（动力机械及工程专业论文）200kw燃气轮机分布式供能系统方案研究.pdf

嘞 r e s e a r c ho ft h ed i s t r i b u t e de n e r g ys u p p l ys y s t e mw i t h 2 0 0 k wg a st u r b i n e at h e s i ss u b m i t t e dt o d a f i a nm a r i t i m e u n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y t a o ( p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h o n gj i n g j u n m a y 2 0 1 1 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文：2 q q 垒盟缝氲整担坌查式垡篚丕统友塞婴究：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：萄盏 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文 全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出 版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于： 保密口在年解密后适用本授权书。 不保密d ( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签冬：硇渤 导师签名： 日期：沙f ，年月港日 中文摘要 摘要 在能源供应日益紧张的今天，各工业发达国家都在积极建设第二代能源系 统，并通过政策鼓励相关设备的开发，力争以最快速度进入分布式能源时代。微 燃机、燃料电池、燃气内燃机、燃气外燃机、各种循环流化床锅炉等先进设备的 陆续投产与应用，以及小型燃气轮机等传统设备的不断改进和热电联产化，为第 二代能源体系的建立奠定了坚实的基础。相比其他动力装置，微型燃气轮机具有 重量轻、污染小、噪声低、寿命长和运行成本低等优点，因此以微型燃气轮机为 核心的分布式供能系统在实际应用中更具竞争力。 本文是以大连海事大学机电楼为研究对象，对其进行分布式供能系统改造及 方案设计的研究。首先，通过在工程初期设计中常用的指标法对其冷热电负荷进 行计算，得到其电负荷为3 8 7 3 1 k w ，冷负荷为5 7 4 9 6 k w ，暖负荷为4 3 4 k w 。然 后根据计算得出的冷热电负荷，进行分布式供能系统的方案设计及设备选型。设 计的分布式供能方案分别以燃气轮机和内燃机为动力设备，设计出燃气轮机- 烟 气型吸收式冷热水机分布式供能系统、燃气轮机一蒸汽型吸收式冷热水机分布式 供能系统、内燃机烟气型吸收式冷热水机分布式供能系统和内燃机一蒸汽型吸 收式冷热水机分布式供能系统共四套方案。接着，对比四套方案经济性、一次能 源利用率并考虑燃料价格的影响等因素，以微型燃气轮机为动力装备的烟气型分 布式供能系统相比其他三种方案的更有优势。 最后，通过建立微型燃气轮机模型，对系统不同工况下的运行状态进行分析， 并得出分布式供能系统各工况下的运行规律。 关键词：分布式供能系统；方案设计；微型燃气轮机 英文摘要 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ee n e r g yr e s o u l c 宅i si ns h o r ts u p p l y as e c o n dg e n e r a t i o no fe n e r g y s y s t e m si sb u i l ti na l lt h ei n d u s t r yd e v e l o p e dc o u n t r i e s t h e ya r es t r i v i n gw i t ht h e f a s t e s ts p e e di n t oad i s t r i b u t e de n e r g ya g e t h em i c r og a st u r b i n e ，f u e lc e l l s ，g a s e n g i n e s ，a l lk i n d so fc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r se r ea r ec o n t i n u o u s l yp u ti n t o p r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o n o t h e rt r a d i t i o n a le q u i p m e n t sa r ec o n t i n u o u s l yi m p r o v e d a n dc h a n g e di n t oc o g e n e r a t i o n 。t h e s es o l i df o u n d a t i o n sa r el a i df o rt h ee s t a b l i s h m e n t o ft h es e c o n dg e n e r a t i o ns y s t e m s m i c r og a st u r b i n ei sl i g h t ，d u r a b l e ，l o wp o l l u t i n g ， n o i s ea n dc o s to fo p e r a t i n g t h e r e f o r e ，m i c r og a st u r b i n ee m p l o y e di nt h ed i s t r i b u t e d e n e r g ys u p p l ys y s t e mi sm u c hm o r ec o m p e t i t i v et h a no t h e rp o w e re q u i p m e n t s i nt h i sp a p e r , t h ed i s t r i b u t e de n e r g ys u p p l ys y s t e mo ft h em e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a lb u i l d i n gi nd a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t yw a st r a n s f o r m e da n dt h ep r o j e c t d e s i g nw a ss t u d i e d f i r s t l y , t h ei n d e xm e t h o dc o m m o n l yu s e di nt h ee a r l ya g eo ft h e e n g i n e e r i n gd e s i g nw a se m p l o y e dt oc a l c u l a t ei t sc o o l i n gh e a t i n ga n dp o w e rl o a d t h e d a t aa r ea sf o l l o w s ：t h ep o w e rl o a di s3 8 7 31 k w , t h ec o o l i n gl o a di s5 7 4 9 6 k wa n d t h eh e a t i n gl o a di s4 3 4 k w s e c o n d l y , b a s e do nt h ec a l c u l a t e dc o o l i n gh e a t i n ga n d p o w e rl o a d ，t h ep r o j e c tw a sd e s i g n e da n dt h ee q u i p m e n tw a ss e l e c t e d t h eg a st u r b i n e a n dt h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ew e r ee m p l o y e da st h ep o w e rr e s p e c t i v e l y t h eg a s t u r b i n e e x h a u s tg a sb a s e d ，t h eg a st u r b i n e s t e a mb a s e d ，t h ei n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e - - e x h a u s tg a sb a s e da n dt h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e - - s t e a mb a s e da b s o r p t i o n d i s t r i b u t e de n e r g ys u p p l ys y s t e m sw e r er e s p e c t i v e l yd e s i g n e d i nt o t a l ，t h e r ew e r e4 p r o j e c t s t h i r d l y , t h ee c o n o m y , p r i m a r ye n e r g yr a t i oa n da f f e c t e db yf u e lp r i c e se t ci n t h e4p r o j e c t sa r ec o m p a r e d f i n a l l y , c o m p a r i n g 而t 1 1t h et h r e ep r o j e c t s ，t h em i c r og a s t u r b i n e e x h a u s tg a sb a s e ds y s t e mi ss u p e r i o r e v e n t u a l l y , t h em i c r og a st u r b i n em o d e lw a se s t a b l i s h e d t h eo p e r a t i o nl a wi n d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sc a nb eo b t a i n e db ya n a l y z i n gt h es t a t e so ft h es y s t e m k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e de n e r g ys u p p l ys y s t e m ；p r o j e c td e s i g n ；m i c r og a s i 、l r h i n e 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 课题意义1 1 2 分布式供能系统特点一2 1 3 国内外现状一4 1 3 1 国外的发展情况一4 1 3 2 国内的发展概况7 1 4 研究内容9 第2 章机电楼冷热电负荷。1 0 2 1 项目背景1o 2 2 大连地区气候条件简介1 1 2 3 机电楼负荷1 2 2 3 1 电负荷1 3 2 3 2 冷负荷17 2 3 3 热负荷1 9 2 4 本章小结2 4 第3 章机电楼分布式供能系统方案设计2 5 3 1 分布式供能系统分类2 5 3 2 分布式供能系统方案设计2 9 3 2 1 燃气轮机分布式供能系统方案设计一2 9 3 2 2 柴油机分布供能系统方案设计3 4 3 3 本章小结3 8 第4 章机电楼分布式供能系统经济性分析4 0 4 1 分布式供能系统的设备投资成本分析4 0 4 2 分布式供能系统的运行成本4 1 4 3 分布式供能系统的投资回收期4 7 4 4 一次能源利用率5 l 4 5 本章小结5 2 第5 章微燃机分布式供能系统主要组成装置性能分析5 4 5 1 微型燃气轮机工作热力循环5 4 5 2 分布式供能系统额定工作状态5 8 5 3 燃气轮机变工况性能研究6 0 5 3 1 燃气轮机效率变化6 0 5 3 2 变负荷时燃气轮机排气参数的变化规律6 0 5 4 分布式供能系统不同工况下的运行规律6 2 5 5 本章小结6 4 目录 6 1 ； 6 1 ； 6 5 6 5 6 5 6 1 ； 2 0 0 k w 燃气轮机分布式供能系统方案研究 第1 章绪论 1 1 课题意义 随着能源危机和环境污染的问题日益严重，人们对动力和电力设备单独设备 效率高、能耗低向注重能源梯级、高效综合利用及环境保护等方向的技术要求越 来越高。微小型燃气轮机分布式供能系统( d i s t r i b u t e de n e r g ys u p p l ys y s t e m ，简称 d e s s ，参见图1 1 所示) 是一种建立在能源梯级利用概念基础上，集制冷、供热及 发电过程为一体的用户侧多联产总能系统，具有节能、环保、投资少、占地面积 小和运行维护方便等优点，能为2 l 世纪人类面临的日益严峻的能源紧缺和环境污 染难题提供有效的解决方法【l 】。 燃气轮机 图1 1 典型的燃气轮机发电一余热溴化锂吸收式制冷制热系统 f i g u r e1 1t y p i c a lg a st u r b i n ed e s sw i t hp o w e r - w a s t eh e a t l i t h i u mb r o m i d ea b s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o n h e a t i n ge q u i p m e n t 随着我国经济的快速发展，极大地提高了人民生活水平。然而工业和民用热、 电和冷负荷也会因经济的快速发展和人民生活水平的提高而急剧增加，这对我国 的能源动力工业提出了更高的要求，也使我国的能源短缺问题变得更加严重【2 1 。为 了保证我国经济的持续、高速发展，我们必须解决或缓解困扰我国的能源短缺问 题【3 1 。为了解决或缓解这一问题，需要在加大自有能源的开采、开发力度和从国外 调入能源的同时，通过合理利用现有资源、并通过技术进步的方法提高能源利用 率从而降低单位g d p 的能源消耗。由于微小型燃气轮机分布式供能系统通过实现 能源的梯级利用的优势，其能源利用率可高达9 0 ，相比现有分产系统极大的提 绪论 了能源的利用率，节约了能源。同时，微小型燃气轮机分布式供能系统多采用 洁的一次性能源，其污染物排放特性低，环保效果明显。考虑到实际情况，大 发展能够同时提供冷、热和电力负荷供应的微小型燃气轮机分布式供能系统对 实施建设资源节约型可持续发展战略具有特别重要的意义，也将是实现节能减排 目标的有力措施之一【4 。5 1 。 在大力发展和深入研究微小型燃气轮机分布式供能系统的同时，对我国微小 型燃气轮机及其关键部件与余热利用设备设计技术和相关加工制造技术的进步有 很大的推动作用，促进新一代能源动力工业的快速发展，从而更快地实现我国微 小型燃气轮机的跨越式发展，并为大型和重型燃气轮机的研究开发提供必要的技 术储备和宝贵经验。另外，微小型燃气轮机分布式供能系统的开发和工业化应用 也将积极的促进了我国电力及装备制造业的发展，其产业化还会形成我国新的经 济增长点，这非常有利于优化我国能源消费结构和实现产业结构升级。 虽然微小型燃气轮机分布式供能系统在国外有了一定程度的发展，但是在我 国其相关技术的研究还处于研究的初级阶段。随着我国能源结构的调整、人民生 活水平的提高、城镇化速度的加快，分布式供能技术的发展也面临着急迫的市场 需求和发展动力，必将在我国得到迅速的发展。我国政府把保护环境、节约能源、 实现可持续发展作为工作的重中之重，积极推进分布式供能技术在国内的发展与 普及。国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 - 2 0 2 0 ) 指出，前沿技术要 “重点突破基于化石能源的微小型燃气轮机及新型热力循环等终端的能源转换技 术、储能技术、热电冷系统综合技术”。因此，通过对微小型燃气轮机分布式供能 系统相关技术的研究和示范工程不仅可以为我国未来基于燃气轮机的分布式供能 系统的深入研究和大力发展、推广奠定必要的技术基础和积累实际经验，而且可 以对我国能源电力工业关键设备的改造升级起到有效促进作用，并对我国高效、 清洁、经济、安全的第二代能源系统的建设有良好的推动作用，从而为我国经济 的可持续发展和缓解相应的环境保护压力提供坚实的后盾1 6 1 。 1 2 分布式供能系统特点 与常规的集中电站相比，分布式供能具有以下优势：没有或很低的输配电损 耗；无需建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本；适合多种热电比的变化， 2 2 0 0 k w 燃气轮机分布式供能系统方案研究 可使系统根据热或电的需求进行调节从而增加设备年利用小时；土建和安装成本 低；各电站相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模供电事故，供电的可靠 性高；可进行遥控和监测区域电力质量和性能，非常适合对乡村、牧区、山区、 发展中区域及商业区和居民区提供电力；大量减少了环保压力【7 8 】。 2 0 世纪初以来电力行业流行的观点是：发电机组容量越大效率越高，单位k w 投资越低，发电成本也越低，因而随着能源产业的发展，电力工业发展方向是“大 机组、大电厂和大电网 。但是，在许多特殊情况下，分布式供能较好的弥补了集 中供电的不足之处。 分布式供能可以满足特殊场合的需求【9 】 如：对供电安全稳定性要求较高的特殊用户，如医院、银行等，不适宜铺设 电网的西部等边远地区或散布的用户，能源需求较为多样化的用户，需要电力的 同时还需要热或冷能的供应。这种供电方式最大的优点是不需远距离输配电设备， 输电损失显著减少，而且可按需要方便、灵活地利用排气热量实现热电联产或热 电冷三联产，运行安全可靠，并提高能源利用率。 分布式供能系统可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足 在世界上大型火电厂建设的趋势有增无减之时，电网的急速膨胀给供电安全 与稳定性带来很大威胁，而各种形式的小型分布式供能系统，改善了国民经济、 国家安全至关重要而又极为脆弱的纽带大电网孤立和笨拙的处境。直接安置 在用户近旁的分布式发电装置与大电网配合，可大大地提高供电可靠性，在电网 崩溃和意外灾害( 例如地震、暴风雪、人为破坏、战争等) 情况下，可维持重要 用户的供电。 分布式供能系统使能源得到了综合梯级利用，提高了燃料利用率 在常规的集中供电方式中能量形式相对单一。当用户不仅仅需要电力，而且 需要其它能量形式如冷能和热能的供应时，仅通过电力来满足上述需要时难以实 现能量的综合梯级利用，而分布式供能方式以其规模小、灵活性强等特点，通过 不同循环的有机整合可以在满足用户需求的同时实现能量的综合梯级利用，并且 克服了冷能和热能无法远距离传输的困难。 在分布式供能系统中，燃料化学能释放出来的高温热能( 9 0 0 一1 2 0 0 ( 2 ) 首先 3 绪论 过先进的微、小型动力设备发电，效率可以达到3 0 - 3 8 ，动力排烟余热 3 0 0 5 0 0 ) 可以通过吸收式制冷、热泵、除湿等方式进一步转换和利用，难 转换的低温热再用于供热，因而具有较高的能源利用率。此外，还可以通过蓄 调节、与可再生能源及环境能源互补等手段进一步提升分布式供能系统的性能， 此实现能源综合梯级利用，高效转换和大幅度节能。分布式供能技术相比较于 规的能源系统来说具有很高的能源利用率，其综合能源利用率可高达9 0 以上。 于分布式供能技术采用先进、高效的能量转换技术和设备，保证能量转换设备 能够长时间连续、高效运行，在节能和提高能源利用效率上具有极大的优越性。 分布式供能系统为可再生能源的利用开辟了新的方向 可再生能源和化石能源相比，能流密度较低、分散性强，而且目前的可再生 能源利用系统规模小、能源利用率较低【1 0 】，这都在集中供电利用可再生能源的道 路上造成了很大的障碍。而分布式供能系统为可再生能源利用的发展提供了新的 动力。我国有着丰富的可再生能源资源，这又为发展可再生能源是2 1 世纪减少环 境污染和温室气体排放以及替代化石能源提供了有利条件，因此应高度重视量多 面广的可再生能源的充分利用，方便安全地向偏僻、少能源地区供电，建设可再 生能源分布式供能系统【l l 】。 还应指出，对目前世界能源产业面临亟待解决的四大问题：合理调整能源结 构，进一步提高能源利用效率，改善能源产业的安全性，解决环境污染。相对单 一的大电网集中供电而言，分布式供能系统恰好可以在提高能源利用率、改善安 全性与解决环境污染方面做出突出的贡献，从而弥补了集中供电在这方面的不足 1 1 2 1 。因此，为了实现建设投资省、能耗低、可靠性高的灵活能源系统，采用大电 网与分散的小型分布式供能系统的合理结合方式得到了全球能源、电力专家一致 认可，成为2 1 世纪电力工业的发展方向 1 3 - 1 5 】。这就是说，依靠大型发电站和小型 分布式供能广泛结合的过渡的“分散式电力系统将逐渐取代传统的电力工业的 模式，从而减轻当今电力行业对环境影响形成的负担并大大改善供电效率、供电 品质，减少兴建和改善输配电线路。 1 3 国内外现状 1 3 1 国外的发展情况 4 2 0 0 k w 燃气轮机分布式供能系统方案研究 美国本着开发和商业化的目的做了关于冷、热、电分布式供能系统( c o m b i n e d c o o l i n g ，h e a t i n ga n dp o w e r ，简称c c h p ) 许多研究，这也促进了天然气、电力和 暖通空调等行业的制造业广泛深入的合作。工业界提出了“c c h p 创意 和“c c h p 2 0 2 0 年纲领”，以支持美国能源都的总体商用建筑分布式供能规划1 1 6 l 。其中先进 的燃气轮机、干燥及能源回收系统、吸收式制冷机和热泵、发动机及电驱动蒸汽 压缩系统，热储存和输送系统以及控制及系统集成技术等多项综合利用技术都是 在规划中积极倡导的，不仅满足建筑物的热和电力负荷的需求，也从整体上提高 了从矿物燃料到能源的转换效率。 微小型燃气轮机分布式供能系统也是楼宇分布式供能系统( b u i l d i n gc o o l i n g ， h e a t i n ga n dp o w e r ，简称b c h p ) 中最重要的组成部分之一。根据美国能源部总体 商用建筑分布式供能规划，到2 0 1 0 年，2 0 的新建商用写字楼类建筑将会使用 b c h p ，5 的现有商用写字楼类建筑使用b c h p ，2 5 的美国能源部热电联供项目 使用b c h p 。到2 0 2 0 年，要有5 0 的新建商用写字楼建筑使用b c h p ，1 5 的现 有商用写字楼类建筑采用b c h p 。美国b c h p 系统现在正以年均9 6 的发展速度 增长，其中2 0 k w - 1 0 m w 机组发展特别快。因而，美国十分重视微小型燃气轮机 分布式供能系统在美国的应用【1 7 l 。美国的马里兰办公区能源系统、橡树岭国家实 验室等都已深入的研究微小型燃气轮机分布式供能系统。美国微小型燃气轮机制 造公司与用户合作，2 0 0 1 年已将5 0 台微小型燃气轮机应用在洛杉矶的沼气利用项 目上。2 0 0 3 年开始利用微小型燃气轮机分布式供能系统的美国加利福尼亚某机场 中心大楼，每年节约资金1 0 万美元以上。 目前美国已有包括大学校园中的2 0 0 多个分布式供能系统在内的6 0 0 0 多座分 布式供能系统，并且已建成了几个分布式供能系统的示范基地，如麻省理工学院 热电厂，普林斯顿大学热电厂，罗德格斯大学纽布朗斯维克校园热电厂，马里兰 大学的冷热电厂等等。这些分布式供能系统大多是以天然气为燃料，采用燃气轮 机联合循环冷、热、电联供技术，不仅满足了校园的采暖、制冷、生活热水供应 和部分电力供应需求，而且生产的电力满足学校的同时，还可以将剩余电力出售 给公共电网赢利。目前，美国正在开发高效利用能源的小型分布式供能系统，从 而更好的促进小型热电联产的发展【1 8 1 。 5 绪论 从1 9 9 8 年开始，加拿大政府和商业机构共同在多伦多、渥太华等地开展微小 型燃气轮机分布式供能系统的研究和开发，并分析了美国开发的几种微小型燃气 轮机组成的分布式供能系统，以及对电力价格与微小型燃气轮机分布式供能系统 投资回收期的关系进行了预测，为其在加拿大市场的推广打下了基础。在卡尔加 里等地应用的微小型燃气轮机分布式供能系统，比传统的热电联供系统减少5 5 的温室效益和9 7 的氮氧化物排量，而且实际结果证明该系统具有7 5 以上的能 源利用效率。 日本是依赖能源进口的国家，特别是近年来，由于世界资源供应趋紧，成本 增高，以及环境意识的空前加强，日本全国上下对于分布式供能系统的发展表现 了极大地热情，而他们其中的一个重要举措就是微小型燃气轮机分布式供能的发 展和建设【1 9 1 。日本东京燃气公司为发展燃气分布式供能项目专门设立了一个研究 开发中心，负责燃气热电项目的集成、设计、安装等。在2 0 0 2 年，日本安装了至 少7 0 0 套微型分布式供能系统，其中最大规模的微小型燃气轮机为4 4 台，发电容 量可达2 6 m w ，这种多机组合系统具有较高的调节灵活性和能源供应可靠性等优 点，每年节约资金约5 0 万美元。在日本的一个塑料厂，采用2 0 台微小型燃气轮 机发电并利用余热供应蒸汽，组成阵列热电联产项目，由每1 0 台微小型燃气轮机 驱动一个余热锅炉。另外，在日本的三井、久保田、日本电报电话等公共公司都 安装推广了微小型燃气轮机分布供能系统。 分布式供能系统在英国政府的鼓励政策下已经取得了显著的发展，并且成为 了提高能源效率措施的有机组成部分。英国只有5 0 0 0 多万人口，由于大量采用天 然气作为发电的燃料，大量发展楼宇式热电联产( b c 肿) ，已经建成的分布式供 能系统就有1 0 0 0 多座，它们遍布英国的各大饭店、休闲中心、医院、综合性大学 和学院、园艺、机场、公共建筑、商业建筑、购物商城及其它相应场所。9 1 l 事 件以后，他们为了保证供电安全，加速了分布式供能系统建设的步伐。英国b o w m a n 公司已经可以供应由8 台8 0 k wg t 8 0 微型燃气轮机组合构成1 组6 4 0 k w 的供电 单元，其发电效率2 7 ，供热量从1 2 0 0 k w 到2 4 0 0 k w 自由无级调节，热电综合 效率高达8 0 。任何一台机组发生问题，全系统仅减少八分之一的出力，用户对 用电量稍加调节就可适应。在英国v i c t o f i a n 时代宾馆，有6 台微小型燃气轮机带 6 2 0 0 k w 燃气轮机分布式供能系统方案研究 动的分布式供能系统使该建筑具有了独立、安全的用能系统。同时，在英国伦敦 等地区都有成功应用的例子，如英国女王的白金汉宫，首相的唐宁街官邸，就采 用了基于燃气轮机的分布式供能系统。英国分布式供能系统的发展除了已经开发 的领域之外，还在发展新的应用，如将分布式供能系统用于园艺，可以做到冷、 热、电稳负荷联产，将分布式供能系统排出的c 0 2 、s 0 2 、n o x 用于植物的肥料， 最大限度地减轻能源使用为环境带来的危害，以此继续保持其发展处于领先位置。 从实行分布式供能后，英国每年可减少c 0 2 排放5 0 0 0 0 t 、s 0 2 排放10 0 0 t 。 其他国家，如西班牙巴塞罗那一家医院利用单台发出8 0 k w 电力和提供1 5 0 k w 热量的微型燃气轮机组，结合烟气余热利用机组，满足了医院冷、热、电需求。 在荷兰的p u t t e n ，1 台3 0k w 的微型燃气轮机为一总容量为1 6 x1 0 l 的游泳池提 供全年的供暖和供电服务，总能源利用效率达到了9 6 。意大利米兰北部一家医 院利用微小型燃气轮机分布式供能系统为医院节省约4 0 的资金，同时基本满足 了医院独立能源需求，进一步保证了用电安全。德国1 9 9 5 年拥有2 5 5 台使用燃气 轮机的分布式热电联产机组，总装机容量为3 1 5 2 m w 。在2 0 0 2 年，德国通过了新 的热电法，鼓励和支持发展热电联产，热电联产的发展在德国将有广阔的前景。 意大利1 9 9 9 年能源工业热电联产发电量达4 9 6 t w h ，占全国发电量的1 8 7 ，但 是微型与小型热电机组发展欠缺，装机容量仅在2 3 8 m w 以内。目前，意大利加 强了对中小型分布式热电联产的鼓励和支持。丹麦政府从1 9 9 9 年开始进行电力改 革，在热供应法案中明确提出尽可能提高热电联产在集中供热中的应用比例。通 过多年的努力，丹麦的国民生产总值翻了一番，但能源消耗却未增加，环境污染 也未加剧。原因之一就在于丹麦积极发展热电联产，提倡科学用能，扶植分布式 供能系统，靠提高能源利用效率支持国民经济的发展。目前丹麦没有一个火电厂 不供热，也没有一个供热锅炉房不发电。新增电力主要依靠安装在用户侧的，特 别是工业用户和小型区域化的分布式供能系统提供。目前，丹麦9 0 的区域供热 由热电联产提供【2 0 。2 3 1 。 1 3 2 国内的发展概况 总体来说，分布式供能技术在我国处于刚刚起步阶段。技术、经济、政策法 规等方面还存在诸多需要完善之处。近几年在上海、广州和北京已经建成了以天 7 绪论 然气为燃料的1 0 多座分布式供能系统 2 4 - 2 5 1 ，用于医院、机场、商业中心等场合【2 6 】。 根据规模和使用的技术，国内建设了具有代表性的三个早期分布式供能系统工程。 以小型燃气轮机为主机的北京次渠城市天然气接收站热电联供工程 2 7 1 。北 京次渠城市天然气接收站建筑面积为2 9 0 0 平米。微型燃气轮机燃机l 台，型号为 b o w m a nt g 8 0 ，发电功率为8 0 k w ，发电效率为2 6 。配置了l 台2 0 万大卡余热 直燃机，型号为b z 2 0 。系统能源综合利用效率为7 0 8 5 。项目2 0 0 3 年调试运行， 。总投资3 6 0 万元，工程单位造价为1 1 5 0 0 元以( w t + e 。项目投资回收期约7 年【2 引。 以内燃机为主机的北京燃气集团指挥调度中心大楼热电联供工程【2 9 】。北京 燃气集团指挥调度中心大楼建筑面积为3 2 万平米。内燃机采用的是c a t e r p i l l a r 公 司的g 3 5 0 8 ( 4 8 0 k w ) 和g 3 5 1 2 ( 7 2 5 k w ) 各一台，配备了1 台b z 2 0 0 和1 台b z l 0 0 余 热直燃机。该系统冬季发电效率、供热效率和综合效率分别为3 5 、5 2 8 6 和 8 1 1 5 ；夏季发电效率、供热效率和综合效率分别为3 5 、6 1 4 4 和8 6 8 0 。项 目2 0 0 3 年调试运行，总投资2 9 0 0 万元，工程单位造价为8 2 0 0 元k w t + e 3 0 l 。 以小型燃气轮机为主机的上海浦东国际机场热电联供工程。采用了1 台 3 5 0 0 k ws o l a r 燃气轮机和l 台9 7 t h ( 0 9 m p a ) 余热蒸汽锅炉及数台离心式制冷机组 和溴化锂冷热机组。燃气轮机发电效率为2 8 5 0 ，系统综合效率为7 7 。燃料以 天然气为主，渊柴油作为备用。电力并网不上网。通过电离心式制冷机组和蒸汽 型溴化锂吸收式制冷机组向机场供冷和供暖，设计溴化锂空调制冷量为1 5 0 0 r t ( 冷 吨) 。该系统于1 9 9 9 年开始研制，2 0 0 2 年投入使用，一直正常运行。由于燃气气 源压力过低，于2 0 0 4 年在该系统上增加了燃气增压器。全年运行4 2 0 0 - - - 4 3 0 0 h ， 冬季采暖3 个月，夏季制冷5 个月；鉴于晚间电价低( 0 2 6 元l ( w h ) ，燃气轮机发电 机在晚间停止工作，直接采用市电。该系统工程总投资约3 0 0 0 万元，工程单位造 价为9 2 5 0 元k w t + e 。考虑设备折旧等因素，投资成本回收期约8 年1 3 1 1 。 其它已经运行的分布式热电冷三联供系统包括：上海黄浦中心医院1 9 9 6 年投 入运行的由1 台1 0 0 0 k ws o l a r 土星2 0 柴油燃气轮机和1 台3 5 t h 余热蒸汽锅炉组 成的系统；上海阂行医院2 0 0 3 年投入运行的由1 台4 0 0 k w 燃气内燃机和l 台 3 5 0 k g h a 余热蒸汽锅炉组成的系统；广东东莞鞋厂的由1 l 台1 0 2 0 k w 柴油内燃机 和1 1 台0 5 t h 蒸汽锅炉组成的系统；广州铝业集团的由l 台7 2 5 k w 重油内燃机和 8 2 0 0 k w 燃气轮机分布式供能系统方案研究 l 台b z 2 0 0 型余热直燃机组成的系统、成都美好花园的由8 台5 0 0 k w 天然气发电 机组、4 台7 0 0 k w 柴油发电机组、1 台1 7 4 0 k w 烟气型溴化锂吸收式制冷机、1 台 1 7 4 0 k w 离心式制冷机和1 台2 9 0 0 k w 的真空热水锅炉组成的系统；东莞信泰光学 工业园区能源中心的由l 台5 5 0 0 k w 的c a t 机组、3 台2 2 0 0 k w 的m a k 机组、5 台6 0 0 k w 的小型内燃机、4 台每小时产生4 6 吨0 7 m p a 蒸汽的余热锅炉、5 台总 容量为1 4 9 0 u s r t 的吸收式制冷系统组成的系统等【3 ”3 1 。 1 4 研究内容 1 以大连海事大学机电楼为研究对象，采用指标法计算冷热电负荷。首先收 集大连市的气候资料，为计算冷热负荷时选取指标提供依据。参考原系统冷热计 算方法，计算得出机电楼冷热负荷。在计算电负荷时，首先把电负荷划分为备用 发电机组及供给饮用热水所需电负荷、照明用电负荷和机电楼所有房间所需电负 荷三部分，然后通过对所有房间做简化，设计房间供电指标，计算所有房间供电 量，并最终获得机电楼总电负荷。 2 根据计算得出的冷热电负荷，设计不同的分布式供能系统方案。分布式供 能系统的主要设备是燃气轮机、柴油机等动力装置和余热锅炉、吸收式冷热水机 等余热利用装置，在动力装置中，燃气轮机和柴油机的使用较为常见，而余热利 用装置中的吸收式冷热水机较为常见的是烟气型和蒸汽型，通过动力装置和余热 利用装置的不同组合来设计分布式供能系统方案。 3 对比各方案的经济性和一次能源利用率等因素的优缺点。在经济性分析中 主要考虑设备的初投资成本，各方案中系统的运行费用以及各系统的投资回收期。 同时本文还分析了在系统使用不同燃料时对系统运行费用的影响，以及系统的运 行费用受燃料价格的影响。最后通过对比，确定的较好方案进行分析。以选定的 方案为研究对象，建立模型，分析系统各部分的运行规律，并最终得出整个系统 的相关参数及运行规律。 9 热电负荷 楼冷热电负荷 电楼为对象进行分布式供能系统初步设 ，占地面积约为2 5 0 0 平方米，建筑总面 5 7 2 i n 2 ，公共面积1 8 9 0 8 4m 2 。机电楼共 ，抗震设防烈度为7 度，设计使用年限为 5 0 年。主要作为交通与物流工程学院的科研、教学及相关专业实验楼。内有教师 办公室、研究生工作室、学生教室、会议室及各专业实验室，其外观图如图2 1 、 图2 2 、图2 3 所示。 图2 1 机电楼设计外观立面图 f i g u r e 2 1m e c h a n i e f la n d e l e e t r i c f lb u i l d i n ge l e v a t i o n 1 0 图2 2 机电楼正视图 f i g u r e 2 2f r o n tv i e wo fm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a lb u i l d i n g 裂 r t _h hhh 1 i址 _ _ _ _ h hhh 1 _ _ - ：；： i i _ 吊吊 吊吊 且 ： 吊吊品吊 _ 一! 吊品吊吊 品_ 吊吊刚吊 且 ： - ：!： 品品团囝1 “r 1 旧。 囝囝品圃囝囝 ：；：n - _ _ in _ r 剥l b _ h 蝈i 捌 窖 8 i i li i榭划p , 4n 1 l | il ii l 寅 曩 一 鲁 舟 昌 罱 窖 ! ! 喇 擘 图2 3 机电楼侧视图 f i g u r e 2 3s i d ev i e w o fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lb u i l d i n g 2 2 大连地区气候条件简介 大连地处北温带，是东北地区最温暖的地方，属季风型大陆性气候，但具有 海洋性特点。气候特征为：四季分明，气候温和；夏季温暖无酷暑，冬季虽冷但 少严寒，春秋不冷不热、气温适中；空气湿润，降雨集中，季风明显，风力较大。 大连的年平均气温在1 0 摄氏度左右，其中8 月为最热，平均气温为2 4 摄氏 度，年极端最高气温3 5 摄氏度左右。1 月最冷，平均气温为4 5 到6 0 摄氏度，年 极端最低气温在2 1 摄氏度左右。无霜期1 8 0 - 2 0 0 天年。大连的四季气温如表2 1 所利3 4 1 。 机电楼冷热电负荷 表2 1 大连的四季气温 t a b l e 2 1d a l i a ns e a s o n a lt e m p e r a t u r e 1 01 11 2 月份1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月 月 月 月 平均 气温 一4 9 3 42 1 9 1 1 8 51 9 42 3 o2 4 o2 0 6 1 3 6 5 81 3 平均 一1 20 36 01 3 51 9 92 3 32 6 02 7 02 3 71 7 59 62 3 最高 平均 最低 一8 26 51 05 71 1 91 6 42 0 72 1 41 6 81 0 22 44 7 大连的降水情况：雨季从六月至八月，年平均降水量在5 5 0 - - 一9 5 0 毫米之间， 由西南向东北递增。年降水量6 0 - - 7 0 集中于夏季，多以暴雨形式降水。观测到 的最大日降水量为5 6 9 毫米。因受海洋调节，夜雨多于日雨，尤以夏季为甚，春 季多旱。 大连季风及日照情况：大连地处东亚季风区，6 级或6 级以上大风日数，沿海 每年9 0 1 4 0 天，内陆3 5 - 5 0 天。风速、盛行风向随季节转换而有明显变化。大风 日数冬春季最多，夏季最少。冬季盛行偏北季风，夏季盛行偏南季风，春、秋季 是南、北风转换季节。平