分布式发电系统节能减排的技术方案

分布式发电系统节能减排的技术方案

0能源和供电设备的大量使用随着经济和社会发展的快速发展和人民生活水平的不断提高，我国能源消耗迅速增长，能源短缺已成为工商业在组织生产和商业活动时必须考虑的重要问题。能源结构也在不断发生变化,燃气占能源的比例正在不断上升。所有这些变化正在促进能源供应模式、能源消费及耗能设备的深刻变化。空调设备是满足生产工艺性要求和人们生活舒适性要求的必须产品,随着其使用日益普及,已成为耗电大户,部分大中城市在夏季高温季节的空调耗电占到了用电总量的三分之一,加剧了供电紧张和电网负荷的峰谷差,也对电网的安全供电产生了严重影响。所以,改变和调整空调的能源消费结构,增大清洁(天然气)能源消费比例,大力推广使用节能产品,利用热电冷联产系统推广使用节电节能产品,利用热电冷联产系统来同时满足小区域的热(冷)、电需求和提高能源综合利用率,已成为缓解电力紧张、提高电网供电安全性、保护环境和促进国民经济可持续发展的必然选择。1热水冷耦合系统1.1回收利用发电系统的热量分布式发电,是将一次能源输送到用户现场或靠近特定区域,并在现场配置较小的发电机组(一般低于30MW),以满足特定用户或区域的供电需要。根据西方国家的经验,大电网系统和分布式发电系统相结合是节省投资,降低能耗,提高系统安全性和灵活性的主要方法。分布式发电系统中的发电机组功率较小,发电功率一般低于发电厂中的大型发电机组。所以,回收利用发电系统中排放出来的热量,提高能源综合利用率,是发展和应用分布式发电系统的关键。利用分布式发电系统排放的余热来驱动空调冷(热)水机组或余热锅炉进行制冷(供热)运行,实现热(冷)电联产,同时满足系统的供热(供冷)和供电需要,是分布式发电系统通常采用的技术方案。由于城市对环保的严格要求以及天然气输送管网的广泛应用,分布式发电系统的能源以天然气为主。所以,简单地说来,热电冷联产(CCHP,CombineCoolingHeating&Power)系统就是以天然气作为能源,同时满足小区域或建筑物内的供热制冷和供电需求的分布式能源供应系统。1.2热电冷联产系统在调湿式电节能、削峰填谷、安全、环保和平衡能源消费是热电冷联产系统的主要优点。由于热电冷联产系统可实现对能源的梯级利用,高品位能源(燃气)用于发电,然后利用发电机组排放的低品位能源(烟气余热、热水余热)来制冷(供热),能源综合利用率高达80%以上(最高可达90%),对节约能源和促进国民经济可持续发展具有重要意义,用户也可大幅度节省能源费用。空调用电是导致夏季供电紧张和增大供电峰谷差的主要因素。为满足短暂的峰值负荷建造调峰发电厂,投资费用巨大,经济效益也非常低。热电冷联产系统利用发电机组排放的余热制冷(供热),减少了电网负荷和供电峰谷差,缓解了电网在供电高峰负荷时的压力。在单一的集中式大电网供电模式下,大电网中任何一点的故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响,严重时可能引起大面积停电甚至电网崩溃,造成灾难性后果。而且大电网又极易受到战争或恐怖活动的破坏,严重时将危害国家的安全。直接安置在用户近旁的热电冷联产系统与大电网配合,可大大地提高供电可靠性,在意外灾害(例如地震、暴风雪、人为破坏、战争)使电网崩溃的情况下,可确保重要用户的供电和空调需求。热电冷联产系统以天然气为能源,排放物对环境污染影响小,对保护环境具有积极作用。此外,热电冷联产系统的输送能耗低或无输送能耗,相应地降低了排出的污染物和温室效应气体。长期以来,我国的能源消费以煤炭为主,随着我国陆上气田及海上气田的不断探明和开发,能源结构已发生重大变化。在目前的天然气应用方面,除居民气灶用气和燃气电厂发电用气外,用于冬季采暖的用气量较大,使得燃气管网的季节性负荷差很大。热电冷联产系统的推广应用可同时减少空调用电需求和增加天然气消费,使煤、气的供应比例和消费比例趋于合理,并有效减小燃气管网的季节性负荷差,提高燃气管网的利用率。1.3酒店家庭原则上,同时具有电力和空调需求的场所均适合于应用热电冷联产系统。如工厂、旅馆酒店、医院、休闲娱乐中心(游泳地)、学校、机场、商店(超市、购物中心)、办公楼、独立式住宅和公寓等等。但限于设备投资费用和系统运行的经济性,系统中的电负荷及空调负荷具有一定规模时采用热电冷联产系统才比较经济合理。1.4加热冷系统的类型根据热电冷联产系统中发电机组的不同及系统主要功能的不同,热电冷联产系统可分为以下三类:1.5系统典型设备的确定在以蒸汽轮机为发电机组的热电冷联产系统中,蒸汽锅炉、蒸汽轮机发电机组及溴化锂吸收式制冷机是系统的必备主机。在燃气轮机-蒸汽轮机联合循环热电冷联产系统中,燃气轮机-蒸汽轮机联合循环发电机组、余热锅炉、汽水换热器及溴化锂吸收式制冷机是系统的必备主机。在CCHP或BCHP系统中,燃气发电机组和烟气型或烟气热水型溴化锂吸收式制冷机是系统中的必备主机。在实际应用中,受负荷大小、负荷比例、负荷变化模式、运行控制目标、设备投资回收期等因素的影响,系统中还需要同时或分别配置直燃型溴化锂吸收式冷热水机组、电动螺杆冷水机组、电动离心式冷水机组、燃油/燃气锅炉等冷(热)负荷调节设备,才能使系统的综合经济性能达到最佳。1.6高温烟气烟气热水机组基于溴化锂吸收式溴化锂吸收式制冷机是一种由热能驱动运行,以水为制冷剂、溴化锂水溶液为吸收剂,在真空状态下制取空气调节或工艺用冷水的制冷设备,其驱动热能可使蒸汽、热水、直接燃烧燃料(燃气、燃油)产生的高温烟气或外部装置提供的烟气。其中,直接燃烧燃料的直燃型机组、以外来烟气驱动运行的烟气型机组和烟气热水型机组可设计制造成交替或者同时制取冷水、热水的冷热水机组。溴化锂吸收式制冷机的优势在于利用低品位热能,在各种型式的热电冷联产系统中,都至少具有蒸汽、热水和高温烟气三种热能中的一种,尤其是燃气轮机排放的烟气和燃气内燃机排放的烟气及热水均属于品位较低的热能。因此,溴化锂吸收式制冷机是热电冷联产系统的最佳回收利用机型,在热电冷联产中配置溴化锂吸收式制冷机,可充分发挥其利用低品位能源的优势,有效提高系统的能源综合利用率,节约能源,提高系统经济性。2设备连接系统的一般配置模式2.1布局方式：组合式温带电气冷联合系统2.1.1蒸汽轮机发电系统中配置的设备包括燃气轮机发电机组、蒸汽轮机发电机组、蒸汽型余热锅炉、蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组和汽水换热器,设备配置及热、电、冷联产示意图如图1所示。工作原理:燃料进入燃气轮机燃烧室燃烧,产生高温高压烟气推动燃气透平机高速旋转,驱动发电机组发电。出燃气轮机的烟气进入蒸汽型余热锅炉,加热炉水产生高温高压蒸汽推动蒸汽透平机高速旋转,驱动发电机组发电。发电后的乏汽或从蒸汽轮机、余热锅炉出汽管抽出的蒸汽用于:驱动蒸汽型溴化锂制冷机制冷、进入汽水换热器换热对外供热水、直接对外供蒸汽。系统特点:燃气轮机——蒸汽轮机联合循环发电,发电效率高;热、电、冷联供可提高系统的用热量,从而提高发电机组的负荷率,经济效益高。该模式适用于电负荷、冷负荷(热负荷)均较大的场所,如工厂、商业区或住宅区集中供电、供冷和供热。2.1.2蒸发蒸汽蒸发发电系统系统中配置的设备包括燃气轮机发电机组、蒸汽型余热锅炉、蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组和汽水换热器,设备配置及热、电、冷联产示意图如图2所示。工作原理:该模式与模式一的区别在于系统中未配置蒸汽轮机发电机组,余热锅炉中产生的蒸汽用于:驱动蒸汽型溴化锂制冷机制冷、进入汽水换热器换热对外供热水、直接对外供蒸汽。系统特点:燃气轮机单循环发电,系统设备配置及运行控制简单:热、电、冷联供可提高系统的用热量,从而经济效益高。该模式适用于具有大量蒸汽需求的场所,如工厂、医院等。2.1.3设备配置及特点系统中配置的设备包括燃气轮机发电机组、热水型余热锅炉和热水型溴化锂吸收式冷水机组,设备配置及热、电、冷联产示意图如图3所示。系统中配置的设备包括燃气轮机发电机组和烟气型溴化锂吸收式冷热水机组。设备配置及热、电、冷联产示意图如图4所示。工作原理:燃气轮机发电机组排放的烟气直接驱动烟气型溴化锂吸收式制冷机进行制冷(供热)运行。系统特点:设备配置简单,系统连接紧凑,占地面积小。该模式适用于小型热电冷联产系统,尤其适用于微燃机和发电功率较小的小型燃气轮机BCHP系统。该系统采用的烟气补燃型溴化锂吸收式冷热水机组流程图如图5所示。2.1.5动烟气补燃型溴化锂制冷供热系统系统中配置的设备包括燃气轮机发电机组和烟气补燃型溴化锂吸收式冷热水机组,设备配置及热、电、冷联产示意图如图6所示。工作原理:燃气轮机发电机组排放的烟气驱动烟气补燃型溴化锂制冷进行制冷(供热)运行;当进入烟气补燃型吸收式机组的烟气热量小于空调负荷所需加热量时,烟气补燃型机组中的燃烧装置启动运行,对机组提供补充热量,使机组的总加热量与空调负荷相匹配,以满足供冷(供热)要求。系统特点:设备配置简单,系统连接紧凑,占地面积小。该模式适用于空调负荷较大而电负荷较小的小型热电冷联产系统,尤其适用于微型燃气轮机或发电功率较小的小型燃气气轮机BCHP系统。该系统采用的烟气补燃型溴化锂吸收式冷热水机组流程图如图7所示。2.2为混合动力的加热和冷冻系统的设备配置模式2.2.1理水双环吸收式水水机组系统中配置的设备包括内燃机发电机组、水水换热器、烟气换热器和热水型溴化锂吸收式冷水机组,设备配置及热、电、冷联产示意图如图8所示。工作原理:内燃机发电机组发电运行时,内燃机缸套水进入水水换热器,内燃机排放的烟气进入烟气换热器,将发电余热通过两换热器变换成热水,该热水用于:驱动热水型溴化锂吸收式制冷机制冷、直接对外供热。系统特点:设备配置及系统连接较为复杂,占地面积较大。该模式适用于电负荷较大而空调负荷较小,且系统中热水需求的场所,如旅馆酒店、办公楼、大学校园和学校等。2.2.2电、冷联产介绍系统中配置的设备包括内燃机发电机组、水水换热器和烟气热水型溴化锂吸收式冷热水机组,设备配置及热、电、冷联产示意图如图9所示。系统特点:系统的设备配置及系统连接较模式一简单:设备占地面积较小;烟气热水型溴化锂吸收式制冷机一般为单双效复合型机组,COP比热水型机组高。该模式适用于电负荷较大而空调负荷较小的场所,如工厂等。该系统采用的烟气热水型溴化锂吸收式冷热水机组流程图如图10所示。2.2.3烟气热水补燃型溴化锂吸收式冷热水机组全热联合式系统中配置的设备包括内燃机发电机组、水水换热器和烟气热水补燃型溴化锂吸收式冷热水机组,设备配置及热、电、冷联产示意图如图11所示。该系统采用的烟气热水补燃型溴化锂吸收式冷热水机组流程图如图12所示。3热电冷联产系统发展规划热电冷联产系统的发展应用是大势所趋,目前从中央到地方的各级政府和职能部门对其发展应用都给予了高度重视,在已颁布实施的国家相关政策、法规中,均有鼓励发展应用热电冷联产系统的条款。全国各地都在积极进行热电冷联产系统的发展应用规划。比如北京市在能源结构调整规划中指出:“天然气用户逐步向燃气热电冷联供、燃气发电等方向发展”,上海市则已出台了热电冷联产系统的详细发展规划和相关优惠政策。为了加快热电冷联产系统的推广应用,建议尽快解决下列问题和重视系统设备配置选型方面的相关事项。3.1热电冷联产系统用电设计尚不规范,导致负荷负担重于电网购电发电上网问题和设备一次性投资费用过高是制约热电冷联产系统发展的两大问题,国家应尽快制定相关政策和法规加以解决。上网方面涉及上网技术、交易模式、电价政策、附加服务等方面的问题,只有做到让热电冷联产系统有富余电力时能以合理的电价方便地向电网输电,而缺电时能象正常用电一样从电网购电补充,才能很好地解决热电冷联产系统的负荷调节和经济运行问题。目前热电冷联产系统中的发电机组主要依靠进口,导致设备一次性投资费用过高,投资回收期过长,影响用户的安装使用积极性。因此,建议政府从两方面加以解决:一是近期给用户实行相应的优惠政策,二是加强对燃气发动机和燃气轮机研究开发部门(企业)的扶持力度,尽早实现燃气轮机发电机和燃气内燃机发电机组的国产化。3.2发电机效率分析目前用于热电冷联产系统中的发电机组主要是燃气轮机发电机组(包括微型燃气轮机)和燃气内燃机(即燃气发动机)发电机组,虽然都是燃气发电机组,但两者的价格、发电效率、发电质量、余热排放参数等却相差较大。在一个特定的系统中选用何种发电机组更合适,需要根据系统中的热(冷)电负荷比例及其变化情况、供电质量要求、当地的气价和电价等对设备投资费用、基建费用及运行费用进行综合比较,才能作出合理选择。在设备费用方面,燃气轮机发电机组高于燃气内燃机发电机组30%以上。在发电效率方面,内燃机发电机组为28～42%,燃气轮发电机组为24～34%(无回热装置的微燃机仅有17%)。在发电质量(指输出电压和频率的稳定性)方面,燃气轮机发电机组优于内燃机发电机组。在余热排放方面,燃气轮机排放的余热为烟气余热,烟气温度一般高于450℃(带回热装置的微型燃气轮机除外),便于进行余热回收利用;内燃机排放的余热包括烟气余热和缸套水余热,缸套水温度一般低于100℃,品位较低,余热利用系统相对复杂。原则上,若系统中的热(冷)负荷较大,而电负荷较小,宜选用燃气轮机发电机组,否则应选用内燃机发电机组。在确定发电机组的配置容量时,需要合理确定系统中热(冷)、电的负荷匹配。要使系统实现能源的梯级利用和经济运行,必须使发电机组排放的余热充分地得到回收利用,尽量避免或减少系统单独发电的运行工况。因为即使是内燃机发电机组,其发电效率也低于大电厂燃气轮机——蒸汽轮机联合循环发电系统的发电效率,小系统的发电成本较高。因此,热电冷联产系统的发电机组一般按以热(冷)定电的方式进行匹配,甚至按满足热(冷)基本负荷的要求进行欠负荷匹配,适当减小发电机组的配置容量,高峰热(冷)负荷通过配置其它供热(冷)设备(比如燃气直燃机、补燃型溴化锂吸收式制冷机、电动制冷机组等)进行调节,不足电力从电网购电补充。3.3后种锂吸收式冷水机组在CCHP或BCHP系统中,发电机组的余热回收设备目前主要有两种配置方式。一种是在系统中配置余热锅炉,将发电机组排放的余热转换成蒸汽或热水,并配置蒸汽型或热水型溴化锂吸收式冷水机组进行供冷,配置汽水换热器提供空调采暖热水,或直接利用余热锅炉提供的热水进行采暖。另一种是在系统中配置余热型溴化锂吸收式制冷机,直接利用发电机组排放的余热驱动溴化锂吸收式制冷机进行制冷(供热)运行。后一种设备配置方式由于减少了余热锅炉,可减少设备投资费用和设备占地空间,并减少换热损失,提高能量利用率。但后一种配置方式难以满足系统中除空调冷(热)水外的其它用热需求,尤其是蒸汽用热需求。所以,系统是否需要配置余热锅炉,取决于系统中是否有空调冷(热)水外的量大且负荷稳定的用热需求。3.4热电冷联产系统当地电冷联产系统中的发电机组是按基本空调负荷进行匹配时,发电机组排放的余热不能满足峰值空调负荷的耗热需求,系统中可配置补燃型溴化锂吸收式制冷机来满足空调需求。补燃型溴化锂吸收式制冷机的基本配置原则是:1.4.1以蒸汽轮机为发电机组的热电冷联产系统,其主要功能为供热和供电(如热电厂),夏季将一部分(或全部)供热能力转换成供冷能力,从而实现热电冷联产。1.4.2以燃气轮机和蒸汽轮机为发电机组(即燃气轮机-蒸汽轮机联合循环发电)的热电冷联产系统,系统主要功能是发电,供冷(热)是次要功能。1.4.3供热(冷)及供电并重的区域式热电冷联产(CCHP)系统或建筑物内的热电冷联产(BHCP,BuildingCoolingHeating%Power)系统,系统中的发电机