環(huán)保性能好,對環(huán)境的污染少:聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組CO、NOx排放少,沒有灰渣、無需灰渣排放。③投資省:目前每千瓦的投資費用僅為蒸汽輪發(fā)電機組的一半左右。④建設周期短:可以分階段建設,首先建設燃氣輪機發(fā)電,再建聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,從而使資金利用最大效率化。⑤占地少、用水少:占地面積小,適合在城市里建設,用水量一般僅常規(guī)蒸汽輪發(fā)電機組的三分之一左右。⑥運行方式靈活:大型機組可用于調峰運行;小型機組應用于分布式發(fā)電時,可作為孤網運行的主電源,運行可靠,供電質量高。4.2.2冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)三聯(lián)供系統(tǒng)基本原理及分類冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產基礎上發(fā)展起來的,它是一種根據(jù)能量品位進行梯級利用的綜合產、用能的先進的分布式能源系統(tǒng)。系統(tǒng)安裝于最終用戶端附近,首先利用一次能源驅動各種發(fā)動機發(fā)電,再通過各種余熱利用設備(吸收式制冷機、吸附式制冷機、余熱鍋爐、干燥除濕設備、換熱器等)對余熱進行回收利用,同時向用戶提供電力、制冷、采暖、生活熱水等,綜合用能效率可達90%以上。冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)能源的梯級利用原理如圖4.2-3所示。圖4.2-3三聯(lián)供系統(tǒng)能源梯級利用原理圖冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)省能源,與常規(guī)供能相比節(jié)能率超過30%;排放量小、低碳環(huán)保;經濟性好,由于系統(tǒng)靠近用戶端,減少冷熱電的輸送損失及管網不平衡損失,提高用能的利用效率,目前天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)一般7~10年左右即可收回投資;燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)可以有效地緩解天然氣冬夏季峰谷差,提高燃氣設施的利用效率,同時減少電力設備的峰值裝機容量。按照供應范圍三聯(lián)供系統(tǒng)可以分為區(qū)域型和樓宇型兩種:區(qū)域型系統(tǒng)主要是針對各種工業(yè)、商業(yè)或科技園區(qū)等較大的區(qū)域,設備一般采用容量較大的機組,還要考慮冷熱電供應的外網設備,往往是需要建設獨立的能源供應中心;樓宇型系統(tǒng)主要是針對具有特定功能的建筑物,如寫字樓、商廈、醫(yī)院及某些綜合性建筑所建設的冷熱電供應系統(tǒng),一般僅需容量較小的機組,機房往往布置在建筑物內部,不需考慮外網建設。三聯(lián)供系統(tǒng)組成冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的組成如圖4.2-4所示:圖4.2-4冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)組成示意圖該系統(tǒng)最核心的兩個設備是:熱電轉換裝置和熱冷轉換裝置。熱電轉換裝置包括前述的小型燃氣輪發(fā)電機組、微型燃氣輪發(fā)電機組、燃氣內燃發(fā)電機組、斯特林機發(fā)電機組、小型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組以及燃料電池;熱冷轉換裝置包括吸收式制冷機和吸附式制冷機。吸收式制冷機用于冷熱電三聯(lián)產的吸收式制冷機常用的吸收劑為溴化鋰、制冷劑為水。其制冷原理如圖4.2-5所示:圖4.2-5吸收式制冷原理圖圖中發(fā)生器中的溴化鋰水溶液加熱產生高壓高溫制冷劑(水蒸氣),制冷劑進入冷凝器凝結為水,冷劑水通過節(jié)流閥流入蒸發(fā)器,溫度和壓力降低,低溫低壓液體在蒸發(fā)器內汽化變?yōu)樗魵獠⑽諢崃?,產生制冷效應;同時,發(fā)生器中的溴化鋰水溶液由于水的蒸發(fā)變?yōu)殇寤嚌馊芤?,該溶液通過節(jié)流閥流入低壓的吸收器,吸收由蒸發(fā)器產生的水蒸氣,形成溴化鋰稀溶液,用泵將稀溶液輸送至發(fā)生器,重新加熱,又形成濃溶液,由此完成溴化鋰水溶液的循環(huán)。吸收式制冷機通過消耗熱能將液體蒸發(fā)來持續(xù)不斷的制冷,其特點是:可以利用各種熱能(蒸氣、廢熱、余熱、燃油、燃氣等)驅動;可以大量節(jié)約用電;結構簡單,運動部件少,安全可靠;對環(huán)境和大氣臭氧層無害。溴化鋰吸收式制冷機一般只能制取0攝氏度以上的冷水,因而多用于空調系統(tǒng);它還可以作為熱泵,回收廢熱水的熱量,制取高溫水,用于采暖等場合。根據(jù)熱能來源的不同,溴化鋰吸收式制冷機可分為熱水型、蒸汽型、煙氣型、補燃型、直燃型等。吸附式制冷機吸附式制冷機的制冷原理是:一定的固體吸附劑對某種制冷劑氣體具有吸附作用。吸附能力隨吸附溫度的不同而不同。周期性地冷卻和加熱吸附劑,使之交替吸附和解析。解析時,釋放出制冷劑氣體,并使之凝為液體;吸附時,制冷級液體蒸發(fā),產生制冷作用。以常見的沸石-水吸附對為例。沸石是一種鋁硅酸鹽礦物,它能夠吸附水蒸氣,且吸附能力的變化對溫度特別敏感。因而它們是較理想的吸附制冷工質對之一。圖4.2-6示出一個利用太陽能驅動的沸石-水吸附制冷系統(tǒng)原理:圖4.2-6太陽能吸附式制冷原理該系統(tǒng)包括吸附床、冷凝器和蒸發(fā)器,用管道連接成一個封閉的系統(tǒng)。吸附床是充裝了吸附劑(沸石)的金屬盒;制冷劑液體(水)貯集在蒸發(fā)器中。白天,吸附床受到日照加熱,沸石溫度升高,產生解吸作用。從沸石中脫附出水蒸氣,系統(tǒng)內的水蒸氣壓力上升,達到與環(huán)境溫度對應的飽和壓力時,水蒸氣在冷凝器(肋片)中凝結,同時放出潛熱,凝水貯存在蒸發(fā)器中。夜間,吸附床冷下來,沸石溫度逐漸降低,它吸附水蒸氣的能力逐步提高,造成系統(tǒng)內氣體壓力降低,同時,蒸發(fā)器中的水不斷蒸發(fā)出來,用以補充沸石對水蒸氣的吸附。蒸發(fā)過程吸熱,達到制冷的目的。如果采用其它熱源,只要保證能夠交替地加熱和冷卻吸附床,使沸石周期性地解析和吸附,同樣能達到制冷的目的。吸附式制冷屬于間歇制冷,吸附器處于吸附過程中產生冷效應,吸附結束后必須有一個解析過程使吸附劑狀態(tài)還原,這時將停止制冷。為了連續(xù)制冷,可以采用兩個吸附器或多個吸附器。吸附式制冷系統(tǒng)與吸收式制冷系統(tǒng)相比較,其適用的熱源溫區(qū)范圍較大,沒有制冷劑的結晶和腐蝕問題,可用于空調、制冰以及熱泵等一些余熱可資利用場合。但是吸附式制冷的出力較小,循環(huán)周期較長,實用化受到了一定的限制。因此,目前在冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)中,一般采用吸收式制冷機,其技術更加成熟、可靠。三聯(lián)供系統(tǒng)結構采用不同發(fā)動機的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)結構略有不同:小型燃氣輪機驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)小型燃氣輪機驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)一般有兩種形式,一種采用余熱鍋爐,適用于2兆瓦以上機組;另一種直接利用燃氣輪機排出的煙氣,適用于2兆瓦以下的機組。兩種形式的系統(tǒng)結構圖如圖4.2-7和圖4.2-8所示。圖4.2-7采用余熱鍋爐的小型燃氣輪機驅動三聯(lián)供系統(tǒng)結構圖圖4.2-8排氣直燃式小型燃氣輪機驅動三聯(lián)供系統(tǒng)結構圖小型燃氣輪機驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)其余熱回收形態(tài)一般為400-650℃煙氣。微型燃氣輪機驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)微型燃氣輪機驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)非常適合安裝于樓宇場合,其系統(tǒng)結構如圖4.2-9所示。圖4.2-9微型燃氣輪機驅動三聯(lián)供系統(tǒng)結構圖微型燃氣輪機驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)其余熱回收形態(tài)一般為250-650℃煙氣。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)小型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)適用于5兆瓦以上機組,能夠為較大的區(qū)域提供制冷和供熱,其系統(tǒng)結構圖如圖4.2-10所示。圖4.2-10聯(lián)合循系統(tǒng)驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)結構圖燃氣內燃機驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)燃氣內燃機驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)機組功率一般在5兆瓦以下,結構形式較多,主要的有三種結構形式:余熱鍋爐型、排氣補燃型、排氣換熱型,系統(tǒng)結構圖如圖4.2-11、圖4.2-12、圖4.2-13所示。圖4.2-11采用余熱鍋爐的燃氣內燃機驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)結構圖圖4.2-12排氣補燃式燃氣內燃機驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)結構圖圖4.2-13排氣換熱式燃氣內燃機驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)結構圖燃氣內燃機驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)其余熱回收形態(tài)包括400-600℃煙氣以及80-100℃套缸水。燃氣外燃機驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)斯特林機的功率一般較小,一般采用熱電聯(lián)供型式,制冷由直燃機單獨完成,其系統(tǒng)結構圖如圖4.2-14所示。圖4.2-14斯特林機驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)結構圖未來隨著小型余熱型固體吸附式制冷技術的成熟,斯特林機與吸附式制冷機的組合在三聯(lián)供系統(tǒng)的應用值得期待。燃料電池驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)燃料電池驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)結構圖如圖4.2-15所示:圖4.2-15燃料電池驅動的三聯(lián)供系統(tǒng)結構圖以高溫熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)為例,其排氣溫度為650℃,燃料電池的高溫排氣經過吸收式制冷機組放出熱量,溫度降為300℃,再通入換熱器中預熱鍋爐給水,使得鍋爐給水溫度由25℃升至100℃。換熱器排氣溫度約為150℃,用于供熱。系統(tǒng)發(fā)電效率超過40%,余熱回收效率約為45%,總效率超過85%。上述6種三聯(lián)供系統(tǒng)是目前最常見的三聯(lián)供技術:燃氣內燃機系統(tǒng)的啟動時間短,當遇到緊急情況時能夠迅速啟動,保證能源的正常供應,同時燃氣內燃機與燃氣輪機相比具有更好的部分負荷特性,其余熱利用效率隨著負荷率的降低有上升趨勢,是非常優(yōu)秀的三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)動機;燃氣輪機的NOx排放量很小,比內燃機具有更好的環(huán)境效益,但是發(fā)電效率不如內燃機,適用于城市商業(yè)、辦公等對環(huán)境要求高,空間緊張的區(qū)域;斯特林機高效、低噪聲、低污染,但出力較低、工藝復雜、成本較高,實用性有待進一步提高;燃料電池環(huán)境效益最好,但是由于相同功率的燃料電池造價是普通內燃機的5倍,它的應用目前受到很大限制。三聯(lián)供系統(tǒng)的并網根據(jù)《燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術規(guī)程》的規(guī)定,燃氣冷熱電三聯(lián)供是“以熱定電”為設計原則,采用“聯(lián)網不上網”的并網方式。冷熱電三聯(lián)供電站發(fā)電量僅占規(guī)劃電負荷容量的1/3~1/2為宜,供電負荷容量不足部分由外網供給。因此,電站的系統(tǒng)聯(lián)絡線采取“逆功率保護”措施和分別計量電量的方式,確保聯(lián)供電站只受電,不向系統(tǒng)送電的原則。三聯(lián)供系統(tǒng)的適合用戶①政府機關和事業(yè)單位建筑物等設施;②文化體育、醫(yī)療、教育、交通樞紐等公共建筑或設施;③商場、賓館、寫字樓等商業(yè)設施;④工農業(yè)企業(yè)、工業(yè)園區(qū)、經濟開發(fā)區(qū);⑤生產過程中產生可利用余熱的企業(yè)。5.分布式燃氣發(fā)電的國內外發(fā)展情況5.1天然氣發(fā)電的國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前世界范圍內燃氣發(fā)電的絕大部分燃料來源是天然氣(包括管道天然氣和液化天然氣),從上世紀90開始,天然氣發(fā)電得到了迅猛的發(fā)展。1970至2001年間,全世界天然氣發(fā)電量的年均增長率為6.9%。天然氣發(fā)電在總發(fā)電量中所占份額從1973年的12.1%增加到了2002年的19.1%。預計未來20年天然氣發(fā)電將繼續(xù)增加,美國能源信息署預測,2025年世界天然氣發(fā)電量將比2001年增加一倍,發(fā)電用天然氣的年均增長率為3.3%。國際能源署(IEA)預測世界天然氣消費將從2002年的2.6萬億立方米增加到2030年的4.9萬億立方米,發(fā)電用氣在天然氣消費增加量中占到59%,發(fā)電用氣的年均增長率是2.3%。①國外天然氣發(fā)電現(xiàn)狀以2001年數(shù)據(jù)統(tǒng)計,美國的天然氣發(fā)電量占電力生產總量的16.5%;俄羅斯作為天然氣生產大國,發(fā)電燃料結構中,天然氣的比例占了60%以上;卡塔爾、馬來西亞等國天然氣資源非常豐富,而煤炭和水力資源匱乏,天然氣發(fā)電占電力生產總量的70%以上;阿根廷、荷蘭等國天然氣發(fā)電的比例在40%~60%;天然氣發(fā)電占電力生產總量20%~40%的典型國家有英國、日本、意大利等國;天然氣發(fā)電占電力生產總量10%~20%的典型國家有韓國、匈牙利等國??梢钥闯?,國外西方發(fā)達國家和天然氣資源豐富的國家,天然氣發(fā)電所占比例都較高。②國內天然氣發(fā)電現(xiàn)狀以2010年數(shù)據(jù)統(tǒng)計,我國的電力結構中,火電發(fā)電占71%(煤電68%,燃氣發(fā)電2.8%),水電23%,風電3%,核電1%,剩下少量其它新能源與再生能源發(fā)電??梢娢覈烊粴獍l(fā)電所占比例較低,不到3%,天然氣發(fā)電還在發(fā)展階段。2000年之前,天然氣發(fā)電主要應用在靠近天然氣源頭的地區(qū)以及依靠進口液化天然的廣東、福建地區(qū),發(fā)電容量小,投資規(guī)模不大,也沒有形成一定的商業(yè)運作模式。2002年以后,隨著西氣東輸工程的實施,天然氣發(fā)電量迅速增加,按規(guī)劃,西氣東輸?shù)奶烊粴?0%,進口天然氣的40%用于發(fā)電,預計到2020年,天然氣發(fā)電占全國發(fā)電量比例將會提高到6.7%。5.2冷熱電三聯(lián)產的國內外現(xiàn)狀目前分布式燃氣發(fā)電的主要形式就是冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)。①國外現(xiàn)狀熱電冷聯(lián)產在國外的發(fā)展開始于20世紀70年代的能源危機,最早出現(xiàn)在美國。進入20世紀90年代,西方發(fā)達國家通過規(guī)劃引領、技術支持、優(yōu)惠政策以及建立合理價格機制和統(tǒng)一并網標準,有效推動了三聯(lián)產的發(fā)展。美國美國是熱電冷聯(lián)產技術的積極倡導者。按美國能源部制訂的總體商用建筑冷熱電聯(lián)供規(guī)劃,2010年,20%的新建商用寫字樓類建筑使用CCHP,5%的現(xiàn)有商用寫字樓類建筑使用CCHP;25%的美國能源部CHP(熱電聯(lián)產)項目使用CCHP。到2020年,將要有50%的新建商用寫字樓建筑使用CCHP,15%的現(xiàn)有商用寫字樓類建筑采用CCHP。美國已有6000多座分布式能源站,占總裝機容量7.8%,以天然氣熱電聯(lián)供和冷熱電聯(lián)供為主,到2020年,三聯(lián)供系統(tǒng)裝機容量將占到總裝機容量的29%。歐洲在歐洲,熱電冷聯(lián)產技術的發(fā)展也日益受到重視,特別是在20世紀80年代后,發(fā)展比較迅速。特別是丹麥,從90年代開始新建電廠全部為熱電/冷熱電聯(lián)產,到2000年時包括丹麥、芬蘭和荷蘭等國冷熱電三聯(lián)供的發(fā)電量都已超過該國總發(fā)電量的50%,澳大利亞、德國、葡萄牙和意大利等國冷熱電三聯(lián)供也都有較大的比例。在當前的能源市場上,冷熱電三聯(lián)供電力供應占整個歐洲電力生產的20%左右。歐洲各國都建立了許多冷熱電三聯(lián)供廠,規(guī)模從幾千瓦到500兆瓦不等,從個體建筑物到大規(guī)模的地區(qū)供熱方案都有冷熱電三聯(lián)供的應用。日本日本熱電聯(lián)產相關法令有:《供熱法》、《城市規(guī)劃法》、《防止公害法》和關于推動熱電聯(lián)產發(fā)展的指導標準等。鼓勵銀行、財團對熱、電、冷系統(tǒng)出資、融資,并進行減稅或免稅。政府對熱電項目給予低息貸款年利率3%(一般工業(yè)為6%)和補貼。80年代末,包括修訂《電力事業(yè)法》在內的一系列放寬管制的辦法出臺。1995年底又批準了新修訂的《電力事業(yè)法》,最重要的變化是允許非公用事業(yè)類的供應商對需求大的用戶售電,而以前通常被電力公司壟斷。目前日本的冷熱電三聯(lián)供應用已領先于歐美,截止1999年3月底,日本熱電聯(lián)產的總裝機數(shù)量是2777臺,總裝機容量為4627MW,占各類機組(電力公司的電廠機組加上私有發(fā)電設備)總裝機容量的2%,其中,民用與商業(yè)部門1654臺,裝機容量共882MW,工業(yè)部門1123臺,裝機容量共3745MW。而隨后的2000年一年,燃氣冷熱電三聯(lián)產項目裝機容量就達到478MW。②國內現(xiàn)狀國內三聯(lián)供才剛剛起步,應用主要在上海和北京這兩個國內經濟最發(fā)達的地方,其發(fā)展歷程如下:1997年,上海建成2-3個示范項目;1999年,北京市開始著手進行燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的調研和工程試點工作;2002年,北京市科學技術委員會課題立項《樓宇型天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)應用研究與示范》;2004年,上海市發(fā)改委等五委、局頒布《關于本市鼓勵發(fā)展燃氣空調和分布式供能系統(tǒng)的意見》;2005年,上海市建設和交通委員會頒布《分布式供能系統(tǒng)工程技術規(guī)程》(試行版);2006年,建設部行業(yè)標準啟動《燃氣冷熱電聯(lián)供工程技術規(guī)程》;2007年,國家發(fā)改委出臺《天然氣利
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