分布式发电L5Gas Turbine & Fuel Cell教材

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1、柴油发电机 柴油发电机组基于化石燃料，将 柴油的化学能转化成电能，广泛用 于国防、邮电通讯、医院、高层建 筑、商厦、工矿企业、油田、公路 、港口及体娱场馆等部门作为通讯 、动力和照明常用或应急电源 柴油发电机工作原理 l 柴油机驱动发电机运转，将柴油的化学能量转化为电能。 l 在柴油机汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷 油嘴喷射出的高压雾化柴油充分混合，在活塞上行的挤压 下，体积缩小，温度迅速升高，达到柴油的燃点。柴油被 点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行 ，称为作功。 l 各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连 杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转

2、。 l 将无刷同步交流发电机与柴油机曲轴同轴安装，就可以 利用柴油机的旋转带动发电机发电。 l 要想得到可使用的、稳定的电力输出，还需要一系列的柴 油机和发电机控制、保护回路。 柴油发电机并网运行 l 并网条件：电压、频率与相序 l 有功功率控制：相角差 l 无功功率控制：励磁电压 燃气轮机 l 燃气轮机的基本原理与蒸汽轮机很相似，不同处在于工质 不是蒸汽而是燃料燃烧后的烟气。燃气轮机属于内燃机， 所以也叫内燃气轮机。构造有四大部分：空气压缩机，燃 烧室，叶轮系统及回热装置。 l 燃汽轮机是利用气体作为工质在燃烧室里燃烧，将燃料的 化学能转变为气体的内能。在喷嘴里，气体的内能转变为 气体的动能

3、，燃气高速喷出，冲击叶轮转动。 l 燃气轮机优点是不需连杆、曲柄、飞轮等装置，又不需锅 炉，因此体积小、重量轻，功率大到10万20万千瓦，效 率高达60，广泛地应用在飞机上，作为动力装置。但是 喷射到叶轮上的汽体温度高达1300，因此叶轮需昂贵的 特殊耐热合金来制造，加工难，成本高。耗油量大，在同 样功率下比活塞式汽油机多2倍，故燃气轮机适宜于735 2205千瓦（10003000马力）以上的飞机和船舶上。 燃气轮机构造 燃气轮机的分类 l 燃气轮机从负荷情况上划分可分为重型和轻型两类。一般 工业上用于拖动发电机组发电，或用于机械驱动的燃气轮 机都是重型燃气轮机；而用于飞机发动机的燃气轮机为轻

4、 型燃气轮机。 l 从结构上划分，燃气轮机可分为单轴、双轴和多轴燃气轮 机。单轴燃气轮机因其压气机、透平与负载共轴，负载的 转速变化规律直接影响压气机转速，使吸入压气机的空气 量发生变化，甚至使压气机喘振而发生事故。为了使负载 变化规律对压气机转速的影响降低到最小程度，即负载变 化规律不直接影响压气机的转速，负载转速的变化规律只 能通过内部气体工质的工作过程来间接影响压气机的工况 ，人们设法使压气机与负载不共轴，因而产生了双轴和多 轴燃气轮机。 MGT（Micro Gas Turbine) 构成 MGT动力过程模型 l转子运动方程； l回热器壁温方程； l压气机与燃烧室之间流量变化方程； l燃

5、烧室出口至动力透平入口处热部件传热 方程 MGT动力过程控制结构图 MGT电气主回路图 发 电 机 组 型 号 最 大 功 率 （ k W ） 额 定 电 压 （ v ） 额 定 频 率 （ H z ） 电 功 率 输 出 形 式 启 动 时 间 （ 秒 ） 启 动 成 功 率 （ % ） 使 用 环 境 温 度 （ ） 机 组 外 廓 尺 寸 （ m m ) 机 组 重 量 （ k g ) O R E D O N 1 0 0 A C 4 0 0 5 0 / 6 0 独 立 发 电 9 9 . 7 - 4 0 5 2 9 0 0 x 6 0 0 x 4 0 0 7 0 MGT输出功率动态调节

6、l逆变器输出有功调节； l直流母线电压变化； l整流器输出电流变化； l同步发电机电磁作用变化； lMTG恒速控制 功率指令响应示例 MGT的启动 l 内含的Buck与Boost电路 l MGT启动电磁过程：转矩特性 l 软启动的基本原理： MGT 特点 l 运动部件少，结构简单紧凑，重量轻； l 燃料适应性强，消耗率低，排放低； l振动小，噪音低，寿命长，运行成本低； l设计简单，备用件少，生产成本低； l通过合理调节转速，提高效率，且可实现 热电联产； l具备遥控和自诊断功能； l可多台集成扩容。 燃气轮机发电的发展 燃气轮机发电近年来发展势头迅猛。据统计，美国自年开始，新 增发电设备的是

7、燃气轮机联合循环机组，燃气轮机发电量占全国总发 电量的左右。 北京市的大气污染指数达标工程要求以台左右的燃气轮机替代原有的 发电、供暖设施。由于燃气轮机环保性能好，可将北京市目前的污染气体减 少自奥运会以来发展迅速。 我国的燃气轮机发电无论是总装机容量、机型，还是燃机设备制造水平， 与国外发达国家相比都有很大差距。目前，燃气轮机电容量仅占全国发电装 机容量的.，主要为南方新增发电厂。 随着我国电力工业可持续发展战略的部署，西气东输，近海油气开发，进 口液化天然气，以及俄罗斯等周边国家天然气资源的利用，将为我国燃气轮 机发电的发展奠定基础 。 燃料电池 燃料电池等温地按电化学方式直接将化学能转

8、化为电能。它不经过热机过程，因此不受卡诺循 环的限制，能量转化效率高（4060）；几乎 不产生NOx和SOx的排放。而且，CO2的排放量 也比常规发电厂减少40以上。正是由于这些突 出的优越性，燃料电池技术的研究和开发倍受各 国政府与大公司的重视，被认为是21世纪首选的 洁净、高效的发电技术。 正极： 负极： 全反应： 氢气分子在负极失去电子，形成正离子，穿过隔 离膜到达正极，形成正负极间的电位差，称为起 电力E0， 燃料电池的原理 燃料电池的分类 碱性水溶 液型 酸性水溶 液型 熔融碳酸 盐型 固体氧化 物型 固体高分 子型 电解质电解质KOHH3PO4Li2CO3 K2CO3 ZrO2+Y

9、2O3离子交换膜 离子OH-H+CO3 2-O2-H+ 工作温度50150C190220C600700C1000C120C 电极催化剂镍、银类白金类无无白金类 正极1/2O2+H2O+2e -2OH- 1/2O2+2H+2e - H2O 1/2O2+CO2+2e - CO32- 1/2O2+2e- O2- 1/2O2+2H+2e - H2O 负极H2+2OH- 2H2O+2e - H2 2H+ +2e-H2+ CO32- H2O+ CO2+2e- H2+ O2- H2O+ 2e- H2 2H+ +2e- 燃料H2 (纯）H2H2，COH2, COH2 燃料源水的电解及工 业副生物 天然气，酒精

10、 等 石油、天然气 等 石油、天然气 等 天然气、酒精 使用化石燃料 时发电 系统的效 率 604045%4560%5060%4050% 燃料电池中的电力变换电路 换流器动态特性与控制 问题的产生! 以Boost电路为例 说明 换流器的建模 燃料电池特点 1. 效率高，燃料电池的效率可以通过电池反应过程中 Gypse自由能量的变化与直接反应生成的热能量之比来 计算，理论上以氢气作为燃料的电池效率为82.9%。； 2. 低公害、低噪音，由于燃料电池无需热机发电那样的高 温燃烧过程，且燃料经过充分脱硫处理，其NOx、Sox 的生成量不足传统火力发电的 1/500。在加上无噪音， 无辐射等，因而，燃

11、料电池被称为绿色电源。 3. 可以在负荷区小容量，分散设置，增加供电系统的可靠 性与灵活性。 4. 适于都市的热电联发，由于燃料电池的排热便于利用， 再加上上述特点，燃料电池被看作都市热电联发的最佳 选择。 燃料电池的局限性 1. 很难通过规模效应，降低造价； 2. 使用很多昂贵的材料，使造价很难降低； 3. 寿命较短。 燃料电池图片 生物质能发电技术 l生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生 物质中的能量形式，即以生物质为载体的 能量，它直接或间接地来源于绿色植物的 光合作用，是一种取之不尽、用之不竭的 可再生能源，同时也是唯一一种可再生的 碳源。 l生物质发电主要是利用农业、林业和工业 废弃

12、物为原料，也可以将城市垃圾为原料 ，采取直接燃烧或气化的发电方式。 生物质能发电示意图 生物质能发电技术的发展 l世界生物质发电起源于20世纪70年代，当 时，世界性的石油危机爆发后，丹麦开始 积极开发清洁的可再生能源，大力推行秸 秆等生物质发电。自1990年以来，生物质 发电在欧美许多国家开始大发展。 生物质能发电技术在我国的应用 l 中国是一个农业大国，生物质资源十分丰富。中 国拥有充足的可发展能源作物，同时还包括各种 荒地、荒草地、盐碱地、沼泽地等。如加以有效 利用，开发潜力将十分巨大。 l 为推动生物质发电技术的发展，2003年以来，国 家先后核准批复了河北晋州、山东单县和江苏如 东3

13、个秸秆发电示范项目，颁布了可再生能源法 ，并实施了生物质发电优惠上网电价等有关配 套政策，从而使生物质发电，特别是秸秆发电迅 速发展。 生物质能发电技术在我国的发展 l截至2007年底，国家和各省发改委已核准 项目87个，总装机规模220万千瓦。全国已 建成投产的生物质直燃发电项目超过15个 ，在建项目30多个。到2008年底，我国生 物质能发电总装机为315万千瓦。可以看出 ，中国生物质发电产业的发展正在渐入佳 境。 生物质能发电的技术路线 l 直燃发电：直燃发电是采用锅炉-蒸汽-蒸汽轮机-发电机的 工艺路线，可以借鉴的相关技术比较多，而且可以采用热 电联供的方式提高系统效率，其特点是规模效

14、益明显，如 发电装机容量小于1万千瓦，系统效率将明显下降。 l 气化发电：通过发酵、厌氧处理，最后干燥脱硫，产生一 种气体叫甲烷，也叫沼气。再经燃烧，把热能转化为蒸气 ，推动涡轮机转动，带动发电机产生电能。 环保性能优 越，效率较低，投资加大。 l 与煤混燃发电：煤-秸秆混燃技术的特点是可以对现有的 小型热电厂进行改造，与新建电厂相比，投资很少。但是 首先需要解决好电厂掺烧秸秆量的计量和监督的问题。 生物质能发电技术的发展（1） l 高效直接燃烧技术和设备 开发研究高效的燃烧炉，提高使用热效率，仍将是应 予解决的重要问题。乡镇企业的快速兴起，不仅带动农村 经济的发展，而且加速化石能源，尤其是煤

15、的消费，因此 开发改造乡镇企业用煤设备（如锅炉等），用生物质替代 燃煤在今后的研究开发中应占有一席之地。把松散的农林 剩余物进行粉碎分级处理后，加工成型为定型的燃料，结 合专用技术和设备的开发，在我国将会有较大的市场前景 ，家庭和暧房取暧用的颗粒成型燃料，推广应用工作，将 会是生物质成型燃料的研究开发之热点。 生物质能发电技术的发展（2） l 集约化综合开发利用 生物质能尤其是薪材不仅是很好的能源，而且可以用 来制造出木炭、活性炭、木醋液等化工原料。大量速生薪 炭材基地的建设，为工业化综合开发利用木质能源提供了 丰富的原料。将来应根据集中居住人口的多少，建立能源 工厂，把生物质能进行化学转换，产生的气体收集净化后 ，输送到居民家中作燃料，提高使用热效率和居民生活水 平。这种生物质能的集约化综合开发利用，既可以解决居 民用能问题，又可通过工厂的化工产品生产创造良好的经 济效益，也为农村剩余劳动力提供就业机会。因此，从生 态环境和能源利用角度出发，建立能源材基地，实施“林 能”结合工程，是切实可行的发展方向。 l思考题： 分析异步电机启动过程中气隙磁链的变化规律。 了解电力电子电路暂态过程分析方法。