燃气轮机分布式供能系统的特点和应用 翁史烈 翁一武 苏 明 (上海交通大学,上海 200030)
摘要:结合实例,介绍了以燃气轮机作为动力装置的2种分布式供能系统的特点和应用,分析了分布式供能系 统能够产生的经济效益和社会效益。 关键词:分布式供能系统 冷热电联供 燃气轮机
Character istics and Applica tionof Ga s Turb ine D istr ibuted Energy Supply System
W eng Shilie W eng Yiwu Su M ing ( Shanghai J iao tong University,Shanghai 200030,China)
Abstract: Based onsome examp les,the characteristics and app lication of 2 distributed energy supp ly system s in gas turbines areintroduced,andthe econom ic andsocial benefits of thesesystem s are also analyzed. Key words:distributed energy supp ly system;combined cooling heating power;gas turbine
1 引言 传统建筑物供能系统的主要方式,包括燃煤供 暖、天然气或电直接供热(冷)和集中热电并供。这 些方式的供能系统虽然能满足建筑物对能量的需
求,但存在明显弊端。例如,燃煤锅炉供暖会产生大 量烟气粉尘,严重恶化环境;天然气直接供热(冷)
成本过高,能源利用率低;大型集中冷热电并供受到 距离限制,损耗大,成本高;电直接供热(冷)会使电
力峰谷差加大(季节、时段) ,而且发电设备年运行 时间减少,导致大量固定资产闲置。
采用分布式供能系统(DES)可以很好地解决上 述传统建筑物供能系统问题。本文结合实例介绍了 以燃气轮机为动力装置的2种分布式供能系统。
2 分布式供能系统简介
分布式供能系统是指靠近用户安装的模块化的 能源供应装置,可以独立地提供电、热或(和)冷,具 有环保、高效、使用安全、操作方便等特点。其主要 形式是分布式冷热电联供(Combined cooling Heating
收稿日期: 2006 -03 -02
Power简称CCHP)。该系统是建立在能源梯级利用 概念基础上,将制冷、供热(供暖和供热水)及发电 过程一体化的多联产总能系统,能有效提高能源利
用效率,减少碳化物及有害气体的排放。 生活质量和环保标准较高的发达国家,对分布
式能源供应装置的需求已有所表现,在建筑楼宇、医 院、商住小区等相继应用。如美国M aryland办公区
能源系统、日本阳光计划的连锁店功能系统、欧洲国 家的类似系统等。
中国的发展与国外的相似,在经济发展水平相 对较高的上海、北京和南方地区已经产生对分布式 能源供应装置的需求。如上海地区的高档楼宇和商
住小区,对分布式能源的需求已很迫切。 中国政府非常重视分布式供能系统的发展。
《国家中长期科学和技术发展规划》提出:“未来能 源技术发展的主要方向是经济、高效、清洁利用和新 型能源开发。具有清洁、灵活特征的燃料电池动力
和分布式供能系统,将为终端能源利用提供新的重 要形式。重点研究规模化的氢能利用和分布式供能
系统”。国家发改委和国家科技部也对分布式供能 系统的发展进行了规划,并给予高度重视。
9 2006年第32卷第1期 航空发动机 3 分布式供能系统的特点 与集中式发电-远程送电比较,DES可以大大 提高能源利用效率。大型发电厂的发电效率一般为 35% ～55% ;扣除厂用电和线损率,终端的利用效率 只能达到30% ～47%。而DES的能源利用率可达 85% ,没有输电损耗和输热(冷)损失;在降低碳和 污染空气的排放物方面具有很大的潜力。发达国家 早已采用“污染物排放量购买法”来控制有害气体 的排放,中国也是势在必行。 从长远看,分布式供能系统有巨大的经济优势, 但是,能源利用率高这一优势还未必能转化为经济 优势。对于中国而言,天然气发电的价格远高于煤 电的价格;如处理不当,多余的电无法上网,其结果 将是能量利用率上升了,而财务却亏空了。在目前 的市场价格环境下,分布式供能获取利润的关键在 于正确的选点和正确的设计。在对冷热负荷要求高 的楼宇或小区,宜采取以热定电、发电就地消化、并 网不上网的设计和运行控制模式,不足的电从网上 获取。这样,比之电制冷和天然气直燃制冷,多联供 系统将获得更高的能源利用率和实质性的经济效 益。 D ES有多种形式。从按所采用的原动机来区 分,有燃气轮机和内燃机等。内燃机作发电用有一 定优势,但余热流量小,因此其制冷、制热能力也小。 当以制冷、制热为主时,燃气轮机组成的供能系统的 能源利用率超过内燃机的,具有更低的全寿命期成 本,维护保养简便,污染排放低(低于柴油机的) ,噪 声低,振动小。在用户冷热需求量较大时,其优势更 明显。 分布式供能系统的发展得益于天然气的广泛应 用。用天然气为能源、以燃气轮机为原动力的冷热 电联供系统,具有机构紧凑、效率高、技术成熟、运行 可靠、自动化程度高的优点,适合布置在用户端,将 对中国的能源结构、大气环境和经济发展产生重大 影响。 在节能和环保方面,分布式供能系统的显著特 点是: (1)能量利用率高。一般可以达到80%以上。 (2)环保效益显著。NOX、CO2、SOX和粉尘的 排放量较低。 4 燃气轮机分布式冷热电联供系统的应用 本文介绍2种典型的燃气轮机分布式供能系 统。一种是规模较大的,位于上海浦东国际机场能 源中心;另一种是规模较小的,位于上海交通大学软 件大楼。
4.1 浦东国际机场能源中心分布式供能系统 浦东国际机场的燃气轮机分布式热电联供系统 (如图1所示)为机场供电(从技术角度讲,还可以
向市网送电) ,并通过余热锅炉供热;产生的电和蒸 汽通过离心式制冷机组和溴化锂冷热机组,向机场 供冷和供暖。
图1 浦东机场燃气轮机分布式供能系统 该系统由1台燃气轮机发电机组( 4000 kW , 10.5kV )、1台余热锅炉( 9.7 t/ h, 0.9M Pa饱和蒸
汽)、数台离心式制冷机组和溴化锂冷热机组组成; 燃料以天然气为主, 0#柴油作为备用;设计发电量为 4000kW (实际3200kW ) ,电力并网不上网;通过电
离心式制冷机组和蒸汽型溴化锂吸收式制冷机组向 机场供冷和供暖,设计溴化锂空调制冷量为1500RT (冷吨)。
该系统于1999年开始研制, 2002年投入使用, 一直正常运行。由于燃气气源压力过低,于2004年 在该系统上增加了燃气增压器。全年运行4200 ～ 4300h,冬季采暖3个月,夏季制冷5个月;鉴于晚间
电价低(0.26元/ kW·h) ,燃气轮机发电机在晚间 停止工作,直接采用市电。
该系统工程总投资约3000万元,考虑设备折旧 等因素,投资成本回收期约8年。
半年的运行表明,该系统经济效益可观。其统 计数据见表1。
0 1 航空发动机 2006年第32卷第1期 表1 供能系统半年的收支情况 项 目 单 价 (元) 耗 量 小 计 (万元)
消耗天然气 消耗柴油
消耗自用电 支出合计
1.9 2400 0.7 1158116m3 922 t 177680kW·h 220.0420 221.2800
12.4376 453.7596
产出蒸汽 峰时发电量 平时发电量
谷时发电量 收入合计
165 0.889 0.632 0.294 14350 t 2812255kW·h 4049558kW·h 3429kW·h 236.7750 250.0094 255.9320
0.1008 742.8173
盈 余 289.0577
4.2 上海交通大学分布式供能系统 上海交通大学的分布式供能系统(如图2所 示)
是上海市科委的重点示范项目。
图2 上海交通大学分布式供能系统 该系统采用2台30kW微型燃气轮机,带动1 台20万大卡级余热溴化锂吸收式空调机,向上海交 通大学软件大楼(约5000m2 )供冷、供热和供电(部
分) ;发出的电低压接入楼内自用电力系统,不足电 力从电网输入。
微型燃气轮机具有自动调峰、调频功能,可以根 据楼宇对热、电、冷、热的需求自动进行调节;直接使 用城市管网的天然气,排出的高温余热烟气直接排
入余热吸收式溴化锂空调,所产生的7℃冷水为建 筑物制冷,或60℃热水用于供暖,并可利用低品位
余热,产生70℃生活用热水。 系统配置为:( 1 )天然气微型燃气轮机发电机 组2台,输出电能60kW ,既可以并网发电,也可以独
立使用;(2)烟气补燃型溴化锂冷热空调机组1台, 供热200kW ,供冷230kW ;( 3)烟气型热水发生器1
台,提供生活热水6m3 / h (60 ～90℃) ;( 4 )低温余热 吸附制冷机1台,供冷10kW ;( 5)天然气供应系统, 提供2组不同压力的天然气,压力分别为不低于 360kPa和不低于4.0kPa。
该系统采用了能量梯级利用(如图3所示)机 制,具有很高的能量利用率:高品位的能量用于发 电,中品位的能量用于制冷或供热,低品位的能量用 于提供生活用热水。
图3 分布式供能系统的能量梯级应用 图4示出了该系统在某1天运行时的燃气轮机 发电效率和系统能量利用率的统计曲线。从图中可 见,虽然燃气轮机的发电效率( 24.5% )较低,但系 统仍然有很高的总体能量利用率(约83.5% )。
图4 上海交通大学分布式供能系统运行效率 在24h的运行中,消耗的天然气总量为665.34, 其中,微型燃气轮机消耗565.34NM3 ,溴冷机消耗 100.85NM3 ;燃气轮机发电量为1332kW·h;溴冷机 可提供热量3363kW·h,或制冷4014kW·h;换热
1 1 翁史烈等:燃气轮机分布式供能系统的特点和应用