小型热电联产设备

1、小型燃气发电的技术经济分析随着我国"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

2、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。1.1 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

3、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(RollsRoyce),GE,和索拉公司采用低NOX燃烧器，可以使烟气中

4、CO含量达到9×10-625×10_6以下，甚至达到5×10-615×10-6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用三元

5、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0.2g/kWh0.42g/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 0.4g/kWH 0. 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

6、展500kW以下的热电联产，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。1.3 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。1.4 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

7、的电解质类型的不同，燃料电池可分为以下几种：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。2.1 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

8、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。2.2 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

9、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

10、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小型燃气发电设备的运行成本，如果效率定为35%，以天然气1.9元/ 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有用指

11、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Se·Pe和Sh·Ph,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

12、、热价和燃气价，为联产发电机总效率，为一般供热系统的效率。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

13、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小型热电联产的选择中国能源网 www.C 韩晓平目录：1、小型燃气热电联产的优势2、燃气热电联产的方式2.1、 小型燃气轮机热电联产-高品质热能的最佳选择2.2、 微型燃机热电联产-21世纪的潮流2.3、 气内燃机热电联产-传统技术的沿用2.4、 燃气外燃机热电联产-老发明新用途2.5、 燃气电池热电联产-人类理想的热电技术2.6、 燃气锅炉-蒸汽轮机热电热电联产-特定燃

14、料的选择3、选择2000年中国能源行业有一件具有历史意义的事件，这就是由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了关于发展热电联产的规定。这是执行中华人民共和国节能法等有关法律，实施可持续发展战略、贯彻环境保护基本国策和提高能源综合利用效率的重要行政规章。规定再次明确了国家鼓励发展热电联产的政策，特别支持发展以天然气为燃料的燃气轮机热电联产项目，同时强调了国家积极支持发展小型燃气机组组成的热电联产和热电冷联产系统。目前，北京、天津等地正在积极利用陕甘宁天然气资源，上海、江苏和浙江等地正在安排落实"西气东数"工程的市场，为发展小型燃气轮机热电联产提

15、供了机遇。世界各国的经验表明，发展小型热电联产是合理、高效利用天然气资源的最佳手段，对于改善环境、消化因燃料调整带来的成本增加，都是最好的解决方案。目前全世界都在推动第二代能源系统的建设，积极进行立法准备，抓紧开发相关设备。微燃机、燃料电池、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、燃气内燃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。一个由因特网和智能化计算机指挥调度的，由无数小型、微型热电冷系统组成的自下而上的能源系统，将在21世纪初改变传统的由大型火电厂，高压输电线路和多层电压网络系统构成的，以及各种供热采暖锅炉共同组成的

16、城市传统能源体系。人类将从工业时代的"规模效益"，转向信息时代以效益定规模的生产方式。如何选择小新燃气热电联产方式，已经成为人们关注的一个焦点问题。1、小型燃气热电联产的优势北京有一个房地产公司最近要开发建设一座高层公寓大楼。因为有电梯，劳动部门要求至少两路供电，消防部门也要求电源不能少于两路，否则需要安装自备发电机组。开发商从供电部门得到的信息是，其中一路电缆必须入地，需要建设费至少200万元。解决天然气采暖需要购置至少安装2台燃气锅炉，投资超过50万元，投资需75年才能回收，锅炉寿命只有20年。如果采用宝曼80kW微型燃机热电联产设备，两套总投资120万左右，可以不用建

17、设第二路供电线路和燃气锅炉，投资节省130万元，设备能在4年之内回收。由此可见，发展小型热电联产是具有一些明显优势的。1.1、 小型燃气热电联产可以更加有效配置资源，稳定、持续地利用天然气、煤层气等资源，减少燃气的调节，降低因燃气调峰导致的储采比下降，地下储气库损失等不必要的资源浪费，减少燃气管网的建设投资，提高设备运行效率，从而达到降低燃气利用成本，提高用气企业的竞争能力；1.2、 在计划经济体制下，行业是以产品划分的，能源设施的产品和任务非常单一，电力、热力、燃气各自独立，能源设施的重复投资建设，增加了运行成本，降低了效率，直接造成能源代价的提高。小型热电联产打破了传统的界限，将采暖、热水

18、、电、冷、燃气、水资源合理利用和环境污染治理统筹考虑，以最小的资金、资源和环境代价，换取最高的投资效益、能源转换效率和能源设施效能。减少了电网及配变电、热力管网及热交换站、燃气管网及调峰系统、自来水管网、制冷设备、热水供应设施和环境污染治理等多项投资，一石数鸟；1.3、 燃气热电联产将燃气资源的用户端利用效率提高到80%，并将其中一部分能量转换为高价值的电能，有效节约了资源。同时小型的燃气热电装置，可以将热、电在输送中的损耗降至最低，减少了能源的浪费；各类燃气热电联产设备的效率比较方式 宝曼微燃机 索拉小燃机 卡特内燃机 STM外燃机 燃料电池 燃气锅炉发电效率 26% 25-41% 32-4

19、0% 29% 40-70% 0热电效率 77-86% 77-88% 80% 75% 80-95% 85%1.4、 小型燃气热电联产体系实际是一种能源设施的互联网，它通过蜂窝状的小型、微行供能设施的互相连接，提高了城市的供能可靠性。此外，各厂家的设备都设计了自动调频并网系统，可以保证电网的运行安全；1.5、 小型热电设备如果如直燃、蒸汽或热水空调系统结合，实现热电冷联产，可以大幅度削减因电空调造成的高峰负荷，优化用电结构，提高型发电大机组设备利用率，保证电网的安全运行；1.6、 小型热电联产不仅自身污染小，对环境污染的治理效果也十分突出。由于用户端的能源利用效率高，真正减少二氧化碳等温室气体的排

20、放；代取了大量电空调，可有效减少了臭氧层的破坏；一些小型热电设备氮氧化物排放极低，入宝曼微燃机的排放值为16ppm，索拉小燃机的排放25ppm，远低于燃气锅炉200-300ppm的水平；各类燃气热电联产设备的氮氧化物排放比较方式 宝曼微燃机 索拉小燃机 卡特内燃机 STM外燃机 燃料电池 燃气锅炉排放值 16ppm 25ppm 100ppm 25ppm 0 >200ppm1.7、 小型燃气热电联产具有较好的综合经济效益，除了上述的各类能源项目的投资可以减少外，由于资源利用效率高，没有也无须承担电力的线损和热力的管损，减少了若干个经营环节，加上自身的高自动化程度可以实现无人职守，极大地降低

21、了设备的运行成本。根据测算，宝曼微燃机如果用于北京的宾馆，燃气价格与其他形式热电联产同价，不到3年可以回收投资，用于居民楼不到5年可以收回投资，这是其他能源设施根本无法想象的。热值/热价/热代价关系比较序号 燃料 单 位 价格 低热值(大卡） 百万大卡热值价格（元） GJ热值价格（元） 热值价比系数 平均有效利用系数 GJ热代价（元） 热代价价比系数1 市民补贴煤 kg 0.2 5000 40 9.55 1 50% 19.11 12 低硫煤 kg 0.25 5000 50 11.94 1.25 60% 19.90 1.04 3 渣油 kg 1.8 9200 195.65 46.73 4.89

22、85% 54.98 2.88 4 重油 kg 2.2 9800 224.49 53.62 5.61 88% 60.93 3.19 5 原油 kg 2.3 10000 230.00 54.93 5.75 88% 62.43 3.276 柴油(批发） kg 3.5 10302 339.74 81.15 8.49 90% 90.16 4.72 7 柴油（零售） kg 3.8 10302 368.86 88.10 9.22 90% 97.895.128 液化石油气 kg 2.4 11650 206.01 49.20 5.15 90% 54.672.869 煤气 m3 0.8 4500 177.78 4

23、2.46 4.44 88% 48.25 2.53 10 蓄热电锅炉用电 kWh 0.19 860 220.93 52.77 5.52 92% 57.36 3.0011 居民用电 kWh 0.395 860 459.30 109.70 11.48 95% 115.48 6.0412 普通工业用电 kWh 0.48 860 558.14 133.31 13.95 98% 136.03 7.1213 商业用电 kWh 0.52 860 604.65 144.42 15.12 98% 147.377.7114 宾馆用电 kWh 0.64 860 744.19 177.75 18.60 98% 181.

24、379.4915 燃煤采暖蒸汽 kg 0.09 661 136.16 32.52 3.40 100% 32.521.7016 燃煤工业蒸汽 kg 0.11 708 155.37 37.11 3.88 100% 37.111.9417 燃气采暖蒸汽 kg 0.16 661 242.06 57.81 6.05 100% 57.81 3.0318 燃气工业蒸汽 kg 0.18 708 254.24 60.72 6.36 100% 60.723.1819 热电采暖蒸汽 kg 0.11 661 167.47 40.00 4.19 100% 40.00 2.0920 热电工业蒸汽 kg 0.12 708

25、167.47 40.00 4.19 100% 40.00 2.0921 发电天然气 m3 1.4 8400 166.67 39.81 4.17 90% 44.23 2.31 22 民用天然气 m3 1.7 8400 202.38 48.34 5.06 90% 53.712.8123 工业天然气 m3 1.8 8400 214.29 51.18 5.36 90% 56.872.9824 商业天然气 m3 2.2 8400 261.90 62.55 6.55 90% 69.513.64注： 平均有效热能利用率-指燃料转换有效热能的平均百分比热代价-指在利用某一燃料转化热能时所需支付的燃料费用各种燃

26、料热值均采用低热值，民用蒸汽压力0.5MPa 饱和，工业蒸汽压力1MPa过热从上表可以看出，发展热电联产所提供的主要能源是蒸汽热水等热成品，对与热用户来说，热电蒸汽在各种能源产品中的热代价最低，使用最为便捷，能源利用设施的投资最节约，经济效益必然最为理想。这也说明了发展热电联产的必要性。2、燃气热电联产的方式2.1、 小型燃气轮机热电联产-高品质热能的最佳选择：国际上通常将300kW-20000kW的燃气轮机规类为小型燃气轮机。燃气轮机的余热品质极佳，几乎全部是500左右的烟气流，非常便于回收利用，这是其他热电联产方式难以代取的。位于美国圣地亚哥的索拉透平公司的成品比较具有代表性的，该公司生产

27、1-13MW小型燃气轮机，总产量超过1万余台，大量应用在热电联产项目上，中国也已引进近70台，其性能见（附件1）。此外，GE、罗?罗等公司也有小型燃气轮机产品，但多是从飞机发动机改造而成，维护要求较高，运行可靠性存在一定问题，其发电效率很高，但余热品质偏低，不适合于热电联产。Solar 公司小型燃机热电联供系统功效比较分析项目 单位 系数 Saturn 20 Centaur 40 Centaur 50 Mercury 60 Taurus 60 Taurus 70 Mars 90 Mars 100 Titan 130土星20 人马座40 人马座50 水星60 金牛座60 金牛座70 火星90 火

28、星100 太阳神130燃机出力 kW ISO 1181 3418 4234 4072 5069 6728 9061 10439 12533千瓦燃耗 kJ/kWh ISO 14987 13166 12541 9209 12093 11281 11555 11265 11115燃耗量 GJ/h ISO 17.7 45.0 53.1 37.5 61.3 75.9 104.7 117.6 139.3天然气消耗量 M3/h 35169 503 1280 1510 1066 1743 2158 2977 3344 3961燃机发电折热能 GJ/h 3600 4.25 12.30 15.24 14.66 1

29、8.25 24.22 32.62 37.58 45.12燃机效率 % ISO 24.0% 27.3% 28.7% 39.1% 29.8% 31.9% 31.2% 32.0% 32.4%燃机排烟温度 0C ISO 512 443 502 351 496 482 468 491 482 余热锅炉烟气量 t/h ISO 22.7 65.8 67.2 60.6 77.7 95.9 138.20 147.3 176余热锅炉直接供热(蒸汽压力 1034kPa,饱和）蒸汽量 t/h 3.7 8.3 10.6 4.6 12 14.1 19 22 25.8蒸汽折净热能 GJ/h 2440 9.03 20.25

30、25.86 11.22 29.28 34.40 46.36 53.68 62.95供热效率 % 51.01% 45.00% 48.71% 29.93% 47.77% 45.33% 44.28% 45.65% 45.19%联合循环发电效率 % 75.03% 72.35% 77.41% 69.02% 77.53% 77.24% 75.43% 77.60% 77.58%热电比 % 212.34% 164.59% 169.68% 76.57% 160.45% 142.04% 142.12% 142.84% 139.52%余热锅炉补燃至9270C直接供热( 蒸汽压力1034kPa,饱和）补燃燃耗量 GJ

31、/h ISO 11.20 37.90 34.20 40.80 40.00 50.90 74.90 76.10 93.50天然气消耗量 M3/h 35169 318 1078 972 1160 1137 1447 2130 2164 2659蒸汽量 t/h 8.4 24.7 25.2 22.5 29.1 35.9 51.3 54.7 66.0 蒸汽折净热能 GJ/h 2440 20.50 60.27 61.49 54.90 71.00 87.60 125.17 133.47 161.04供热效率 % 70.92% 72.70% 70.43% 70.11% 70.09% 69.08% 69.69%

32、 68.90% 69.18%联合循环发电效率 % 85.63% 87.54% 87.89% 88.84% 88.11% 88.18% 87.86% 88.31% 88.56%热电比 % 482.08% 489.79% 403.40% 374.51% 389.10% 361.66% 383.73% 355.15% 356.92%余热锅炉补燃至15930C直接供热( 蒸汽压力1034kPa,饱和）补燃燃耗量 GJ/h ISO 29.7 92.5 89.6 91.3 104.0 130.2 188.1 196.4 238.8天然气消耗量 M3/h 35169 844 2630 2548 2596 2

33、957 3702 5348 5584 6790蒸汽量 t/h 16.50 48.20 49.20 44.10 56.90 70.30 101.30 106.80 128.90蒸汽折净热能 GJ/h 2440 40.26 117.61 120.05 107.60 138.84 171.53 247.17 260.59 314.52供热效率 % 84.94% 85.53% 84.13% 83.54% 83.99% 83.23% 84.42% 82.99% 83.18%联合循环发电效率 % 93.91% 94.48% 94.81% 94.92% 95.03% 94.98% 95.56% 94.96%

34、 95.12%热电比 % 946.94% 955.79% 787.59% 734.04% 760.81% 708.20% 757.74% 693.43% 697.08%主要优点：（1） 小型燃机热电联产设备比其他热电联产更加坚固耐用，一般何以连续运行30年，例如索拉燃机的大修周期超过3-4万小时；（2） 适用于多种气体燃料和液体燃料，例如索拉燃气轮机既可以燃烧各类可燃气体，又能随时切换另一种液体燃料，如：柴油或液体的液化石油气，这一性能无论对燃气管道的安全运行，还是供电供热的用户的供能安全，都是非常有必要的；（3） 由于余热回收的方式简单，热电联产的千瓦造价较低；（4） 高品质的余热，可以用于

35、各种工艺方式，可采用联合循环热电联产，通过生产的蒸汽采暖、制冷。也可采用燃气轮机-蒸汽轮机联合循环热电联产，这样发电效率更高，效益更好。可将小型燃气轮机直接与直燃机结合，进行热电冷联产。还可将小型燃气轮机发出的电能或直接利用其动力驱动热泵运行，并将余热用于提高或降低冷热水的温度，提高全系统的效率，降低系统造价；（5） 运行费用低，热效率高，经济效益好。主要缺点：（1） 容量规模比较大，燃气轮机一般不小于1MW，供热量3.5t/h，使用范围受到一定局限，主要用于工业设施和大型公用建筑、社区、院校和医院等；（2） 需要的燃气压力较高，在低压管道中运行需要对燃气增压。小型燃气轮机热电联产工艺示意图2

36、.2、 微型燃机热电联产-21世纪的潮流：美国的能源专家将微型燃气轮机称之为能源的PC机（个人电脑），它在未来第二代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。具有代表性的厂家主要是英国的宝曼公司，美国的卡伯斯通和刚刚被GE公司兼并的霍尼韦尔公司，产品从25kW-80kW，各公司都在开发200-300的微型燃气轮机，以满足较大的公用建筑使用。其核心技术是：a.高速转子-转速在每分钟12万-6万转；b.烟气回注-将燃烧后的高温烟气对进行燃料预热的提高能效的技术；c.小型永磁发电机；d.自动控制技术。主要优点：（1） 体积小，重量轻，随处可放。一台宝曼80kW微型燃气轮

37、机热电联产装置，可供热420kW，满足一座建筑面积6000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；（2） 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、电需求进行调节；（3） 能够通过因特网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；（4） 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；（5） 可与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；（6） 综合投资低，用户端的能量利用效率高、设备运行效费比低，效益好。Bowman 微燃机投资回收比较用户 居民大

38、楼 商业建筑 宾馆饭店 LPG用户电价（元/kWh） 0.395 0.52 0.64 0.52热价（元/m2/a） 28 35 35 28供热量（w/m2） 50 58 50 50燃气价 1.4元/m3 1.7元/m3 1.8元/m3 2.2元/kg投资回收年限 4.84 9.78 7.38 5.25主要缺点：（1） 技术相对较新；（2） 发电效率还是偏低，各厂家的设备发电效率均不超过28%；（3） 必须与因特网技术共同发展，最好有网络提供远程支持。宝曼微燃机 Bowman TG80 CHP 经济性比较分析设备 % 回热循环 前置循环 燃气锅炉(比较）系统供热出力 kW(th) 150 420

39、 420kCal 129000 361200 36120070-90工质热水交换量 kg/s 1.8 5 5t/hr 6.48 18 1815-60生活热水交换量 t/hr 2.78 7.80 7.80热水/采暖费标准 元/M2/a 26 26 26小时标准热水/供暖量 W/M2/hr 50.0 50.0 50.0Cal/M2/hr 43 43 43设备供暖面积 M2 3000 8400年采暖周期 days 131 131 131hrs 3144 3144 3144热价（按采暖费推算） kW(th) 0.165 0.165 0.165kCal 0.142 0.142 0.142MW 165.4

40、 165.4 165.4MCal 142.2 142.2 142.2设备小时热收入 元/a 24.81 69.47 69.47折算热水价格 元/t 10.91 10.91 10.91设备利用小时 hrs 6500 6500 6500年热收入 161,259.54 451,526.72 451,526.72燃机出力 kW(e) 80 80 0燃机发电效率 % 26 14 0发电系统净出力（含压缩机功率损失） kW(e) 76.2 72.9 0电价 元/kWh 0.52 0.52 0年电收入 元/a 257,556.00 246,402.00 -总毛收入 元/a 418,815.54 697,92

41、8.72 451,526.72标准天然气燃料低热值 mJ/m3 34.88 34.88 34.88kCal/m3 8331 8331 8331燃料消耗量 mJ/hr 1109 2058 1680m3/hr 31.8 59 48.2燃料价格 元/m3 1.4 1.4 1.4小时燃料费 44.52 82.6 67.4年燃料费 289,380.00 536,900.00 438,381.65千瓦运行费 元/kWh 0.05 0.05 0运行维护费 元/a 24,765.00 23,692.50 25,000.00收益 104,670.54 137,336.22 -11,854.93单位造价 元/kW

42、 5,162.60 6,972.00总造价 元/unit 413,008.00 557,760.00 250,000.00设备投资回收周期 年 3.95 4.06 -21.09微燃机工艺示意图 核心机剖面图2.3、 燃气内燃机热电联产-传统技术的沿用：最早的燃气内燃机是美国卡特彼勒公司于1940年开发生产的，它主要是基于柴油发电机和汽油发电机的技术，以各种可气体为燃料。燃气内燃机将燃料与空气注入气缸混合压缩，点火引发其爆燃做功，推动活塞运行，通过气缸连杆和曲轴，驱动发电机发电。世界生产燃气内燃机产品的公司很多，如：美国的卡特彼勒、康明斯、荷兰的瓦西兰等，我国也有多家企业可以生产，主要是生产柴油

43、机的公司。卡特彼勒燃气内燃发电机热电联产技术参数机型 单位 G3306TA G3406TA G3406LE G3412TA G3508LE G3612SITA G3616SITA发电机额定输出功率 KW 110 190 350 519 1025 2400 3385 发动机转速 Rpm 1500 1500 1500 1500 1500 1000 1000涡轮压缩机压缩比 8.0:1 11.6:1 9.7:1 12.5:1 11.0:1 9.0:1 9.0:1 最小进气压力 kg/cm2 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11 3.02 3.02能量消耗（低热值） MJ/hr 1451

44、2073 3758 5044 10810 23925 33381天然气耗量* M3/hr 41.6 59.4 107.7 144.6 309.9 685.9 957.0 废烟气排量 M3/hr 418 904 1278 2509 4815 37472 51928 废烟气温度 °C 540 415 450 453 445 450 446废烟气排热量 MJ/hr 263 382 616 1166 2199 5438 7445 废烟气含氧量 % 0.5 8.5 4 10.2 8.2 12.3 12.2缸套冷却水出口温度 °C 99 99 99 99 99 88 88缸套冷却水排热

45、量 MJ/hr 594 612 1350 936 2937 2218 2986 中冷器进口温度 °C 54 32 32 32 32 54 32中冷器排热量 MJ/hr 18 97 83 216 695 1462 2366发电热效率 % 27.29 33.00 33.53 37.04 34.14 36.11 36.51 供热效率 % 54.27 47.37 49.07 41.36 48.55 34.30 34.50 总热效率* % 81.56 80.36 82.60 78.40 82.68 70.41 71.01 热电比* % 199 144 146 112 142 95 95主要优点

46、：（1） 技术成熟，工艺稳定，已经被广泛采用。仅在我国各个油田，卡特公司就有超过200台燃气内燃机正在利用油井天然气运行，其中一些设备已经稳定运行超过15年；（2） 发电效率高，通常在32-40%。这对于电力需求较大的用户十分合适；电能转换比较厂家 GE Allison Solar Solar 杭汽* Caterpillar类型 轻型燃机 燃气轮机 燃气轮机 先进燃机 蒸汽轮机 燃气内燃机 型号 LM500 501KB5 Centaur Mercury T9099 G3616出力 3880 3725 3880 4200 3000 3385千瓦热耗（kJ） 12059 12995 12925 8

47、683 17417 9810发电热效率 29.85% 27.7% 28% 41.5% 20.67% 36.7%注：* 燃油锅炉有效热能转换效率90%，凝汽发电，进汽压力3.43MP，温度435，汽耗4.75kg/kWh。（3） 可选择的机组容量范围大，从几十千瓦至近万千瓦的产品市场上都可以找到；（4） 燃气可以利用燃气内燃机自身携带的空气压缩机增压，不用另配增压设备；（5） 使用多种低热值燃气，应用范围大。主要缺点：（1） 体积大，重量大，热电联产不宜布置；（2） 运行维护成本高，大修费用高；（3） 由于内燃机作功需要震暴，导致噪音很大，通常超过100分贝；（4） 余热回收复杂，需要对烟气、汽

48、缸冷却水、中冷器三段热量进行回收；（5） 供热量小；（6） 一些厂家产品的运行稳定性还存在一定疑问，例如：安装美国X X X公司的燃气内燃机的公共汽车的抛锚现象，在北京街头时常可见。2.4、 燃气外燃机热电联产-老发明新用途：燃气外燃机是根据1816年苏格兰人Ro斯特林一项发明的原理设计改进而来的，又称斯特林发动机或热气机。外燃机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。主要优

49、点：（1） 体积小，一个25kW的机组，体积仅有办公桌大小；（2） 因为做功不发生震暴，噪音很小，可在65分贝以下；（3） 发电效率高，可达到29%；（4） 燃气不用增压；（5） 外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。主要缺点：（1） 技术太新，应用经验不足；（2） 余热品质低，仅有冷却水可以加以利用；（3） 可选择机组仅有25kW机组。STM外燃机外型 核心机剖面图2.5、 燃气电池热电联产-人类理想的热电技术：尽管燃料电池技术达到广泛应用还需一段时日，但这一技术的进展极为迅速，世界各国都投入了大量资金、

50、人力进行开发研究，因为燃料电池代表了未来的能源技术。燃料电池有多种方式，一般都适合热电联产，主要分类为：1、质子膜交换燃料电池，将氢气和空气中的氧气通过作为固体电解质的质子交换膜反应，生成电能和60-80热水，发电效率为40%，造价较低，极具应用价值，特别是家庭热电设施和汽车上可以广泛使用；2、熔融碳酸盐燃料电池，通过多孔陶瓷材料和金属材料，将熔融状态的碳酸盐作为电解质，直接利用氢气、煤气、天然气或沼气等在高温下非燃烧反应，发电效率高达45%，并能产生600-700高温余热，可以代替燃气轮机的燃烧室，形成燃料电池-热气轮机-蒸汽轮机联合循环热电联产，热效率极高，可以在发电效率超过60%的情况下

51、，取得接近95%的热电效率。是将来大型发电/热电设施的理想选择；3、固体氧化物燃料电池，以固体氧化物作为电解质量，在高温下进行非燃烧反映，工作温度可超过800可利用氢气、一氧化碳、天然气、煤汽化气、等多种燃料，最适合集中或分散发电和热电联产，使用燃料电池-热气轮机-蒸汽轮机联合循环发电时效率可提高到70%，热电效率接近95%。主要优点：（1） 除了产生纯净二氧化碳可一回收利用外，其他污染物的排放为零，几乎没有污染；（2） 体积极小，8kW 质子交换膜机组只有一台20寸彩电大小；（3） 发电效率极高45-70%；（4） 燃料应用非常广泛，几乎所有含氢的物质；（5） 运行无须人员职守，运行费用低；

52、主要缺点：（1） 目前造价还是过高，最便宜的支子膜燃料电池如果成批生产，造价也需要15000元/kW。预计2010年，质子膜电池将可下降到400美元/kW；（2） 通常需要制氢设备；（3） 技术新，很多问题还需要解决；2.6、 燃气锅炉-蒸汽轮机热电热电联产-特定燃料的选择：不是所有气体燃料都适合上述各种先新型微燃机热电联产设备即将批量投产 2000-12-6 本站原创 阅读： 452次英国宝曼动力系统公司(Bowman Power System)研制成功先进微燃机热电联产系统，即将与2001年初投入批量生产。 宝曼此次推出的GT80型80-90kW微燃机采用了烟气回热辅助燃烧工艺，发电效率可

53、达到26%。热电联产效时，每小时能够产生3吨615高温烟气流，用于转换高品位蒸汽、热水，或与直燃机直接连接使用，热电联产的热电总效率可高达83%。 新型设备技术非常先进，燃气轮机的转速高达68000转/分，并采用了永磁发电机，但噪音在距设备1米处仅为65分贝。氮氧化物排放为16ppm，为燃气锅炉或直燃机的十分之一。设备采用了计算机程序控制，无需专人运行。燃料可使用天然气、柴油、液化石油气、煤气或沼气，可由高压燃气管网供气，也可直接由低压管网供气。 设备单位千瓦造价2001年为5300-6970（回热）元人民币，预计到2005年，随着产量增加，千瓦造价将降至4570-6150（回热）元，由于省略

54、了输变电和热力管网的投资，仅为传统能源设施投资的50%-30%，能源损耗近乎于零。可以广泛应用于办公楼、宾馆、学校、商场、居民楼宇小区、小型企业等用户，具有极大的应用潜力。 宝曼微燃机利用了英国多年积累的航空喷气发电机和燃气轮机先进技术为基础。宝曼公司还开发研制了35kW和50kW等级的更小容量微燃机，并同时开发200kW级较大容量燃机，以适应各类用户需要。日本企业十分看好这一产品的市场潜力，计划大量投资，在日本安装大型流水生产线，计划向制造汽车一样大规模工业化生产，以进一步降低成本。 世界各国能源专家普遍认为，21世纪将由微燃机、燃料电池、小型内燃机、小型外燃机（斯特林发动机）和风力发电、太

55、阳能发电等小型多源化能源设施，配合水力发电、先进技术核能利用设施组成新的能源系统，代替传统的火力发电系统。能源设备小型化的新技术浪潮，将是当今世界唯一能跟因特网相提并论的技术成果，如同当年蒸汽轮机的出现，将为人类到来新一轮工业革命。0 引言冷热电联产（Combined Cooling Heating and Power， CCHP）是一种建立在能量梯级利用概念基础上，将制冷、制热（包括供暖和供热水）及发电过程一体化的总能系统。其最大的特点就是对不同品质的能量进行梯级利用，温度比较高的、具有较大可用能的热能用来被发电，而温度比较低的低品位热能则被用来供热或是制冷。这样做不仅提高了能源的利用效率，

56、而且减少了碳化物和有害气体的排放，具有良好的经济效益和社会效益。具体的经济性、节能性分析请参见文献1、2.由于冷热电联产承担了制冷、制热和发电等多项功能，故系统中的设备数量较多、功能复杂。因冷热电联产是由热电联产发展而来，是热电联产技术与制冷技术的结合，故以下从热电联产和制冷两个方面来对冷热电联产系统中的主要设备进行评价。1 热电联产的主要设备评价与热电联产技术有关的选择主要有蒸汽轮机驱动的外燃烧式方案和燃气轮机驱动的内燃烧式方案。此外，现代科学技术的发展，特别是微型燃气轮机、燃气外燃机和燃料电池以及其他新能源技术的发展，也赋予了冷热电联产新的内涵。1.1 蒸汽轮机原理是由高温高压蒸汽带动汽轮

57、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或制冷。由此机组也一般有两种，一种是背压式机组，另一种是抽汽式机组。背压式机组不设冷凝器，用汽轮机尾部的余热作为热源，需要稳定的热负荷才能正常发电，其优点是热效率高。而抽汽式机组设置冷凝器，在汽轮机的中段抽取一定压力（一般在1.0MPa左右）蒸汽作为热源，其优点是热负荷可灵活调节，但热效率比背压式机组低。机组充分利用了汽轮发电机梯级做功的原理，能够提高发电机组的热效率，纯凝汽式发电机组的热效率一般为25%30%，而热电联产机组总热效率则在45%以上。由于蒸汽轮机机组需要用到锅炉提供高温高压蒸汽，所以一般在煤改气的热电联产中得以应用。1.

58、2 燃气轮机燃气轮机机主要由压气机、燃烧室和汽轮机组成。压气机将空气压缩进入燃烧室，在燃烧室内与喷入的燃气（如天然气）混合燃烧，之后在汽轮机里膨胀，驱动叶轮转动，使其驱动发电机发电。燃气轮机的尾气温度很高（一般在500以上），是很好的驱动热源，可以用来制冷，也可以进余热锅炉产生蒸汽再供热或制冷。另外，烟气也可以不全部用来发电，而是部分用于工艺，这样它的总热效率可达80%或更高。某焦化厂以富余的焦炉煤气为燃料进行热电联产，对燃气轮机和蒸汽轮机这两套方案进行了比较，我们可以看出燃气轮机具有以下的优点效率高。富余的焦炉煤气可带动2台2000kW的燃气轮机，其尾气又可带动2台6.5t/h的余热锅炉。燃气发电效率21%，余热锅炉热效率44%，总热效率65%.相应的蒸汽轮机方案发电热