分布式发电中燃气轮机热电联产及优化热动08-02班 吴思知 200823060215【摘 要】分布式能源系统或分布式供电是相对于传统的集中式供电方式而言 的，它将发电系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近。对于热电联产，要 解决的最关键问题就是尽可能满足用户在不同时段对热电的需求变化，也就是要 合理解决联产系统热电产出比和用户对热电的需求比之间的矛盾，以使联产系统 达到最佳的一次能源利用效率。【关键词】分布式能源系统；燃气轮机；热电联产；优化1. 分布式能源系统1.1分布式能源系统简介以燃气轮机发电机组、余热锅炉等设备构成的小型全能量系统，也称第二代 能源系统或分布式能源系统（简称CHP或CCHP）。分布式能源系统是相对传统的 集中式能源系统而言的，它将发电系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近， 可以独立地输出电、热或冷能的系统，同时它又可以与大电网相连接，在电力不 够时从网上购买电，而在电力多余时向大电网出售电。分布式能源是世界能源工 业发展的重要趋势，是人类可持续发展的一个重要组成部分。1.2分布式能源系统的优劣势分析由于大电厂加大电网将会长期存在，因此有必要将其与分布式能源系统作一 比较；而对分布式能源系统优缺点的分析，可以帮助我们更好地理解集中与分散 式能源系统各自的优劣势和适用范围。1.2.1分布式能源系统的优点分布式能源系统的最主要的优点是应用在冷热电联产中，热电联产效率是最 高的，可达60%80%。分布式能源系统按需就近设置，可以尽可能与用户配合 好，没有远距离输送冷、热能的问题，且负荷的适应性很强。没有或很低输配电损耗;无须建设配电站,可避免或延缓增加的输配电成本； 适合多种热电比的变化，系统可根据热或电的需求进行调节从而增加年设备利用 小时；土建和安装成本低；各电站相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模 供电事故，供电的可靠性高；可进行遥控和监测区域电力质量和性能；非常适合 对乡村、牧区、山区、发展中区域及商业区和居民区提供电力；大量减少了环保 压力。为了保证使用单位的各种二次能源能够充分供应，分布式能源系统还可以让 使用单位本身有较大的调节、控制与保证能力。这也是一个很重要的优点。1.2.2分布式能源系统的缺点分布式能源系统的主要不足在于，由于它是分散供能，单机功率很小，比起 大电厂单机功率有百万千瓦以上、单厂功率近千万千瓦而言，发电效率显然比不 上后者。现有动力设备都是机组越大，效率越高。400Mkw以燃气轮机为主的联 合循环装置效率比400Mkw回热燃气轮机的效率要高一倍。“麻雀虽小，五脏俱 全”因此大机组单位功率的售价相比小机组要低得多，相差近几倍。大机组集 中在一起，有专门高级技工运行维护，安全性、工作寿命都应该更有保证。所以， 要对纯发电成本和单位功率初投资作比较，分布式能源系统的经费投入肯定要大 大高于现在的大电力系统。另外，分布式能源系统对当地使用单位的技术要求要 比简单使用大电网供电来得高，要有相应的技术人员与适合的文化环境。2. 燃气轮机热电联产系统的工作原理热电联产系统按照功能可以分成两个子系统：动力系统（发电）和供热系统 （供暖、热水、通风等）。动力系统处于联产系统的顶端，通常根据动力系统确定 联产系统所采用的技术。联供技术的采用取决于许多因素，包括：电负荷大小， 负荷的变化情况、空间的要求、热需求的种类及数量、对排放的要求、采用的燃 料、经济性和并网情况等。以燃气轮机为原动机的分布式联产系统的主要原动机 又可以分为两类：小型燃气轮机和微型燃气轮机。2.1燃气轮机热电联产系统单纯的燃气轮机发电机组效率不高的主要原因就是透平排气温度较高，将 大量的余热无偿地排放到了大气中。为了解决这个问题，目前常见的有三种解 决办法。第一种是采用燃气轮机回热循环，也就是前面介绍的微型燃气轮机的结构， 让透平的排气先预热从压气机出来的高压气体，使之在一定初温的基础上再进入燃烧室中与燃料一起燃烧，这样可以在一定程度上提高燃气轮机发电机组的发电 量，但是所提高的幅度很有限，仍会有相当一部分余热被无偿地释放到了大气中。第二种办法就是我们常说的燃气一蒸汽联合循环，这是一种将燃气轮机循环 与蒸汽轮机循环以一定的方式组合成为一个整体的热力循环，简称为“联合循 环”但是这种循环通常都用在容量较大的系统中，故在分布式热电联产这种规 模较小的系统中应用很少。第三种办法是将燃气轮机和余热锅炉一起组成分布式燃气轮机热电联产系 统，用余热锅炉来回收燃气轮机排气中的余热。这种办法简单、经济，因而得到 了广泛的应用。一个最基本的分布式燃气轮机热电联产系统包括一个燃气轮机发 电系统（压气机、燃烧室、透平）和一台余热锅炉，燃料被送进燃烧室与来自压气 机的压缩气体混合燃烧，系统最终产出的热能的质与量取决于进入余热锅炉的燃 机余热的温度。如果用户需要，也可以将若干个子系统并联运行。2.2燃气轮机热电联产系统的工作原理实现热、电两种能量生产必须具备的条件是：（1）有热用户，而且要保证热 用户所需要的参数（压力和温度）和流量；（2）在供热的同时还要保证必须数量的 电能。热电联产（CHP, Combined Heat and Power）是一种建立在能的梯级利用概念 基础上，将供热（采暖和供热水）及发电过程一体化的多联产总能系统，目的在于 提高能源利用效率，减少碳化物及有害气体的排放。市电网驴字一燃气轮机发电机用户负载余热锚炉姦汽涣热器 热水图一燃气轮机热电联产机组示意图图一为燃气轮机热电联产机组示意图。天然气在微型燃气轮机内燃烧后产生 的高温烟气在燃机内做功，一部分热能转变为高品位的电能，排出废热通过余热 锅炉，余热锅炉可能带有补燃装置，燃机排气余热和补燃带人锅炉的热量共同与 炉水换热后产生蒸汽或热水。可以看出，整个系统由燃烧室输入的燃料作为输入, 同时产出电能和热能，其中电能由燃气轮机发电机组提供，热量由余热锅炉提供。(a)简单循环热电联产系统示意图(b )回热循环热电联产系统示意图如图二所示为目前常见的两种燃气轮机热电联产系统流程图。图(a)为小型 燃气轮机简单循环热电联产系统循环示意图。若不考虑制冷环节，一个最简单地 燃气轮机热电联产系统由一台燃气轮机和一台余热锅炉组成，称之为燃气轮机简 单循环联产系统。图(b)为微型燃气轮机回热循环热电联产系统循环示意图。对于图(a),透平排气被直接送到余热锅炉进行余热的利用，最后产生蒸汽 或热水以满足用户对热能的需求。对于图(b)，由于透平排气首先经过回热器以 加热从压气机出来的压缩气体，所以，等于是从回热器出来的微型燃气轮机排气 经过余热锅炉产生蒸汽或热水来满足用户对热能的需求。此时，进入余热锅炉的 排气温度将会有一定程度的降低，如果不考虑余热锅炉补燃，那么，在相同燃料 输入的情况下，热电联产系统产生的热量将会有一定程度的降低。于此同时，由 于进入燃烧室的压缩空气得到了预热，因此，燃烧初温升高，最终使得燃气轮机 发电机组也即热电联产系统的发电效率有所提高。3. 分布式发电中燃气轮机热电联产及优化3.1分布式发电中燃气轮机热电联产系统的两种运行方式分布式燃气轮机热电联产系统包括两种形式能量的产品：电能和热能，其中 热能通常是以蒸汽和热水的形式存在。电能和热能的比率关系随具体情况的不同 而不同。对于一个特定的分布式热电联产系统，可以优先考虑电能的产出也可以 优先考虑热能的产出，即两种形式能量的输出存在着一个优先产出次序的问题。 这样，就引出了分布式燃气轮机热电联产系统的两种常见的运行方式。通常，分布式燃气轮机热电联产系统有两种运行方式：“以电定热”运行方 式和“以热定电运行方式。对于“以电定热”运行方式，应该优先满足用户对 电能的需求，即保证电能按照需求量足量产出，此时，热能作为附属产品产出， 其产出量可能不足也可能盈余，如果热量不足（补充热），将由余热锅炉补燃来解 决；而对于“以热定电运行方式，应该优先满足用户对热能的需求，即保证热 能按照需求量足量产出，此时，电能作为附属产品产出，其产出量可能不足也可 能盈余，如果电量不足（补充电），将由电网补给。3.2分布式热电联产的节能机理分布式热电联产的节能机理有两个方面：一方面是热电联产，发电部分的固 有的热力学冷源损失用作供热了，从而节约了燃料，称“联产节能”；另一方面 是热电联产的锅炉热效率比分散供热小锅炉要高，因为它是在燃气轮机排气有一 定初温的基础上进行燃烧的，从而节约了燃料，称“集中节能”。显然比较的条 件是热电联产与分产供应相同的热量和电量，看哪个节约了燃料。从而引出了“燃 料节约量的概念。燃料的节约量是指在发相等的电能和供相等的热量条件下， 用联产比用分产的不同方式而节约的燃料量。节约了燃料实质上就是提高了能源 利用效率。3.3优化方案对系统的优化是建立在两种运行方式中附属产品过剩基础上的。可以将超出 特定时刻需求的过剩能量存储起来，需要时再加以利用以避免浪费。为此可以在 联产系统中增设蓄能环节。增设蓄能环节在一定程度上提高了系统运行的效率和 安全稳定性，还可提高系统的供热能力。最为重要的是，蓄能可在能量的供应和 需求之间构成一个缓冲系统，有效缓解二者不匹配带来的冲突。对于“以热定电运行方式，可以利用蓄电设备来存储多于电量，如将燃气 轮机发电机组和蓄电池组并联运行。当电量有盈余时,用蓄电池组存储盈余电量, 这样在电量不足时便可直接由蓄电池组放电来满足部分电负荷需求。在“以电定 热”运行方式下，可以在热量有盈余时利用蓄热装置来蓄热。当电力负荷低谷来临时，可以不用起动燃气轮机，直接释放蓄热器中的热量来向用户供热。考虑全 年负荷变化时，在有蓄能的情况下系统节能率可达到38.0%，相当可观。此外，对于“以电定热”运行方式，可在余热锅炉之后，再配备一台小型 燃气锅炉。在电力负荷低谷期，可以不发电或者少发电，起动燃气锅炉来满足用 户的热需求。这种方法特别适用于应对冬季的供热高峰，在冬季供热高峰时段， 可以通过大量的余热锅炉补燃来解决热量的供需不平衡问题，但实践证明，当余 热锅炉补燃量达到一定程度时，联产系统的效率反而会降低。因此，在这时就可 以起动燃气锅炉作为调峰锅炉使用。两种运行方式的优化方案示见图三。图三优化后热电联产系统两种运行方式构成(a) “以电定热”(b) “以热定电”图(a)为“以电定热”运行方式的优化方案，同时增设小型燃气锅炉和蓄热 器两种设备，其中燃气锅炉主要是为了应对冬季的供热高峰；图(b)为“以热定 电”运行方式的优化方案，增设了蓄电池组。3.4分布式燃气轮机热电联产系统运行方式建议作为分布式能源系统中的主要动力设备，燃气轮机热电联产机组发挥着重要 作用。考虑到天然气产电污染很小却又代价很高，因此，一旦投入运行，就应该 优先消耗其热电产出。这样就减少了增设蓄能环节的复杂性，使得系统更便于调 配。因此，在分布式能源系统中，建议燃气轮机热电联产子系统采用“以热定电 的运行方式，这样不但避免了“以电定热运行方式中多余热量的存储问题(否 则就得浪费掉)，而且电能的按量产出也有其它分布式电源做后备支持。4. 结语对于分布式燃气轮机热电联产系统，从运行策略的角度对“以电定热和“以 热定电两种热电联产的运行方式分别给出了相应的优化方案，以达到系统一次 能源利用效率最高的目的。文中给出的优化方案主要是为了解决分布式能源系统 中的燃气轮机热电联产在运行中机组额定热电比和用户对热电的需求比之间的 矛盾这一问题，最终燃气轮机热电联产系统是要作为能量管理系统的一部分参与 运行调度的。对于燃气轮机热电联产系统的“以电定热”和“以热定电”这两种方式，我 们应该根据用户不同的热电需求比灵活地选择联产系统的运行方式，以使系统总 热效率最高，同时也可避免过剩能量的浪费。在热电需求比小于