小型燃气发电的技术经济分析

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1、中国电力（http:/）小型燃气发电的技术经济分析小型燃气发电的技术经济分析深圳市质检站（518031）李浩军 同济大学燃气教研室（200092）冯良 上海第九设计院（200063） 陆萍 随着我国“西气东输“等天然气工程的实施，我国的能源结构将发生很大的变化，为了 提高天然气的综合利用率，各地纷纷进行热电联产的试点，以期创出新路、积累经验。本 文工团尝试对小型燃气发电及热电联产进行技术经济分析。 1 小型燃气发电技术当前燃气发电及热电联产的技术可分为成熟技术和包括成熟技术的新兴技术，其中成 熟技术有燃气轮机和燃气发动机而新兴技术有微型涡轮机、燃料电池和其它著名的动力系统如斯特林引擎等。一般来

2、说，燃气轮机是 25MW 以上发电容量的首选技术，但是容量在 1MW10MW 范围中，燃气轮机的绝对地位出现动摇。同时 3.5MW 以下容量上目前仍然是柴油和燃气 往复式发动机占主导地位。 微型涡轮机和燃料电池等新兴技术主要利用于 5MW 以下。一 般来讲，大型燃气轮机系统与高价的燃煤发电厂进行成本的竞争，而这些新型技术则不同， 主要通过像低污染排放、低维护需求、低噪音等特征与其它投资成本较低的产品进行竞争， 这里当然为也需要借助于人们对这些产品的品牌和对这些产品的想象力。目前看来，这些成熟或新兴技术产品要获得认可，除了还需大量的资金投入到产品的 改进上，同时还要对这些产品的定位、相互的技术竞

3、争、分销渠道和提高新产品采纳率等 方面投入资金。 1.1 燃气轮机燃气轮机因简单、效率高和适合高温热回收，所以一般发电都采用燃气轮机技术。而 大部分小型轮机发电设备采用简单循环的运行模式很 少有 25MW 以下的小型联合循环系 统。燃气轮机在 5MW 以下因为规模原因，将会有相对较高的价格和较低的效率，因此小 型燃气轮机应用的市场份额很少。美国索拉公司（Solar）的水星 50（Mercury50）是个例外，它利用热回收做到了在 较低的压比下获得较高的效率，它的容量为 4MW，具有 40%的效率。显然它与同容量范 围的简单循环的柴油和燃气发动机相比大大地提高了效率。经过努力，燃气轮机近 10

4、年在废气排放方面出现了下降趋势。有一段时期，普遍采 用蒸汽或水喷射减少轮机的传统扩散式燃烧器的污染排放。现在，许多制造厂商如 Allison(RollsRoyce),GE,和索拉公司采用低 NOX 燃烧器，可以使烟气中 CO 含量达到910-62510_6 以下，甚至达到 510-61510-6 以下。 12 燃气发动机站式发动机应用在过去几十年中，特别是在近 10 年中有了严格的增长。随着产品技 术的不断步和严格的环境控制要求，往复式发动机必将继续作为一种低成本的原动机具有 极强的竞争性 燃气发动机的用户增长是由于它在成本、效率、可靠性和废气排放方面有了长足的进步。 主要表现在提高了相对输出

5、率（kW/L） ，减少了与柴油发动机在输出功率及相对价格（ /kW）之间的差距。燃气发动机两种基本的废气排入控制方法，分别应用于化学计量比运 行和贫气燃烧运行。化学计量比燃烧发动机使用三元催化污染控制系统来同时降低 Nox、CO 和未燃碳氢化合物。例如站式动力应用一般是在稳态工况下运行，若严格控制， 可以使 Nox 排放控制在 0.2g/kWh0.42g/kWh.另一控制燃气发动机污染的主要方法是 贫气燃烧，即使用大的过剩空气系统（超过 50%100%理论空气量） ，高过剩空气可以中国电力（http:/）使 Nox 排放显著减少而同时使循环效率增加。 300KW 以上站式贫燃发动机有许多不同的

6、设计方法，例如大型燃气发动机常使用超高能 量点火、预燃室、小火点火系统（使用 1%能量） 、柴油喷射等。贫燃燃气发动机的 NOx 在 0.4g/kWH 0. 94g/kWh.。燃气发动机经过严格维护，完全可以实现热电联产。国 际上 90 年代以来在大力发展 500kW 以下的热电联产，尤其集中于 5kW75kW 的系统， 使用低成本的汽车发动机和快装系统来降低总装机成本。 1.3 微型涡轮机微型涡轮机是输出功率在 30kW200kW 的小型燃气轮机。当然为满足大负荷也可 以组合装配在一起。微型涡轮机的大小适合应用于热电联产或只用动力的商用建筑物或轻 工业市场。 1.4 燃料电池不同于转换燃料的

7、热做功最终变电的传统发电系统，燃料电池像一般电池那样利用电 化学生产电力。它和从储备化学制品中提取电力的蓄电池不同，燃料电池生产电力是用氢 燃料通入电池的阴极以及空气中氧通放阳极。氢燃料有各种来源，但是最便宜的是天然气 的蒸汽重整，即提取燃料和蒸泊中氢的化学过程。由于进行电化学反应的电解质类型的不 同，燃料电池可分为以下几种：磷酸燃料电池（PAFC） 、溶解碳酸盐燃料电池（MOFC） 、 固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEM） 。每种燃料电池都包含与众 不同的技术，并具备各自的运行特点和发展阶段。PAEC 现在处于早期商用市场开发阶段。 200kW 装置已经交付给 120

8、 个以上的用户。SOFC 和 MCFC 技术现在处于现场试验阶段 或示范阶段。PEM 装置仍处于早期开发试验阶段。直接的电化学反应与一般的热发动机产 生的电力相比，效率更高。燃料电池的效率从 PEFC 的 35%-40%到发展中的 MCFC 和 SOFC 系统的 60%不等。燃料电池比普通发电机安静、清洁。与普通电池一样，燃料电 池产生直流电（DC） 、为了获得 60Hz 交流电（AC）需使用逆变器。这些动力电气设备与 其它设备组合起来，可以作为敏感用户电力质量管理战略一部分。由于目前燃料电池的高 成本，燃料电池最适用于对电力质量、电力环境要求高的地区和用户。一些燃料电池技术 可以使设备模块化

9、，应用于小型商用甚至于民用中，其他一些技术则运用在大的高温系统。 适用于工业的热电联产项目中。 2 小型燃气发电的应用小型燃气发电主要用于热电联产、调峰和备用电力等领域。 2.1 热电联产发电技术在把燃料转换成电的过程中产生了大量的热。对发电厂来说平均输入燃料的 能源中的 2/3 变成了热。虽然部分热量能被用户利用，但是只有发电厂靠近用户的情况下 才能实现。小型燃气发电设备因其体积小，可以方便地坐落在任何需要电力的场所，实现 热电联产就有极大的优势。热电联产能显著地增加能源使用的效率，减少全球废气排放， 降低成本。热电联产对终端和高热量使用用户最好，可利用于加工工业、医院、学校、洗 衣房等。另

10、外，由于天然气是一种清洁、绿色的能源，燃气热电联产能减少空气和水质的 污染，减少温室气体的排放，对地区的经济发展有极大的社会效益。 2.2 备用电力电力系统需要可靠、不间断的供电服务。当然，发生断电的大部分原因是因为风暴或 电网系统发生故障。一般断电敏感的用户，他们因安全等原因需要备用电力，直到应用供 电服务得到恢复。像电信、零售和加工工业等用户，安装备用发电机的发电资源利用得非 常不充分，平时几乎不运行，由于孤立于电网之外，它们不作为发电容量计算在任何一个 电力公司或非电公司中。国外有一些电力公司利用一些备用电力作为减少高峰负荷的手段， 或支付租出费用，或减少用户高峰负荷时段的限制运行时间。

11、用户自由选择能源商可以刺中国电力（http:/）激备用发电机的经济竞争。为备用电力装置增加运转的时间，从而把备用发电成本减少到 最小，通过把稳定的电力供应和间歇的备用电力结合，可以使可靠性达到最大。 23 调峰根据电力需求和发电资产有效性的不同，电力成本每小时都在改变。这些成本变化将 直接表达为价格信号。电力公司把按小时变化的负荷分类为季节和每天的高峰、非高峰负 荷。用户需支付高峰用电时段（TOU）比率，因此在整个高成本的高峰时期里能选择小型 发电设备作为调峰使用，能降低用户的总成本。与之相对应，用户发电容量能减少能源供 应商高峰时段的发电需求，从而减少发电设备的投资，降低发电成本。TOU 用

12、户可以发现 他们的小型发电系统比一年中大部分时间的高峰 TOU 比率便宜。总的电力支付费用越接 近实际小时成本，开发调峰战略对用户和能源服务商获得的经济利益就越大。 3 小型燃气发电的应用经济分析小型燃气发电设备的运行成本，如果效率定为 35%，以天然气 1.9 元/ m3 计，则每 度电的成本低于 0.60 元（以上海市居民用电电价 0.61 元/kWh 计算） ，低于目前的电力 时价。如果考虑热电联产，那么就可更突出其经济性。燃气热电联产最感兴趣的因素是电能价格、燃气与电的价格比、年度耗量、已经使用 燃气或者很容易就能转到以燃气为主的电用户数量。一个地区是否适合采用燃气热电的有 用指标是燃

13、气与电的价格比率，但是在不同的地区仅以简单的价格比还不能得到一个很好 的比较，它还未表示出燃气与和电价格的绝对值差别。为了给出一个“燃料省钱指标“对便 在各地区间对联产发电受益进行比较，采用以下计算方法：如果采用热电联产，该单位如果使用热电联产提供的电量、热量年花费的费用为SePe 和 ShPh,如果假设联产发电机的总效率为 ，则该单位供出的这些热和电所 需消耗的燃气的费用近似为，另外假设城市的供热锅炉燃料采用燃气，而效率为，那么 因采用热电联产而节省的燃料费用=电费+供热费-所用燃料费。分别表示联产发电机供出的电量、热量，分别表示单位热量的电价、热价和燃气价， 为联产发电机总效率，为一般供热

14、系统的效率。为了方便比较，假设热电联产发电机热效率与常规供热效率相同，即，则节省的燃料 费用电能供出量燃料省钱指数。燃料省钱指数为由此可见，燃料省指数与电价成正比，且随着燃气与电价的价格比的降低而增大。这 个指数仅表示在不同能源地区之间的对比，并不考虑首次投资、安装规模和维修费，只纯 粹对能源价格而言。以上海的电元，天然气元为例，而每立方米的天然气相当于度电，则省钱指数元。即 热电联产发电机每发度电，将节约元，前提是联产机所供出的热能全部利用。现今典型锅炉的效率设定为。联产发电机的发电效率为，供热泪盈眶效率为。使用联 产发电机的用户将会受益，而同时煤气公司也将受益。这是因为引进了新型设备后促进

15、了 新奸筑物使用燃气否则这些建筑物将可能全部采用电能。对煤气公司的主要吸引力是在电 能用户中又争取到了燃气用户。如果假设联产发电机在供给输出热能需求时能够经济地运行，则可以将增加的燃气负 荷作为发电效率的提高。事实上，当系统不能用电之前，燃气负荷达到一个最高点。这个 最高点出现在由于供热和发电效率相同而负荷也相同的时侯，也就是对不同的建筑物电输 出和热输出能够匹配。或者选择最适合的热量和电能比率以达到年需的最大燃气负荷。 4 结 论 （1） 小型燃气发电技术成熟、设备可靠，尝试和推广小型燃气发电设备可以拓展燃气应 用领域，同时也有诸如减少水、空气污染等社会效益。 （2） 小型燃气发电设备的应用有热电联产、备用电力和调峰等不同领域，应用前景广阔。中国电力（http:/）（3） 小型燃气发电，特别是热电联产，具有一定的经济性。