分布式发电技术第3章课件

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1、3-1 3-1 概述概述 发发电电系系统统在在将将燃燃料料转转化化成成电电力力的的过过程程中中产产生生大大量量热热能能，对对于于电电力力系系统统中中的的常常用用电电厂厂来来说说，输输入入燃燃料料三三分分之之二二以以上上的的能能量量被被转转换换成成热热能能。当当传传统统电电厂厂将将燃燃料料转转换换为为电电能能并并送送达达一一般般电电力用户时，只使用了全部能源的力用户时，只使用了全部能源的30%30%。由由于于分分布布式式发发电电(DG)(DG)具具有有与与负负荷荷相相适适应应的的规规模模和和位位置置，能能够够合合理理经经济济地地回回收收这这些些热热能能。而而终终端端用用户户只只需需利利用用自自身

2、身设设备备内内或或设设备备附附近近的的一一台台组组合合式式热热电电联联产产(Combined (Combined heat heat and and PowerPower，简简写写为为CHP)CHP)系系统统就就可可同同时时获获得得热热能能和和电电能能。CHPCHP系系统统的总效率高达的总效率高达90%90%以上。以上。 26 七月 20243-1 3-1 概述概述 CHPCHP系系统统已已在在能能源源密密集集工工业业如如纸纸浆浆、造造纸纸和和石石油油等等行行业业应应用用了了100100多年，满足了这些行业对于蒸汽和电力的需求。多年，满足了这些行业对于蒸汽和电力的需求。CHPCHP具具有有各各

3、种种规规模模和和配配置置形形式式供供各各种种工工业业、商商业业和和居居民民用用户户使使用用。CHPCHP的的发发电电系系统统甚甚至至可可与与电电力力系系统统中中大大规规模模的的发发电电设设备备配配套使用，通常与地区发电系统互联使用。套使用，通常与地区发电系统互联使用。CHPCHP还还包包括括非非电电力力功功率率、机机械械功功率率、或或者者仅仅供供内内部部使使用用的的电电力力。多多数数CHPCHP的的应应用用是是联联合合发发电电，即即采采用用中中等等规规模模的的CHPCHP系系统统同同时时生产电力和蒸汽。生产电力和蒸汽。本章主要讨论使用分布式发电原动机发电时本章主要讨论使用分布式发电原动机发电时

4、CHPCHP的应用。的应用。26 七月 20243-1 3-1 概述概述 热热电电联联产产系系统统从从电电力力生生产产中中获获得得热热能能，用用于于各各种种目目的的热热力力需需求，包括热水，蒸汽以及生产过程中的加热和冷却。求，包括热水，蒸汽以及生产过程中的加热和冷却。CHPCHP与与分分离离式式热热电电系系统统的的效效率率对对比比示示意意图图如如图图所所示示。一一台台典典型型的的CHPCHP系系统统能能将将输输入入燃燃料料能能量量的的8080转转换换成成有有用用的的能能量量，其其中中3030转转换换成成电电力力，5050转转换换成成热热能能。而而传传统统的的分分离离式式热热电电生生产产设设备备

5、提提供供同同样样的的热热能能和和电电能能则则需需要要160160的的输输入入燃燃料料。即即利利用现代的用现代的CHPCHP技术能节省近技术能节省近4040的燃料。的燃料。26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 用用于于分分布布式式发发电电的的商商用用CHPCHP技技术术包包括括：柴柴油油发发动动机机、天天然然气气发发动动机机、蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机、燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机、微微型型涡涡轮轮发发动动机机和磷酸燃料电池。和磷酸燃料电池。各各种种商商用用CHPCHP原原动动机机的的技技术术特特点点如如表表3-13-1所所示示。由由表表3-13-1可可见见，CHPCH

6、P的的容容量量变变化化范范围围很很大大从从1kW1kW的的斯斯特特林林CHPCHP系系统统到到250MW250MW的的燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机CHPCHP。由由于于某某些些技技术术方方面面的的进进步步，所所有有的的CHPCHP都都将将具具有有较较低低的的成成本本、较较小小的的能能量量损损耗耗，及及更更高高的的发发电电效效率。率。 26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 表3-1 DG/CHP技术比较性能特点柴油发动机天然气发动机燃气涡轮发动机微型涡轮发动机燃料电池斯特林发动机电能效率30%50%25%45%25%40%(简单)40%60%(组合式)20%30%40%7

7、0%25%40%带部分负荷能力最佳一般差差一般容量 /MW0.0550.05532000.0250.250.220.0010.1启动时间10s10s10min1h60s348h60s燃料压力 /kPa34.57310830-34502757003.5310制造费用/($/kW)80015008001500700900401000.545燃料柴油天然气、沼气、丙烷天然气、沼气、丙烷、精炼油天然气、沼气、丙烷、精炼油H2、天然气、丙烷各种燃料热能利用热水、低压蒸汽、供暖热水、低压蒸汽、供暖加热、热水、低压-高压蒸汽、供暖加热、热水、低压蒸汽热水、低压-高压蒸汽直接加热、热水、低压蒸汽CHP输出 /

8、(kJ/kWh)340010005000340012000400015000500370030006000CHP可用温度 /804801502602605902003406037026054026 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 一、往复式发动机一、往复式发动机 CHPCHP主要应用两种类型的内燃机主要应用两种类型的内燃机四循环火花点燃式（四循环火花点燃式（Otto cycleOtto cycle）发动机）发动机压缩点燃式压缩点燃式( (内燃机循环内燃机循环) )发动机发动机使使用用往往复复式式发发动动机机的的CHPCHP系系统统的的发发电电费费用用成成本本大大约约是是

9、800$1500$/kW800$1500$/kW，其其上上限限费费用用的的产产生生主主要要是是由由于于小小容容量量CHPCHP系系统统对对所所用用设设备备的的相相关关费费用用十十分分敏敏感感，如如燃燃料料供供应应开开支支、发发动动机外壳的费用、工程造价及其他费用等。机外壳的费用、工程造价及其他费用等。1.1.热能的回收利用热能的回收利用 燃燃料料中中的的能能量量在在燃燃烧烧过过程程中中释释放放出出来来，转转换换成成发发动动机机转转轴轴的的输出功率和热能。输出功率和热能。轴轴上上输输出出功功率率驱驱动动发发电电机机工工作作，而而释释放放的的热热量量则则经经由由冷冷却却设设备、或以废气和表面辐射的

10、方式释放出来。备、或以废气和表面辐射的方式释放出来。26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 回收途径回收途径发动机的排气装置发动机的排气装置锅炉套管中的冷却箱锅炉套管中的冷却箱润滑油冷却设备（少量）润滑油冷却设备（少量）涡轮增压器的中间冷热器和二次冷却器涡轮增压器的中间冷热器和二次冷却器回回收收热热中中生生成成的的蒸蒸汽汽和和热热水水主主要要用用于于房房间间的的取取暖暖、再再加加热热、家庭用热水和吸收式制冷。家庭用热水和吸收式制冷。通通过过从从锅锅炉炉套套管管的的冷冷却却水水和和排排气气装装置置中中回回收收热热能能，大大约约有有707080%80%的燃料能量可得到有效利用

11、。的燃料能量可得到有效利用。发动机回收的排放热能主要有两种用途发动机回收的排放热能主要有两种用途 产生产生110110左右的热水左右的热水 生成约生成约103kPa103kPa的低压蒸汽的低压蒸汽 26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 2.闭环热水冷却系统闭环热水冷却系统 从从发发动动机机中中回回收收热热量量的的最最常常用用方方法法是是应应用用闭闭环环冷冷却却系系统统，如如图所示。图所示。这这些些系系统统通通过过驱驱动动冷冷却却剂剂在在发发动动机机通通路路和和外外部部热热交交换换器器中中循循环环来来实实现现冷冷却却。热热交交换换器器将将额额外外的的发发动动机机热热量量传

12、传送送至至冷冷却却塔塔或散热器。闭环水冷却系统工作时的冷却剂温度为或散热器。闭环水冷却系统工作时的冷却剂温度为90120。26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 3.3.沸腾式冷却系统沸腾式冷却系统 沸沸腾腾式式冷冷却却系系统统是是利利用用沸沸腾腾冷冷却却剂剂的的自自然然循循环环，使使其其流流经经发发动机来实现冷却。动机来实现冷却。这这种种方方法法能能够够保保持持整整个个冷冷却却剂剂回回路路的的温温度度一一致致，而而这这种种一一致致的的温温度度则则有有助助于于延延长长发发动动机机的的寿寿命命，提提高高燃燃烧烧过过程程的的效效率率，降低电动机内的摩擦。降低电动机内的摩擦。这

13、这种种冷冷却却方方法法通通常常还还可可通通过过废废热热回回收收装装置置产产生生低低压压蒸蒸汽汽。将将冷冷却却水水引引入入到到发发动动机机的的底底部部，在在此此处处传传递递的的热热能能开开始始加加热热冷冷却却剂剂，产产生生两两相相流流动动。冷冷却却水水产产生生的的泡泡沫沫降降低低了了冷冷却却水水的的密密度度，导导致致冷冷却却水水自自然然循循环环到到发发动动机机的的顶顶部部。在在发发动动机机出出口口处处的的冷冷却却水水处处于于饱饱和和的的蒸蒸汽汽状状态态，限限制制在在120120以以内内，最最大大气气压压为为103kPa103kPa。入入口口冷冷却却水水也也接接近近饱饱和和状状态态，其其温温度度比

14、比出出口口温温度度低低2323。 26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 二二、蒸汽涡轮发动机、蒸汽涡轮发动机 蒸蒸汽汽涡涡轮轮技技术术是是用用途途最最广广、最最古古老老的的原原动动机机驱驱动动技技术术之之一一，用于驱动发电机，或者是一些机械设备。用于驱动发电机，或者是一些机械设备。目目前前在在美美国国和和欧欧洲洲，蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机广广泛泛应应用用于于CHP系系统统中中，其其中中蕴蕴含含了了一一些些特特殊殊设设计计以以实实现现最最大大效效率率地地利利用用蒸蒸汽汽。当当前前在在美美国国的的电电力力市市场场中中，传传统统的的蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发电电厂厂提提供供的的

15、电电能能超超过过80。蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机的的容容量量可可以以从从几几马马力力到到大大型型发发电电厂厂应用的应用的1300MW以上。以上。蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机并并非非直直接接将将燃燃料料资资源源转转换换成成电电能能，而而是是借借助助于高压蒸汽。于高压蒸汽。无无论论是是在在电电力力系系统统中中应应用用的的，还还是是工工业业上上应应用用的的蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动机，其设计方案都适合于动机，其设计方案都适合于CHP。 26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 1.1.工作原理工作原理 蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机的的热热动动态态循循环环系系统统为为兰兰金金(Ran

16、kine(Rankine) )循循环环系系统统，此此循循环环系系统统是是传传统统的的发发电电厂厂的的基基础础。在在这这种种循循环环中中，热热源源( (锅锅炉炉) )将将热热水水转转换换成成高高压压蒸蒸汽汽，蒸蒸汽汽在在涡涡轮轮中中膨膨胀胀而而产产生生动动力力。涡轮发动机排出的蒸汽冷凝后，输回锅炉中重复上述过程。涡轮发动机排出的蒸汽冷凝后，输回锅炉中重复上述过程。 蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机包包括括一一套套固固定定的的叶叶片片( (称称为为喷喷嘴嘴) )和和一一套套移移动动的的相相邻邻叶叶片片( (称称为为转转动动叶叶片片) )，它它们们安安装装在在罩罩壳壳中中。蒸蒸汽汽推推动动叶叶片片驱驱动

17、动涡涡轮轮发发动动机机的的轴轴和和轴轴上上连连接接的的负负载载。当当蒸蒸汽汽经经过过叶叶片片时时，蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机将将压压力力转转换换成成动动能能，锅锅炉炉中中产产生生的的高高压压蒸蒸汽汽能能量量或或其其他他能能量量使使蒸蒸汽汽涡涡轮轮旋旋转转，而而涡涡轮轮推推动动发发电电机机轴转动。轴转动。 26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 2.2.热能回收热能回收 蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机利利用用燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机( (组组合合循循环环系系统统) )排排出出的的余热来生产电能即是一种回收热能的方法。余热来生产电能即是一种回收热能的方法。 从从燃燃气气涡

18、涡轮轮发发动动机机回回收收热热能能的的方方法法是是利利用用废废热热预预热热器器或或空空气气预热器的排出废气或抽取的蒸汽。预热器的排出废气或抽取的蒸汽。回回收收热热能能的的数数量量和和质质量量是是输输入入蒸蒸汽汽条条件件和和蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机相相关设计参数的函数。关设计参数的函数。涡涡轮轮排排放放的的蒸蒸汽汽可可直直接接用用于于作作功功或或区区域域供供热热，或或者者将将其其转转换换成其他的热能形式，如热水或者制冷水。成其他的热能形式，如热水或者制冷水。 26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 3.3.工业、商业和公共事业方面的应用工业、商业和公共事业方面的应用 工

19、工业业应应用用方方面面，蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机主主要要用用于于驱驱动动发发电电机机或或其其他他设备，如锅炉给水泵、处理泵、空气压缩机或者制冷机等。设备，如锅炉给水泵、处理泵、空气压缩机或者制冷机等。就就非非冷冷凝凝式式应应用用和和负负荷荷跟跟踪踪方方面面的的应应用用来来说说，从从涡涡轮轮发发动动机机中中排排出出的的蒸蒸汽汽，其其压压力力和和温温度度足足以以供供应应CHPCHP加加热热使使用用。虽虽然然后后压压式式涡涡轮轮发发动动机机比比冷冷凝凝式式涡涡轮轮发发动动机机效效率率低低，但但是是它它们们价价格格也较低，而且不需要表面冷凝装置。也较低，而且不需要表面冷凝装置。 小小型型蒸蒸汽汽涡

20、涡轮轮发发动动机机可可用用来来替替代代减减压压阀阀，将将通通常常需需废废弃弃的的能能量量转转换换成成有有用用的的电电能能，而而且且性性价价比比较较高高。替替换换减减压压阀阀的的方方式式主主要要用用于于公公共共事事业业方方面面或或者者工工业业系系统统中中，其其中中高高压压蒸蒸汽汽是是可可利用的，且加工过程或取暖需要低压蒸汽。利用的，且加工过程或取暖需要低压蒸汽。 26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 三、燃气涡轮发动机三、燃气涡轮发动机 燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机是是一一种种物物超超所所值值的的CHPCHP替替代代产产品品，可可作作为为商商业业和和工工业业终终端端用用户

21、户使使用用，它它们们对对于于基基本本电电力力负负荷荷的的需需求求大大于于5MW5MW。它们带基本负荷供电并满负荷运行时的运行效果最好。它们带基本负荷供电并满负荷运行时的运行效果最好。燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机经经常常用用在在蒸蒸汽汽加加热热系系统统中中，缘缘于于它它们们具具备备的的高质量热能输出，在大部分中压蒸汽系统广泛应用。高质量热能输出，在大部分中压蒸汽系统广泛应用。 用用于于CHPCHP的的燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机可可以以是是单单循循环环或或者者复复合合循循环环配配置置形形式。式。 单单循循环环的的燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机不不能能回回收收排排出出气气体体的的热热能能，因因此此其

22、其发电效率和电能发电效率和电能/ /热能比最低。热能比最低。 具具有有蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机的的复复合合循循环环燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机对对于于大大型型系系统统的的应应用用来来说说很很经经济济，最最先先进进的的用用于于电电力力系系统统的的燃燃气气涡涡轮轮发发动机的发电效率可高达动机的发电效率可高达606026 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 通通过过燃燃烧烧含含氧氧气气丰丰富富的的排排出出燃燃体体( (辅辅助助燃燃烧烧) )，可可从从涡涡轮轮发发动动机中抽取出更多的能量。机中抽取出更多的能量。 吸吸收收制制冷冷系系统统则则直直接接从从燃燃气气涡涡轮轮发发动动机

23、机的的排排气气中中获获得得制制冷冷水水，如图所示如图所示 26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 吸吸收收制制冷冷器器通通过过工工作作流流体体在在高高温温燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机排排气气和和低低温温水槽中流动产生制冷水，如图所示水槽中流动产生制冷水，如图所示26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 工工业业应应用用中中，大大多多数数普普通通的的吸吸收收制制冷冷器器采采用用溴溴化化锂锂和和水水溶溶液液，来来获获得得温温度度为为77的的制制冷冷水水。要要获获得得更更低低的的水水温温则则需需借借助助由由氨氨气和水系统组成的系统。气和水系统组成的系统。 在

24、在溴溴化化锂锂吸吸收收式式制制冷冷器器中中，制制冷冷水水通通过过水水在在蒸蒸发发区区的的蒸蒸发发而而产生。产生。 24Pa24Pa的的低低压压蒸蒸汽汽用用在在单单级级的的溴溴化化锂锂吸吸收收制制冷冷机机中中，比比率率是是7.7kg/7.7kg/制制冷冷吨吨。而而10Pa10Pa的的中中压压蒸蒸汽汽用用在在两两级级的的吸吸收收制制冷冷机机中中，比率是比率是4.5kg/4.5kg/制冷吨。制冷吨。26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 四、微型涡轮发动机四、微型涡轮发动机 一一般般情情况况下下，在在任任何何位位置置建建立立的的微微型型涡涡轮轮发发动动机机CHPCHP系系统统所

25、所生生产电能的功率为产电能的功率为25200kW25200kW。 它它们们通通常常采采用用天天然然气气燃燃料料，但但也也可可以以采采用用柴柴油油、汽汽油油或或其其他他类类似似的的高高能能化化石石燃燃料料，将将沼沼气气作作为为燃燃料料的的微微型型涡涡轮轮发发动动机机正正处处于于研研发发过过程程中中。由由于于微微型型涡涡轮轮发发动动机机所所用用燃燃料料的的多多样样性性，因此可在边远地区使用。因此可在边远地区使用。 微微型型涡涡轮轮发发动动机机排排出出的的热热气气可可用用于于CHPCHP。尽尽管管多多数数设设计计结结合合了了一一个个回回流流换换热热器器，但但实实际际上上却却限限制制了了用用于于CHP

26、CHP的的热热能能。回回收收的的热能可用来加热热水，或供给低压蒸汽。热能可用来加热热水，或供给低压蒸汽。 26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 微微型型涡涡轮轮发发动动机机的的工工作作原原理理类类似似于于燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机，不不同同之之处处在在于于微微型型涡涡轮轮发发动动机机设设计计了了一一个个回回流流换换热热器器，用用于于回回收收排排出的部分热能并预热空气，原理如图所示出的部分热能并预热空气，原理如图所示 26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 微微型型涡涡轮轮发发动动机机比比常常规规的的往往复复式式发发动动机机更更小小，比比常常规规的

27、的同同等等容容量量的的发发电电设设备备的的转转动动部部件件小小得得多多，因因此此微微型型涡涡轮轮发发动动机机的的运行和维护费用将显著下降。运行和维护费用将显著下降。目目前前开开发发的的微微型型涡涡轮轮发发动动机机的的热热效效率率可可达达30%30%，氧氧化化氮氮排排量量小小于于101010104%4%。通通过过采采用用陶陶瓷瓷元元件件、改改进进涡涡轮轮的的空空气气动动力力性性能能和和回回流流换换热热器器的的设设计计以以及及提提高高接接触触反反应应燃燃烧烧的的效效率率，可可将将其其热热效效率率提提高高到到35%50%35%50%，氧氧化化氮氮排排量量在在2 210104%34%310104%4%

28、之间。之间。26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 五、燃料电池五、燃料电池磷磷酸酸电电解解质质燃燃料料电电池池(PAFC)(PAFC)是是到到目目前前为为止止唯唯一一大大量量使使用用的的商商业用电池。业用电池。 PAFCPAFC可可以以利利用用来来自自燃燃料料电电池池组组的的废废热热，直直接接将将甲甲烷烷转转换换成成含含氢丰富的气体作为燃料电池的燃料氢丰富的气体作为燃料电池的燃料PFACPFAC可制造成可制造成200kW200kW的模块，这些模块也很容易组合在一起。的模块，这些模块也很容易组合在一起。PFACPFAC产产生生的的热热能能可可用用于于供供暖暖，或或者者直直

29、接接作作为为热热水水使使用用，但但其其含热量不高，不能用于其他的联合发电系统中。含热量不高，不能用于其他的联合发电系统中。 熔熔融融碳碳酸酸盐盐燃燃料料电电池池(MCFC)(MCFC)有有望望应应用用于于120MW120MW的的固固定定电电力力生生产中，且非常适合用在工业用的产中，且非常适合用在工业用的CHPCHP中。中。可可工工作作在在高高温温下下，其其效效率率高高于于PAFCPAFC，估估计计效效率率可可以以达达到到5555的低燃烧值的低燃烧值(LHV)(LHV) 26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 固固体体氧氧化化物物燃燃料料电电池池(SOFC)(SOFC)是是

30、最最新新型型的的燃燃料料电电池池，目目前前仍仍处处于实验室测试阶段。于实验室测试阶段。 由由固固体体氧氧化化物物燃燃料料电电池池产产生生的的高高质质量量废废热热可可用用于于燃燃料料电电池池内内部部工工作作过过程程的的改改良良，包包括括其其产产生生的的蒸蒸汽汽可可用用在在蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机的复合循环中，生产出更多电力。机的复合循环中，生产出更多电力。 质质子子交交换换膜膜燃燃料料电电池池(PEM)(PEM)工工作作在在相相对对较较低低的的温温度度(80(80C)C)，不适合于传统的联合发电，但其起动速度很快不适合于传统的联合发电，但其起动速度很快燃燃料料电电池池的的类类型型决决定定了了整

31、整个个工工作作过过程程中中释释放放热热量量的的温温度度变变化化范围，以及对于不同范围，以及对于不同CHPCHP应用的适应程度。应用的适应程度。 低温的燃料电池产生的热能适用于低压蒸汽和热水型的低温的燃料电池产生的热能适用于低压蒸汽和热水型的CHP CHP 高高温温燃燃料料电电池池产产生生高高压压蒸蒸汽汽，可可用用于于复复合合循循环环及及其其他他的的CHPCHP过过程程 26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 六、斯特林发动机六、斯特林发动机 斯特林发动机是以斯特林热动力循环命名的斯特林发动机是以斯特林热动力循环命名的 通过外部热源通过外部热源通常为连续燃烧的锅炉产生动力通

32、常为连续燃烧的锅炉产生动力 可靠性仍是限制其在某些专门方面中应用的主要问题可靠性仍是限制其在某些专门方面中应用的主要问题 使使用用化化石石燃燃料料和和生生物物燃燃料料时时，连连续续燃燃烧烧加加热热器器避避免免了了局局部部高高温，因此其排放非常低，而且容易控制温，因此其排放非常低，而且容易控制 斯斯特特林林发发动动机机使使用用的的燃燃料料范范围围很很广广，包包括括化化石石燃燃料料、生生物物燃燃料、太阳能、地热能和核能。料、太阳能、地热能和核能。 在在欧欧洲洲，一一些些斯斯特特林林发发动动机机在在电电力力系系统统方方面面的的应应用用实实例例说说明明了这项技术可用于居民用户的小型了这项技术可用于居民

33、用户的小型CHPCHP中。中。 斯特林发动机的容量很小，其发电效率很容易达到斯特林发动机的容量很小，其发电效率很容易达到3030以上。以上。26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 七、热电联产系统的性能参数七、热电联产系统的性能参数研究研究CHPCHP系统寻求获得获得较高的能量利用系数：系统寻求获得获得较高的能量利用系数： 式中，式中，U Uu u为使用或回收的热能；为使用或回收的热能；W W为生产电能；为生产电能；U Ub b为输入热能。为输入热能。常规发电厂的热效率为常规发电厂的热效率为 能量利用系数为能量利用系数为 26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热

34、电联产系统 将将常常规规电电厂厂转转换换为为热热电电联联产产系系统统，因因此此电电厂厂的的热热效效率率会会下下降降，而而能能量量利利用用系系数数将将小小于于电电网网值值。如如果果从从涡涡轮轮发发动动机机中中提提取取的的单位热能为单位热能为m m，则新的效率为，则新的效率为保持原电厂效率不变。而保持原电厂效率不变。而CHPCHP系统的能量利用系数为系统的能量利用系数为 EUFEUFcgcg小于小于1 1是由于在温度是由于在温度T Ta a时还有部分热能未经利用就排出了时还有部分热能未经利用就排出了 26 七月 20243-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 由由上上述述分分析析可可知知，将将常

35、常规规电电厂厂转转换换为为CHPCHP系系统统，实实际际上上是是牺牺牲牲了了热热效效率率来来获获取取更更高高的的能能量量利利用用率率。以以上上是是热热动动力力学学方方面面的的分分析析结结论论，是是否否值值得得作作出出这这样样的的转转换换主主要要取取决决于于经经济济性性方方面面的考虑。的考虑。26 七月 20243-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 一、电力和热力负荷一、电力和热力负荷 在在CHPCHP可可行行性性分分析析中中，首首要要的的和和最最重重要要的的因因素素是是得得到到电电力力和和热热力力负负荷荷的的精精确确表表达达，特特别别是是当当CHPCHP系系统统不不允允许许向向电电网网输

36、输送送电电能能时。时。这这样样的的应应用用通通常常要要求求CHPCHP能能够够跟跟踪踪电电力力负负荷荷的的变变化化，因因此此系系统统必必须须调调整整各各自自的的输输出出电电功功率率，使使其其等等于于或或小小于于电电力力负负荷荷。30min30min或或1h1h的的负负荷荷特特性性曲曲线线特特别别适适合合用用来来对对CHPCHP系系统统做做上上述述分分析。析。 热热负负荷荷曲曲线线由由使使用用的的热热水水、低低压压和和高高压压蒸蒸汽汽的的消消耗耗以以及及制制冷冷负负荷荷等等组组成成。电电力力负负荷荷曲曲线线的的形形状状以以及及最最大大、最最小小值值之之间间的的变化范围在很大程度上决定了原动机的数

37、量、容量和类型。变化范围在很大程度上决定了原动机的数量、容量和类型。 26 七月 20243-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 对对于于承承担担基基于于负负荷荷的的CHPCHP，可可向向电电网网输输出出电电能能，并并且且满满足足最最小小的的热热力力负负荷荷需需要要，CHPCHP系系统统的的容容量量设设计计规规模模在在很很大大程程度度上上取取决决于大规模能源市场的容量需求。于大规模能源市场的容量需求。 CHPCHP的的容容量量因因数数是是一一个个关关键键指指标标，它它表表征征了了发发电电机机的的容容量量在在运运行中应该如何分配。行中应该如何分配。 容容量量因因数数是是表表达达CHPCHP系

38、系统统整整体体经经济济性性的的一一个个有有用用方方法法，它它表表示示了设备接近基本负荷运行的程度。了设备接近基本负荷运行的程度。 容量因素定义如下：容量因素定义如下：26 七月 20243-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 对对于于大大多多数数CHPCHP应应用用来来说说，需需要要容容量量因因数数很很高高，目目的的是是为为了了获获取取最最大大的的经经济济效效益益。高高容容量量因因数数有有效效地地降降低低了了系系统统的的固固定定单单元元成成本本($/kW($/kWh h) )，有有助助于于保保持持CHPCHP提提供供的的电电能能与与电电网网提提供供的的电能相竞争的能力。电能相竞争的能力。

39、若是相对恒定的电力负荷曲线，一般可选用燃气涡轮发动机。若是相对恒定的电力负荷曲线，一般可选用燃气涡轮发动机。 多多数数的的商商业业终终端端用用户户具具有有变变化化的的电电力力负负荷荷曲曲线线 ，天天然然气气往往复复式式发发动动机机广广泛泛应应用用于于CHPCHP，源源于于它它具具有有很很好好的的带带部部分分负负荷荷运运行行、空空气气质质量量符符合合环环境境要要求求以以及及容容量量多多变变的的特特点点，使使其其适适应应许许多多商业和公共事业终端用户的需要。商业和公共事业终端用户的需要。 26 七月 20243-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 二、可回收热能二、可回收热能 终终端端用用户户

40、的的热热能能需需求求决决定定了了CHPCHP系系统统的的可可行行性性，也也用用于于选选择择原原动机。动机。 燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机提提供供的的高高质质量量的的热热能能，通通常常可可用用在在蒸蒸汽汽涡涡轮轮发动机系统中。发动机系统中。 某某些些正正在在开开发发的的燃燃料料电电池池技技术术，包包括括MCFCMCFC和和SOFCSOFC，提提供供高高品品质的与燃气涡轮发动机相比拟的热能。质的与燃气涡轮发动机相比拟的热能。 往往复复式式发发动动机机在在同同样样的的输输出出功功率率范范围围内内，通通常常比比大大多多数数的的燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机效效率率高高，并并能能很很好好地地适适应应热热力

41、力负负荷荷比比电电力力负负荷荷低的场合。低的场合。 26 七月 20243-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 三、工业热能的回收三、工业热能的回收 工工业业生生产产中中产产生生的的额额外外的的热热能能或或蒸蒸汽汽，也也可可为为CHPCHP系系统统应应用用提提供机会。供机会。如如果果这这些些多多余余的的热热能能可可连连续续提提供供，或或具具有有高高负负荷荷因因数数，并并且且具具有有足足够够高高的的质质量量，则则这这些些热热能能就就可可以以用用于于蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机的基础循环中，用于生产电能。的基础循环中，用于生产电能。除除发发电电外外，蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机还还经经常常用用

42、于于驱驱动动旋旋转转式式设设备备，如如空空气气压压缩缩机机或或空空调调压压缩缩机机等等。若若使使用用不不同同的的涡涡轮轮设设计计方方案案，涡涡轮轮中中排排出出的的蒸蒸汽汽可可用用于于低低级级的的加加热热应应用用或或者者在在CHPCHP系系统统中中用用于制冷，多余的蒸汽也可以用在燃料电池中改良天然气。于制冷，多余的蒸汽也可以用在燃料电池中改良天然气。26 七月 20243-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 四、噪声四、噪声 尽管燃料电池在安装时相对昂贵，但仍然在许多地方安装并尽管燃料电池在安装时相对昂贵，但仍然在许多地方安装并进行测试，特别是在停电造成的损失严重影响国家税收或降进行测试，特

43、别是在停电造成的损失严重影响国家税收或降低生成力，且按规定不能停电的场所。低生成力，且按规定不能停电的场所。斯斯特特林林发发动动机机应应该该也也能能在在这这样样的的场场合合中中得得到到很很好好的的应应用用。它它们们相相对对安安静静的的运运行行状状态态很很有有吸吸引引力力，因因此此通通常常安安装装在在拥拥挤挤的的商业区。商业区。在在居居民民区区安安装装涡涡轮轮发发动动机机或或发发动动机机通通常常要要求求特特殊殊的的考考虑虑和和设设计计。发发电电机机和和涡涡轮轮发发动动机机通通常常安安装装在在建建筑筑物物内内，以以削削弱弱对对周周围围社社区区的的噪噪声声影影响响，另另外外需需要要在在其其排排气气口

44、口处处安安装装特特殊殊的的排排气气消音器或者消声器。消音器或者消声器。燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机比比往往复复式式发发动动机机更更易易安安装装在在工工厂厂中中封封闭闭的的环环境境内内。由由于于需需向向外外释释放放热热能能，因因此此需需要要更更多多的的流流通通空空气气，最最可行的使用方案是将它们安装在消音的建筑物中。可行的使用方案是将它们安装在消音的建筑物中。26 七月 20243-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 五、五、CHPCHP系统的大小系统的大小 三三种种CHPCHP系系统统可可提提供供紧紧凑凑型型封封装装形形式式：斯斯特特林林发发动动机机最最小小，其其次是燃料电池和微型涡轮发动

45、机。次是燃料电池和微型涡轮发动机。较较大大型型的的蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机、燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机和和往往复复式式的的发发动动机机可可单单独独的的安安装装于于工工厂厂封封闭闭的的区区域域内内，或或者者处处于于一一座座有有辅辅助助设备的单独的建筑物内。设备的单独的建筑物内。 表表3-23-2为不同类型的为不同类型的CHPCHP的相对大小的相对大小 26 七月 20243-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 表表3-2 3-2 不同类型的不同类型的CHPCHP的相对大小的相对大小CHPCHP原动机类型原动机类型CHPCHP的相对大小的相对大小 /kW/kW蒸汽涡轮发动机蒸汽涡轮发动机

46、冷藏库冷藏库(100)/(100)/车库车库(100 000)(100 000)燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机装载车装载车(3000)(3000)往复式发动机往复式发动机2 2个冰箱个冰箱(30)(30)微型涡轮发动机微型涡轮发动机冰箱冰箱(30)(30)燃料电池燃料电池装载车装载车(200)(200)斯特林发动机斯特林发动机烤炉烤炉(3)(3)26 七月 20243-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 六、六、CHPCHP系统的燃料系统的燃料 CHPCHP系统燃料费用如表系统燃料费用如表3-33-3所示。所示。 表表3-3 CHP3-3 CHP系统燃料费用系统燃料费用燃料类型燃料类型设备安

47、装费设备安装费燃料费用燃料费用运行和维护费用运行和维护费用煤煤中中( (新新) )、非常低、非常低( (旧旧) )低低中中天然气天然气低低低低低低石油石油中中中中高高废热废热中中零零中中沼气沼气中偏高中偏高低低高高26 七月 20243-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机潜潜在在的的系系统统问问题题是是用用户户的的天天然然气气分分配配系系统统管管道道所所能能提提供供的的压压力力。如如果果不不能能提提供供高高压压气气体体，当当地地天天然然气气公公司司就就必必须须专专门门建建设设高高压压天天然然气气管管道道，或或者者由由用用户户购购买买专专门门的的气体压缩机。气体

48、压缩机。 当当天天然然气气无无法法提提供供或或者者非非常常贵贵的的时时候候，CHPCHP系系统统应应当当考考虑虑采采用用柴油发动机。柴油发动机。 26 七月 20243-4 3-4 热电联产系统的经济性分析热电联产系统的经济性分析 热热电电联联产产系系统统的的经经济济竞竞争争力力在在于于它它们们可可根根据据不不同同的的负负荷荷类类型型和和大大小小选选择择特特定定的的工工作作场场合合和和容容量量，并并且且当当新新的的市市场场规规则则和和新新技技术术出出现现后后，过过去去的的指指导导方方针针及及单单凭凭经经验验的的作作法法将将不不再再适适用。用。 本本节节将将根根据据未未来来电电能能和和燃燃料料的

49、的价价格格、CHPCHP的的费费用用和和性性能能以以及及用用户的规模和需求，得到可能的需求模式来评估户的规模和需求，得到可能的需求模式来评估CHPCHP的竞争能力。的竞争能力。 预预测测一一般般只只能能提提供供平平均均价价格格。由由于于CHPCHP极极大大地地改改变变了了用用户户的的负负荷荷曲曲线线，因因此此基基于于平平均均价价格格的的分分析析将将受受到到应应用用的的限限制制。通通常常的的做做法法是是：分分析析人人员员将将费费用用按按基基本本负负荷荷、中中间间负负荷荷和和峰峰值值负负荷三种形式来分配。荷三种形式来分配。26 七月 20243-4 3-4 热电联产系统的经济性分析热电联产系统的经

50、济性分析 一、一、CHPCHP技术成本和性能特征技术成本和性能特征表表3-43-4为为CHPCHP系系统统的的费费用用和和性性能能比比较较，表表中中给给出出了了小小型型50kW50kW到到大型的大型的25MW25MW实际应用规模的实际应用规模的CHPCHP特性。特性。热热能能比比率率和和可可回回收收热热能能因因数数是是从从商商业业产产品品的的技技术术规规格格得得到到的的，但微型涡轮发动机例外，其性能因数是估计出来的。但微型涡轮发动机例外，其性能因数是估计出来的。运运行行费费用用包包括括燃燃料料和和非非燃燃料料费费用用( (如如发发动动机机火火花花塞塞和和燃燃料料电电池池组的更换等组的更换等)

51、)。由由上上述述分分析析可可知知，许许多多最最有有效效的的CHPCHP技技术术只只能能采采用用非非常常纯纯净净的的，而而且且非非常常昂昂贵贵的的燃燃料料。最最廉廉价价的的燃燃料料是是煤煤，但但煤煤只只能能用用于于锅锅炉炉/ /蒸汽涡轮发动机以及斯特林发动机中。蒸汽涡轮发动机以及斯特林发动机中。26 七月 20243-4 3-4 热电联产系统的经济性分析热电联产系统的经济性分析 表表3-4 CHP3-4 CHP系统的费用和性能比较系统的费用和性能比较费用费用/ /性能特征性能特征微型涡轮发动机微型涡轮发动机燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机性能性能容量容量 /kW/kW5050100100800800

52、500050002500025000热能热能 /(kJ/kW/(kJ/kWh h) )13306133061312713127106051060511779117791031110311排放热能排放热能 /(kJ/kW/(kJ/kWh h) )4498449817861786144314435193519345224522散热剂散热剂 /(kJ/kW/(kJ/kWh h) )3404340427502750费用费用封装费用封装费用($/kW)($/kW)500500650650350350400400300300热能回收热能回收($)($)150150100100757575757575排放物

53、控制排放物控制($)($)0 070702929102102100100系统管理系统管理($)($)25253333181820201515场地和建设场地和建设($)($)35354646252528282121工程工程($)($)20202626141416161212市政市政($)($)50507575383815151313劳工劳工/ /安装安装($)($)100100130130444460604545燃料压缩机燃料压缩机($)($)40400 00 030302020连接连接/ /开关设备开关设备($)($)150150150150636320208 8附加费用附加费用($)($)2

54、5253333181820201515一般承包商加价一般承包商加价($)($)16416419719710110181816464设备运输设备运输($)($)83839999515187876969基本监视费用基本监视费用($/kW)($/kW)1375137516471647842842998998789789维护费用维护费用($/kWh)($/kWh)0.0100.0100.0140.0140.0110.0110.0030.0030.0030.003电能费用电能费用($/kWh)($/kWh)无热能回收无热能回收0.0750.0750.0850.0850.0530.0530.0510.05

55、10.0400.040有热能回收有热能回收0.0670.0670.0750.0750.0420.0420.0370.0370.0270.02726 七月 20243-4 3-4 热电联产系统的经济性分析热电联产系统的经济性分析 CHPCHP的的最最主主要要的的经经济济动动力力在在于于其其生生产产的的电电能能费费用用低低于于电电力力系系统统输送的电能费用。输送的电能费用。CHPCHP与与传传统统电电力力系系统统的的中中央央发发电电、分分散散输输配配电电方方式式的的发发电电成成本本比较如图所示。比较如图所示。26 七月 20243-4 3-4 热电联产系统的经济性分析热电联产系统的经济性分析 多多

56、种种CHPCHP技技术术的的原原始始费费用用变变化化轨轨迹迹如如图图所所示示，图图中中所所有有这这些些技技术术的的费费用用都都将将平平稳稳下下降降，而而某某些些技技术术费费用用的的降降低低速速度度远远大大于于其他的技术。其他的技术。 26 七月 20243-4 3-4 热电联产系统的经济性分析热电联产系统的经济性分析 二、二、 CHPCHP系统的融资系统的融资 CHPCHP项目通常由内部投资和债务投资共同来融资项目通常由内部投资和债务投资共同来融资有有时时候候，采采用用租租借借的的方方式式可可减减少少当当地地消消费费者者为为CHPCHP项项目目提提供供原原始资金的数额，使得拥有始资金的数额，使

57、得拥有CHPCHP系统的第三方获得部分盈利。系统的第三方获得部分盈利。 引入某种类型的折扣现金流分析方式引入某种类型的折扣现金流分析方式 偿偿还还分分析析：偿偿还还分分析析是是一一种种单单凭凭经经验验的的方方法法，经经常常用用于于潜潜在在能能源源开开发发项项目目的的初初步步评评估估，主主要要分分析析需需要要多多长长时时间间才才能能从从CHPCHP系统的盈利中收回最初的投资，通常用年作为时间计算单位。系统的盈利中收回最初的投资，通常用年作为时间计算单位。 折折扣扣现现金金流流分分析析决决定定一一个个项项目目在在经经济济上上是是否否可可行行的的方方法法是是使使用用净净现现值值(NPV)(NPV)，

58、或或者者是是内内部部收收益益率率(IRR)(IRR)。若若净净现现值值为为正正，或或者者内内部部收收益益率率大大于于决决策策者者花花费费的的成成本本，那那么么这这一一项项目目在在经经济上就是可行的。济上就是可行的。 26 七月 20243-5 3-5 热电联产系统的效益分析热电联产系统的效益分析 一、一、CHPCHP的效率的效率 将将燃燃料料转转换换为为电电力力的的过过程程中中，发发电电系系统统产产生生大大量量的的热热能能，三三分之二以上输入燃料的能量被转换成热能。分之二以上输入燃料的能量被转换成热能。作作为为一一种种可可选选方方案案，位位于于这这些些设设施施附附近近的的对对于于热热能能和和电

59、电能能有有较较大大需需求求的的用用户户，利利用用简简单单的的热热电电联联产产系系统统就就发发出出大大量量的的热热能和电力。能和电力。图图3-13-1显显示示出出正正常常的的CHPCHP系系统统优优于于传传统统的的远远距距离离供供电电和和就就地地锅锅炉炉热热能能系系统统的的组组合合。由由图图3-13-1可可知知，CHPCHP将将输输入入燃燃料料的的80%80%转转换换为为有有用用的的能能量量输输出出，其其中中30%30%转转换换为为电电能能，50%50%转转换换为为蒸蒸汽汽或或其其他他形形式式的的有有用用的的热热能能。传传统统的的热热电电分分离离生生产产模模式式要要输输出出同同样大小的能量，则需

60、要样大小的能量，则需要163%163%的燃料输入。的燃料输入。与与中中央央发发电电系系统统相相比比，CHPCHP系系统统仍仍然然能能显显著著地地节节约约总总的的能能源源。就就地地使使用用的的CHPCHP也也将将输输配配电电系系统统的的线线损损降降至至零零，而而典典型型的的中中央央发电、输配电送电的线损率一般为发电、输配电送电的线损率一般为4%7%4%7%。 26 七月 20243-5 3-5 热电联产系统的效益分析热电联产系统的效益分析 二、二、CHPCHP的排放的排放 通通过过增增加加能能量量利利用用的的效效率率，CHPCHP极极大大地地降降低低标标准准污污染染物物如如氧氧化化氮氮、二二氧氧

61、化化硫硫，以以及及非非标标准准产产生生温温室室效效应应的的气气体体如如二二氧氧化化碳碳的的排排放放量量。图图3-83-8和和图图3-93-9给给出出了了采采用用不不同同的的发发电电技技术术和和燃燃料料类型时，氧化氮和二氧化碳的排放量对比。类型时，氧化氮和二氧化碳的排放量对比。由由图图可可知知，从从固固体体燃燃料料、液液体体燃燃料料到到天天然然气气，采采用用CHPCHP技技术术时时，氧氧化化氮氮和和二二氧氧化化碳碳的的排排放放量量都都将将下下降降。CHPCHP技技术术也也能能显显著著地地减减少少污污染染物物的的排排放放量量，与与先先进进的的低低污污染染排排放放的的中中央央发发电电技技术术如如气体

62、燃烧复合循环相比具有优越性气体燃烧复合循环相比具有优越性 26 七月 20243-5 3-5 热电联产系统的效益分析热电联产系统的效益分析 图图3-8 CHP3-8 CHP系统和常规发电系统氧化氮排放对比系统和常规发电系统氧化氮排放对比26 七月 20243-5 3-5 热电联产系统的效益分析热电联产系统的效益分析 图图3-9 CHP3-9 CHP系统和常规发电系统二氧化碳排放量比较系统和常规发电系统二氧化碳排放量比较26 七月 20243-5 3-5 热电联产系统的效益分析热电联产系统的效益分析 三、三、辅助效益辅助效益 在在一一个个新新建建的的电电力力系系统统中中，CHP和和其其他他分分布

63、布式式发发电电还还能能为为电电力力系系统统提提供供配配电电方方面面的的支支持持，它它们们也也使使得得能能源源服服务务供供应应商商或或用户具有了一定的为系统提供辅助服务的能力，主要包括：用户具有了一定的为系统提供辅助服务的能力，主要包括：提供电压和频率支持，加强供电的可靠性和提高电能质量提供电压和频率支持，加强供电的可靠性和提高电能质量避免或延缓输配电系统增容的高额投资避免或延缓输配电系统增容的高额投资承担大规模电力系统的风险管理承担大规模电力系统的风险管理 降低线损，提供无功功率控制降低线损，提供无功功率控制 减小停电造成的损失减小停电造成的损失 降低中央发电厂的备用发电容量降低中央发电厂的备

64、用发电容量 缓解了输电系统的容量限制缓解了输电系统的容量限制 26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 一、概述一、概述 从从经经济济效效益益和和环环境境保保护护方方面面考考虑虑，监监测测热热电电联联产产(CHP)发发电电厂是必要的。厂是必要的。发发展展更更为为成成熟熟的的发发电电和和热热能能生生产产技技术术将将十十分分重重要要，而而燃燃料料选选择和能量转换系统在能量生产中具有主要的地位。择和能量转换系统在能量生产中具有主要的地位。热热电电联联产产能能量量优优化化可可通通过过优优化化其其热热动动力力性性能能参参数数和和合合理理的的设设计安排来

65、达到目的。计安排来达到目的。在在技技术术上上，热热电电联联产产可可以以做做到到既既满满足足能能量量供供应应，还还具具有有低低燃燃料消耗、低成本、高生产率和减少污染气体排放等优点。料消耗、低成本、高生产率和减少污染气体排放等优点。本本节节讨讨论论的的热热电电联联产产不不仅仅仅仅指指一一种种特特定定的的技技术术，而而是是多多种种技技术术的的综综合合应应用用，既既可可满满足足制制冷冷或或取取暖暖的的需需求求，也也可可以以为为用用户户提提供供机机械械能能或或电电能能。新新的的热热电电联联产产系系统统还还有有待待于于继继续续发发展展，必将具有很广阔的应用前景。必将具有很广阔的应用前景。26 七月 202

66、43-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 二、性能因数和指标二、性能因数和指标 为为了了达达到到能能量量、经经济济和和环环境境方方面面的的要要求求，热热电电联联产产发发电电厂厂运运行行效效率率应应达达到到最最优优。然然而而，有有时时候候这这些些目目标标是是互互相相矛矛盾盾的的，因因此此监监测测热热电电联联产产系系统统的的性性能能及及运运行行状状态态是是否否处处于于最最优优化化是是非常重要的。非常重要的。1.性能因素性能因素(1)热功比热功比 热热电电联联产产发发电电厂厂主主要要特特性性是是热热和和功功率率之之比比，即即所所利利用用的的热热量量和和总总电电能能之

67、之比比。这这个个比比值值不不是是常常数数，而而是是压压力力和和发发电电厂厂负负荷荷的的函函数数。负负荷荷减减小小时时，热热功功比比增增加加。需需求求越越稳稳定定，应应用用效效果果越越好好。热热需需求求是是随随季季节节变变化化的的，冬冬季季主主要要为为热热力力负负荷荷，夏夏季季为制冷负荷。为制冷负荷。 热热电电联联产产系系统统结结构构如如图图3-10所所示示。热热功功比比的的大大小小直直接接影影响响热热电联产发电厂消耗的燃料量。电联产发电厂消耗的燃料量。 26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 图图3-10 3-10 热电联产系统结构图热电联

68、产系统结构图26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 (2)(2)燃料类型和有效性燃料类型和有效性 理理论论上上，任任何何燃燃料料都都适适合合于于热热电电联联产产系系统统。而而在在实实际际应应用用中中，化化石石燃燃料料，特特别别是是天天然然气气( (既既有有经经济济因因素素，也也有有环环境境因因素素) )，占统治地位。占统治地位。考考虑虑环环境境因因素素，生生物物能能源源和和其其他他形形式式的的可可再再生生能能源源将将有有可可能能取代天然气的位置。取代天然气的位置。例例如如，双双燃燃料料( (天天然然气气/ /燃燃料料油油) )。天天然然气气

69、具具有有比比燃燃料料油油更更低低的的价格，在油料紧张时可以取代燃料油。价格，在油料紧张时可以取代燃料油。 26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 (3)(3)环境的考虑和限制环境的考虑和限制 关关于于污污染染限限制制的的环环境境立立法法随随各各地地而而异异。如如果果立立法法较较严严，燃燃料料的的选选择择和和使使用用会会受受到到环环境境性性负负荷荷限限制制的的影影响响。减减小小常常规规化化石石燃料的消费可以减轻环境的压力。燃料的消费可以减轻环境的压力。废废气气的的排排放放比比率率和和类类型型取取决决于于燃燃料料类类型型。采采用用普普通通方方法

70、法燃燃烧烧化化石石燃燃料料，其其废废气气直直接接向向大大气气排排放放。燃燃烧烧中中排排放放的的二二氧氧化化碳碳和二氧化硫与燃料中的碳和硫所占的含量直接相关。和二氧化硫与燃料中的碳和硫所占的含量直接相关。发发电电站站每每吨吨燃燃料料燃燃烧烧所所产产生生的的氮氮氧氧化化物物大大部部分分由由发发电电厂厂的的设设计计所所决决定定，其其余余由由燃燃料料与与空空气气的的混混合合方方式式及及燃燃烧烧时时所所达达到到的的温温度度来来决决定定。发发电电厂厂的的改改良良会会减减小小燃燃料料消消耗耗，废废气气排排放放量量也也会有相应的减小。会有相应的减小。 26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃

71、料优化热电联产系统的性能和燃料优化 2.2.性能指标性能指标燃料利用率燃料利用率 基基于于热热力力学学第第一一定定律律给给出出的的，是是最最直直接接的的指指标标，仅仅仅仅考考虑虑了了能量的利用数值能量的利用数值加权效率加权效率 由由于于燃燃料料利利用用效效率率同同时时考考虑虑了了热热能能和和功功，通通常常和和加加权权效效率率一一起使用，即对热能的利用引入加权因子起使用，即对热能的利用引入加权因子放射本能效率放射本能效率 随随着着热热电电联联产产发发电电厂厂数数量量不不断断增增加加，生生产产单单位位热热量量所所消消耗耗的的燃燃料料将将逐逐渐渐减减少少，在在自自由由市市场场中中将将导导致致不不同同

72、的的热热功功价价格格比比。因此采用放射本能效率来精确描述燃料能量所产生的热量因此采用放射本能效率来精确描述燃料能量所产生的热量 能源节省率能源节省率在在评评价价或或优优化化热热电电联联产产发发电电厂厂时时，引引入入热热力力学学第第二二定定律律可可得得, ,表征发电厂燃料消耗情况表征发电厂燃料消耗情况26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 3.3.燃料能量节约率燃料能量节约率( (FESRFESR) )FESRFESR是最好的标准，可用于热电联产发电厂的经济评估。是最好的标准，可用于热电联产发电厂的经济评估。图图3-113-11说说明明了了热

73、热电电联联产产发发电电厂厂及及热热电电分分离离生生产产项项目目的的基基本本框框图。图。 图图3-11 3-11 热电联产和分离式电能、热能生产示意图热电联产和分离式电能、热能生产示意图26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 总的燃料消耗可以表达为总的燃料消耗可以表达为 如果热电联产发电厂不能提供所有负荷所需的热能和电力，如果热电联产发电厂不能提供所有负荷所需的热能和电力，则还需要采用热电分离的生产方式。上式中前两项为热电分则还需要采用热电分离的生产方式。上式中前两项为热电分开生产方式为满足负荷需求时所需的燃料消耗量。开生产方式为满足负荷需求

74、时所需的燃料消耗量。CHPCHP发发电电厂厂的的燃燃料料消消耗耗可可以以表表示示为为生生产产的的热热能能与与热热效效率率的的比比值值或生产的电功率与电效率的比值。或生产的电功率与电效率的比值。 通通过过为为CHPCHP发发电电厂厂和和热热电电分分开开生生产产项项目目引引入入热热效效率率和和电电效效率率系系数数，并并且且引引入入CHPCHP发发电电厂厂的的热热功功系系数数和和需需求求侧侧的的热热功功系系数数，则则上式可表示为上式可表示为 26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 如果热电联产发电厂全部提供热量，则有如果热电联产发电厂全部提供热量

75、，则有 如如果果热热电电联联产产发发电电厂厂产产生生的的热热量量与与热热需需求求量量之之比比为为，则则可可以以写为写为总总的的燃燃料料消消耗耗可可以以与与参参考考案案例例进进行行比比较较，要要求求热热量量和和发发电电分分别进行比较。相对燃料消耗系数可以定义为别进行比较。相对燃料消耗系数可以定义为26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 如如果果将将热热电电联联产产项项目目和和参参考考热热电电分分离离生生产产项项目目在在生生产产同同等等热热量量的的条条件件下下比比较较，则则相相对对燃燃料料消消耗耗系系数数可可用用于于评评估估任任何何热热电电联产

76、项目和热电分开生产项目或其组合，即联产项目和热电分开生产项目或其组合，即 因因此此燃燃料料消消耗耗上上的的不不同同反反应应了了热热电电联联产产发发电电厂厂节节约约燃燃料料的的能能力。力。 第第一一项项为为参参考考锅锅炉炉发发电电厂厂所所消消耗耗的的燃燃料料总总和和，在在热热电电联联产产发发电电厂厂，此此燃燃料料可可以以产产生生出出等等额额的的功功率率。第第二二项项为为热热电电联联产产发发电厂所消耗的燃料。比较燃料的不同消耗，则燃料节约为电厂所消耗的燃料。比较燃料的不同消耗，则燃料节约为 26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 由由于于燃燃料

77、料节节约约为为绝绝对对值值，燃燃料料能能量量节节约约率率( (FESRFESR) )定定义义为为热热电电分开发电项目的燃料节约与消耗之比分开发电项目的燃料节约与消耗之比 ， 本例中，热需求与电力需求相等时，即本例中，热需求与电力需求相等时，即 FESRFESR和和之间的关系很简单之间的关系很简单 当燃料节约为当燃料节约为0 0时，可得时，可得考考虑虑分分开开发发电电生生产产的的效效率率为为常常数数，热热电电联联产产发发电电厂厂的的效效率率可可以以这这样样得得到到：在在热热电电联联产产发发电电厂厂的的热热效效率率和和电电效效率率之之间间可可以以做出一条零节约线。做出一条零节约线。26 七月 20

78、243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 三、三、燃料能量优化方法燃料能量优化方法 1.设计优化设计优化 热热电电联联产产发发电电厂厂是是一一个个高高效效的的系系统统，而而不不是是若若干干组组成成部部件件的的简单叠加，这是其重要特点之一。简单叠加，这是其重要特点之一。 要要使使设设计计的的系系统统达达到到最最大大效效率率，最最常常用用的的方方法法是是对对热热力力学学系系统统进进行行放放射射本本能能分分析析，即即分分析析从从给给定定状状态态到到与与周周围围介介质质平平衡衡的过程可做的最大功。的过程可做的最大功。 热热电电联联产产设设备备也也有有经经济济使使用用

79、寿寿命命。在在适适合合的的环环境境下下，热热电电联联产产设设备备的的补补偿偿周周期期可可以以是是35年年，或或更更短短一一些些。相相对对于于燃燃料料价价格格变变动动因因素素，热热电电联联产产发发电电厂厂的的经经济济效效益益对对电电价价变变动动更更为为敏敏感感。因因此此采采取取何何种种经经济济分分析析方方式式进进行行分分析析时时，敏敏感感性性分分析析都应作为可行性研究的一部分。都应作为可行性研究的一部分。 26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 2. 运行优化运行优化 系统运行和停止的时间可以由运行计划简单的加以控制。系统运行和停止的时间可以

80、由运行计划简单的加以控制。多多数数情情况况下下热热电电联联产产发发电电厂厂采采用用一一种种以以上上的的燃燃料料，运运行行时时可可选择最便宜的燃料。选择最便宜的燃料。选选择择燃燃料料的的关关键键因因素素取取决决于于所所提提供供的的鼓鼓励励政政策策及及燃燃料料的的质质量量。有些国家鼓励使用更好的燃料，例如天然气、沼气等。有些国家鼓励使用更好的燃料，例如天然气、沼气等。质质量量低低的的燃燃料料有有时时价价格格较较为为便便宜宜(随随国国家家不不同同而而异异)，但但是是处处理理和和燃燃烧烧质质量量差差的的燃燃料料，以以及及遵遵守守环环境境保保护护法法规规时时，需需承承担担一一些些额额外外的的成成本本。优

81、优质质燃燃料料通通常常会会更更贵贵一一些些，而而且且是是基基于于化化石石燃料的。选择何种燃料会影响原动机的类型。燃料的。选择何种燃料会影响原动机的类型。 26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 3. 环境优化环境优化 优化发电厂的效率在很多年前就已经被认识到。煤、油气等优化发电厂的效率在很多年前就已经被认识到。煤、油气等燃料费用始终是燃烧发电厂运行总成本的一个主要部分。减燃料费用始终是燃烧发电厂运行总成本的一个主要部分。减少燃料消耗对于发电公司降低成本发电，提高市场竞争力是少燃料消耗对于发电公司降低成本发电，提高市场竞争力是非常重要的。非常

82、重要的。在目前的发电厂中，对于热效率的优化还有小的改进余地。在目前的发电厂中，对于热效率的优化还有小的改进余地。例如，如果将热效率从例如，如果将热效率从37.0%37.0%提高到提高到37.1%37.1%，对于容量为，对于容量为2000MW2000MW的发电厂而言，一年可以减少燃料消耗的发电厂而言，一年可以减少燃料消耗14500t14500t，相当，相当于每年减少上百万美元的支出。于每年减少上百万美元的支出。根据发电厂的不同设计，能量效率在不同运行阶段是不同的。根据发电厂的不同设计，能量效率在不同运行阶段是不同的。对现有的发电厂设计上进行改进，能使系统效率更高，而在对现有的发电厂设计上进行改进

83、，能使系统效率更高，而在系统维护和成本效益方面也会有很大的好处。系统维护和成本效益方面也会有很大的好处。26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 四、热电联产中先进的燃烧技术和循环技术四、热电联产中先进的燃烧技术和循环技术 1.燃烧技术燃烧技术 目前有很多采用燃烧技术来生产电能和热能的方法，如以蒸目前有很多采用燃烧技术来生产电能和热能的方法，如以蒸汽和热水的方式生产热能、以兰金蒸汽循环的方式生产电能、汽和热水的方式生产热能、以兰金蒸汽循环的方式生产电能、以热电联产的方式同时生产电能和热能等。以热电联产的方式同时生产电能和热能等。此处分析的先进

84、的热能和电能生产主要考虑两个方面的目标：此处分析的先进的热能和电能生产主要考虑两个方面的目标：改善生产过程中转换效率改善生产过程中转换效率减少排放的废气，同时保持系统的高效性和较低的运行费用减少排放的废气，同时保持系统的高效性和较低的运行费用26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 (1)(1)燃料喷射燃烧燃料喷射燃烧 燃燃料料喷喷射射燃燃烧烧是是将将煤煤研研磨磨成成精精细细的的颗颗粒粒与与空空气气混混合合喷喷入入燃燃烧烧室室的的底底部部进进行行燃燃烧烧，燃燃料料颗颗粒粒在在悬悬浮浮的的状状态态下下燃燃烧烧并并释释放放出出热能。热能。大大多多

85、数数燃燃料料喷喷射射燃燃烧烧用用于于发发电电厂厂，煤煤燃燃烧烧产产生生的的热热能能传传送送到到燃燃烧烧室室墙墙壁壁中中铺铺设设的的管管道道内内的的水水中中，从从而而产产生生高高温温、高高压压的的蒸汽，并将它们送到汽轮机蒸汽，并将它们送到汽轮机- -发动机组生产电能。发动机组生产电能。现现代代实实际际应应用用中中处处于于接接近近临临界界状状态态的的发发电电厂厂，汽汽轮轮机机- -发发电电机机组组运运行行的的蒸蒸汽汽压压力力约约为为180Pa180Pa，温温度度约约为为570570，发发电电效效率率可可达达39%39%；而而精精密密设设计计的的过过临临界界状状态态的的发发电电机机组组其其蒸蒸汽汽压

86、压力力可可达达约约240Pa240Pa，发发电电效效率率可可达达44%44%。目目前前最最先先进进的的发发电电厂厂为为超超临临界界状状态态发发电电厂厂，设设计计的的蒸蒸汽汽压压力力可可达达275Pa275Pa，温温度度可可达达590590，其发电效率将达到其发电效率将达到47%47%。 26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 (2)(2)大气流化床燃烧大气流化床燃烧 大大气气流流化化床床燃燃烧烧采采用用连连续续的的气气流流在在惰惰性性材材料料和和粗粗糙糙的的燃燃料料灰灰尘尘颗颗粒粒组组成成的的混混合合“床床”上上产产生生湍湍流流，气气流流的

87、的速速度度保保证证了了颗颗粒保持悬浮状态并可自由运动。粒保持悬浮状态并可自由运动。在在沸沸腾腾式式大大气气流流化化床床燃燃烧烧中中，床床保保持持规规定定的的表表面面尺尺寸寸大大小小，在在燃燃料料的的流流动动过过程程中中，高高速速气气流流在在燃燃烧烧室室中中建建立立了了汹汹涌涌的的固固体体尘尘雾雾。燃燃料料尘尘雾雾较较轻轻的的部部分分从从燃燃烧烧室室顶顶部部飞飞出出，进进入入烟烟道道，但但这这部部分分燃燃料料被被吸吸尘尘器器捕捕获获，并并再再送送回回流流化化床床。当当燃燃料料加加入入到到热热的的流流化化床床时时，恒恒定定的的混混合合比比例例加加快快了了热热能能的的转转换换以以及及完完全燃烧。全燃

88、烧。产产生生的的热热能能可可通通过过床床内内的的热热交交换换器器或或其其他他的的锅锅炉炉设设备备收收回回，并并用用来来产产生生蒸蒸汽汽供供工工业业或或发发电电厂厂使使用用。较较低低的的燃燃烧烧温温度度限限制制了了氧氧化化氮氮的的排排放放，但但从从烟烟道道的的气气体体中中除除去去二二氧氧化化硫硫必必须须增增加加钙吸附剂。钙吸附剂。 26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 (3)(3)加压流化床燃烧加压流化床燃烧加加压压流流化化床床燃燃烧烧在在燃燃烧烧室室的的大大压压力力管管道道中中进进行行，连连续续的的加加压压燃燃烧烧空空气气气气流流通通过过

89、燃燃烧烧室室，在在惰惰性性颗颗粒粒和和浮浮尘尘组组成成的的床床中中建建立立湍湍流流，煤煤与与钙钙吸吸附附剂剂如如石石灰灰或或白白云云石石送送进进流流化化床床中中燃燃烧烧。系统运行的压力为系统运行的压力为1216Pa1216Pa。在在复复合合循循环环电电力力生生产产中中，常常规规的的蒸蒸汽汽涡涡轮轮机机- -发发电电机机组组可可得得到到80%80%的的发发电电效效率率，所所需需的的蒸蒸汽汽通通过过埋埋入入流流化化床床中中的的集集束束管管道道产产生生，同同时时燃燃烧烧室室的的低低压压排排出出热热气气通通过过除除尘尘，在在燃燃气气涡涡轮轮发发动动机中膨胀产生额外的电能。机中膨胀产生额外的电能。更更多

90、多的的热热能能可可通通过过涡涡轮轮发发动动机机的的排排气气收收回回，整整个个系系统统的的热热效效率率可可达达44%44%，而而对对环环境境的的影影响响较较低低。加加压压流流化化床床的的两两个个参参数数与与空空气气通通过过流流化化床床的的速速度度有有关关，一一个个为为流流化化床床的的沸沸腾腾( (低低速速) )，另另一一个个为为流流化化床床的的循循环环( (高高速速) )。目目前前采采用用的的所所有有的的加加压压流流化化床燃烧系统均为前一种形式。床燃烧系统均为前一种形式。26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 (4)(4)加压燃料喷射燃烧加压

91、燃料喷射燃烧 加加压压燃燃料料喷喷射射燃燃烧烧的的温温度度为为1600170016001700，最最小小压压力力为为16Pa16Pa。与与常常规规的的燃燃料料喷喷射射燃燃烧烧方方式式一一样样，加加压压燃燃料料喷喷射射燃燃烧烧生生产产的的热热能能产产生生高高压压、高高温温的的蒸蒸汽汽驱驱动动蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机- -发发电电机机组组发发电电 。高高温温高高压压的的燃燃烧烧保保证证了了所所有有的的燃燃料料灰灰尘尘转转换换成成液液体体或或蒸蒸汽汽状状态态，压压力力容容器器采采用用陶陶瓷瓷耐耐火火材材料料衬衬里里，以以免免受受到到高高温温、熔熔化化的的燃燃烧烧灰灰尘尘的的侵侵蚀蚀，并并设设计计

92、了了衬衬里里冷冷却却系系统统，使使得得燃燃烧烧的的灰灰尘尘凝凝固固在在耐耐火火材材料料的的表表面面，形形成成一一层层薄薄的的保保护护层层。来来自自燃燃气气涡涡轮轮压压缩缩机机的的加加压压的的燃燃烧烧空空气气与与通通过过闭闭锁锁系系统统加加入入的的干干燥燥煤煤粉粉送送入入到到锅锅炉炉中中，大大约约40%40%的的液液体体灰灰尘尘旋旋转转到到燃燃烧烧室室的的墙墙壁壁上上，并并从从燃燃烧烧室室的的墙墙壁壁上上流流下下来来，滴滴入入到到一一个个水水槽槽中中成成为为颗颗粒粒状状，然后通过闭锁系统从压力锅炉中取出。然后通过闭锁系统从压力锅炉中取出。 26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和

93、燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 2.2.复合循环复合循环 在在复复合合循循环环发发电电厂厂中中，利利用用基基本本发发电电设设备备( (通通常常为为燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机) )产产生生的的剩剩余余热热能能生生产产蒸蒸汽汽来来驱驱动动蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机，燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机输输入入温温度度的的升升高高和和双双重重循循环环转转换换将将比比单单循循环环的的蒸蒸汽汽涡涡轮轮发发动动机机的的理理论论效效率率更更高高，实实际际上上复复合合循循环环的的效效率率可可超超过过50%50%。 复复合合循循环环中中，燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机排排出出的的热热能能用用于于生生产产蒸蒸汽汽

94、，如如果果需需要要，还还可可加加入入另另外外的的燃燃料料生生产产更更多多的的蒸蒸汽汽。图图3-123-12为为复复合循环系统原理图。合循环系统原理图。在在复复合合循循环环中中，两两个个循循环环相相互互连连接接，首首先先是是布布雷雷顿顿循循环环，然然后后为为兰兰金金循循环环。两两种种循循环环采采用用不不同同的的循循环环媒媒体体，并并且且流流量量也也不不同同。通通过过采采用用底底层层有有机机物物质质的的兰兰金金循循环环，可可进进一一步步提提高高系系统统的的效效率率，在在此此循循环环中中，做做功功的的媒媒体体不不再再采采用用蒸蒸汽汽，而而是是采采用如氟利昂这样的有机物质。用如氟利昂这样的有机物质。 26 七月 20243-6 3-6 热电联产系统的性能和燃料优化热电联产系统的性能和燃料优化 图图3-12 3-12 复合循环系统原理图复合循环系统原理图26 七月 2024