冷热电联产系统的发展及前景
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燃料电池是一种不经过燃烧、直接以电化学反 应方式将富氢 燃料的化学能转化为电 能的发电装 置。它被称之为继水电、火电和核电之后能持续产 生电力的第四种连续发电方式, 有着传统发电难以 比拟的诸多技术上的优点, 是 21 世纪最有吸引力的 发电方法之一。燃料电池属于能量直接转换装置, 发电效率很高, 目 前单独发电效率可达 50% ; 如果 和燃气轮机构成联合循环, 发电效率可达 60% ; 如 果进一步通过热电联供利用热能, 燃料电池的综合 热效率可达 80% 以上。预计到 2015 年, 与燃气轮机 构成的联合 循环 的发 电效 率将 达到 70% ~ 80% 。 燃料电池的环境 兼容性很好, 因为没有燃 烧过程, NOx 及 SOx 等排放量极低; 由于燃料利用的高效率, CO2 的排放与常规系统相比也大为降低。燃料电池 变负荷性能极好, 且与设备容量大小及负载量均无 关系, 这意味着小型设备也能得到高效率。由于这 些优点, 使燃料电池在分布式能源系统中具有广阔 的发展前景。目前燃料电池仍处于研究阶段, 价格 昂贵, 大规模应用尚需时日。
燃料压力 ( kPa, 表压)
828~ 3448
276~ 690
6. 9~ 310
3. 4~ 310
噪音 NO x 排放( kg/ MWh) 热回收形式
中等 ( 要求机组隔离)
0. 14~ 0. 91
热水, 低压、高压蒸汽
中等 ( 要求机组隔离)
0. 18~ 0. 91
热水, 低压蒸汽
中等到严重 ( 要求建筑隔离)
分布式能源方式多种多样, 根据燃料的不同, 可 分为化石能源与可再生能源。可再生能源包括太阳 能、风能、地热能、水能、海洋能和生物质能等, 利用 这些能源可以提供电力、热、燃气等多种产品。可再 生能源的优点在于易取得、可再生、洁净无污染等, 但其能源密度低, 稳定性较差, 需要蓄能调节, 长期 稳定运行困难, 且由于技术不够成熟, 可再生能源利 用的一次投资较大, 经济性差。化石能源的发电技 术不仅更加成熟, 而且效率更高, 因此化石能源目前 仍是国际上分布式能源的主要方向。不过化石能源 和可再生能源的结合可以在很大程度上克服了可再 生能源不稳定的缺陷, 同时将可再生能源高效的利 用, 这为可再生能源的开发利用创造出有力的技术 和市场条件。
92~ 97 24000~ 60000 10s 气体燃料、油
10~ 35
5~ 200 800~ 1000
0. 004
~ 100 > 50000 1h~ 1d 气体燃料、油、煤
40~ 70
0. 2~ 2 > 3000
0. 003~ 0. 015
> 95 10000~ 40000 3h~ 8h 氢、天然气、丙烷
领域。 欧盟委员会确信, 冷热电联供是能够为欧洲气
候目标创造单 项最 大贡献 的能源 使用方 式。1995 年欧洲已有 66GW 的联供容量, 占电力生产 9% 的份 额; 2010 年市场份额预计将达到 18% [ 2] 。日本 1997 年冷热电联供的容量为 4. 3GW, 预计 2010 年将达到 10. 02GW[ 3] ( 日本热电中心在热电统计时不包括汽 轮机和燃料电池在内) 。
微型燃气轮机的功率在 30kW~ 300kW 之间, 以 前主要是运输行业的辅助动力系统。由于技术的发 展, 它开始进入冷热电联产系统。
0. 002~ 0. 008
90~ 98 30000~ 50000 10min~ 1h 气体燃料、油
14~ 30
0. 025~ 0. 25 500~ 2500
0. 005~ 0. 015
90~ 98 5000~ 40000 60s 气体燃料、油
25~ 45
0. 05~ 5 800~ 1500
0. 007~ 0. 015
1998 年, 美国的冷热电联供高峰会议提出了到
2010 年美国联产系统的容量在 1998 年基础上翻一 番目标, 这意味着增加 46GW 的容量。根据估算, 新 增的 46GW 容量将减少 50 亿美元的能源费用支出, 减少 40 万吨的 NOx 和 90 万吨的 SO2 以及 3 500 万 吨的 CO2 排放。1999 年美国的联产系统超过 2 100 个, 提供的电力为 53GW, 其负荷接近美国非商业发 电机组负荷的 40% 和全部电力负荷的 7% 。为了确 保翻番目标的实 现, 组建 了美国热电联供 委员会。 通过几年的工作, 该委员会得出以下结论: 联产系 统通过提高能源的利用效率、减少污染物的排放, 可 以使用户、能源和设备供应商都受益, 间接的也能为 社会带来好处; 联产系统在美国的扩展空间巨大, 它可以应用于工业、商业建筑和分布式能源等诸多
0. 18~ 4. 5
热水, 低压蒸汽
中等到严重 ( 要求建筑隔离)
取决于锅炉
热水, 低压、高压蒸汽
低 ( 不需要隔离)
< 0. 023
热水, 低压、高压蒸汽
热输出量( MJ/ kWh) 3. 6~ 12. 7 可使用热量的温度( ) 260~ 593
4. 2~ 15. 8 204~ 343
1. 1~ 5. 3 93~ 260
表 1 冷热电联产技术的比较
技术状态
中小型燃气轮机 商业应用
微型燃气轮机 商用早期
内燃机 商业应用
汽轮机 商业应用
燃料电池 研究状态
发电效率( % 基于 燃料低位发热量)
规模( MW) 安装费用( $ /kW) 运行维护费用 ( $ / kWh) 可用率( % ) 大修间隔( h) 起动时间
燃料
25~ 45( 简单循环) 40~ 60( 联合循环) 0. 5~ 50 700~ 900
关 键 词: 分布式能源; 冷热电联产系统; 集成能源系统
中图分类号: TM611
文献标识码: A
文章编号: 1009- 2889( 2006) 02- 0011- 07
1 前言
能源的价格、电网的稳定性、能量的品质、空气 的品质以及全球气候的改变, 是 21 世纪我们面临的 严重问题。随着经济和社会的发展, 这些问题将变 得更加尖锐。
在传统的利用燃料产生电力的过程中, 将近三 分之二的输入能量没有有效利 用就被释放到 环境 中, 能量损失十分严重。利用总能系统替代传统的 电力系统, 可有效利用热机排往环境的热量, 产生蒸 汽、热水或用于制冷、通风、除湿以及实现一些其它 功能, 这种系统被称为冷热电联产系统( CCHP ) , 有 时也简称为热电联产系统( CHP) 。由于对输入燃料 的能量进行了梯级利用, 冷热电联产系统具有很强 的节能优势; 使用燃料量的减少以及采用低排放的 技术, 使系统的污染物排放大为降低, 从而减轻了对 环境的压力, 同时产生多种能量输出, 可以有效应对 用户的特殊需求。冷热电联产系统相对电网独立运 行, 减少了对大电网的依赖, 可以增加用户电力供应 的安全性。夏季采用吸收式制冷, 减少了制冷高峰 时对电网的压力, 同时增加了天然气的使用量, 对天 然气网络的高效运行也有所帮助。综上所述, 冷热 电联产系统在很大程度上可以减轻我们所面临的问 题。[ 1]
美国能源部的统计资料[ 5] 显示, 2000 年美国的 建筑耗能已占到全部一次能耗的 37% ( 其中民用建 筑耗能为 20% , 商业建筑为 17% ) , 而且这种状况在 今后 20 年内估计不会有太大的变化。由于建筑耗 能所占的份额, 其 能源利用率受到 了广泛的关注。 在美国计划增加 的 46GW 负荷 中, 17GW 为各种 建 筑、市政设施负荷; 到 2020 年, 用于建筑的新增的热 电联供容量预计将达到 35GW[ 6] 。虽然我国与美国 的国情不同, 但建筑能耗所占比例十分类似, 建筑节 能同样重要。冷热电联产系统适宜在各种建筑中采 用, 对建筑节能和天然气的利用都具有重大意义。
摘 要: 冷热电联产系统作为一种新型的多目标能源供应形式, 符合能的梯级利用原则, 具有很高的能源利用 率。由于所具有的诸多优势, 目前在国内外引起了广泛的注 意, 得 到了很大的 发展。本文总 结了冷热 电联产 系统常用的技术, 对其进行了简单的比较并列举了一些可以采 用的布置 形式, 最后简单介 绍了两个 具体项目 的流程布置。
由于冷热联产系统的诸多优点, 近年来, 美国、 欧洲和日本都分别制定了一系列鼓励政策, 促使联 供在有章可循的基础上迅速发展。如: 日本规定热 电联供的上网电价高于火力发电, 法国对热电联供
Baidu Nhomakorabea
收稿日期: 2005-10- 13
12
燃气轮机技术
第 19 卷
投资给予 15% 的政策 补贴, 丹麦 对热网 投资给 予 50% 的政策补贴, 欧洲委员会已经批准了强制购买 热电联供和可再生能源发电的政策等[ 4] 。我国为实 现两 个 根本 性 转变, 实施 可 持续 发展 战 略, 也 在 2000 年发布了 关于发展热 电联产的规定 , 鼓励 发展热电联产、集中供热, 提高热电机组的利用率 。
0. 5~ 3. 9 60~ 371
3 1 中小型燃气轮机 燃气轮机是比较成熟的技术, 商业发电用机组
的容量一般 为 100MW~ 300MW。冷热电联产 系统 一般规模较小, 所使用的容量从几百 kW 到 50MW。 燃气轮机采用的燃料为气体燃料或液态燃料, 通过 使用干低 NOx 燃烧技术、燃烧室注 水、注蒸汽 或者 在排气中采用选择性催化还原技术 可以将 NOx 控 制在很低的水平。燃气轮机的运动部件较少, 因此 维修工作量小, 维修费用较低。 3 2 微型燃气轮机
第 2期
冷热电联产系统的发展及前景
13
系统( 制冷、除湿等) 。动力系统处于联产系统的顶 小, 负荷的变化情况、空间的要求、冷热需求的种类 端, 通常根据动力系统确定联产系统所采用的技术。 及数量、对排放的要求、采用的燃料、经济性和并网 联供技术的采用取决于许 多因素, 包 括: 电负 荷大 情况。几种常见联供技术的比较见表 1。[ 8]
3 冷热电联供所采用的技术
商业、建筑领域用户的要求通常是电力、供热、 制冷、通风、热水等, 可以简单归结为电、热、冷三种。 常规的电网供 电和集中供热所提供的 能量品种单 一, 不能充分满足用户要求。冷热电联供技术有多 种能源输出形式, 在这些领域中可得到广泛应用。
作为能源集成系统 ( Integrated Energy Systems) , 冷热电联产系统按照功能可分成三个子系统: 动力 系统( 发电) 、供热系统( 供暖、热水、通风等) 和制冷
2 分布式能源系统
分布式能源是相对于传统集中式供能的能源系 统而言的, 它是以小规模、分散式、有针对性的方式 布置在用户附近, 根据用户的不同需求将一切可利 用能源就近送到用户的能源利用设施。它立足于现 有的能源 资源配置条件和成熟的技术组合, 追求 资源利用效率的最大化、最优化, 以减少中间环节损 耗, 降低对环境的污染和破坏。它是一个立足于用 户现 有 条件 和 实际 需 求的 综合 化 的 能源 转 换 设 施[ 7] 。因其具有良好的环保性能, 分布式能源与 小 机组 不是同一概念。
传统的分布式能源主要是分布式发电。由于设 备功率较小, 热转功效率一般小于大型集中供电电 站。正如常规的集中式热电并供系统可以提高能源 利用率一样, 小型冷热电联产系统是一种建立在能 量梯级利用基础上, 将供热( 采暖和供热水) 、制冷及 发电过程结合在一起的总能系统, 同时也是一种分 布式供能系统。由于实现了能量的梯级利用和就地 利用, 与传统的集中供电系统和热电联产系统相比, 冷热电联产系统可以在大幅度提高系统能源利用率 的同时, 降低环境污染, 明显改善系统的热经济性, 更好的满足用户对不同能源形式的需求。加之采用 的燃气轮机和内燃机发电技术、余热回收技术以及 制冷技术多为成熟技术, 因此冷热电联产系统被认 为是目前分布式能源发展的主要方向。
第 19 卷 第 2 期 2006 年 6 月
燃气轮机技术 GAS TURBINE TECHNOLOGY
Vol 19 No. 2 June. , 2006
冷热电联产系统的发展及前景
孙建国1, 冯志兵2
( 1 河北汇能电力电子有限公司, 北京 101300; 2 中国科学院工程热物理研 究所, 北京 100080)
燃料压力 ( kPa, 表压)
828~ 3448
276~ 690
6. 9~ 310
3. 4~ 310
噪音 NO x 排放( kg/ MWh) 热回收形式
中等 ( 要求机组隔离)
0. 14~ 0. 91
热水, 低压、高压蒸汽
中等 ( 要求机组隔离)
0. 18~ 0. 91
热水, 低压蒸汽
中等到严重 ( 要求建筑隔离)
分布式能源方式多种多样, 根据燃料的不同, 可 分为化石能源与可再生能源。可再生能源包括太阳 能、风能、地热能、水能、海洋能和生物质能等, 利用 这些能源可以提供电力、热、燃气等多种产品。可再 生能源的优点在于易取得、可再生、洁净无污染等, 但其能源密度低, 稳定性较差, 需要蓄能调节, 长期 稳定运行困难, 且由于技术不够成熟, 可再生能源利 用的一次投资较大, 经济性差。化石能源的发电技 术不仅更加成熟, 而且效率更高, 因此化石能源目前 仍是国际上分布式能源的主要方向。不过化石能源 和可再生能源的结合可以在很大程度上克服了可再 生能源不稳定的缺陷, 同时将可再生能源高效的利 用, 这为可再生能源的开发利用创造出有力的技术 和市场条件。
92~ 97 24000~ 60000 10s 气体燃料、油
10~ 35
5~ 200 800~ 1000
0. 004
~ 100 > 50000 1h~ 1d 气体燃料、油、煤
40~ 70
0. 2~ 2 > 3000
0. 003~ 0. 015
> 95 10000~ 40000 3h~ 8h 氢、天然气、丙烷
领域。 欧盟委员会确信, 冷热电联供是能够为欧洲气
候目标创造单 项最 大贡献 的能源 使用方 式。1995 年欧洲已有 66GW 的联供容量, 占电力生产 9% 的份 额; 2010 年市场份额预计将达到 18% [ 2] 。日本 1997 年冷热电联供的容量为 4. 3GW, 预计 2010 年将达到 10. 02GW[ 3] ( 日本热电中心在热电统计时不包括汽 轮机和燃料电池在内) 。
微型燃气轮机的功率在 30kW~ 300kW 之间, 以 前主要是运输行业的辅助动力系统。由于技术的发 展, 它开始进入冷热电联产系统。
0. 002~ 0. 008
90~ 98 30000~ 50000 10min~ 1h 气体燃料、油
14~ 30
0. 025~ 0. 25 500~ 2500
0. 005~ 0. 015
90~ 98 5000~ 40000 60s 气体燃料、油
25~ 45
0. 05~ 5 800~ 1500
0. 007~ 0. 015
1998 年, 美国的冷热电联供高峰会议提出了到
2010 年美国联产系统的容量在 1998 年基础上翻一 番目标, 这意味着增加 46GW 的容量。根据估算, 新 增的 46GW 容量将减少 50 亿美元的能源费用支出, 减少 40 万吨的 NOx 和 90 万吨的 SO2 以及 3 500 万 吨的 CO2 排放。1999 年美国的联产系统超过 2 100 个, 提供的电力为 53GW, 其负荷接近美国非商业发 电机组负荷的 40% 和全部电力负荷的 7% 。为了确 保翻番目标的实 现, 组建 了美国热电联供 委员会。 通过几年的工作, 该委员会得出以下结论: 联产系 统通过提高能源的利用效率、减少污染物的排放, 可 以使用户、能源和设备供应商都受益, 间接的也能为 社会带来好处; 联产系统在美国的扩展空间巨大, 它可以应用于工业、商业建筑和分布式能源等诸多
0. 18~ 4. 5
热水, 低压蒸汽
中等到严重 ( 要求建筑隔离)
取决于锅炉
热水, 低压、高压蒸汽
低 ( 不需要隔离)
< 0. 023
热水, 低压、高压蒸汽
热输出量( MJ/ kWh) 3. 6~ 12. 7 可使用热量的温度( ) 260~ 593
4. 2~ 15. 8 204~ 343
1. 1~ 5. 3 93~ 260
表 1 冷热电联产技术的比较
技术状态
中小型燃气轮机 商业应用
微型燃气轮机 商用早期
内燃机 商业应用
汽轮机 商业应用
燃料电池 研究状态
发电效率( % 基于 燃料低位发热量)
规模( MW) 安装费用( $ /kW) 运行维护费用 ( $ / kWh) 可用率( % ) 大修间隔( h) 起动时间
燃料
25~ 45( 简单循环) 40~ 60( 联合循环) 0. 5~ 50 700~ 900
关 键 词: 分布式能源; 冷热电联产系统; 集成能源系统
中图分类号: TM611
文献标识码: A
文章编号: 1009- 2889( 2006) 02- 0011- 07
1 前言
能源的价格、电网的稳定性、能量的品质、空气 的品质以及全球气候的改变, 是 21 世纪我们面临的 严重问题。随着经济和社会的发展, 这些问题将变 得更加尖锐。
在传统的利用燃料产生电力的过程中, 将近三 分之二的输入能量没有有效利 用就被释放到 环境 中, 能量损失十分严重。利用总能系统替代传统的 电力系统, 可有效利用热机排往环境的热量, 产生蒸 汽、热水或用于制冷、通风、除湿以及实现一些其它 功能, 这种系统被称为冷热电联产系统( CCHP ) , 有 时也简称为热电联产系统( CHP) 。由于对输入燃料 的能量进行了梯级利用, 冷热电联产系统具有很强 的节能优势; 使用燃料量的减少以及采用低排放的 技术, 使系统的污染物排放大为降低, 从而减轻了对 环境的压力, 同时产生多种能量输出, 可以有效应对 用户的特殊需求。冷热电联产系统相对电网独立运 行, 减少了对大电网的依赖, 可以增加用户电力供应 的安全性。夏季采用吸收式制冷, 减少了制冷高峰 时对电网的压力, 同时增加了天然气的使用量, 对天 然气网络的高效运行也有所帮助。综上所述, 冷热 电联产系统在很大程度上可以减轻我们所面临的问 题。[ 1]
美国能源部的统计资料[ 5] 显示, 2000 年美国的 建筑耗能已占到全部一次能耗的 37% ( 其中民用建 筑耗能为 20% , 商业建筑为 17% ) , 而且这种状况在 今后 20 年内估计不会有太大的变化。由于建筑耗 能所占的份额, 其 能源利用率受到 了广泛的关注。 在美国计划增加 的 46GW 负荷 中, 17GW 为各种 建 筑、市政设施负荷; 到 2020 年, 用于建筑的新增的热 电联供容量预计将达到 35GW[ 6] 。虽然我国与美国 的国情不同, 但建筑能耗所占比例十分类似, 建筑节 能同样重要。冷热电联产系统适宜在各种建筑中采 用, 对建筑节能和天然气的利用都具有重大意义。
摘 要: 冷热电联产系统作为一种新型的多目标能源供应形式, 符合能的梯级利用原则, 具有很高的能源利用 率。由于所具有的诸多优势, 目前在国内外引起了广泛的注 意, 得 到了很大的 发展。本文总 结了冷热 电联产 系统常用的技术, 对其进行了简单的比较并列举了一些可以采 用的布置 形式, 最后简单介 绍了两个 具体项目 的流程布置。
由于冷热联产系统的诸多优点, 近年来, 美国、 欧洲和日本都分别制定了一系列鼓励政策, 促使联 供在有章可循的基础上迅速发展。如: 日本规定热 电联供的上网电价高于火力发电, 法国对热电联供
Baidu Nhomakorabea
收稿日期: 2005-10- 13
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燃气轮机技术
第 19 卷
投资给予 15% 的政策 补贴, 丹麦 对热网 投资给 予 50% 的政策补贴, 欧洲委员会已经批准了强制购买 热电联供和可再生能源发电的政策等[ 4] 。我国为实 现两 个 根本 性 转变, 实施 可 持续 发展 战 略, 也 在 2000 年发布了 关于发展热 电联产的规定 , 鼓励 发展热电联产、集中供热, 提高热电机组的利用率 。
0. 5~ 3. 9 60~ 371
3 1 中小型燃气轮机 燃气轮机是比较成熟的技术, 商业发电用机组
的容量一般 为 100MW~ 300MW。冷热电联产 系统 一般规模较小, 所使用的容量从几百 kW 到 50MW。 燃气轮机采用的燃料为气体燃料或液态燃料, 通过 使用干低 NOx 燃烧技术、燃烧室注 水、注蒸汽 或者 在排气中采用选择性催化还原技术 可以将 NOx 控 制在很低的水平。燃气轮机的运动部件较少, 因此 维修工作量小, 维修费用较低。 3 2 微型燃气轮机
第 2期
冷热电联产系统的发展及前景
13
系统( 制冷、除湿等) 。动力系统处于联产系统的顶 小, 负荷的变化情况、空间的要求、冷热需求的种类 端, 通常根据动力系统确定联产系统所采用的技术。 及数量、对排放的要求、采用的燃料、经济性和并网 联供技术的采用取决于许 多因素, 包 括: 电负 荷大 情况。几种常见联供技术的比较见表 1。[ 8]
3 冷热电联供所采用的技术
商业、建筑领域用户的要求通常是电力、供热、 制冷、通风、热水等, 可以简单归结为电、热、冷三种。 常规的电网供 电和集中供热所提供的 能量品种单 一, 不能充分满足用户要求。冷热电联供技术有多 种能源输出形式, 在这些领域中可得到广泛应用。
作为能源集成系统 ( Integrated Energy Systems) , 冷热电联产系统按照功能可分成三个子系统: 动力 系统( 发电) 、供热系统( 供暖、热水、通风等) 和制冷
2 分布式能源系统
分布式能源是相对于传统集中式供能的能源系 统而言的, 它是以小规模、分散式、有针对性的方式 布置在用户附近, 根据用户的不同需求将一切可利 用能源就近送到用户的能源利用设施。它立足于现 有的能源 资源配置条件和成熟的技术组合, 追求 资源利用效率的最大化、最优化, 以减少中间环节损 耗, 降低对环境的污染和破坏。它是一个立足于用 户现 有 条件 和 实际 需 求的 综合 化 的 能源 转 换 设 施[ 7] 。因其具有良好的环保性能, 分布式能源与 小 机组 不是同一概念。
传统的分布式能源主要是分布式发电。由于设 备功率较小, 热转功效率一般小于大型集中供电电 站。正如常规的集中式热电并供系统可以提高能源 利用率一样, 小型冷热电联产系统是一种建立在能 量梯级利用基础上, 将供热( 采暖和供热水) 、制冷及 发电过程结合在一起的总能系统, 同时也是一种分 布式供能系统。由于实现了能量的梯级利用和就地 利用, 与传统的集中供电系统和热电联产系统相比, 冷热电联产系统可以在大幅度提高系统能源利用率 的同时, 降低环境污染, 明显改善系统的热经济性, 更好的满足用户对不同能源形式的需求。加之采用 的燃气轮机和内燃机发电技术、余热回收技术以及 制冷技术多为成熟技术, 因此冷热电联产系统被认 为是目前分布式能源发展的主要方向。
第 19 卷 第 2 期 2006 年 6 月
燃气轮机技术 GAS TURBINE TECHNOLOGY
Vol 19 No. 2 June. , 2006
冷热电联产系统的发展及前景
孙建国1, 冯志兵2
( 1 河北汇能电力电子有限公司, 北京 101300; 2 中国科学院工程热物理研 究所, 北京 100080)