微燃 机 DES 以 天 然 气 为 燃 料,通 过 燃 气 透 平 做 功,排 气 驱 动 余 热 利用机组实现供电、供热、制冷和生活热水生产等[5]。 微燃机与其它应 用于 DES 的原动机(如天然气发动机、燃气轮机、斯特林发动机等) 相 比,具有建设周期短、占地面积小、安装维护简单、污染物排放量低、起 停迅速等优点。 自 2001～2002 年商业化以来,微燃机即在小型 DES 领 域得到了推广应用。 美国马里兰大学是最早开展微燃机 DES 应用的 研 究 单 位 之 一, 其 采 用 的 美 国 卡 普 斯 顿 C60 型 微 燃 机 和 远 大 单 效 吸 收式制冷机组,系统 的 总 能 源 利 用 率 达 到 了 72 % ,CO2 减 排 量达到了 40%[6]。 2.1 微燃机 DES 工作原理和热力学过程
1）现状 目前以天然气为燃料的分布式能源建设，已由学术研讨，进入工 程开发，在北京，上海、广东已有一批工程实现热、电、冷产，以其自身 优势和经济效益显示其强大生命力。 目前我国北京、上海、广东省已有 一批分布式热、电、冷工程投入运行，取得明显的经济效益、环保效益 和社会效益。 我国的供电系统从规模上分为集中输电网络系统、配电 网络系统和分布式能源系统 3 类。 集中输电网络系统和配电网络系统 是国家级， 省级电力部门以及地方级电力部门所经营的集中供电系 统,分布式能源系统(Distributing Energy System)[3]。 这是相对于集中供电 网络系统而言的一种分散布置的小型供电热冷站,由用户所经营。 分 布式能源系统靠近负荷(电、热、冷) ,采用较小型的能源机组向所在小 区域联供热电冷。 它所采用的机组一般是以天然气为主要燃料(燃油
2）发展趋势 我们必须提高天然气能源的利用效率。 应当注意到,发达国家在 能源价格升高的压力下, 多年来一直在不断地努力提高能源利用效 率。 分布式能源系统, 就是美国在第一次能源危机的 1973 年之后不 久开始发展的。 进入本世纪以来,美、欧、日等国都加快了发展分布式 能 源 的 步 伐 。 美 国 能 源 部 计 划 2010 年 DES/CCHP 的 发 电 装 机 容 量 达 到 92GW,占 全 国 总 用 电 量 的 14%; 2010～2020 年,还 会 新 增 95 GW, 使其装机容量占到全国总用电量的 29%。 2000 年英国新 CCHP 项目 共 1 536 个, 总 装 机 容 量 达 到 4176 GW, 计 划 到 2010 年 可 以 达 到 10 GW,增 加 1 倍[4]。 相 比 之 下,我 国 面 临 的 能 源 环 境 形 势 比 他 们 更 严 峻, 因此应当学习他们的经验,利用他们的成果,在提高能源利用效率方面 做出更大的努力。 综上所述, 中国面临着大力发展天然气 DES/CCHP, 快速提高能效、改善环境的极好机遇,从而可以从容应对能源环境严 峻形势的挑战。 天然气的利用规划进行协调整合的重点是:是 DES/CCHP 为 主 的 用 户 有 承 受 国 际 LNG 市 场 价 格 的 能 力; 可 以 推 动 天 然 气 产 业 快 速 发 展。 LNG/管输天然气规划必须与产 业 、电 力 、城 镇 等 规 划 协 调 整 合 。 作为天然气主要下游用户的工业和城镇建筑物的 DES/CCHP, 如果没 有在上述各个规划层面上与天然气供应和规划密切配合,是根本不可 能 实 现 的 。 DES/CCHP 与 电 力 发 展 规 划 的 关 系 更 为 密 切 。 美 国 到 2010 年 DES/CCHP 发电将占总发电量的 14%; 2020 年 DES/CCHP 发 电 将 占 总 发 电 量 的 29% 。 而 我 国 目 前 的 电 力 发 展 规 划 基 本 上 排 斥 DES,实际上也就是在排斥天然气的高效利用。 这个问题,如果不先在 观念、法律和规划层面上解决,DES/CCHP 是难以发展 的 。 DES/CCHP 规划是节能减排规划最有力的保证之一。 天然气多了, DES/CCHP 快 速发展了,工业和建筑物的能效即可得以大幅度提高,环境也会大大改 善 。 因 此 在 节 能 减 排 规 划 中, 必 须 把 发 展 DES/CCHP 列 为 重 要 的 内 容。 当然, 推动天然气产业、DES/CCHP 技术和其他机遇的协调整合, 还需要法律、政策等各方面举措的支持和配合。 例如,在错综复杂的 相互影响的各因素中,电力法的修改和电力体制改革的加速就是一个 很关键的因素。 但是, 只有在领导的认识和规划的层面上加以落实, 才能够有力地促进其他政策、 法律方面的前进。 历史给中国发展天 然气产业和分布式能源提供了技术,积累了经验,能源和环境的挑战也 给中国协调和同步发展分布式能源和天然气产业创造了历史的机
为备用燃料)。 由于分布式能源系统可热电冷联供, 使燃料得到梯级 利 用,其 热 效 率 可 达 70%～85% ,电 损 耗 低( 2% ～3%)。 分 布 式 能 源 系 统是一种以燃气作为能源,将制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程一 体化的多联产系统,通常由发电机组、溴化锂吸收式冷(热)水机组和换 热设备组成。 该系统是将高品位热能用于发电,发电机排放的低品位 能源(烟气余热、热水余热)用于供热或制冷,以实现能源的梯级利用,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。
目前国际上分布式能源系统是采用天然气作为主要能源,它先利 用天然气发电,将发电后的余热用于供热制冷,再将更低温度的废热供 应生活热水。 现在世界上一些发达国家的热电效率已经达到了 96% 以上, 可将天然气的所有能量吃光用尽。 这一技术带来的好处是:① 能源利用效率大幅度提高; ②由于兼并发电,经济效益好; ③冬夏实现 天然气供应的平衡; ④燃气价格承受能力大幅度提高。 大型发电厂中 集中式热电联产是一种成熟的能源供应形式, 然而我国大部分地区夏 季都有空调制冷需求, 并且空调制冷负荷占了相当比例的夏季电负 荷, 造成用电紧张, 因此发展各种形式的冷热电联产系统, 对一次能 源进行有效的梯级利用是解决当前能源短缺问题的一种途径。 此外, 分布式能源, 相对于大型集中式能源系统拥有高效, 灵活, 可靠性高, 面向用户等优点, 在世界范围内掀起能源供应形式的革命其中分布式 冷热电联产系统与分布式可再生能源系统一起, 在这场革命中获得了 广泛的应用, 拥有光明的发展前景[2]。 所以, 分布式冷热电联产系统的 实验与理论研究对于解决我国能源问题, 提供能源政策的依据等方面 有着重要的意义。 1.3 我国分布式能源实现热电冷联产的现状及发展方向
遇。 因此中国必须利用后发优势,跨越发展,用十几年的时间完成发 达国家几十年走过的提高能效、改善环境的历程。
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2011 年 第 19 期
SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
○电力与能源○
科技信息
2 以 DES 为例进行热力学分析和计算
下 面 以 微 型 燃 气 轮 机(微 燃 机) 分 布 式 能 源 系 统(DES)为 例 ，分 析 各组件的热力学过程和火用损失的计算方法。 进行能量平衡和火用平 衡计算,确认该系统比常规能源系统在能源利用率、火用效率方面具 有更好的经济性。
【关键词】微型冷热电三联供系统；分布式能源系统，热力学分析；能量分析，火用分析 【Abstract】Compared with the traditional centralized supply power mode, the distributed energy is referred to the energy comprehensive utilization system that distributes at the user end. It’s such a system that the heating and power system is arranged near the use r with small scale, small capacity, modularization, dispersed mode. And the cold, thermal and electricity can be putout independently. The distributed energy system that takes the gas as its energy, Thermodynamic analysis on combined cooling heating and power system of distributed energy system was given, the thermodynamic process and calculation method of energy loss of each component for distributed energy system (DES) with micro gas turbine have been determined, so as to promote the healthy development of distributed energy enterprise in our country. 【Key words】Micro combined cooling;Heating and power system；The distributed energy system;Energy and exergy analysis
1 研究现状综述
1．1 分布式能源系统简介 分布式能源是指安装在用户端的高效冷热电联供系统濉溪。 分布
式能源主要包括农村小水电、小型独立电站、废弃生物质发电、煤矸石 发电,以及余热、余气、余压发电等。 利用可再生能源(风能、太阳能、 水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源)的发电也属于分布式 能源的范畴。 分布式能源也称分布式供能、 分散式发电、 分布式供 电。 分布式能源系统也叫做冷热电三联供系统。 目前, 分布式能源 系统主要是以燃气作为能源,将制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程 一体化的多联产系统。 主要是相对于大型的区域电厂而言,广义上是 指小型的能量梯级利用系统,在用户现场或靠近用户现场的小型和微 型独立输出电、热(冷)能的系统[1]。 主要设备包括燃机、余热锅炉、非电 制热制冷机组等。 1.2 分布式能源系统的特点