分布式發(fā)電中燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)及優(yōu)化

分布式發(fā)電中燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)及優(yōu)化熱動(dòng)08-02班吳思知200823060215【摘要】分布式能源系統(tǒng)或分布式供電是相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式供電方式而言的，它將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模、分散式的方式布置在用戶(hù)附近。對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)，要解決的最關(guān)鍵問(wèn)題就是盡可能滿(mǎn)足用戶(hù)在不同時(shí)段對(duì)熱電的需求變化，也就是要合理解決聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱電產(chǎn)出比和用戶(hù)對(duì)熱電的需求比之間的矛盾，以使聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)達(dá)到最佳的一次能源利用效率?！娟P(guān)鍵詞】分布式能源系統(tǒng)；燃?xì)廨啓C(jī)；熱電聯(lián)產(chǎn)；優(yōu)化分布式能源系統(tǒng)1.1分布式能源系統(tǒng)簡(jiǎn)介以燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、余熱鍋爐等設(shè)備構(gòu)成的小型全能量系統(tǒng)，也稱(chēng)第二代能源系統(tǒng)或分布式能源系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)CHP或CCHP）。分布式能源系統(tǒng)是相對(duì)傳統(tǒng)的集中式能源系統(tǒng)而言的，它將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模、分散式的方式布置在用戶(hù)附近，可以獨(dú)立地輸出電、熱或冷能的系統(tǒng)，同時(shí)它又可以與大電網(wǎng)相連接，在電力不夠時(shí)從網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)電，而在電力多余時(shí)向大電網(wǎng)出售電。分布式能源是世界能源工業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)，是人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分。1.2分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)劣勢(shì)分析由于大電廠加大電網(wǎng)將會(huì)長(zhǎng)期存在，因此有必要將其與分布式能源系統(tǒng)作一比較；而對(duì)分布式能源系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)的分析，可以幫助我們更好地理解集中與分散式能源系統(tǒng)各自的優(yōu)劣勢(shì)和適用范圍。1.2.1分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)分布式能源系統(tǒng)的最主要的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用在冷熱電聯(lián)產(chǎn)中，熱電聯(lián)產(chǎn)效率是最高的，可達(dá)60%?80%。分布式能源系統(tǒng)按需就近設(shè)置，可以盡可能與用戶(hù)配合好，沒(méi)有遠(yuǎn)距離輸送冷、熱能的問(wèn)題，且負(fù)荷的適應(yīng)性很強(qiáng)。沒(méi)有或很低輸配電損耗;無(wú)須建設(shè)配電站,可避免或延緩增加的輸配電成本；適合多種熱電比的變化，系統(tǒng)可根據(jù)熱或電的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)從而增加年設(shè)備利用小時(shí)；土建和安裝成本低；各電站相互獨(dú)立，用戶(hù)可自行控制，不會(huì)發(fā)生大規(guī)模供電事故，供電的可靠性高；可進(jìn)行遙控和監(jiān)測(cè)區(qū)域電力質(zhì)量和性能；非常適合對(duì)鄉(xiāng)村、牧區(qū)、山區(qū)、發(fā)展中區(qū)域及商業(yè)區(qū)和居民區(qū)提供電力；大量減少了環(huán)保壓力。為了保證使用單位的各種二次能源能夠充分供應(yīng)，分布式能源系統(tǒng)還可以讓使用單位本身有較大的調(diào)節(jié)、控制與保證能力。這也是一個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)。1.2.2分布式能源系統(tǒng)的缺點(diǎn)分布式能源系統(tǒng)的主要不足在于，由于它是分散供能，單機(jī)功率很小，比起大電廠單機(jī)功率有百萬(wàn)千瓦以上、單廠功率近千萬(wàn)千瓦而言，發(fā)電效率顯然比不上后者?，F(xiàn)有動(dòng)力設(shè)備都是機(jī)組越大，效率越高。400Mkw以燃?xì)廨啓C(jī)為主的聯(lián)合循環(huán)裝置效率比400Mkw回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)的效率要高一倍?！奥槿鸽m小，五臟俱全”因此大機(jī)組單位功率的售價(jià)相比小機(jī)組要低得多，相差近幾倍。大機(jī)組集中在一起，有專(zhuān)門(mén)高級(jí)技工運(yùn)行維護(hù)，安全性、工作壽命都應(yīng)該更有保證。所以，要對(duì)純發(fā)電成本和單位功率初投資作比較，分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)費(fèi)投入肯定要大大高于現(xiàn)在的大電力系統(tǒng)。另外，分布式能源系統(tǒng)對(duì)當(dāng)?shù)厥褂脝挝坏募夹g(shù)要求要比簡(jiǎn)單使用大電網(wǎng)供電來(lái)得高，要有相應(yīng)的技術(shù)人員與適合的文化環(huán)境。燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的工作原理熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)按照功能可以分成兩個(gè)子系統(tǒng)：動(dòng)力系統(tǒng)（發(fā)電）和供熱系統(tǒng)（供暖、熱水、通風(fēng)等）。動(dòng)力系統(tǒng)處于聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的頂端，通常根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)確定聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)所采用的技術(shù)。聯(lián)供技術(shù)的采用取決于許多因素，包括：電負(fù)荷大小，負(fù)荷的變化情況、空間的要求、熱需求的種類(lèi)及數(shù)量、對(duì)排放的要求、采用的燃料、經(jīng)濟(jì)性和并網(wǎng)情況等。以燃?xì)廨啓C(jī)為原動(dòng)機(jī)的分布式聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的主要原動(dòng)機(jī)又可以分為兩類(lèi)：小型燃?xì)廨啓C(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)。2.1燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)單純的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組效率不高的主要原因就是透平排氣溫度較高，將大量的余熱無(wú)償?shù)嘏欧诺搅舜髿庵小榱私鉀Q這個(gè)問(wèn)題，目前常見(jiàn)的有三種解決辦法。第一種是采用燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)，也就是前面介紹的微型燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)，讓透平的排氣先預(yù)熱從壓氣機(jī)出來(lái)的高壓氣體，使之在一定初溫的基礎(chǔ)上再進(jìn)入

燃燒室中與燃料一起燃燒，這樣可以在一定程度上提高燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量，但是所提高的幅度很有限，仍會(huì)有相當(dāng)一部分余熱被無(wú)償?shù)蒯尫诺搅舜髿庵小５诙N辦法就是我們常說(shuō)的燃?xì)庖徽羝?lián)合循環(huán)，這是一種將燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)與蒸汽輪機(jī)循環(huán)以一定的方式組合成為一個(gè)整體的熱力循環(huán)，簡(jiǎn)稱(chēng)為“聯(lián)合循環(huán)”但是這種循環(huán)通常都用在容量較大的系統(tǒng)中，故在分布式熱電聯(lián)產(chǎn)這種規(guī)模較小的系統(tǒng)中應(yīng)用很少。第三種辦法是將燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐一起組成分布式燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，用余熱鍋爐來(lái)回收燃?xì)廨啓C(jī)排氣中的余熱。這種辦法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。一個(gè)最基本的分布式燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)包括一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)（壓氣機(jī)、燃燒室、透平）和一臺(tái)余熱鍋爐，燃料被送進(jìn)燃燒室與來(lái)自壓氣機(jī)的壓縮氣體混合燃燒，系統(tǒng)最終產(chǎn)出的熱能的質(zhì)與量取決于進(jìn)入余熱鍋爐的燃機(jī)余熱的溫度。如果用戶(hù)需要，也可以將若干個(gè)子系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行。2.2燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的工作原理實(shí)現(xiàn)熱、電兩種能量生產(chǎn)必須具備的條件是：（1）有熱用戶(hù)，而且要保證熱用戶(hù)所需要的參數(shù)（壓力和溫度）和流量；（2）在供熱的同時(shí)還要保證必須數(shù)量的電能。熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP,CombinedHeatandPower）是一種建立在能的梯級(jí)利用概念基礎(chǔ)上，將供熱（采暖和供熱水）及發(fā)電過(guò)程一體化的多聯(lián)產(chǎn)總能系統(tǒng)，目的在于提高能源利用效率，減少碳化物及有害氣體的排放。市電網(wǎng)驢字一燃?xì)廨啓C(jī)市電網(wǎng)驢字一燃?xì)廨啓C(jī)?發(fā)電機(jī)■用戶(hù)負(fù)載余熱錨爐——姦汽

渙熱器■■熱水圖一燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組示意圖圖一為燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組示意圖。天然氣在微型燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠谌紮C(jī)內(nèi)做功，一部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏碾娔?，排出廢熱通過(guò)余熱鍋爐，余熱鍋爐可能帶有補(bǔ)燃裝置，燃機(jī)排氣余熱和補(bǔ)燃帶人鍋爐的熱量共同與爐水換熱后產(chǎn)生蒸汽或熱水?？梢钥闯?，整個(gè)系統(tǒng)由燃燒室輸入的燃料作為輸入,同時(shí)產(chǎn)出電能和熱能，其中電能由燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組提供，熱量由余熱鍋爐提供。(a)簡(jiǎn)單循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意圖 (b)回?zé)嵫h(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意圖如圖二所示為目前常見(jiàn)的兩種燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程圖。圖(a)為小型燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)循環(huán)示意圖。若不考慮制冷環(huán)節(jié)，一個(gè)最簡(jiǎn)單地燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)由一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)和一臺(tái)余熱鍋爐組成，稱(chēng)之為燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。圖(b)為微型燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)循環(huán)示意圖。對(duì)于圖(a),透平排氣被直接送到余熱鍋爐進(jìn)行余熱的利用，最后產(chǎn)生蒸汽或熱水以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)熱能的需求。對(duì)于圖(b)，由于透平排氣首先經(jīng)過(guò)回?zé)崞饕约訜釓膲簹鈾C(jī)出來(lái)的壓縮氣體，所以，等于是從回?zé)崞鞒鰜?lái)的微型燃?xì)廨啓C(jī)排氣經(jīng)過(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽或熱水來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)熱能的需求。此時(shí)，進(jìn)入余熱鍋爐的排氣溫度將會(huì)有一定程度的降低，如果不考慮余熱鍋爐補(bǔ)燃，那么，在相同燃料輸入的情況下，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量將會(huì)有一定程度的降低。于此同時(shí)，由于進(jìn)入燃燒室的壓縮空氣得到了預(yù)熱，因此，燃燒初溫升高，最終使得燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組也即熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)電效率有所提高。分布式發(fā)電中燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)及優(yōu)化3.1分布式發(fā)電中燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的兩種運(yùn)行方式分布式燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)包括兩種形式能量的產(chǎn)品：電能和熱能，其中熱能通常是以蒸汽和熱水的形式存在。電能和熱能的比率關(guān)系隨具體情況的不同而不同。對(duì)于一個(gè)特定的分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，可以?xún)?yōu)先考慮電能的產(chǎn)出也可以?xún)?yōu)先考慮熱能的產(chǎn)出，即兩種形式能量的輸出存在著一個(gè)優(yōu)先產(chǎn)出次序的問(wèn)題。這樣，就引出了分布式燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的兩種常見(jiàn)的運(yùn)行方式。通常，分布式燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)有兩種運(yùn)行方式：“以電定熱”運(yùn)行方式和“以熱定電〃運(yùn)行方式。對(duì)于“以電定熱”運(yùn)行方式，應(yīng)該優(yōu)先滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)電能的需求，即保證電能按照需求量足量產(chǎn)出，此時(shí)，熱能作為附屬產(chǎn)品產(chǎn)出，其產(chǎn)出量可能不足也可能盈余，如果熱量不足（補(bǔ)充熱），將由余熱鍋爐補(bǔ)燃來(lái)解決；而對(duì)于“以熱定電〃運(yùn)行方式，應(yīng)該優(yōu)先滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)熱能的需求，即保證熱能按照需求量足量產(chǎn)出，此時(shí)，電能作為附屬產(chǎn)品產(chǎn)出，其產(chǎn)出量可能不足也可能盈余，如果電量不足（補(bǔ)充電），將由電網(wǎng)補(bǔ)給。3.2分布式熱電聯(lián)產(chǎn)的節(jié)能機(jī)理分布式熱電聯(lián)產(chǎn)的節(jié)能機(jī)理有兩個(gè)方面：一方面是熱電聯(lián)產(chǎn)，發(fā)電部分的固有的熱力學(xué)冷源損失用作供熱了，從而節(jié)約了燃料，稱(chēng)“聯(lián)產(chǎn)節(jié)能”；另一方面是熱電聯(lián)產(chǎn)的鍋爐熱效率比分散供熱小鍋爐要高，因?yàn)樗窃谌細(xì)廨啓C(jī)排氣有一定初溫的基礎(chǔ)上進(jìn)行燃燒的，從而節(jié)約了燃料，稱(chēng)“集中節(jié)能”。顯然比較的條件是熱電聯(lián)產(chǎn)與分產(chǎn)供應(yīng)相同的熱量和電量，看哪個(gè)節(jié)約了燃料。從而引出了“燃料節(jié)約量〃的概念。燃料的節(jié)約量是指在發(fā)相等的電能和供相等的熱量條件下，用聯(lián)產(chǎn)比用分產(chǎn)的不同方式而節(jié)約的燃料量。節(jié)約了燃料實(shí)質(zhì)上就是提高了能源利用效率。3.3優(yōu)化方案對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化是建立在兩種運(yùn)行方式中附屬產(chǎn)品過(guò)?；A(chǔ)上的?？梢詫⒊鎏囟〞r(shí)刻需求的過(guò)剩能量存儲(chǔ)起來(lái)，需要時(shí)再加以利用以避免浪費(fèi)。為此可以在聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中增設(shè)蓄能環(huán)節(jié)。增設(shè)蓄能環(huán)節(jié)在一定程度上提高了系統(tǒng)運(yùn)行的效率和安全穩(wěn)定性，還可提高系統(tǒng)的供熱能力。最為重要的是，蓄能可在能量的供應(yīng)和需求之間構(gòu)成一個(gè)緩沖系統(tǒng)，有效緩解二者不匹配帶來(lái)的沖突。對(duì)于“以熱定電〃運(yùn)行方式，可以利用蓄電設(shè)備來(lái)存儲(chǔ)多于電量，如將燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和蓄電池組并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)電量有盈余時(shí),用蓄電池組存儲(chǔ)盈余電量,這樣在電量不足時(shí)便可直接由蓄電池組放電來(lái)滿(mǎn)足部分電負(fù)荷需求。在“以電定熱”運(yùn)行方式下，可以在熱量有盈余時(shí)利用蓄熱裝置來(lái)蓄熱。當(dāng)電力負(fù)荷低谷來(lái)

臨時(shí)，可以不用起動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)，直接釋放蓄熱器中的熱量來(lái)向用戶(hù)供熱?？紤]全年負(fù)荷變化時(shí)，在有蓄能的情況下系統(tǒng)節(jié)能率可達(dá)到38.0%，相當(dāng)可觀。此外，對(duì)于“以電定熱”運(yùn)行方式，可在余熱鍋爐之后，再配備一臺(tái)小型燃?xì)忮仩t。在電力負(fù)荷低谷期，可以不發(fā)電或者少發(fā)電，起動(dòng)燃?xì)忮仩t來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的熱需求。這種方法特別適用于應(yīng)對(duì)冬季的供熱高峰，在冬季供熱高峰時(shí)段，可以通過(guò)大量的余熱鍋爐補(bǔ)燃來(lái)解決熱量的供需不平衡問(wèn)題，但實(shí)踐證明，當(dāng)余熱鍋爐補(bǔ)燃量達(dá)到一定程度時(shí)，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的效率反而會(huì)降低。因此，在這時(shí)就可以起動(dòng)燃?xì)忮仩t作為調(diào)峰鍋爐使用。兩種運(yùn)行方式的優(yōu)化方案示見(jiàn)圖三。圖三優(yōu)化后熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)兩種運(yùn)行方式構(gòu)成(a)“以電定熱” (b)“以熱定電”圖(a)為“以電定熱”運(yùn)行方式的優(yōu)化方案，同時(shí)增設(shè)小型燃?xì)忮仩t和蓄熱器兩種設(shè)備，其中燃?xì)忮仩t主要是為了應(yīng)對(duì)冬季的供熱高峰；圖(b)為“以熱定電”運(yùn)行方式的優(yōu)化方案，增設(shè)了蓄電池組。3.4分布式燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行方式建議作為分布式能源系統(tǒng)中的主要?jiǎng)恿υO(shè)備，燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)揮著重要作用。考慮到天然氣產(chǎn)電污染很小卻又代價(jià)很高，因此，一旦投入運(yùn)行，就應(yīng)該優(yōu)先消耗其熱電產(chǎn)出。這樣就減少了增設(shè)蓄能環(huán)節(jié)的復(fù)雜性，使得系統(tǒng)更便于調(diào)配。因此，在分布式能源系統(tǒng)中，建議燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)采用“以熱定電〃的運(yùn)行方式，這樣不但避免了“以電定熱〃運(yùn)行方式中多余熱量的存儲(chǔ)問(wèn)題(否則就得浪費(fèi)掉)，而且電能的按量產(chǎn)出也有其它分布式電源做后備支持。結(jié)語(yǔ)對(duì)于分布式燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，從運(yùn)行策略的角度對(duì)“以電定熱〃和“以熱定電〃兩種熱電聯(lián)產(chǎn)的運(yùn)行方式分別給出了相應(yīng)的優(yōu)化方案，以達(dá)到系統(tǒng)一次能源利用效率最高的目的。文中給出的優(yōu)化方案主要是為了解決分布式能源系統(tǒng)中的燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)在運(yùn)行中機(jī)組額定熱電比和用戶(hù)對(duì)熱電的需求比之間的矛盾這一問(wèn)題，最終燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是要作為能量管理系統(tǒng)的一部分參與運(yùn)行調(diào)度的。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的“以電定熱”和“以熱定電”這兩種方式，我們應(yīng)該根據(jù)用戶(hù)不同的熱電需求比靈活地選擇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行方式，以使系統(tǒng)總熱效率最高，同時(shí)也可避免過(guò)剩能量的浪費(fèi)。在熱電需求比小于和高于額定熱電比時(shí)宜分別采用“以熱定電”和“以電定熱”的運(yùn)行方式。無(wú)論是哪種運(yùn)行方式，都存在著附屬產(chǎn)品可能過(guò)剩的問(wèn)題，過(guò)剩的附屬產(chǎn)品不但會(huì)造成很大的浪費(fèi)，而且還可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，因此必須妥善予以解決。對(duì)于“以熱定電”運(yùn)行方式，應(yīng)增設(shè)蓄電池組來(lái)存儲(chǔ)多于電量；對(duì)于“以電定熱”運(yùn)行方式，應(yīng)同時(shí)增設(shè)蓄熱器和小型燃?xì)忮仩t兩種設(shè)備，利用蓄熱器存儲(chǔ)多余熱量，利用小型燃?xì)忮仩t作為調(diào)峰鍋爐來(lái)應(yīng)對(duì)供熱高峰。參考文獻(xiàn)王振銘.中國(guó)熱電聯(lián)產(chǎn)與分布式