热电(冷)联产系统

1、 第三章热电(冷)联产系统一什么是热电(冷)联产系统n 如图1所示，通过能源的梯级利用，燃料通过热电联产装置发电后，变为低品味的热能用于采暖、生活供热等用途的供热，这一热量也可驱动吸收式制冷机，用于夏季的空调，从而形成热电冷三联供系统。为了协调热、电和冷三种动态负荷，实现最佳的整体系统经济性，系统往往需要设置压缩式制冷机和锅炉，甚至蓄能装置等。能源转换效率方面所具有的突出优势n 热电（冷）联产系统在能源转换效率方面所具有的突出优势，使得其在世界各国的能源领域大都具有显著地位。欧洲委员会在"大气改变对策的能源框架"中，将热电联产放在非常重要的位置。被认为是对实现排放目标贡献最

2、大的一项技术，其减少C02排放量的潜力为210Mt，占总目标的四分之一。 为了促进热电联产事业的发展n 为了促进热电联产事业的发展，欧洲委员会在财政、税收、科研、政策等方面作出了大量工作。1977年，成立了专门的咨询机构，对如何提高供热效率、加快热电联产的发展进行探讨。1988年出台了有关条文协调热电联产业主与电力部门之间的关系，要求电力部门必须以合理的价格购买热电联产厂多余的电，减少热电联产厂家的后顾之忧。在技术开发与研究方面，欧盟国家在1991年就开始实施旨在提高能源效率的"SAVE计划"，许多热电联产与区域供热的研发示范项目得到了该计划的资助。另外在1978年开始实施

3、 二热电（冷）联产的主要形式n 2.1热电联产系统锅炉加供热汽轮机 由于煤燃烧形成的高温烟气不能直接做功，需要经锅炉将热量传给蒸汽，由高温高压蒸汽带动汽轮发电机组发电，做功后的低品位的汽轮机抽汽或背压排汽用于供热。锅炉加供热机热电联产系统适应于以煤为燃料。这也是我国的热电联产系统普遍采用的形式。这种系统的技术已非常成熟，主要设备也早已国产化。由于这种系统占地大，负荷调节能力差，发电效率低，一般在煤改气的热电联产中得以应用，新建燃气热电联产系统很少采用这种形式。燃气轮机热电联产系统n 燃气轮机热电联产系统 分为单循环和联合循环两种形式。单循环的工作原理是：空气经压气机与燃气在燃烧室燃烧后温度达1

4、000以上、压力在11.6MPa的范围内而进入燃气轮机推动叶轮，将燃料的热能转变为机械能，并拖动发电机发电。从燃气轮机排出的烟气温度一般为450600，通过余热锅炉将热量回收用于供热。大型的燃气轮机效率可达30以上，当机组负荷低于50%时，热效率下降显著。考虑到热和电两种输出的总效率一般能够保持在80以上。燃气轮机组启停调节灵活，因而对于变动幅度较大的负荷较适应。目前工业燃气轮机的生产基本上来自西方国家，如GE,ALSTOM，SIEMENS,SOLAR,ABB等。 燃气轮机热电联产系统n 上述单循环中余热锅炉可以产生的参数很高的蒸汽，如果增设供热汽轮机，使余热锅炉产生的较高参数的蒸汽在供热汽轮

5、机中继续做功发电，其抽汽或背压排汽用于供热，可以形成燃气蒸汽联合循环系统。这种系统的发电效率进一步得到提高，可达到50以上。内燃机热电联产系统n 内燃机热电联产系统 当规模较小时，它的发电效率明显比燃气轮机高，一般在30以上，因而在一些小型的燃气热电联产系统中往往采用这种内燃机形式。但是，由于内燃机的润滑油和气缸冷却放出的热量温度较低（一般不超过90），而且该热量份额很大，几乎与烟气回收的热量相当，因而这种采暖形式在供热温度要求高的情况下受到了限制。内燃机的生产厂家有总部这在瑞士的WARTSILA NSD公司、德国的MANB&W公司以及美国的CATERPILLAR公司等 燃料电池n 燃

6、料电池 它是把氢和氧反应生成水放出的化学能转换成电能的装置。其基本原理相当于电解反应的逆向反应。燃料（H2和CO等）及氧化剂（O2）在电池的阴极和阳极上借助氧化剂作用，电离成离子，由于离子能通过在二电极中间的电介质在电极间迁移，在阴电极、阳电极间形成电压。在电极同外部负载构成回路时就可向外供电。燃料电池种类不少，根据使用的电解质不同，主要有磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）、固体氧气物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。 燃料电池具有无污染、高效率、适用广、无噪声和能连续运转等优点。它的发电效率可达40以上，热电联产的效率也达到80以上。目前，多数

7、燃料电池正处于开发研制种，虽然磷酸燃料电池（PAFC）等技术成熟并已经推向市场，但仍较昂贵。鉴于燃料电池的独到优点，随着该项技术商业化进程的推进，必将在未来燃气采暖行业起到越来越重要的作用。从事燃料电池研究和开发的单位主要有美国的国际燃料电池、联信、Plug Power、Analytic Power、Onsi和西屋等公司，加拿大Ballard公司，日本的三菱、松下、三洋、东芝、宣士电机和富士电机等公司，德国MTU公司和西门子公司等。我国也有大连化物所等多家单位从事燃料电池的研究。 2.2 热电冷联供系统n 由上述各种热电联产装置与制冷机及其他部件（如热网、蓄冷器等）的组合，可形成多种热电冷联产

8、系统形式。小型热电（冷）联产装置可设置在一个建筑物内，发电直接供建筑物的用电负荷，所产生的热（冷）量由建筑物内管网输送至各房间。大型热电（冷）联产系统，即以热电厂为热源的区域供热（DH）或区域冷热联供（DHC）系统，发电一般直接输送至电网，而热（冷）量则通过热网输送给各建筑物用户。如果根据热网输送介质的不同来划分，大型热电冷联产系统的形式主要有三种，即热水输送、冷水直供和蒸汽输送。 三热电（冷）联产的发展现状十九世纪七十年代末期，在欧洲一些人口密集的城区，开始出现了由往复式蒸汽机带动的发电机，并对蒸汽机的乏汽加以利用，这是早期的热电联产系统。在本世纪早期，由于纯发电开始产生显著的规模效益，热电

9、联产系统没能得到发展。二战后，区域供热在北欧、苏联以及一些东欧社会主义国家得到普遍应用，并带动了热电联产的发展。而在欧洲其他国家，由于燃料丰富、廉价，热电联产发展缓慢。在经历了1973/1974年和1979/1980年两次石油危机后，以热电联产形式为主的区域供热、区域供冷开始受到西方国家的重视。美国将区域供热列入其政府节能计划，英国国会则评价区域供热为减少国家能耗的重要手段，而法国更是以立法的形式推动热电联产的发展。美国近年来热电联产发展n 美国近年来热电联产发展迅速，热电联产装机容量在19801995年的15年间由12000MW增加至45000MW。目前，热电联产装机容量已占美国总装机容量的

10、约7。在日本能源供应领域中，主要以热电联产系统为热源的区域供热（冷）系统是仅次于燃气、电力的第三大公益事业，到1996年共有132个区域供热（冷）系统。燃气轮机热电（冷）联产和汽轮机驱动压缩式制冷设备是日本热电（冷）联产的主要形式。在欧洲，欧共体的热电联产发电量已占其总发电量的9（其中丹麦、芬兰和荷兰已达到30以上），并计划到2010年达到18，这将减少二氧化碳排放1.5亿吨。区域供冷n 区域供冷没有区域供热应用的如此广泛，但由于其在经济上的吸引力也正在世界范围内慢慢被提倡和应用。1962年美国在Harford city,Connecticut建成世界上最早的区域供冷系统，并可同时供应蒸汽。目

11、前美国已有超过60个区域供冷系统。日本的区域供冷发展最快，而欧洲也已有多个热电冷联产系统投入运行。我国热电联产建设n 我国早在建国初期，学习苏联经验，重视发展热电联产建设。在供热机组占全部火电设备总容量中，从1952年的2增加到1957年的17，仅低于苏联，居世界第二位。在经历了七十年代的发展低潮后，随着改革开放和经济的发展，我国热电联产又取得了很大进展。到1999年底，我国单机容量6000千瓦以上的热电机组装机容量达2815.9万千瓦，占同期同容量火电机组的13.30。这些机组主要以煤为燃料，即热电厂是由燃煤锅炉和抽凝（或背压）汽轮机组构成。在供冷方面，热电冷联产形式的区域供冷在我国刚刚起步

12、，但发展迅速。全国多个城市拥有在燃煤热电厂基础上建立的热电冷联产系统，如济南热电冷联产系统的供冷总容量近几年已从无发展到49.6MW，杭州两个正在建设的热电冷联产系统供冷总容量将超过120MW。在燃气轮机或内燃机基础上建立的燃气热电冷联产系统也已出现，如上海黄浦区中心医院和浦东国际机场热电冷联产系统，北京的燃气集团大楼和清华大学校园热电冷联供系统等。 四热电（冷）联产的研究现状以及方向n 虽然热电（冷）联产系统在西方国家已得到较为广泛的应用，而且构成热电（冷）联产系统的各主要设备的产品已经非常成熟和完善，但是由于我国在能源结构、价格、管理体制以及冷、热、电负荷等外部条件与国外存在差异，这就造成

13、了热电冷联供系统在我国大中城市的推广应用，仍需要研究一些技术方面的重要课题。4.2.1热电冷联供系统评价体系的研究建立一套以城市能源系统为中心的热电冷联供系统评价体系，从经济能源环境等各种角度全方位对热电冷联供系统进行评价，并与其它城市供热、供冷和供电形式进行比较，为热电冷联供系统的推广应用奠定基础。对于具体的工程项目，根据外部环境的不同，通过该评价模型，可以确定最佳的热电冷联供系统形式和运行模式。 4.2.2热电（冷）联产系统的优化研究热电冷联供系统优化配置的研究 这包括：组成热电冷联供系统的各主要部件的模型，例如热电机组、制冷机组、热泵机组以及蓄能装置等；整体系统最佳配置的建模和算法；不同

14、外部环境下系统最佳配置选择等。 热电冷联供系统优化运行的研究 针对全年变化的热电冷负荷，在上述热电冷联供系统最佳配置的基础上，提出合理的运行模式和运行方案，是一个十分复杂的研究课题。 热电冷联供系统协调控制研究 由于一天中不同时段的电价以及电力、热（冷）负荷的变化，实现合理的热电联产系统的运行方式以达到最佳的经济效益，不对系统进行优化控制是不行的。为此，需要研究开发出一套将热电联产系统和供热（冷）系统作为一个整体的优化协调热电（冷）联产控制系统。4.2.3重点装置的研发与应用小型楼宇热电冷联产系统的研发：由于楼宇具有独立的热、电、冷负荷以及系统规模小等特点，热电冷联供系统的配置和运行问题尤为重

15、要。需要研究热电机组容量、型式，制冷机、余热锅炉的搭配，蓄能装置的利用，热电冷装置与电网的接入与协调等诸多问题。因此，应在上述研究的基础上，进一步专门加以研究和分析。 4.2.3重点装置的研发与应用蓄能系统的研究：为了协调冷热负荷与电负荷的关系，往往需要在热电冷联供系统中设置蓄热蓄冷系统。在热电冷联产系统中应用蓄热蓄冷系统在我国尚没有经验。因此，对蓄热蓄冷装置的型式、结构以及在整个热电冷联供系统中的运行策略研究是必不可少燃料电池的研究: 燃料电池的发电效率可达40以上，热电联产的效率也达到80以上。鉴于燃料电池的独到优点，随着该项技术商业化进程的推进，必将在未来热电（冷）联产系统中占据重要的地

16、位。因此，燃料电池本身及在热电（冷）联产中的应用研究是非常有意义的。 除湿系统与热电联产的结合n 除湿系统的研究:除湿系统所利用的热量品位往往比吸收式制冷机更低，且能源利用效率更高。因此，除湿系统与热电联产的结合往往是更为先进的热电冷联产系统，国外一些研究机构也对此开展了研究工作。因而除湿系统及其在热电冷联产中的应用研究是一个新的方向。4.2.4热电（冷）联供系统的创新研究本项研究主要包括系统新运行模式和系统流程与配置的创新研究，就系统新运行模式的研究方面，主要指针对不同外部环境下的热电冷新运行模式的提出和研究。就系统流程与配置的创新研究而言，主要指热电联产与电动热泵、蓄能装置的结合、电动制冷

17、与吸收式制冷等不同形式的系统配置与流程的创新与研 5 应用实例n 北京XX宾馆热电冷联产项目技术经济方案n 中国能源网（www.C）北京XX宾馆热电冷联产项目技术经济方案n 为适应北京申办奥运会要求，以及北京日趋严格的环境排放标准。建议本项目采用微型燃气轮机-余热溴化锂空调冷热水机组联合循环方案（以下简称：本方案），实现热电冷热水四联产，集中供应北京XX宾馆区域内40000平方米建筑群的采暖、制冷和生活热水，以及部分电力的供应。 n 1、 外部条件： n 北京XX宾馆位于西四环路X侧，中国人民解放军301总医院以X，临近奥运会西区运动场馆，交通非常便利，现有建筑面积40000平方米，如实行现代

18、化改造，必将在奥运会期间担负重要角色。目前执行电价为北京商业用电标准，平均电价0.578元/kWh，燃料配置条件为天然气，继续燃煤已无可能，工业采暖气价为1.8元立方米，热电联产气价应该低于这一价格。该区域没有大规模集中供热条件和规划。由于燃料成本过高，电价居高，不论采用电采暖/制冷，还是燃气直燃采暖/制冷，都将造成企业成本支出过大。采用热电冷联产将能有效降低企业运营成本。n 经专家论证研究，采用技术先进、高效率的微型燃气轮机与余热溴化锂空调冷热水机组联合循环系统，从技术经济角度综合评估，是最为可行的。2、微型燃气轮机（简称：微燃机）： n 微型燃机热电联产代表了21世纪能源利用的潮流：美国的

19、能源专家将微型燃气轮机称之为能源的PC机（个人电脑），它在未来能源系统中的位置将处于与PC机在因特网中相同的位置，具有极大的发展前景。微型燃机并不是什么新技术，它是在飞机辅助发动机的基础上研制成的，具有大量的应用运行经验。n 其核心技术是：n a、 高速转子-转速在每分钟12万-6万转； n b、 烟气回注（可选部件）-将燃烧后的高温烟气通过一个设计紧凑的小型回热器实现回热循环，对燃料预热，提高系统能效； c、 小型永磁发电机；n d、 大容量半导体变频技术； n e、 自动控制技术； n f、 空气轴承-保持转子在每分钟60000-150000转运行的。n ： 主要优点：n a、体积小，重量

20、轻，随处可放。一台宝曼80kW微型燃气轮机热电联产装置，可供热425kW，满足一座建筑面积6000-10000平米大楼的采暖、制冷与生活热水供应。其几何尺寸为：高 1.87m，长3.08m，宽0.85m，重量仅1.8吨； b、可以多台组合运行，加上蓄热水柜，能够灵活、可靠地对不断变化中的热、电需求进行适时调节； n c、能通过电话线和自身的计算机系统指挥其自动运行，无需人员职守、运行费用低； n d、燃气不用增压，可以直接从燃气高压管网取气，也可从低压管网抽气； e、直燃机连接实现热电冷联产，也可通过生产热水，与热水空调组合运行； n f、投资低，用户端的能量利用效率高、设备运行效费比低，效益

21、好； n g、 环境效益极佳，氮氧化物的排放25mmp，是燃气锅炉无法相比的。 3、项目装机方案： n 建议采用3台宝曼TG80CG-S/C型 80kW单循环供热机组，加一台宝曼TG80CG-Rec回热循环机组，前置于2台远大VII型余热溴化锂空调机，采用2拖1布置，将微燃机余热排入溴化锂空调，保留燃烧器，作为补燃-再燃调节和备用手段。 宝曼TG80CG-S/C型 80kW单循环供热机组因为没有回热器，价格比较便宜，但系统对热没有调节能力。因此，需要一台宝曼TG80CG-Rec回热循环机组担任系统调节和春秋季热水供应。该项目执行"以热定电"原则，不供热，不发电。n 发电装机

22、容量320kW，为目前平均电力需求的50%左右，作为基本负荷。n 供热装机容量1700kW，理论制冷能力（COP1.3）2210kW系统设计保证能力n 项目 单位 数值n 保障面积 M2 40000n 最大发电能力 kW 320n 平米电量 w/M 2 8n 最大供暖能力 kW 1700n 平米热量 w/M2 42.5n 最大制冷能力 kW 2210n 平米制冷量 w/M2 55.25n 该标准基本可以满足北京地区达到国家第一阶段建筑节能目标的持续采暖-制冷需求标准（无新风）。 4、项目定性：n 国家发展计划委员会、国家经济贸易委员会、建设部和国家环保总局联合下发的计基础20001268号关于

23、发展热电联产的规定，第十四条规定："以小型燃气发电机组和余热锅炉等设备组成的小型热电联产系统，适用于厂矿企业，写字楼、宾馆、商场、医院、银行、学校等较分散的公用建筑。它具有效率高、占地小、保护环境、减少供电线损和应急突发事件等综合功能，在有条件的地区应逐步推广。" n 本项目属于：小型热电冷联产节能环保项目。 5、设备年利用时间与电价估算： n 北京地区商业用电已经实行风谷差电价，在规划运行时段是必须考虑风谷差时段的电价变化，以保证经济性。 北京XX宾馆热电冷联产项目技术经济方案n 北京商业电价n 时段 平均利用时间 公布电价n 单位 hrs 元/kWhn 高峰 8 0.9

24、2n 平峰 8 0.56n 低谷 8 0.2531台宝曼TG80CG-Rec型80kW回热循环机组1台宝曼TG80CG-Rec型80kW回热循环机组项目 日利用时/小时/平均电价/设备发电出力/小时发电收入/年发电收采暖期 20 3020 0.6426 72.94 46.87 141,551.16制冷期 20 1820 0.6426 72.94 46.87 85,305.66合计 4840 72.94 226,856.82应用电价 （计算） 0.6426 3台宝曼TG80CG-S/C型 80kW单循环供热机冬季采暖期运行151天，每天20小时，制冷期91天平均每天运行12小时，非采暖制冷期停机

25、，这3台机组始终保持满负荷运行。1台宝曼TG80CG-Rec回热循环机组在采暖、制冷期利用时间与其他3台相同，非采暖制冷期123天，每天平均运行12小时，平均供热出力按60%考虑。n 全系统年平均利用时间为5209小时。应用实例n 上海能源结构和利用的安全性研究报告 n 应用型的研发项目应该主要由企业或企业集团出资并主持研究开发。有关大学和研究所可以积极承担研究任务。政府部门可以出台有关政策和法规条例，指导或促使企业要强化研发工作，特别是我国加入WTO以后，企业将参与全球化竞争，持之以恒的研发工作是各个企业迫在眉睫的任务，随着我国市场化进程的加速，政府的指导监督、管理职能将强化，有关具体的项目

26、开发工作及资金筹措工作将逐步通过资本市场来解决。 n l          建议尽快组织开发并能形成产业的高效绿色能源设备n 天然气利用设备：n （1）区域性燃气热电冷联供系统n 如图2-15所示。该系统当在供热和供冷的时间在全年能达到4000小时以上，热电负荷稳定的情况下，系统热效率可达到75%85%。该系统中的技术难点主要是我国还没有掌握自主开发的燃气轮机设计制造技术。但当前完全有条件可以利用上海电力（集团）公司自身的力量及借助西门子公司、GE公司或日立公司的技术组织开发并形成产业n 由于西气东输，上

27、海从2003年以后将会有大量的天然气供入，而上海正在进一步推进“一城九镇”建设、工业和科技园区建设、大型的生态住宅区建议、城市公共设施改造、新型商业区建设的过程中会对高效率区域性燃气热电冷联供系统有较大的市场需求，特别是2万kW10万kW中小型机组会有很多市场机遇，如果考虑全国的情况，市场需求就更大，建议市政府应该作为重点尽快推动研发和产业化。n （2）微型燃气轮机热电联供系统n 具体的结构实例如图2-17所示，图2-17（a）为微型燃气轮机组结构示意，图2-17（b）为300kW等级的柴油机与燃气轮机的大小尺寸比较。2-17（a） 微型燃气轮机热电联供系n 图2-17（b） n 柴油机与燃气

28、轮机n 大小尺寸比较n 据报道，以300kW微型燃气轮机机组为例，综合热效率可达到70%，燃气消耗量130Nm3/h，蒸汽量1.2T/h，NOx排放浓度为35ppm，发电效率为20%。与柴油机组比较，容积和重量可大大减小，重量约减轻40%，发动机不需要冷却，结构简单、余热利用方便。这种系统开发难度在于微型燃气轮机的高精度制造技术以及高温材料强度和可靠性。由于机械体积小，相对大型燃气轮机的开发周期短，投资资金风险小。300kW以下机组的市场需求量很大，上海应该组织开发。如上海柴油机厂，完全是有可能作为今后升级换代产品，望抓住机遇尽快组织开发。 n （3）中小型天然气发动机热电联供系统n 近年来一

29、些先进工业国家还开发了一些小型的适合于单一旅馆、大楼、宾馆以及医院、家庭等使用的热电（冷）联供系统。如图2-18所示是使用天然气的小型柴油机方式的热电联供装置。n 这种系统具有经济性好、效率高、清洁、操作容易等特点，可根据不同的用途配置燃气柴油机方式的发电机组。功率范围可以从几千kW到几个kW。综合热效率可以达到80%以上。随我国电力市场开放，发电与输电分营的改革不断深化，今后小型的分散型热电联供会逐步普及。在上海拥有对柴油发电机组的生产和开发能力较强，只需不多的投入就可将原有的柴油机改造成燃气柴油机方式的天然气发动机，即可以比较快地形成产业并为市场所接受（4）家庭用燃气空调系统：燃气冷暖水空

30、调这种系统有如下特点： （a）由于使用水作介质，所以受外界空气温度影响小。 （b）如果是高气密、高绝热住宅，一个外机可以带5台室内空调和2个地板加热系统。 （c）完全不使用含氟介质，对地球环境保护很有利。 （d）与一般的空调系统相比较，由于燃气费用便宜，加上采用吸收式热泵使机组热效率高、经济性好。在夏天制冷情况下，单位时间的运行费约为用电时的0.685；在冬天制热的情况下，单位时间的运行费约为用电时的0.755。 燃气热泵空调（GHP：Gas Heat。燃气热泵空调系统主要由燃气发动机、压缩机、室外热交换器、燃气热交换器以及二重组合热交换器组成的室外机，通过两根管道与室内机相联形成系统。一般的空调是由电动机来带动压缩机实现冷暖空调。大力发展燃气冷暖水空调及燃气热泵空调有利于解决上海市日益突出的峰谷电负荷矛盾；这两种系统的热效率都要比一般用电空调高，有利于节能；从技术角度分析我们完全可能在较短的期间内开发出系列化的产品。由于这类产品在先进的工业国家已逐步普及，一旦我国加入WTO以后，国外产品会大举进入我国市场，所以我们必须尽早建立高效率开发体制和组织建立生产、销售、服务体系（5）天然气汽车n 天然气是汽油机和柴油机十分有前景的代用燃料，使用天然气作燃料的汽车，一般说来只要对汽车上的燃料供给系统作改造以外，汽车的基本结构不需作大的变动。现在世界上普遍在使用的天然气汽车大多都