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)濟性分析

§3-3CHP的典型應用§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)化成電力的過程中產(chǎn)生大量熱能，對于電力系統(tǒng)中的常用電廠來說，輸入燃料三分之二以上的能量被轉(zhuǎn)換成熱能。當傳統(tǒng)電廠將燃料轉(zhuǎn)換為電能并送達一般電力用戶時，只使用了全部能源的30%。由于分布式發(fā)電(DG)具有與負荷相適應的規(guī)模和位置，能夠合理經(jīng)濟地回收這些熱能。而終端用戶只需利用自身設備內(nèi)或設備附近的一臺組合式熱電聯(lián)產(chǎn)(CombinedheatandPower，簡寫為CHP)系統(tǒng)就可同時獲得熱能和電能。CHP系統(tǒng)的總效率高達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)應用了100多年，滿足了這些行業(yè)對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、機械功率、或者僅供內(nèi)部使用的電力。多數(shù)CHP的應用是聯(lián)合發(fā)電，即采用中等規(guī)模的CHP系統(tǒng)同時生產(chǎn)電力和蒸汽。本章主要討論使用分布式發(fā)電原動機發(fā)電時CHP的應用。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)過程中的加熱和冷卻。CHP與分離式熱電系統(tǒng)的效率對比示意圖如圖所示。一臺典型的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)動機、天然氣發(fā)動機、蒸汽渦輪發(fā)動機、燃氣渦輪發(fā)動機、微型渦輪發(fā)動機和磷酸燃料電池。各種商用CHP原動機的技術(shù)特點如表3-1所示。由表3-1可見，CHP的容量變化范圍很大——從1kW的斯特林CHP系統(tǒng)到250MW的燃氣渦輪發(fā)動機CHP。由于某些技術(shù)方面的進步，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)比較性能特點柴油發(fā)動機天然氣發(fā)動機燃氣渦輪發(fā)動機微型渦輪發(fā)動機燃料電池斯特林發(fā)動機電能效率30%~50%25%~45%25%~40%(簡單)40%~60%(組合式)20%~30%40%~70%25%~40%帶部分負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啟動時間10s10s10min~1h60s3~48h60s燃料壓力/kPa<34.57~310830-3450275~7003.5~310－制造費用/($/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、往復式發(fā)動機

CHP主要應用兩種類型的內(nèi)燃機四循環(huán)火花－點燃式（Ottocycle）發(fā)動機壓縮點燃式(內(nèi)燃機循環(huán))發(fā)動機使用往復式發(fā)動機的CHP系統(tǒng)的發(fā)電費用成本大約是800$~1500$/kW，其上限費用的產(chǎn)生主要是由于小容量CHP系統(tǒng)對所用設備的相關費用十分敏感，如燃料供應開支、發(fā)動機外殼的費用、工程造價及其他費用等。1.熱能的回收利用

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

回收途徑發(fā)動機的排氣裝置鍋爐套管中的冷卻箱潤滑油冷卻設備（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)動機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)動機中回收熱量的最常用方法是應用閉環(huán)冷卻系統(tǒng)，如圖所示。這些系統(tǒng)通過驅(qū)動冷卻劑在發(fā)動機通路和外部熱交換器中循環(huán)來實現(xiàn)冷卻。熱交換器將額外的發(fā)動機熱量傳送至冷卻塔或散熱器。閉環(huán)水冷卻系統(tǒng)工作時的冷卻劑溫度為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)動機來實現(xiàn)冷卻。這種方法能夠保持整個冷卻劑回路的溫度一致，而這種一致的溫度則有助于延長發(fā)動機的壽命，提高燃燒過程的效率，降低電動機內(nèi)的摩擦。這種冷卻方法通常還可通過廢熱回收裝置產(chǎn)生低壓蒸汽。將冷卻水引入到發(fā)動機的底部，在此處傳遞的熱能開始加熱冷卻劑，產(chǎn)生兩相流動。冷卻水產(chǎn)生的泡沫降低了冷卻水的密度，導致冷卻水自然循環(huán)到發(fā)動機的頂部。在發(fā)動機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)動機蒸汽渦輪技術(shù)是用途最廣、最古老的原動機驅(qū)動技術(shù)之一，用于驅(qū)動發(fā)電機，或者是一些機械設備。目前在美國和歐洲，蒸汽渦輪發(fā)動機廣泛應用于CHP系統(tǒng)中，其中蘊含了一些特殊設計以實現(xiàn)最大效率地利用蒸汽。當前在美國的電力市場中，傳統(tǒng)的蒸汽渦輪發(fā)電廠提供的電能超過80％。蒸汽渦輪發(fā)動機的容量可以從幾馬力到大型發(fā)電廠應用的1300MW以上。蒸汽渦輪發(fā)動機并非直接將燃料資源轉(zhuǎn)換成電能，而是借助于高壓蒸汽。無論是在電力系統(tǒng)中應用的，還是工業(yè)上應用的蒸汽渦輪發(fā)動機，其設計方案都適合于CHP。

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1.工作原理

蒸汽渦輪發(fā)動機的熱動態(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。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)生動力。渦輪發(fā)動機排出的蒸汽冷凝后，輸回鍋爐中重復上述過程。

蒸汽渦輪發(fā)動機包括一套固定的葉片(稱為噴嘴)和一套移動的相鄰葉片(稱為轉(zhuǎn)動葉片)，它們安裝在罩殼中。蒸汽推動葉片驅(qū)動渦輪發(fā)動機的軸和軸上連接的負載。當蒸汽經(jīng)過葉片時，蒸汽渦輪發(fā)動機將壓力轉(zhuǎn)換成動能，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)，而渦輪推動發(fā)電機軸轉(zhuǎn)動。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)動機利用燃氣渦輪發(fā)動機(組合循環(huán)系統(tǒng))排出的余熱來生產(chǎn)電能即是一種回收熱能的方法。

從燃氣渦輪發(fā)動機回收熱能的方法是利用廢熱預熱器或空氣預熱器的排出廢氣或抽取的蒸汽?；厥諢崮艿臄?shù)量和質(zhì)量是輸入蒸汽條件和蒸汽渦輪發(fā)動機相關設計參數(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)方面的應用

工業(yè)應用方面，蒸汽渦輪發(fā)動機主要用于驅(qū)動發(fā)電機或其他設備，如鍋爐給水泵、處理泵、空氣壓縮機或者制冷機等。就非冷凝式應用和負荷跟蹤方面的應用來說，從渦輪發(fā)動機中排出的蒸汽，其壓力和溫度足以供應CHP加熱使用。雖然后壓式渦輪發(fā)動機比冷凝式渦輪發(fā)動機效率低，但是它們價格也較低，而且不需要表面冷凝裝置。小型蒸汽渦輪發(fā)動機可用來替代減壓閥，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、燃氣渦輪發(fā)動機

燃氣渦輪發(fā)動機是一種物超所值的CHP替代產(chǎn)品，可作為商業(yè)和工業(yè)終端用戶使用，它們對于基本電力負荷的需求大于5MW。它們帶基本負荷供電并滿負荷運行時的運行效果最好。燃氣渦輪發(fā)動機經(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)廣泛應用。用于CHP的燃氣渦輪發(fā)動機可以是單循環(huán)或者復合循環(huán)配置形式。單循環(huán)的燃氣渦輪發(fā)動機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)動機的復合循環(huán)燃氣渦輪發(fā)動機對于大型系統(tǒng)的應用來說很經(jīng)濟，最先進的用于電力系統(tǒng)的燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)電效率可高達60％2/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

通過燃燒含氧氣豐富的排出燃體(輔助燃燒)，可從渦輪發(fā)動機中抽取出更多的能量。

吸收制冷系統(tǒng)則直接從燃氣渦輪發(fā)動機的排氣中獲得制冷水，如圖所示

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吸收制冷器通過工作流體在高溫燃氣渦輪發(fā)動機排氣和低溫水槽中流動產(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)應用中，大多數(shù)普通的吸收制冷器采用溴化鋰和水溶液，來獲得溫度為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的溴化鋰吸收制冷機中，比率是7.7kg/制冷噸。而10Pa的中壓蒸汽用在兩級的吸收制冷機中，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)動機

一般情況下，在任何位置建立的微型渦輪發(fā)動機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、汽油或其他類似的高能化石燃料，將沼氣作為燃料的微型渦輪發(fā)動機正處于研發(fā)過程中。由于微型渦輪發(fā)動機所用燃料的多樣性，因此可在邊遠地區(qū)使用。微型渦輪發(fā)動機排出的熱氣可用于CHP。盡管多數(shù)設計結(jié)合了一個回流換熱器，但實際上卻限制了用于CHP的熱能?；厥盏臒崮芸捎脕砑訜釤崴?，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)動機的工作原理類似于燃氣渦輪發(fā)動機，不同之處在于微型渦輪發(fā)動機設計了一個回流換熱器，用于回收排出的部分熱能并預熱空氣，原理如圖所示

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微型渦輪發(fā)動機比常規(guī)的往復式發(fā)動機更小，比常規(guī)的同等容量的發(fā)電設備的轉(zhuǎn)動部件小得多，因此微型渦輪發(fā)動機的運行和維護費用將顯著下降。目前開發(fā)的微型渦輪發(fā)動機的熱效率可達30%，氧化氮排量小于10×10－4%。通過采用陶瓷元件、改進渦輪的空氣動力性能和回流換熱器的設計以及提高接觸反應燃燒的效率，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?？晒ぷ髟诟邷叵拢湫矢哂赑AFC，估計效率可以達到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，目前仍處于實驗室測試階段。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)部工作過程的改良，包括其產(chǎn)生的蒸汽可用在蒸汽渦輪發(fā)動機的復合循環(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，但其起動速度很快燃料電池的類型決定了整個工作過程中釋放熱量的溫度變化范圍，以及對于不同CHP應用的適應程度。

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，可用于復合循環(huán)及其他的CHP過程

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六、斯特林發(fā)動機

斯特林發(fā)動機是以斯特林熱動力循環(huán)命名的通過外部熱源——通常為連續(xù)燃燒的鍋爐產(chǎn)生動力可靠性仍是限制其在某些專門方面中應用的主要問題使用化石燃料和生物燃料時，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)動機使用的燃料范圍很廣，包括化石燃料、生物燃料、太陽能、地熱能和核能。在歐洲，一些斯特林發(fā)動機在電力系統(tǒng)方面的應用實例說明了這項技術(shù)可用于居民用戶的小型CHP中。

斯特林發(fā)動機的容量很小，其發(fā)電效率很容易達到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

2/4/2023§3-2熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

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)動機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)，實際上是犧牲了熱效率來獲取更高的能量利用率。以上是熱動力學方面的分析結(jié)論，是否值得作出這樣的轉(zhuǎn)換主要取決于經(jīng)濟性方面的考慮。2/4/2023§3-3CHP的典型應用

一、電力和熱力負荷

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荷的精確表達，特別是當CHP系統(tǒng)不允許向電網(wǎng)輸送電能時。這樣的應用通常要求CHP能夠跟蹤電力負荷的變化，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荷。30min或1h的負荷特性曲線特別適合用來對CHP系統(tǒng)做上述分析。熱負荷曲線由使用的熱水、低壓和高壓蒸汽的消耗以及制冷負荷等組成。電力負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機的數(shù)量、容量和類型。

2/4/2023§3-3CHP的典型應用

對于承擔基于負荷的CHP，可向電網(wǎng)輸出電能，并且滿足最小的熱力負荷需要，CHP系統(tǒng)的容量設計規(guī)模在很大程度上取決于大規(guī)模能源市場的容量需求。

CHP的容量因數(shù)是一個關鍵指標，它表征了發(fā)電機的容量在運行中應該如何分配。

容量因數(shù)是表達CHP系統(tǒng)整體經(jīng)濟性的一個有用方法，它表示了設備接近基本負荷運行的程度。容量因素定義如下：2/4/2023§3-3CHP的典型應用

對于大多數(shù)CHP應用來說，需要容量因數(shù)很高，目的是為了獲取最大的經(jīng)濟效益。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)提供的電能相競爭的能力。若是相對恒定的電力負荷曲線，一般可選用燃氣渦輪發(fā)動機。多數(shù)的商業(yè)終端用戶具有變化的電力負荷曲線，天然氣往復式發(fā)動機廣泛應用于CHP，源于它具有很好的帶部分負荷運行、空氣質(zhì)量符合環(huán)境要求以及容量多變的特點，使其適應許多商業(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，也用于選擇原動機。燃氣渦輪發(fā)動機提供的高質(zhì)量的熱能，通?？捎迷谡羝麥u輪發(fā)動機系統(tǒng)中。某些正在開發(fā)的燃料電池技術(shù)，包括MCFC和SOFC，提供高品質(zhì)的與燃氣渦輪發(fā)動機相比擬的熱能。往復式發(fā)動機在同樣的輸出功率范圍內(nèi)，通常比大多數(shù)的燃氣渦輪發(fā)動機效率高，并能很好地適應熱力負荷比電力負荷低的場合。

2/4/2023§3-3CHP的典型應用

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)應用提供機會。如果這些多余的熱能可連續(xù)提供，或具有高負荷因數(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)動機的基礎循環(huán)中，用于生產(chǎn)電能。除發(fā)電外，蒸汽渦輪發(fā)動機還經(jīng)常用于驅(qū)動旋轉(zhuǎn)式設備，如空氣壓縮機或空調(diào)壓縮機等。若使用不同的渦輪設計方案，渦輪中排出的蒸汽可用于低級的加熱應用或者在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的典型應用

四、噪聲

盡管燃料電池在安裝時相對昂貴，但仍然在許多地方安裝并進行測試，特別是在停電造成的損失嚴重影響國家稅收或降低生成力，且按規(guī)定不能停電的場所。斯特林發(fā)動機應該也能在這樣的場合中得到很好的應用。它們相對安靜的運行狀態(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)動機或發(fā)動機通常要求特殊的考慮和設計。發(fā)電機和渦輪發(fā)動機通常安裝在建筑物內(nèi)，以削弱對周圍社區(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。燃氣渦輪發(fā)動機比往復式發(fā)動機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)動機最小，其次是燃料電池和微型渦輪發(fā)動機。較大型的蒸汽渦輪發(fā)動機、燃氣渦輪發(fā)動機和往復式的發(fā)動機可單獨的安裝于工廠封閉的區(qū)域內(nèi)，或者處于一座有輔助設備的單獨的建筑物內(nèi)。表3-2為不同類型的CHP的相對大小

2/4/2023§3-3CHP的典型應用

表3-2不同類型的CHP的相對大小CHP原動機類型CHP的相對大小/kW蒸汽渦輪發(fā)動機冷藏庫(100)/車庫(100000)燃氣渦輪發(fā)動機裝載車(3000)往復式發(fā)動機2個冰箱(30)微型渦輪發(fā)動機冰箱(30)燃料電池裝載車(200)斯特林發(fā)動機烤爐(3)2/4/2023§3-3CHP的典型應用

六、CHP系統(tǒng)的燃料

CHP系統(tǒng)燃料費用如表3-3所示。

表3-3CHP系統(tǒng)燃料費用燃料類型設備安裝費燃料費用運行和維護費用煤中(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的典型應用

燃氣渦輪發(fā)動機潛在的系統(tǒng)問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?shù)靥烊粴夤揪捅仨殞ｉT建設高壓天然氣管道，或者由用戶購買專門的氣體壓縮機。

當天然氣無法提供或者非常貴的時候，CHP系統(tǒng)應當考慮采用柴油發(fā)動機。

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

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟競爭力在于它們可根據(jù)不同的負荷類型和大小選擇特定的工作場合和容量，并且當新的市場規(guī)則和新技術(shù)出現(xiàn)后，過去的指導方針及單憑經(jīng)驗的作法將不再適用。本節(jié)將根據(jù)未來電能和燃料的價格、CHP的費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評估CHP的競爭能力。預測一般只能提供平均價格。由于CHP極大地改變了用戶的負荷曲線，因此基于平均價格的分析將受到應用的限制。通常的做法是：分析人員將費用按基本負荷、中間負荷和峰值負荷三種形式來分配。2/4/2023§3-4熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析

一、CHP技術(shù)成本和性能特征表3-4為CHP系統(tǒng)的費用和性能比較，表中給出了小型50kW到大型的25MW實際應用規(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)動機例外，其性能因數(shù)是估計出來的。運行費用包括燃料和非燃料費用(如發(fā)動機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。最廉價的燃料是煤，但煤只能用于鍋爐/蒸汽渦輪發(fā)動機以及斯特林發(fā)動機中。2/4/2023§3-4熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析

表3-4CHP系統(tǒng)的費用和性能比較費用/性能特征微型渦輪發(fā)動機燃氣渦輪發(fā)動機性能容量/kW50100800500025000熱能/(kJ/kW·h)1330613127106051177910311排放熱能/(kJ/kW·h)44981786144351934522散熱劑/(kJ/kW·h)34042750費用封裝費用($/kW)500650350400300熱能回收($)150100757575排放物控制($)07029102100系統(tǒng)管理($)2533182015場地和建設($)3546252821工程($)2026141612市政($)5075381513勞工/安裝($)100130446045燃料壓縮機($)40003020連接/開關設備($加費用($)2533182015一般承包商加價($)1641971018164設備運輸($)8399518769基本監(jiān)視費用($/kW)13751647842998789維護費用($/kWh)0.0100.0140.0110.0030.003電能費用($/kWh)無熱能回收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)濟性分析

CHP的最主要的經(jīng)濟動力在于其生產(chǎn)的電能費用低于電力系統(tǒng)輸送的電能費用。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)濟性分析

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

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

二、

CHP系統(tǒng)的融資

CHP項目通常由內(nèi)部投資和債務投資共同來融資有時候，采用租借的方式可減少當?shù)叵M者為CHP項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)驗的方法，經(jīng)常用于潛在能源開發(fā)項目的初步評估，主要分析需要多長時間才能從CHP系統(tǒng)的盈利中收回最初的投資，通常用年作為時間計算單位。折扣現(xiàn)金流分析決定一個項目在經(jīng)濟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的成本，那么這一項目在經(jīng)濟上就是可行的。

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，位于這些設施附近的對于熱能和電能有較大需求的用戶，利用簡單的熱電聯(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

通過增加能量利用的效率，CHP極大地降低標準污染物如氧化氮、二氧化硫，以及非標準產(chǎn)生溫室效應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)和燃料類型時，氧化氮和二氧化碳的排放量對比。由圖可知，從固體燃料、液體燃料到天然氣，采用CHP技術(shù)時，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，與先進的低污染排放的中央發(fā)電技術(shù)如氣體燃燒復合循環(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供應商或用戶具有了一定的為系統(tǒng)提供輔助服務的能力，主要包括：提供電壓和頻率支持，加強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大規(guī)模電力系統(tǒng)的風險管理降低線損，提供無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)濟效益和環(huán)境保護方面考慮，監(jiān)測熱電聯(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)能量優(yōu)化可通過優(yōu)化其熱動力性能參數(shù)和合理的設計安排來達到目的。在技術(shù)上，熱電聯(lián)產(chǎn)可以做到既滿足能量供應，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。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)的綜合應用，既可滿足制冷或取暖的需求，也可以為用戶提供機械能或電能。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

為了達到能量、經(jīng)濟和環(huán)境方面的要求，熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠運行效率應達到最優(yōu)。然而，有時候這些目標是互相矛盾的，因此監(jiān)測熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能及運行狀態(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。這個比值不是常數(shù)，而是壓力和發(fā)電廠負荷的函數(shù)。負荷減小時，熱功比增加。需求越穩(wěn)定，應用效果越好。熱需求是隨季節(jié)變化的，冬季主要為熱力負荷，夏季為制冷負荷。

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)。而在實際應用中，化石燃料，特別是天然氣(既有經(jīng)濟因素，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格，在油料緊張時可以取代燃料油。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

關于污染限制的環(huán)境立法隨各地而異。如果立法較嚴，燃料的選擇和使用會受到環(huán)境性負荷限制的影響。減小常規(guī)化石燃料的消費可以減輕環(huán)境的壓力。廢氣的排放比率和類型取決于燃料類型。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。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)電廠的設計所決定，其余由燃料與空氣的混合方式及燃燒時所達到的溫度來決定。發(fā)電廠的改良會減小燃料消耗，廢氣排放量也會有相應的減小。

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

2.性能指標燃料利用率基于熱力學第一定律給出的，是最直接的指標，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考慮了熱能和功，通常和加權(quán)效率一起使用，即對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，在自由市場中將導致不同的熱功價格比。因此采用放射本能效率來精確描述燃料能量所產(chǎn)生的熱量能源節(jié)省率在評價或優(yōu)化熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠時，引入熱力學第二定律可得,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是最好的標準，可用于熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠的經(jīng)濟評估。圖3-11說明了熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠及熱電分離生產(chǎn)項目的基本框圖。

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為

如果熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠不能提供所有負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。上式中前兩項為熱電分開生產(chǎn)方式為滿足負荷需求時所需的燃料消耗量。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。

通過為CHP發(fā)電廠和熱電分開生產(chǎn)項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

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，則可以寫為總的燃料消耗可以與參考案例進行比較，要求熱量和發(fā)電分別進行比較。相對燃料消耗系數(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)項目和參考熱電分離生產(chǎn)項目在生產(chǎn)同等熱量的條件下比較，則相對燃料消耗系數(shù)可用于評估任何熱電聯(lián)產(chǎn)項目和熱電分開生產(chǎn)項目或其組合，即

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

第一項為參考鍋爐發(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)約為絕對值，燃料能量節(jié)約率(FESR)定義為熱電分開發(fā)電項目的燃料節(jié)約與消耗之比

，

本例中，熱需求與電力需求相等時，即FESR和Φ之間的關系很簡單當燃料節(jié)約為0時，可得考慮分開發(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、燃料能量優(yōu)化方法

1.設計優(yōu)化熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠是一個高效的系統(tǒng)，而不是若干組成部件的簡單疊加，這是其重要特點之一。要使設計的系統(tǒng)達到最大效率，最常用的方法是對熱力學系統(tǒng)進行放射本能分析，即分析從給定狀態(tài)到與周圍介質(zhì)平衡的過程可做的最大功。

熱電聯(lián)產(chǎn)設備也有經(jīng)濟使用壽命。在適合的環(huán)境下，熱電聯(lián)產(chǎn)設備的補償周期可以是3~5年，或更短一些。相對于燃料價格變動因素，熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠的經(jīng)濟效益對電價變動更為敏感。因此采取何種經(jīng)濟分析方式進行分析時，敏感性分析都應作為可行性研究的一部分。

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2.運行優(yōu)化系統(tǒng)運行和停止的時間可以由運行計劃簡單的加以控制。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，運行時可選擇最便宜的燃料。選擇燃料的關鍵因素取決于所提供的鼓勵政策及燃料的質(zhì)量。有些國家鼓勵使用更好的燃料，例如天然氣、沼氣等。質(zhì)量低的燃料有時價格較為便宜(隨國家不同而異)，但是處理和燃燒質(zhì)量差的燃料，以及遵守環(huán)境保護法規(guī)時，需承擔一些額外的成本。優(yōu)質(zhì)燃料通常會更貴一些，而且是基于化石燃料的。選擇何種燃料會影響原動機的類型。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)被認識到。煤、油氣等燃料費用始終是燃燒發(fā)電廠運行總成本的一個主要部分。減少燃料消耗對于發(fā)電公司降低成本發(fā)電，提高市場競爭力是非常重要的。在目前的發(fā)電廠中，對于熱效率的優(yōu)化還有小的改進余地。例如，如果將熱效率從37.0%提高到37.1%，對于容量為2000MW的發(fā)電廠而言，一年可以減少燃料消耗14500t，相當于每年減少上百萬美元的支出。根據(jù)發(fā)電廠的不同設計，能量效率在不同運行階段是不同的。對現(xiàn)有的發(fā)電廠設計上進行改進，能使系統(tǒng)效率更高，而在系統(tǒng)維護和成本效益方面也會有很大的好處。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)的方式同時生產(chǎn)電能和熱能等。此處分析的先進的熱能和電能生產(chǎn)主要考慮兩個方面的目標：改善生產(chǎn)過程中轉(zhuǎn)換效率減少排放的廢氣，同時保持系統(tǒng)的高效性和較低的運行費用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的顆粒與空氣混合噴入燃燒室的底部進行燃燒，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-發(fā)動機組生產(chǎn)電能?，F(xiàn)代實際應用中處于接近臨界狀態(tài)的發(fā)電廠，汽輪機-發(fā)電機組運行的蒸汽壓力約為180Pa，溫度約為570℃，發(fā)電效率可達39%；而精密設計的過臨界狀態(tài)的發(fā)電機組其蒸汽壓力可達約240Pa，發(fā)電效率可達