智能电网第3章

第三章分布式发电系统的热电联产

§3-1概述

§3-2热电联产系统

§3-4热电联产系统的经济性分析

§3-3CHP的典型应用§3-5热电联产系统的效益分析

§3-6热电联产系统的性能和燃料优化

2/4/2023§3-1概述

发电系统在将燃料转化成电力的过程中产生大量热能，对于电力系统中的常用电厂来说，输入燃料三分之二以上的能量被转换成热能。当传统电厂将燃料转换为电能并送达一般电力用户时，只使用了全部能源的30%。由于分布式发电(DG)具有与负荷相适应的规模和位置，能够合理经济地回收这些热能。而终端用户只需利用自身设备内或设备附近的一台组合式热电联产(CombinedheatandPower，简写为CHP)系统就可同时获得热能和电能。CHP系统的总效率高达90%以上。

2/4/2023§3-1概述

CHP系统已在能源密集工业如纸浆、造纸和石油等行业应用了100多年，满足了这些行业对于蒸汽和电力的需求。CHP具有各种规模和配置形式供各种工业、商业和居民用户使用。CHP的发电系统甚至可与电力系统中大规模的发电设备配套使用，通常与地区发电系统互联使用。CHP还包括非电力功率、机械功率、或者仅供内部使用的电力。多数CHP的应用是联合发电，即采用中等规模的CHP系统同时生产电力和蒸汽。本章主要讨论使用分布式发电原动机发电时CHP的应用。2/4/2023§3-1概述

热电联产系统从电力生产中获得热能，用于各种目的热力需求，包括热水，蒸汽以及生产过程中的加热和冷却。CHP与分离式热电系统的效率对比示意图如图所示。一台典型的CHP系统能将输入燃料能量的80％转换成有用的能量，其中30％转换成电力，50％转换成热能。而传统的分离式热电生产设备提供同样的热能和电能则需要160％的输入燃料。即利用现代的CHP技术能节省近40％的燃料。2/4/2023§3-2热电联产系统

用于分布式发电的商用CHP技术包括：柴油发动机、天然气发动机、蒸汽涡轮发动机、燃气涡轮发动机、微型涡轮发动机和磷酸燃料电池。各种商用CHP原动机的技术特点如表3-1所示。由表3-1可见，CHP的容量变化范围很大——从1kW的斯特林CHP系统到250MW的燃气涡轮发动机CHP。由于某些技术方面的进步，所有的CHP都将具有较低的成本、较小的能量损耗，及更高的发电效率。

2/4/2023§3-2热电联产系统

表3-1DG/CHP技术比较性能特点柴油发动机天然气发动机燃气涡轮发动机微型涡轮发动机燃料电池斯特林发动机电能效率30%~50%25%~45%25%~40%(简单)40%~60%(组合式)20%~30%40%~70%25%~40%带部分负荷能力最佳一般差差－一般容量/MW0.05~50.05~53~2000.025~0.250.2~20.001~0.1启动时间10s10s10min~1h60s3~48h60s燃料压力/kPa<34.57~310830-3450275~7003.5~310－制造费用/($/kW)800~1500800~1500700~90040~1000.5~45－燃料柴油天然气、沼气、丙烷天然气、沼气、丙烷、精炼油天然气、沼气、丙烷、精炼油H2、天然气、丙烷各种燃料热能利用热水、低压蒸汽、供暖热水、低压蒸汽、供暖加热、热水、低压-高压蒸汽、供暖加热、热水、低压蒸汽热水、低压-高压蒸汽直接加热、热水、低压蒸汽CHP输出/(kJ/kWh)34001000~50003400~120004000~15000500~37003000~6000CHP可用温度/℃80~480150~260260~590200~34060~370260~5402/4/2023§3-2热电联产系统

一、往复式发动机

CHP主要应用两种类型的内燃机四循环火花－点燃式（Ottocycle）发动机压缩点燃式(内燃机循环)发动机使用往复式发动机的CHP系统的发电费用成本大约是800$~1500$/kW，其上限费用的产生主要是由于小容量CHP系统对所用设备的相关费用十分敏感，如燃料供应开支、发动机外壳的费用、工程造价及其他费用等。1.热能的回收利用

燃料中的能量在燃烧过程中释放出来，转换成发动机转轴的输出功率和热能。轴上输出功率驱动发电机工作，而释放的热量则经由冷却设备、或以废气和表面辐射的方式释放出来。2/4/2023§3-2热电联产系统

回收途径发动机的排气装置锅炉套管中的冷却箱润滑油冷却设备（少量）涡轮增压器的中间冷热器和二次冷却器回收热中生成的蒸汽和热水主要用于房间的取暖、再加热、家庭用热水和吸收式制冷。通过从锅炉套管的冷却水和排气装置中回收热能，大约有70％~80%的燃料能量可得到有效利用。发动机回收的排放热能主要有两种用途产生110℃左右的热水生成约103kPa的低压蒸汽

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2.闭环热水冷却系统从发动机中回收热量的最常用方法是应用闭环冷却系统，如图所示。这些系统通过驱动冷却剂在发动机通路和外部热交换器中循环来实现冷却。热交换器将额外的发动机热量传送至冷却塔或散热器。闭环水冷却系统工作时的冷却剂温度为90~120℃。2/4/2023§3-2热电联产系统

3.沸腾式冷却系统沸腾式冷却系统是利用沸腾冷却剂的自然循环，使其流经发动机来实现冷却。这种方法能够保持整个冷却剂回路的温度一致，而这种一致的温度则有助于延长发动机的寿命，提高燃烧过程的效率，降低电动机内的摩擦。这种冷却方法通常还可通过废热回收装置产生低压蒸汽。将冷却水引入到发动机的底部，在此处传递的热能开始加热冷却剂，产生两相流动。冷却水产生的泡沫降低了冷却水的密度，导致冷却水自然循环到发动机的顶部。在发动机出口处的冷却水处于饱和的蒸汽状态，限制在120℃以内，最大气压为103kPa。入口冷却水也接近饱和状态，其温度比出口温度低2~3℃。

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二、蒸汽涡轮发动机蒸汽涡轮技术是用途最广、最古老的原动机驱动技术之一，用于驱动发电机，或者是一些机械设备。目前在美国和欧洲，蒸汽涡轮发动机广泛应用于CHP系统中，其中蕴含了一些特殊设计以实现最大效率地利用蒸汽。当前在美国的电力市场中，传统的蒸汽涡轮发电厂提供的电能超过80％。蒸汽涡轮发动机的容量可以从几马力到大型发电厂应用的1300MW以上。蒸汽涡轮发动机并非直接将燃料资源转换成电能，而是借助于高压蒸汽。无论是在电力系统中应用的，还是工业上应用的蒸汽涡轮发动机，其设计方案都适合于CHP。

2/4/2023§3-2热电联产系统

1.工作原理

蒸汽涡轮发动机的热动态循环系统为兰金(Rankine)循环系统，此循环系统是传统的发电厂的基础。在这种循环中，热源(锅炉)将热水转换成高压蒸汽，蒸汽在涡轮中膨胀而产生动力。涡轮发动机排出的蒸汽冷凝后，输回锅炉中重复上述过程。

蒸汽涡轮发动机包括一套固定的叶片(称为喷嘴)和一套移动的相邻叶片(称为转动叶片)，它们安装在罩壳中。蒸汽推动叶片驱动涡轮发动机的轴和轴上连接的负载。当蒸汽经过叶片时，蒸汽涡轮发动机将压力转换成动能，锅炉中产生的高压蒸汽能量或其他能量使蒸汽涡轮旋转，而涡轮推动发电机轴转动。2/4/2023§3-2热电联产系统

2.热能回收

蒸汽涡轮发动机利用燃气涡轮发动机(组合循环系统)排出的余热来生产电能即是一种回收热能的方法。

从燃气涡轮发动机回收热能的方法是利用废热预热器或空气预热器的排出废气或抽取的蒸汽。回收热能的数量和质量是输入蒸汽条件和蒸汽涡轮发动机相关设计参数的函数。涡轮排放的蒸汽可直接用于作功或区域供热，或者将其转换成其他的热能形式，如热水或者制冷水。2/4/2023§3-2热电联产系统

3.工业、商业和公共事业方面的应用

工业应用方面，蒸汽涡轮发动机主要用于驱动发电机或其他设备，如锅炉给水泵、处理泵、空气压缩机或者制冷机等。就非冷凝式应用和负荷跟踪方面的应用来说，从涡轮发动机中排出的蒸汽，其压力和温度足以供应CHP加热使用。虽然后压式涡轮发动机比冷凝式涡轮发动机效率低，但是它们价格也较低，而且不需要表面冷凝装置。小型蒸汽涡轮发动机可用来替代减压阀，将通常需废弃的能量转换成有用的电能，而且性价比较高。替换减压阀的方式主要用于公共事业方面或者工业系统中，其中高压蒸汽是可利用的，且加工过程或取暖需要低压蒸汽。2/4/2023§3-2热电联产系统

三、燃气涡轮发动机

燃气涡轮发动机是一种物超所值的CHP替代产品，可作为商业和工业终端用户使用，它们对于基本电力负荷的需求大于5MW。它们带基本负荷供电并满负荷运行时的运行效果最好。燃气涡轮发动机经常用在蒸汽加热系统中，缘于它们具备的高质量热能输出，在大部分中压蒸汽系统广泛应用。用于CHP的燃气涡轮发动机可以是单循环或者复合循环配置形式。单循环的燃气涡轮发动机不能回收排出气体的热能，因此其发电效率和电能/热能比最低。具有蒸汽涡轮发动机的复合循环燃气涡轮发动机对于大型系统的应用来说很经济，最先进的用于电力系统的燃气涡轮发动机的发电效率可高达60％2/4/2023§3-2热电联产系统

通过燃烧含氧气丰富的排出燃体(辅助燃烧)，可从涡轮发动机中抽取出更多的能量。

吸收制冷系统则直接从燃气涡轮发动机的排气中获得制冷水，如图所示

2/4/2023§3-2热电联产系统

吸收制冷器通过工作流体在高温燃气涡轮发动机排气和低温水槽中流动产生制冷水，如图所示2/4/2023§3-2热电联产系统

工业应用中，大多数普通的吸收制冷器采用溴化锂和水溶液，来获得温度为7℃的制冷水。要获得更低的水温则需借助由氨气和水系统组成的系统。

在溴化锂吸收式制冷器中，制冷水通过水在蒸发区的蒸发而产生。2~4Pa的低压蒸汽用在单级的溴化锂吸收制冷机中，比率是7.7kg/制冷吨。而10Pa的中压蒸汽用在两级的吸收制冷机中，比率是4.5kg/制冷吨。2/4/2023§3-2热电联产系统

四、微型涡轮发动机

一般情况下，在任何位置建立的微型涡轮发动机CHP系统所生产电能的功率为25~200kW。它们通常采用天然气燃料，但也可以采用柴油、汽油或其他类似的高能化石燃料，将沼气作为燃料的微型涡轮发动机正处于研发过程中。由于微型涡轮发动机所用燃料的多样性，因此可在边远地区使用。微型涡轮发动机排出的热气可用于CHP。尽管多数设计结合了一个回流换热器，但实际上却限制了用于CHP的热能。回收的热能可用来加热热水，或供给低压蒸汽。2/4/2023§3-2热电联产系统

微型涡轮发动机的工作原理类似于燃气涡轮发动机，不同之处在于微型涡轮发动机设计了一个回流换热器，用于回收排出的部分热能并预热空气，原理如图所示

2/4/2023§3-2热电联产系统

微型涡轮发动机比常规的往复式发动机更小，比常规的同等容量的发电设备的转动部件小得多，因此微型涡轮发动机的运行和维护费用将显著下降。目前开发的微型涡轮发动机的热效率可达30%，氧化氮排量小于10×10－4%。通过采用陶瓷元件、改进涡轮的空气动力性能和回流换热器的设计以及提高接触反应燃烧的效率，可将其热效率提高到35%~50%，氧化氮排量在2×10－4%~3×10－4%之间。2/4/2023§3-2热电联产系统

五、燃料电池磷酸电解质燃料电池(PAFC)是到目前为止唯一大量使用的商业用电池。PAFC可以利用来自燃料电池组的废热，直接将甲烷转换成含氢丰富的气体作为燃料电池的燃料PFAC可制造成200kW的模块，这些模块也很容易组合在一起。PFAC产生的热能可用于供暖，或者直接作为热水使用，但其含热量不高，不能用于其他的联合发电系统中。

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)有望应用于1~20MW的固定电力生产中，且非常适合用在工业用的CHP中。可工作在高温下，其效率高于PAFC，估计效率可以达到55％的低燃烧值(LHV)

2/4/2023§3-2热电联产系统

固体氧化物燃料电池(SOFC)是最新型的燃料电池，目前仍处于实验室测试阶段。由固体氧化物燃料电池产生的高质量废热可用于燃料电池内部工作过程的改良，包括其产生的蒸汽可用在蒸汽涡轮发动机的复合循环中，生产出更多电力。质子交换膜燃料电池(PEM)工作在相对较低的温度(80°C)，不适合于传统的联合发电，但其起动速度很快燃料电池的类型决定了整个工作过程中释放热量的温度变化范围，以及对于不同CHP应用的适应程度。

低温的燃料电池产生的热能适用于低压蒸汽和热水型的CHP高温燃料电池产生高压蒸汽，可用于复合循环及其他的CHP过程

2/4/2023§3-2热电联产系统

六、斯特林发动机

斯特林发动机是以斯特林热动力循环命名的通过外部热源——通常为连续燃烧的锅炉产生动力可靠性仍是限制其在某些专门方面中应用的主要问题使用化石燃料和生物燃料时，连续燃烧加热器避免了局部高温，因此其排放非常低，而且容易控制斯特林发动机使用的燃料范围很广，包括化石燃料、生物燃料、太阳能、地热能和核能。在欧洲，一些斯特林发动机在电力系统方面的应用实例说明了这项技术可用于居民用户的小型CHP中。

斯特林发动机的容量很小，其发电效率很容易达到30％以上。2/4/2023§3-2热电联产系统

七、热电联产系统的性能参数研究CHP系统寻求获得获得较高的能量利用系数：

式中，Uu为使用或回收的热能；W为生产电能；Ub为输入热能。常规发电厂的热效率为

能量利用系数为

2/4/2023§3-2热电联产系统

将常规电厂转换为热电联产系统，因此电厂的热效率会下降，而能量利用系数将小于电网值。如果从涡轮发动机中提取的单位热能为m，则新的效率为保持原电厂效率不变。而CHP系统的能量利用系数为

EUFcg小于1是由于在温度Ta时还有部分热能未经利用就排出了2/4/2023§3-2热电联产系统

由上述分析可知，将常规电厂转换为CHP系统，实际上是牺牲了热效率来获取更高的能量利用率。以上是热动力学方面的分析结论，是否值得作出这样的转换主要取决于经济性方面的考虑。2/4/2023§3-3CHP的典型应用

一、电力和热力负荷

在CHP可行性分析中，首要的和最重要的因素是得到电力和热力负荷的精确表达，特别是当CHP系统不允许向电网输送电能时。这样的应用通常要求CHP能够跟踪电力负荷的变化，因此系统必须调整各自的输出电功率，使其等于或小于电力负荷。30min或1h的负荷特性曲线特别适合用来对CHP系统做上述分析。热负荷曲线由使用的热水、低压和高压蒸汽的消耗以及制冷负荷等组成。电力负荷曲线的形状以及最大、最小值之间的变化范围在很大程度上决定了原动机的数量、容量和类型。

2/4/2023§3-3CHP的典型应用

对于承担基于负荷的CHP，可向电网输出电能，并且满足最小的热力负荷需要，CHP系统的容量设计规模在很大程度上取决于大规模能源市场的容量需求。

CHP的容量因数是一个关键指标，它表征了发电机的容量在运行中应该如何分配。

容量因数是表达CHP系统整体经济性的一个有用方法，它表示了设备接近基本负荷运行的程度。容量因素定义如下：2/4/2023§3-3CHP的典型应用

对于大多数CHP应用来说，需要容量因数很高，目的是为了获取最大的经济效益。高容量因数有效地降低了系统的固定单元成本($/kW·h)，有助于保持CHP提供的电能与电网提供的电能相竞争的能力。若是相对恒定的电力负荷曲线，一般可选用燃气涡轮发动机。多数的商业终端用户具有变化的电力负荷曲线，天然气往复式发动机广泛应用于CHP，源于它具有很好的带部分负荷运行、空气质量符合环境要求以及容量多变的特点，使其适应许多商业和公共事业终端用户的需要。

2/4/2023§3-3CHP的典型应用

二、可回收热能

终端用户的热能需求决定了CHP系统的可行性，也用于选择原动机。燃气涡轮发动机提供的高质量的热能，通常可用在蒸汽涡轮发动机系统中。某些正在开发的燃料电池技术，包括MCFC和SOFC，提供高品质的与燃气涡轮发动机相比拟的热能。往复式发动机在同样的输出功率范围内，通常比大多数的燃气涡轮发动机效率高，并能很好地适应热力负荷比电力负荷低的场合。

2/4/2023§3-3CHP的典型应用

三、工业热能的回收

工业生产中产生的额外的热能或蒸汽，也可为CHP系统应用提供机会。如果这些多余的热能可连续提供，或具有高负荷因数，并且具有足够高的质量，则这些热能就可以用于蒸汽涡轮发动机的基础循环中，用于生产电能。除发电外，蒸汽涡轮发动机还经常用于驱动旋转式设备，如空气压缩机或空调压缩机等。若使用不同的涡轮设计方案，涡轮中排出的蒸汽可用于低级的加热应用或者在CHP系统中用于制冷，多余的蒸汽也可以用在燃料电池中改良天然气。2/4/2023§3-3CHP的典型应用

四、噪声

尽管燃料电池在安装时相对昂贵，但仍然在许多地方安装并进行测试，特别是在停电造成的损失严重影响国家税收或降低生成力，且按规定不能停电的场所。斯特林发动机应该也能在这样的场合中得到很好的应用。它们相对安静的运行状态很有吸引力，因此通常安装在拥挤的商业区。在居民区安装涡轮发动机或发动机通常要求特殊的考虑和设计。发电机和涡轮发动机通常安装在建筑物内，以削弱对周围社区的噪声影响，另外需要在其排气口处安装特殊的排气消音器或者消声器。燃气涡轮发动机比往复式发动机更易安装在工厂中封闭的环境内。由于需向外释放热能，因此需要更多的流通空气，最可行的使用方案是将它们安装在消音的建筑物中。2/4/2023§3-3CHP的典型应用

五、CHP系统的大小

三种CHP系统可提供紧凑型封装形式：斯特林发动机最小，其次是燃料电池和微型涡轮发动机。较大型的蒸汽涡轮发动机、燃气涡轮发动机和往复式的发动机可单独的安装于工厂封闭的区域内，或者处于一座有辅助设备的单独的建筑物内。表3-2为不同类型的CHP的相对大小

2/4/2023§3-3CHP的典型应用

表3-2不同类型的CHP的相对大小CHP原动机类型CHP的相对大小/kW蒸汽涡轮发动机冷藏库(100)/车库(100000)燃气涡轮发动机装载车(3000)往复式发动机2个冰箱(30)微型涡轮发动机冰箱(30)燃料电池装载车(200)斯特林发动机烤炉(3)2/4/2023§3-3CHP的典型应用

六、CHP系统的燃料

CHP系统燃料费用如表3-3所示。

表3-3CHP系统燃料费用燃料类型设备安装费燃料费用运行和维护费用煤中(新)、非常低(旧)低中天然气低低低石油中中高废热中零中沼气中偏高低高2/4/2023§3-3CHP的典型应用

燃气涡轮发动机潜在的系统问题是用户的天然气分配系统管道所能提供的压力。如果不能提供高压气体，当地天然气公司就必须专门建设高压天然气管道，或者由用户购买专门的气体压缩机。

当天然气无法提供或者非常贵的时候，CHP系统应当考虑采用柴油发动机。

2/4/2023§3-4热电联产系统的经济性分析

热电联产系统的经济竞争力在于它们可根据不同的负荷类型和大小选择特定的工作场合和容量，并且当新的市场规则和新技术出现后，过去的指导方针及单凭经验的作法将不再适用。本节将根据未来电能和燃料的价格、CHP的费用和性能以及用户的规模和需求，得到可能的需求模式来评估CHP的竞争能力。预测一般只能提供平均价格。由于CHP极大地改变了用户的负荷曲线，因此基于平均价格的分析将受到应用的限制。通常的做法是：分析人员将费用按基本负荷、中间负荷和峰值负荷三种形式来分配。2/4/2023§3-4热电联产系统的经济性分析

一、CHP技术成本和性能特征表3-4为CHP系统的费用和性能比较，表中给出了小型50kW到大型的25MW实际应用规模的CHP特性。热能比率和可回收热能因数是从商业产品的技术规格得到的，但微型涡轮发动机例外，其性能因数是估计出来的。运行费用包括燃料和非燃料费用(如发动机火花塞和燃料电池组的更换等)。由上述分析可知，许多最有效的CHP技术只能采用非常纯净的，而且非常昂贵的燃料。最廉价的燃料是煤，但煤只能用于锅炉/蒸汽涡轮发动机以及斯特林发动机中。2/4/2023§3-4热电联产系统的经济性分析

表3-4CHP系统的费用和性能比较费用/性能特征微型涡轮发动机燃气涡轮发动机性能容量/kW50100800500025000热能/(kJ/kW·h)1330613127106051177910311排放热能/(kJ/kW·h)44981786144351934522散热剂/(kJ/kW·h)34042750费用封装费用($/kW)500650350400300热能回收($)150100757575排放物控制($)07029102100系统管理($)2533182015场地和建设($)3546252821工程($)2026141612市政($)5075381513劳工/安装($)100130446045燃料压缩机($)40003020连接/开关设备($加费用($)2533182015一般承包商加价($)1641971018164设备运输($)8399518769基本监视费用($/kW)13751647842998789维护费用($/kWh)0.0100.0140.0110.0030.003电能费用($/kWh)无热能回收0.0750.0850.0530.0510.040有热能回收0.0670.0750.0420.0370.0272/4/2023§3-4热电联产系统的经济性分析

CHP的最主要的经济动力在于其生产的电能费用低于电力系统输送的电能费用。CHP与传统电力系统的中央发电、分散输配电方式的发电成本比较如图所示。2/4/2023§3-4热电联产系统的经济性分析

多种CHP技术的原始费用变化轨迹如图所示，图中所有这些技术的费用都将平稳下降，而某些技术费用的降低速度远大于其他的技术。

2/4/2023§3-4热电联产系统的经济性分析

二、

CHP系统的融资

CHP项目通常由内部投资和债务投资共同来融资有时候，采用租借的方式可减少当地消费者为CHP项目提供原始资金的数额，使得拥有CHP系统的第三方获得部分盈利。引入某种类型的折扣现金流分析方式

偿还分析：偿还分析是一种单凭经验的方法，经常用于潜在能源开发项目的初步评估，主要分析需要多长时间才能从CHP系统的盈利中收回最初的投资，通常用年作为时间计算单位。折扣现金流分析决定一个项目在经济上是否可行的方法是使用净现值(NPV)，或者是内部收益率(IRR)。若净现值为正，或者内部收益率大于决策者花费的成本，那么这一项目在经济上就是可行的。

2/4/2023§3-5热电联产系统的效益分析

一、CHP的效率

将燃料转换为电力的过程中，发电系统产生大量的热能，三分之二以上输入燃料的能量被转换成热能。作为一种可选方案，位于这些设施附近的对于热能和电能有较大需求的用户，利用简单的热电联产系统就发出大量的热能和电力。图3-1显示出正常的CHP系统优于传统的远距离供电和就地锅炉热能系统的组合。由图3-1可知，CHP将输入燃料的80%转换为有用的能量输出，其中30%转换为电能，50%转换为蒸汽或其他形式的有用的热能。传统的热电分离生产模式要输出同样大小的能量，则需要163%的燃料输入。与中央发电系统相比，CHP系统仍然能显著地节约总的能源。就地使用的CHP也将输配电系统的线损降至零，而典型的中央发电、输配电送电的线损率一般为4%~7%。

2/4/2023§3-5热电联产系统的效益分析

二、CHP的排放

通过增加能量利用的效率，CHP极大地降低标准污染物如氧化氮、二氧化硫，以及非标准产生温室效应的气体如二氧化碳的排放量。图3-8和图3-9给出了采用不同的发电技术和燃料类型时，氧化氮和二氧化碳的排放量对比。由图可知，从固体燃料、液体燃料到天然气，采用CHP技术时，氧化氮和二氧化碳的排放量都将下降。CHP技术也能显著地减少污染物的排放量，与先进的低污染排放的中央发电技术如气体燃烧复合循环相比具有优越性2/4/2023§3-5热电联产系统的效益分析

图3-8CHP系统和常规发电系统氧化氮排放对比2/4/2023§3-5热电联产系统的效益分析

图3-9CHP系统和常规发电系统二氧化碳排放量比较2/4/2023§3-5热电联产系统的效益分析

三、辅助效益

在一个新建的电力系统中，CHP和其他分布式发电还能为电力系统提供配电方面的支持，它们也使得能源服务供应商或用户具有了一定的为系统提供辅助服务的能力，主要包括：提供电压和频率支持，加强供电的可靠性和提高电能质量避免或延缓输配电系统增容的高额投资承担大规模电力系统的风险管理降低线损，提供无功功率控制减小停电造成的损失降低中央发电厂的备用发电容量缓解了输电系统的容量限制2/4/2023§3-6热电联产系统的性能和燃料优化

一、概述

从经济效益和环境保护方面考虑，监测热电联产(CHP)发电厂是必要的。发展更为成熟的发电和热能生产技术将十分重要，而燃料选择和能量转换系统在能量生产中具有主要的地位。热电联产能量优化可通过优化其热动力性能参数和合理的设计安排来达到目的。在技术上，热电联产可以做到既满足能量供应，还具有低燃料消耗、低成本、高生产率和减少污染气体排放等优点。本节讨论的热电联产不仅仅指一种特定的技术，而是多种技术的综合应用，既可满足制冷或取暖的需求，也可以为用户提供机械能或电能。新的热电联产系统还有待于继续发展，必将具有很广阔的应用前景。2/4/2023§3-6热电联产系统的性能和燃料优化

二、性能因数和指标

为了达到能量、经济和环境方面的要求，热电联产发电厂运行效率应达到最优。然而，有时候这些目标是互相矛盾的，因此监测热电联产系统的性能及运行状态是否处于最优化是非常重要的。1.性能因素(1)热功比热电联产发电厂主要特性是热和功率之比，即所利用的热量和总电能之比。这个比值不是常数，而是压力和发电厂负荷的函数。负荷减小时，热功比增加。需求越稳定，应用效果越好。热需求是随季节变化的，冬季主要为热力负荷，夏季为制冷负荷。

热电联产系统结构如图3-10所示。热功比的大小直接影响热电联产发电厂消耗的燃料量。2/4/2023§3-6热电联产系统的性能和燃料优化

图3-10热电联产系统结构图2/4/2023§3-6热电联产系统的性能和燃料优化

(2)燃料类型和有效性

理论上，任何燃料都适合于热电联产系统。而在实际应用中，化石燃料，特别是天然气(既有经济因素，也有环境因素)，占统治地位。考虑环境因素，生物能源和其他形式的可再生能源将有可能取代天然气的位置。例如，双燃料(天然气/燃料油)。天然气具有比燃料油更低的价格，在油料紧张时可以取代燃料油。2/4/2023§3-6热电联产系统的性能和燃料优化

(3)环境的考虑和限制

关于污染限制的环境立法随各地而异。如果立法较严，燃料的选择和使用会受到环境性负荷限制的影响。减小常规化石燃料的消费可以减轻环境的压力。废气的排放比率和类型取决于燃料类型。采用普通方法燃烧化石燃料，其废气直接向大气排放。燃烧中排放的二氧化碳和二氧化硫与燃料中的碳和硫所占的含量直接相关。发电站每吨燃料燃烧所产生的氮氧化物大部分由发电厂的设计所决定，其余由燃料与空气的混合方式及燃烧时所达到的温度来决定。发电厂的改良会减小燃料消耗，废气排放量也会有相应的减小。

2/4/2023§3-6热电联产系统的性能和燃料优化

2.性能指标燃料利用率基于热力学第一定律给出的，是最直接的指标，仅仅考虑了能量的利用数值加权效率由于燃料利用效率同时考虑了热能和功，通常和加权效率一起使用，即对热能的利用引入加权因子放射本能效率随着热电联产发电厂数量不断增加，生产单位热量所消耗的燃料将逐渐减少，在自由市场中将导致不同的热功价格比。因此采用放射本能效率来精确描述燃料能量所产生的热量能源节省率在评价或优化热电联产发电厂时，引入热力学第二定律可得,表征发电厂燃料消耗情况2/4/2023§3-6热电联产系统的性能和燃料优化

3.燃料能量节约率(FESR)FESR是最好的标准，可用于热电联产发电厂的经济评估。图3-11说明了热电联产发电厂及热电分离生产项目的基本框图。

图3-11热电联产和分离式电能、热能生产示意图2/4/2023§3-6热电联产系统的性能和燃料优化

总的燃料消耗可以表达为

如果热电联产发电厂不能提供所有负荷所需的热能和电力，则还需要采用热电分离的生产方式。上式中前两项为热电分开生产方式为满足负荷需求时所需的燃料消耗量。CHP发电厂的燃料消耗可以表示为生产的热能与热效率的比值或生产的电功率与电效率的比值。

通过为CHP发电厂和热电分开生产项目引入热效率和电效率系数，并且引入CHP发电厂的热功系数和需求侧的热功系数，则上式可表示为

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如果热电联产发电厂全部提供热量，则有

如果热电联产发电厂产生的热量与热需求量之比为，则可以写为总的燃料消耗可以与参考案例进行比较，要求热量和发电分别进行比较。相对燃料消耗系数可以定义为2/4/2023§3-6热电联产系统的性能和燃料优化

如果将热电联产项目和参考热电分离生产项目在生产同等热量的条件下比较，则相对燃料消耗系数可用于评估任何热电联产项目和热电分开生产项目或其组合，即

因此燃料消耗上的不同反应了热电联产发电厂节约燃料的能力。

第一项为参考锅炉发电厂所消耗的燃料总和，在热电联产发电厂，此燃料可以产生出等额的功率。第二项为热电联产发电厂所消耗的燃料。比较燃料的不同消耗，则燃料节约为

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由于燃料节约为绝对值，燃料能量节约率(FESR)定义为热电分开发电项目的燃料节约与消耗之比

，

本例中，热需求与电力需求相等时，即FESR和Φ之间的关系很简单当燃料节约为0时，可得考虑分开发电生产的效率为常数，热电联产发电厂的效率可以这样得到：在热电联产发电厂的热效率和电效率之间可以做出一条零节约线。2/4/2023§3-6热电联产系统的性能和燃料优化

三、燃料能量优化方法

1.设计优化热电联产发电厂是一个高效的系统，而不是若干组成部件的简单叠加，这是其重要特点之一。要使设计的系统达到最大效率，最常用的方法是对热力学系统进行放射本能分析，即分析从给定状态到与周围介质平衡的过程可做的最大功。

热电联产设备也有经济使用寿命。在适合的环境下，热电联产设备的补偿周期可以是3~5年，或更短一些。相对于燃料价格变动因素，热电联产发电厂的经济效益对电价变动更为敏感。因此采取何种经济分析方式进行分析时，敏感性分析都应作为可行性研究的一部分。

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2.运行优化系统运行和停止的时间可以由运行计划简单的加以控制。多数情况下热电联产发电厂采用一种以上的燃料，运行时可选择最便宜的燃料。选择燃料的关键因素取决于所提供的鼓励政策及燃料的质量。有些国家鼓励使用更好的燃料，例如天然气、沼气等。质量低的燃料有时价格较为便宜(随国家不同而异)，但是处理和燃烧质量差的燃料，以及遵守环境保护法规时，需承担一些额外的成本。优质燃料通常会更贵一些，而且是基于化石燃料的。选择何种燃料会影响原动机的类型。2/4/2023§3-6热电联产系统的性能和燃料优化

3.环境优化

优化发电厂的效率在很多年前就已经被认识到。煤、油气等燃料费用始终是燃烧发电厂运行总成本的一个主要部分。减少燃料消耗对于发电公司降低成本发电，提高市场竞争力是非常重要的。在目前的发电厂中，对于热效率的优化还有小的改进余地。例如，如果将热效率从37.0%提高到37.1%，对于容量为2000MW的发电厂而言，一年可以减少燃料消耗14500t，相当于每年减少上百万美元的支出。根据发电厂的不同设计，能量效率在不同运行阶段是不同的。对现有的发电厂设计上进行改进，能使系统效率更高，而在系统维护和成本效益方面也会有很大的好处。2/4/2023§3-6热电联产系统的性能和燃料优化

四、热电联产中先进的燃烧技术和循环技术

1.燃烧技术目前有很多采用燃烧技术来生产电能和热能的方法，如以蒸汽和热水的方式生产热能、以兰金蒸汽循环的方式生产电能、以热电联产的方式同时生产电能和热能等。此处分析的先进的热能和电能生产主要考虑两个方面的目标：改善生产过程中转换效率减少排放的废气，同时保持系统的高效性和较低的运行费用2/4/2023§3-6热电联产系统的性能和燃料优化

(1)燃料喷射燃烧燃料喷射燃烧是将煤研磨成精细的颗粒与空气混合喷入燃烧室的底部进行燃烧，燃料颗粒在悬浮的状态下燃烧并释放出热能。大多数燃料喷射燃烧用于发电厂，煤燃烧产生的热能传送到燃烧室墙壁中铺设的管道内的水中，从而产生高温、高压的蒸汽，并将它们送到汽轮机-发动机组生产电能。现代实际应用中处于接近临界状态的发电厂，汽轮机-发电机组运行的蒸汽压力约为180Pa，温度约为570℃，发电效率可达39%；而精密设计的过临界状态的发电机组其蒸汽压力可达约240Pa，发电效率可达