新能源发电与控制技术第3版 惠晶第7章 分布式能源的利用与控制技术

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1、第7章 分布式能源的利用与控制技术,机械工业出版社,2,机械工业出版社,3,机械工业出版社,主要内容,7.1 分布式能源的特征及其应用 7.2 天燃气、燃气发电与控制技术 7.3 氢能、氢燃料电池发电与控制技术 7.4 分布式能源的综合利用及经济技术评价,4,机械工业出版社,7.1 分布式能源的特征及其应用,7.1.1 分布式能源的特征 分布式能源也叫分布式资源（DER，Distributed Energy Resources），是一种能源的分布式应用系统，实现用户端的能源综合利用，相对于传统的集中供电方式而言，是指将冷-热-电系统以小规模、小容量（数kW50MW）、模块化、分散式的方式布置在

2、用户附近，可独立地输出冷（Cooling）、热（Heating）、电能（Power）的系统。,5,机械工业出版社,1. 分布式能源的定义 国际分布式能源联盟（WADE，World Alliance for Decentralized Energy ）对“分布式能源”给出的 定义是：发电系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有： 高效的利用发电产生的废能生产热和电； 现场端的可再生能源系统； 包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循 环利用系统。 这些系统就称为分布式能源系统，而不考虑这些项目的规模、燃料或技术，及该系统是否联接电网等条件。,6,机械工业出版社,国际公认的两个具有发展前

3、途、重要的分布式能源利用形式： 微型燃气机发电机组，这是实现热电联产、高效利用能源和节能的主要形式； “燃料电池”技术，这也是未来主要的分布式能源利用技术之一。,7,机械工业出版社,微型燃气轮机发电机组,8,机械工业出版社,2.分布式能源主要特征： (1)高效性 (2)环保性 (3)能源利用的多样性 (4)调峰作用 (5)安全性和可靠性 (6)减少国家输配电投资 (7)解决边远地区供电,9,机械工业出版社,分布式能源的先进技术包括太阳能利用、风能利用、燃料电池和燃气内燃机冷-热-电三联供等多种形式； 主要技术有： 电能有效利用（EUEE，Efficient Utilization of Ele

4、ctrical Energy）、智能通信技术（ICT，Information and Communications Technology）、智能模块（Smart Box）、主动网络管理 （ANM，Active Network Management）以及微网（Micro-Grids）和智能电网（Smart-Grids），并实现整合预期能源发展的柔性电网（FENIX，Flexible Electricity Networks to Integrate the eXpected energy evolution）。,10,机械工业出版社,3. 分布式能源的综合利用： 燃气-蒸汽联合循环发电 燃料电池

5、发电-余热利用技术 整体煤气化联合循环（IGCC） 煤炭气化多联产 热-电-冷三联产 风-光-燃气互补多联产发电等领域。,11,机械工业出版社,7.1.2 分布式能源的主要应用形式,1. 分布式能源转换设备及装置,（1） 小型燃气轮机 （2） 微型燃气轮机 （3） 燃料电池 （4） 微型蒸汽轮机-蒸汽轮机 （5） 微型水轮机和微型抽水蓄能电站 （6） 太阳能发电系统 （7） 风力发电系统,（8） 余热制冷系统 （9）热泵系统 （10）能量回收系统,12,机械工业出版社,2. 分布式能源中的系统优化技术,（1）多种能源系统整合优化 （2）将分布式能源与交通系统整合优化 （3）分布式能源系统电网接

6、入研究 （4）储能技术 （5）地源储能技术 （6）网络式能源系统,13,机械工业出版社,3. 分布式能源中的资源利用技术,（1）天然气凝结水技术 （2）将分布式能源与大棚结合的技术 （3）利用发电制冷的冷却水生产生活热水的技术 （4）空调系统废热回收技术 （5）污水水源热泵系统 （6）小型生物质沼气生产技术,14,机械工业出版社,4. 分布式能源的主要应用形式,热-电-冷联产技术 燃气轮机发电系统 微燃气机发电系统 氢燃料电池发电系统 风力发电系统 小水电发电系统 太阳能光伏发电系统 地热能综合利用热-电联产系统 生物质能源发电系统,15,机械工业出版社,7.2 天然气、燃气发电与控制技术,天

7、然气是指地层内自然存在的以碳氢化合物为主体的可燃性气体。 组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，一般把甲烷分子含量超过99%的天然气水合物称为甲烷水合物（Methane Hydrate）。,16,机械工业出版社,天然气水合物样品,纯净的天然气水合物,17,机械工业出版社,夹杂着白色颗粒状“可燃冰”的海底沉积物,海洋天然气水合物的形成机理,18,机械工业出版社,7.2.1 天然气的特征与利用 1. 天然气的特征 存在方式： （1）占据大的岩石粒间孔隙； （2）以球粒状散布于细粒岩石

8、中； （3）以固体形式填充在裂缝中； （4）大固态水合物伴随少量沉积物。,19,机械工业出版社,气水合物与冰、含气水合物层与冰层之间有明显的相似性： （1）相同的组合状态的变化流体转化为固体； （2）均属放热过程，并产生很大的热效应； （3）结冰或形成水合物时水体积均增大； （4）水中溶有盐时，二者相平衡温度降低，只有淡水才能转化为冰或 水合物； （5）冰与气水合物的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小 于同类的水层； （6）含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层； （7）含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。,20,机械工业出版社,分子结构,天然气水合物的结构: 结构 I 型

9、 :立方晶体结构，仅能容纳甲烷（C1）、乙烷这两种小分子的烃以及N2、CO2、H2S等非烃分子，这种水合物中甲烷普遍存在的形式是构成CH45.75H2O的几何格架 结构 II 型 :菱形晶体结构 ,除包容C1、C2等小分子外，较大的“笼子”（水合物晶体中水分子间的空穴）还可容纳丙烷（C3）及异丁烷（iC4）等烃类 结构H型 :六方晶体结构，较大的“笼子”甚至可以容纳直径超过异丁烷（iC4）的分子,21,机械工业出版社,墨西哥巴什山三种气水合物伴生气体,ND：未检测到,22,机械工业出版社,2. 天然气的综合利用,2010年世界各地发电用气占世界天然气消费比例预测,23,机械工业出版社,我国的能

10、源消耗及能源结构,24,机械工业出版社,我国天然气的使用结构(2006年),25,机械工业出版社,我国天然气的现状 （1）天然气在中国是一种稀缺资源 （2）中国能否创造一条高效利用天然气的独特道路 （3）电力与天然气应统筹安排合理利用 （4）分布式能源供给体系发展长期滞后,26,机械工业出版社,世界天然气的发展前景,世界天然气供给前景,27,机械工业出版社,世界天然气需求趋势,28,机械工业出版社,世界天然气贸易前景,29,机械工业出版社,世界天然气价格展望,30,机械工业出版社,31,机械工业出版社,我国天然气的利用前景,西气东输,32,机械工业出版社,广东LNG项目,33,机械工业出版社,

11、7.2.2 小型燃气轮机发电机组,燃气轮机按功率分为：大型燃机(100MW以上) 中型燃机(20100MW ) 小型燃机(20MW以下) 微型燃机(小于300kW),34,机械工业出版社,燃气轮机又可分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机 轻型燃气轮机为航空发动机的转型产品，如LM6000PC和FT8燃气轮机，其优势在于装机快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电力调峰、船舶动力。 重型燃气轮机为工业型燃机，如GT26和PG6561B等燃气轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电冷联产。,轻型燃气轮机,重型燃气轮机,35,机械工业出版社,1. 燃气轮机的

12、工作原理,燃气轮机工作原理,燃气轮机优点： 效率高、功率大、体积小、 投资省、运行成本低、寿命 周期较长等。 主要用于发电、交通和工业 动力。,燃气轮机由燃烧室、压气机、轮机装置组成,36,机械工业出版社,2. 燃气轮机的发电方式,（1）简单循环发电 由燃气轮机和发电机独立组成的循环系统 优点：装机快、起停灵活，多用于电网调峰和交通、工业动力系统。 美国GE公司的LM6000PC轻型燃气轮机是目前效率较高的开式循环系统， 其发电效率为43%。,我国QD70轻型燃气轮机,37,机械工业出版社,（2）前置循环热电联产或发电,组成：由燃气轮机、发电机与余热锅炉共同组成的循环系统。 工作原理：它将燃气

13、轮机作功后排出的高温废烟气通过余热锅炉回收， 转换为蒸汽或热水加以利用。 应用：热电联产，也有将余热锅炉的蒸汽回注燃气轮机提高燃气轮机出 力和效率。 改进：为提高供热的灵活性，大多数前置循环热电联产机组采用余热锅 炉回补燃烧技术，补燃时的总效率超过90%。,38,机械工业出版社,前置循环热电联产工艺示意图,39,机械工业出版社,（3） 联合循环发电或热电联产,组成：燃气轮机及发电机与余热锅炉、蒸汽轮机或供热式蒸汽轮机（抽 汽式或背压式）共同组成的循环系统。 工作原理：它将燃气轮机作功后排出的高温废烟气通过余热锅炉回收转 换为蒸汽，再将蒸汽注入蒸汽轮机发电，或将部分发电作功 后的废气用于供热。

14、应用：主要用于发电和热电联产。ABB公司的GT261产品作为高效率发 电的代表性联合循环系统，发电效率达到58.5%。,40,机械工业出版社,（4）整体化循环,组成：由煤气发生炉、燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机共同组成的循 环系统，也称为IGCC。 优点：主要解决使用低廉的固体化石燃料代替燃气轮机使用的气体、 液体燃料，提高煤炭利用效率，降低污染物排放。 作用：可作为城市煤气、电力、集中供热和集中制冷、以及建材、化 工原料综合供应系统。目前，GE公司使用MS7001F技术组成的整 体循环系统，发电效率可达到42%。,41,机械工业出版社,（5） 核燃联合循环,组成：由燃气轮机、余热锅炉和核反应堆

15、、蒸汽轮机共同组成的发电循 环系统。 工作原理：通过燃气轮机排出的烟气再为热核反应堆输出蒸汽。 应用：主要是为了提高核反应堆蒸汽的温度、压力，提高蒸汽轮机效 率，降低蒸汽轮机部分的工程造价。,42,机械工业出版社,（6） 燃机辅助循环,工作原理: 在以煤、油等为燃料的后置循环发电汽轮机组中，使用小型燃气轮机作为电站辅助循环系统，为锅炉预热、鼓风，改善燃烧，提高效率，并将动力直接用于驱动给水泵。1947年美国第一台工业用途的燃气轮机就是采用该种方式参与发电循环系统的。,43,机械工业出版社,（7） 燃气烟气联合循环,组成：由燃气轮机和烟气轮机组成的循环系统。 工作原理：利用燃气轮机排放烟气中的剩

16、余压力和热力进一步推动烟气 轮机发电。 特点：该系统与燃气蒸汽联合循环系统比较可完全不用水，但烟气轮机 造价较高，还未能广泛使用。,44,机械工业出版社,（8） 燃气热泵联合循环,组成：由燃气轮机和烟气热泵，燃气轮机、烟气轮机和烟气热泵，或燃 气轮机、余热锅炉、蒸汽热泵，以及燃气轮机、余热锅炉、蒸汽 轮机和蒸汽（烟气）热泵组成的能源利用系统。 工作原理：该系统在燃气轮机、烟气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等设备 完成能量利用循环后，进一步利用热泵对烟气、蒸汽、热水 和冷却水中的余热进行深度回收利用，或用动力直接推动热泵。,45,机械工业出版社,应用：这一工艺可用作热电联产、热电冷联产、热冷联产、电冷联产、 直接供热或直接制冷利用。 特点：该系统热效率极高，如果用于直接供热，热效率可达150%，是未 来能源利用的主要趋势之一。,46,机械工业出版社,（9） 燃料电池燃气轮机联合循环,组成：由燃料电池和燃气涡轮机结合在一起的发电设备。 工作原理：电池以天然气为燃料，能放出高温高压的废气流，燃气涡轮 机则用燃料