小型燃气发电的技术经济分析

1、小型燃气发电的技术经济分析深圳市质检站（518031）李浩军同济大学燃气教研室（200092）冯良上海第九设计院（200063）陆萍随着我国西气东输等天然气工程的实施，我国的能源结构将发生很大的变化，为了提高天然气的综合利用率，各地纷纷进行热电联产的试点，以期创出新路、积累经验。本文工团尝试对小型燃气发电及热电联产进行技术经济分析。1小型燃气发电技术当前燃气发电及热电联产的技术可分为成熟技术和包括成熟技术的新兴技术，其中成熟技术有燃气轮机和燃气发动机而新兴技术有微型涡轮机、燃料电池和其它著名的动力系统如斯特林引擎等。一般来说，燃气轮机是25MW以上发电容量的首选技术，但是容量在1MW10MW范

2、围中，燃气轮机的绝对地位出现动摇。同时3.5MW以下容量上目前仍然是柴油和燃气往复式发动机占主导地位。微型涡轮机和燃料电池等新兴技术主要利用于5MW以下。一般来讲，大型燃气轮机系统与高价的燃煤发电厂进行成本的竞争，而这些新型技术则不同，主要通过像低污染排放、低维护需求、低噪音等特征与其它投资成本较低的产品进行竞争，这里当然为也需要借助于人们对这些产品的品牌和对这些产品的想象力。目前看来，这些成熟或新兴技术产品要获得认可，除了还需大量的资金投入到产品的改进上，同时还要对这些产品的定位、相互的技术竞争、分销渠道和提高新产品采纳率等方面投入资金。燃气轮机燃气轮机因简单、效率高和适合高温热回收，所以一

3、般发电都采用燃气轮机技术。而大部分小型轮机发电设备采用简单循环的运行模式很少有25MW以下的小型联合循环系统。燃气轮机在5MW以下因为规模原因，将会有相对较高的价格和较低的效率，因此小型燃气轮机应用的市场份额很少。美国索拉公司（Solar）的水星50（Mercury50）是个例外，它利用热回收做到了在较低的压比下获得较高的效率，它的容量为4MW，具有40%的效率。显然它与同容量范围的简单循环的柴油和燃气发动机相比大大地提高了效率。经过努力，燃气轮机近10年在废气排放方面出现了下降趋势。有一段时期，普遍采用蒸汽或水喷射减少轮机的传统扩散式燃烧器的污染排放。现在，许多制造厂商如Allison(Ro

4、llsRoyce),GE,和索拉公司采用低NOX燃烧器，可以使烟气中CO含量达到910-62510_6以下，甚至达到510-61510-6以下。12燃气发动机站式发动机应用在过去几十年中，特别是在近10年中有了严格的增长。随着产品技术的不断步和严格的环境控制要求，往复式发动机必将继续作为一种低成本的原动机具有极强的竞争性燃气发动机的用户增长是由于它在成本、效率、可靠性和废气排放方面有了长足的进步。主要表现在提高了相对输出率（kW/L），减少了与柴油发动机在输出功率及相对价格（/kW）之间的差距。燃气发动机两种基本的废气排入控制方法，分别应用于化学计量比运行和贫气燃烧运行。化学计量比燃烧发动机使

5、用三元催化污染控制系统来同时降低Nox、CO和未燃碳氢化合物。例如站式动力应用一般是在稳态工况下运行，若严格控制，可以使Nox排放控制在/kWh/kWh.另一控制燃气发动机污染的主要方法是贫气燃烧，即使用大的过剩空气系统（超过50%100%理论空气量），高过剩空气可以使Nox排放显著减少而同时使循环效率增加。300KW以上站式贫燃发动机有许多不同的设计方法，例如大型燃气发动机常使用超高能量点火、预燃室、小火点火系统（使用1%能量）、柴油喷射等。贫燃燃气发动机的NOx在/kWH0.94g/kWh.。燃气发动机经过严格维护，完全可以实现热电联产。国际上90年代以来在大力发展500kW以下的热电联产

6、，尤其集中于5kW75kW的系统，使用低成本的汽车发动机和快装系统来降低总装机成本。微型涡轮机微型涡轮机是输出功率在30kW200kW的小型燃气轮机。当然为满足大负荷也可以组合装配在一起。微型涡轮机的大小适合应用于热电联产或只用动力的商用建筑物或轻工业市场。燃料电池不同于转换燃料的热做功最终变电的传统发电系统，燃料电池像一般电池那样利用电化学生产电力。它和从储备化学制品中提取电力的蓄电池不同，燃料电池生产电力是用氢燃料通入电池的阴极以及空气中氧通放阳极。氢燃料有各种来源，但是最便宜的是天然气的蒸汽重整，即提取燃料和蒸泊中氢的化学过程。由于进行电化学反应的电解质类型的不同，燃料电池可分为以下几种

7、：磷酸燃料电池（PAFC）、溶解碳酸盐燃料电池（MOFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEM）。每种燃料电池都包含与众不同的技术，并具备各自的运行特点和发展阶段。PAEC现在处于早期商用市场开发阶段。200kW装置已经交付给120个以上的用户。SOFC和MCFC技术现在处于现场试验阶段或示范阶段。PEM装置仍处于早期开发试验阶段。直接的电化学反应与一般的热发动机产生的电力相比，效率更高。燃料电池的效率从PEFC的35%-40%到发展中的MCFC和SOFC系统的60%不等。燃料电池比普通发电机安静、清洁。与普通电池一样，燃料电池产生直流电（DC）、为了获得60Hz交流电

8、（AC）需使用逆变器。这些动力电气设备与其它设备组合起来，可以作为敏感用户电力质量管理战略一部分。由于目前燃料电池的高成本，燃料电池最适用于对电力质量、电力环境要求高的地区和用户。一些燃料电池技术可以使设备模块化，应用于小型商用甚至于民用中，其他一些技术则运用在大的高温系统。适用于工业的热电联产项目中。2小型燃气发电的应用小型燃气发电主要用于热电联产、调峰和备用电力等领域。热电联产发电技术在把燃料转换成电的过程中产生了大量的热。对发电厂来说平均输入燃料的能源中的2/3变成了热。虽然部分热量能被用户利用，但是只有发电厂靠近用户的情况下才能实现。小型燃气发电设备因其体积小，可以方便地坐落在任何需要

9、电力的场所，实现热电联产就有极大的优势。热电联产能显著地增加能源使用的效率，减少全球废气排放，降低成本。热电联产对终端和高热量使用用户最好，可利用于加工工业、医院、学校、洗衣房等。另外，由于天然气是一种清洁、绿色的能源，燃气热电联产能减少空气和水质的污染，减少温室气体的排放，对地区的经济发展有极大的社会效益。备用电力电力系统需要可靠、不间断的供电服务。当然，发生断电的大部分原因是因为风暴或电网系统发生故障。一般断电敏感的用户，他们因安全等原因需要备用电力，直到应用供电服务得到恢复。像电信、零售和加工工业等用户，安装备用发电机的发电资源利用得非常不充分，平时几乎不运行，由于孤立于电网之外，它们不

10、作为发电容量计算在任何一个电力公司或非电公司中。国外有一些电力公司利用一些备用电力作为减少高峰负荷的手段，或支付租出费用，或减少用户高峰负荷时段的限制运行时间。用户自由选择能源商可以刺激备用发电机的经济竞争。为备用电力装置增加运转的时间，从而把备用发电成本减少到最小，通过把稳定的电力供应和间歇的备用电力结合，可以使可靠性达到最大。23调峰根据电力需求和发电资产有效性的不同，电力成本每小时都在改变。这些成本变化将直接表达为价格信号。电力公司把按小时变化的负荷分类为季节和每天的高峰、非高峰负荷。用户需支付高峰用电时段（TOU）比率，因此在整个高成本的高峰时期里能选择小型发电设备作为调峰使用，能降低

11、用户的总成本。与之相对应，用户发电容量能减少能源供应商高峰时段的发电需求，从而减少发电设备的投资，降低发电成本。TOU用户可以发现他们的小型发电系统比一年中大部分时间的高峰TOU比率便宜。总的电力支付费用越接近实际小时成本，开发调峰战略对用户和能源服务商获得的经济利益就越大。3小型燃气发电的应用经济分析m3计，则每度电的成本低于0.60元（以上海市居民用电电价0.61元/kWh计算），低于目前的电力时价。如果考虑热电联产，那么就可更突出其经济性。燃气热电联产最感兴趣的因素是电能价格、燃气与电的价格比、年度耗量、已经使用燃气或者很容易就能转到以燃气为主的电用户数量。一个地区是否适合采用燃气热电的

12、有用指标是燃气与电的价格比率，但是在不同的地区仅以简单的价格比还不能得到一个很好的比较，它还未表示出燃气与和电价格的绝对值差别。为了给出一个燃料省钱指标对便在各地区间对联产发电受益进行比较，采用以下计算方法：如果采用热电联产，该单位如果使用热电联产提供的电量、热量年花费的费用为SePe和ShPh,如果假设联产发电机的总效率为，则该单位供出的这些热和电所需消耗的燃气的费用近似为，另外假设城市的供热锅炉燃料采用燃气，而效率为，那么因采用热电联产而节省的燃料费用=电费+供热费-所用燃料费。分别表示联产发电机供出的电量、热量，分别表示单位热量的电价、热价和燃气价，为联产发电机总效率，为一般供热系统的效

13、率。为了方便比较，假设热电联产发电机热效率与常规供热效率相同，即，则节省的燃料费用电能供出量燃料省钱指数。燃料省钱指数为由此可见，燃料省指数与电价成正比，且随着燃气与电价的价格比的降低而增大。这个指数仅表示在不同能源地区之间的对比，并不考虑首次投资、安装规模和维修费，只纯粹对能源价格而言。以上海的电元，天然气元为例，而每立方米的天然气相当于度电，则省钱指数元。即热电联产发电机每发度电，将节约元，前提是联产机所供出的热能全部利用。现今典型锅炉的效率设定为。联产发电机的发电效率为，供热泪盈眶效率为。使用联产发电机的用户将会受益，而同时煤气公司也将受益。这是因为引进了新型设备后促进了新奸筑物使用燃气否则这些建筑物将可能全部采用电能。对煤气公司的主要吸引力是在电能用户中又争取到了燃气用户。如果假设联产发电机在供给输出热能需求时能够经济地运行，则可以将增加的燃气负荷作为发电效率的提高。事实上，当系统不能用电之前，燃气负荷达到一个最高点。这