小型热电联产的选择（下）

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1、1小型热电联产的选择（下）卡特彼勒燃气内燃发电机热电联产技术参数 机型 单位 G3306TA G3406TA G3406LE G3412TA G3508LE G3612SITA G3616SITA发电机额定输出功率 KW 110 190 350 519 1025 22400 3385发动机转速Rpm 1500 1500 1500 1500 1500 1000 1000涡轮压缩机压缩比 8.0:1 11.6:1 9.7:1 12.5:1 11.0:1 9.0:1 9.0:13最小进气压力 kg/cm2 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11 3.02 3.02能量消耗（低热值） MJ/

2、hr 1451 2073 3758 5044 10810 23925 33381天然气耗量* M3/hr 441.6 59.4 107.7 144.6 309.9 685.9 957.0废烟气排量 M3/hr 418 904 1278 2509 4815 37472 51928废烟气温度 C 540 415 5450 453 445 450 446废烟气排热量 MJ/hr 263 382 616 1166 2199 5438 7445废烟气含氧量 % 0.58.54 10.2 68.2 12.3 12.2缸套冷却水出口温度 C 99 99 99 99 99 88 88缸套冷却水排热量 MJ/h

3、r 594 612 1350 936 2937 2218 72986中冷器进口温度 C 54 3232 32 32 54 32中冷器排热量 MJ/hr 18 97 83 216 695 1462 2366发电热效率 8% 27.29 33.00 33.53 37.04 34.14 36.11 36.51供热效率 % 54.27 47.37 49.07 41.36 48.55 34.30 34.50总热效率* % 81.56 980.36 82.60 78.40 82.68 70.41 71.01热电比* % 199 144 146 112 142 95 95主要优点： （1） 技术成熟，工艺稳

4、定，已经被广泛采用。仅在我国各个油田，卡特公司就有超过 200 台燃气内燃机正在利用油井天然气运行，其中一些设备已经稳定运行超过15 年；（2） 发电效率高，通常在 32-40%。这对于电力需求较大的用户十分合适； 电能转换比较 10厂家 GE Allison SolarSolar 杭汽*Caterpillar类型 轻型燃机 燃气轮机 燃气轮机 先进燃机 蒸汽轮机 燃气内燃机型号 LM500 501KB5 11Centaur MercuryT9099 G3616出力 3880 3725 3880 4200 3000 3385 千瓦热耗（kJ） 12059 12995 129258683 174

5、17 9810发电热效率 1229.85% 27.7% 28% 41.5% 20.67% 36.7% 注：* 燃油锅炉有效热能转换效率 90%，凝汽发电，进汽压力 3.43MP，温度 435，汽耗 4.75kg/kWh。 （3） 可选择的机组容量范围大，从几十千瓦至近万千瓦的产品市场上都可以找到；（4） 燃气可以利用燃气内燃机自身携带的空气压缩机增压，不用另配增压设备； （5） 使用多种低热值燃气，应用范围大。 主要缺点： （1） 体积大，重量大，热电联产不宜布置；（2） 运行维护成本高，大修费用高； （3） 由于内燃机作功需要震暴，导致噪音很大，通常超过 100 分贝； （4） 余热回收复杂

6、，需要对烟气、汽缸冷却水、中冷器三段热量进行回收；（5） 供热量小； （6） 一些厂家产品的运行稳定性还存在一定疑问，例如：安装美国 X X X 公司的燃气内燃机的公共汽车的抛锚现象，在北京街头时常可见。 2.4、 燃气外燃机热电联产-老发明新用途： 燃气外燃机是根据 1816 年苏格兰人 Ro 斯特林一项发明的原理设计改进而来的，又称斯特林发动机或热气机。外燃机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端13为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质

7、，工质不直接参与燃烧，也不更换。 主要优点： （1） 体积小，一个 25kW 的机组，体积仅有办公桌大小； （2） 因为做功不发生震暴，噪音很小，可在 65 分贝以下；（3） 发电效率高，可达到 29%； （4） 燃气不用增压； （5） 外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。 主要缺点： （1） 技术太新，应用经验不足； （2） 余热品质低，仅有冷却水可以加以利用； （3） 可选择机组仅有 25kW 机组。 STM 外燃机外型 核心机剖面图 2.5、 燃气电池热电联产-人类理想的热电技术： 尽管燃料电池技术

8、达到广泛应用还需一段时日，但这一技术的进展极为迅速，世界各国都投入了大量资金、人力进行开发研究，因为燃料电池代表了未来的能源技术。 燃料电池有多种方式，一般都适合热电联产，主要分类为：1、质子膜交换燃料电池，将氢气和空气中的氧气通过作为固体电解质的质子交换膜反应，生成电能和 60-80热水，发电效率为 40%，造价较低，极具应用价值，特别是家庭热电设施和汽14车上可以广泛使用；2、熔融碳酸盐燃料电池，通过多孔陶瓷材料和金属材料，将熔融状态的碳酸盐作为电解质，直接利用氢气、煤气、天然气或沼气等在高温下非燃烧反应，发电效率高达 45%，并能产生 600-700高温余热，可以代替燃气轮机的燃烧室，形

9、成燃料电池-热气轮机-蒸汽轮机联合循环热电联产，热效率极高，可以在发电效率超过 60%的情况下，取得接近 95%的热电效率。是将来大型发电/热电设施的理想选择；3、固体氧化物燃料电池，以固体氧化物作为电解质量，在高温下进行非燃烧反映，工作温度可超过 800可利用氢气、一氧化碳、天然气、煤汽化气、等多种燃料，最适合集中或分散发电和热电联产，使用燃料电池-热气轮机-蒸汽轮机联合循环发电时效率可提高到 70%，热电效率接近 95%。 主要优点： （1） 除了产生纯净二氧化碳可一回收利用外，其他污染物的排放为零，几乎没有污染；（2） 体积极小，8kW 质子交换膜机组只有一台 20 寸彩电大小；（3）

10、发电效率极高 45-70%； （4） 燃料应用非常广泛，几乎所有含氢的物质； （5） 运行无须人员职守，运行费用低； 主要缺点： （1） 目前造价还是过高，最便宜的支子膜燃料电池如果成批生产，造价也需要15000 元/kW。预计 2010 年，质子膜电池将可下降到 400 美元/kW；（2） 通常需要制氢设备； （3） 技术新，很多问题还需要解决； 2.6、 燃气锅炉-蒸汽轮机热电热电联产-特定燃料的选择： 不是所有气体燃料都适合上述各种先进或传统技术（不包括燃料电池），有时传统15技术使用得当也能取得理想的效益。对于已经采用燃气锅炉的一些单位，如果利用蒸汽压差安装小型或微型背压汽轮发电机，通

11、过生产一部分高价值的电能减少因更换燃料带来的成本攀升，也是有意义的。 主要优点： （1） 燃料适应性强，目前的锅炉技术基本可以燃烧各种可燃气体，何以利用其他方式难以利用的燃料，如极低热值的高炉燃气等； （2） 二手产品随处可见，造价可以控制到较低的水平； （3） 发电效率虽低，但综合热效率不低，特别在使用背压机时。 主要缺点： （1） 电效率低；（2） 能与经济性相对较差。 3、选择 用户应根据自己对热量、电量的实际需求，对供热性质的要求，热产品的形式，供能安全标准和燃料资源的配置，合理选择装机技术方案。根据不同的燃料资源配置状况，合理选择一种或两种以上的混合燃料。实事求是地，适度规模选择自己

12、的能源利用方案。应将自己的需求在更大、更广泛的系统中去权衡比较，切勿用小农经济的思想来考虑问题，不要追求能源供应的绝对独立。 以北京地区一座 3 万平方米综合建筑工程为范例，研究合理选择需要考虑的问题。因为燃气外燃机目前只有 25kW 机组可供选择，显然太小。燃料电池因成本太高，目前还不能作为选择的对象。燃气锅炉-蒸汽轮机的方案，在此不具代表性。所以只以小型燃气轮机、微型燃气轮机和燃气内燃机作为方案的主要选型设备，并同燃气锅炉进行对比。 燃气热电联产设备技术性能比较 16方式 单位 索拉燃机 宝曼微燃机热电 宝曼微燃机回热循环 燃气内燃机方案 1 燃气内燃机方案 2单机发电容量 kW 1000

13、80 80 190 350发电效率 % 26 1714 26 33 33.5热电总效率 % 74 86 74 73 73 燃料消耗 MJ/hrs 17700 2058 1109 2073 3758 天然气耗量 m3 18507.45 59.00 31.79 59.43 107.74供热量 kW 2500 420 150 303 569采暖供热能力 m2 50000 8400 3000 6060 1138019每平米供电量 W/m220 9.5 26.7 31.4 30.8就以上设备而言，燃气内燃机发电效率最高，分摊到每建筑平方米的电力也最大；热电总效率宝曼热电微燃机最高，分摊到每建筑平方米的电

14、量最小；小型燃气轮机对 3 万平方米的建筑，有点大马拉小车，但分摊到每建筑平方米的电量居中。一般一座 3 万平方米的建筑，每平方米需要电力容量在 30-50W 之间，需报装电力在 1000-1500kW。采用燃气微燃机-直燃机联合循环热电冷联产，可以不需要考虑电空调负荷，电力容量何以大幅度降低。根据用电规律，热电微燃机可以在基本负荷区间运行，而其他机组或多或少要进行调峰运行，这样设备利用小时将会有很大差别，直接影响到经济效益，蓄热设备的投资也将增加。如果电网电价高，选择发电量调节灵活的方案效益好，如果电价低，选择电量小的更实际。 3 万平方米建筑热电联产配置比较 方式 单位 索拉燃机方案 20

15、宝曼微燃机方案 燃气内燃机方案 1 燃气内燃机方案 2 燃气锅炉单机发电容量 kW 1000 80 190 350机组台数台1 4 6 3 3发电容量 21kW 1000 320 1140 1050建筑平米单位电量 W/m2 33.33 10.67 38.00 35.00单机供热容量kW 2500 420 303 569 75022供热容量MW 2.5 1.681.818 1.707 2.25建筑平米单位热量 W/m2 83.3356.00 60.60 56.9075.00大卡/m2 72 48 52 2349 64 故障状态出力 W/m2 0 42 51 38 50供热标准值 W/m2 46

16、.5 46.5 46.5 46.5 46.5大卡/m2 40 40 2440 40 40 设备容量备用系数 % 79% 20% 30% 22% 61%对于一座建筑物，电力可以依靠外部保障，但供热必须完全依靠自己，还要预留一定的备份容量才能保证供能的可靠。北京地区的热量、制冷能量为每建筑平方米40-60W 之间。考虑到热水和天气变化因素，在一台设备出现故障时，供热量不应低于标准供热、制冷能量的 70%。根据上述因素分析，微燃机和燃气内燃机都符合要求。 在评价设备选型方案时主要需要考虑的因素应该是：1、单位供能千瓦造价、单位发电千瓦造价和设备总造价之间的关系；2、发电、供热容量的有效利用率；3、设备千瓦运行费用和总运行费用，由于这些设备对于中国的热电联产行业都缺少经验，我们只能参考国外资料。 小型能源装置性能、造价和运行成本比较 25工艺方式柴油机 燃气内燃机 燃气轮机微型燃机 燃料电池 太阳能技术状况 商业运行 商业运行 商业运行 2000 年 2010 年 商业运行容量（kW） 20-10000+ 50-5000+ 2610000