第7章 分布式能源的利用与控制技术

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（8） 燃气热泵联合循环
组成：由燃气轮机和烟气热泵，燃气轮机、烟气轮机和烟气热泵，或燃 气轮机、余热锅炉、蒸汽热泵，以及燃气轮机、余热锅炉、蒸汽
轮机和蒸汽（烟气）热泵组成的能源利用系统。
工作原理：该系统在燃气轮机、烟气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等设备 完成能量利用循环后，进一步利用热泵对烟气、蒸汽、热水 和冷却水中的余热进行深度回收利用，或用动力直接推动热泵。
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（4）整体化循环
组成：由煤气发生炉、燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机共同组成的循
环系统，也称为IGCC。
优点：主要解决使用低廉的固体化石燃料代替燃气轮机使用的气体、 液体燃料，提高煤炭利用效率，降低污染物排放。 作用：可作为城市煤气、电力、集中供热和集中制冷、以及建材、化 工原料综合供应系统。目前，GE公司使用MS7001F技术组成的整
7.1.1 分布式能源的特征
分布式能源也叫分布式资源（DER，Distributed Energy Resources），是一种能源的分布式应用系统，实 现用户端的能源综合利用，相对于传统的集中供电方式而言， 是指将冷--热--电系统以小规模、小容量（数kW—50MW）、 模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出冷 （Cooling）、热（Heating）、电能（Power）的系统。
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7.2.1
天然气的特征与利用
1. 天然气的特征
存在方式： （1）占据大的岩石粒间孔隙；
（2）以球粒状散布于细粒岩石中； （3）以固体形式填充在裂缝中； （4）大固态水合物伴随少量沉积物。
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气水合物与冰、含气水合物层与冰层之间有明显的相似性：
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7.2 天然气、燃气发电与控制技术
天然气是指地层内自然存在的以碳氢化合物为主体的 可燃性气体。 组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系 物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。 形成天然气水合物的主要气体为甲烷，一般把甲烷分子含 量超过99%的天然气水合物称为甲烷水合物（Methane Hydrate）。
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3. 分布式能源的综合利用：
燃气-蒸汽联合循环发电 燃料电池发电--余热利用技术 整体煤气化联合循环（IGCC） 煤炭气化多联产 热--电--冷三联产 风--光--燃气互补多联产发电等领域。
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7.1.2 分布式能源的主要应用形式
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我国天然气的现状
（1）天然气在中国是一种稀缺资源 （2）中国能否创造一条高效利用天然气的独特道路 （3）电力与天然气应统筹安排合理利用 （4）分布式能源供给体系发展长期滞后
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世界天然气的发展前景
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1. 分布式能源的定义
国际分布式能源联盟（WADE，World Alliance for Decentralized Energy ）对“分布式能源”给出的 定义是：发电系统能够在消费地点或很近的地方发电，并 具有： ①高效的利用发电产生的废能生产热和电； ②现场端的可再生能源系统； ③包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循 环利用系统。 这些系统就称为分布式能源系统，而不考虑这些项目的 规模、燃料或技术，及该系统是否联接电网等条件。
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（3） 联合循环发电或热电联产
组成：燃气轮机及发电机与余热锅炉、蒸汽轮机或供热式蒸汽轮机（抽 汽式或背压式）共同组成的循环系统。
工作原理：它将燃气轮机作功后排出的高温废烟气通过余热锅炉回收转
换为蒸汽，再将蒸汽注入蒸汽轮机发电，或将部分发电作功 后的废气用于供热。 应用：主要用于发电和热电联产。ABB公司的GT26－1产品作为高效率发 电的代表性联合循环系统，发电效率达到58.5%。
世 界 天 然 气 供 给 前 景
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世界天然气需求趋势
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世界天然气贸易前景
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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世界天然气价格展望
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1. 分布式能源转换设备及装置
（1） 小型燃气轮机 （2） 微型燃气轮机 （8） 余热制冷系统 （9）热泵系统
（3） 燃料电池
（4） 微型蒸汽轮机--蒸汽轮机 （5） 微型水轮机和微型抽水蓄能电站 （6） 太阳能发电系统 （7） 风力发电系统
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（10）能量回收系统
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（6） 燃机辅助循环
工作原理:
在以煤、油等为燃料的后置循环发电汽轮机组中，使用小型燃气
轮机作为电站辅助循环系统，为锅炉预热、鼓风，改善燃烧，提高 效率，并将动力直接用于驱动给水泵。1947年美国第一台工业用途 的燃气轮机就是采用该种方式参与发电循环系统的。
第7章
分布式能源的利用与控制技术
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第7章 分布式能源的利用与控制技术
主要内容
7.1 分布式能源的特征及其应用 7.2 天燃气、燃气发电与控制技术 7.3 氢能、氢燃料电池发电与控制技术 7.4 分布式能源的综合利用及经济技术评价
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7.1 分布式能源的特征及其应用
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根据国际实际应用经验，发展热电联产特别是小型燃气轮机热电冷联
体循环系统，发电效率可达到42%。
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（5） 核燃联合循环
组成：由燃气轮机、余热锅炉和核反应堆、蒸汽轮机共同组成的发电循
环系统。
工作原理：通过燃气轮机排出的烟气再为热核反应堆输出蒸汽。 应用：主要是为了提高核反应堆蒸汽的温度、压力，提高蒸汽轮机效 率，降低蒸汽轮机部分的工程造价。
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•
•
国际公认的两个具有发展前途、重要的分布式 能源利用形式： 微型燃气机发电机组，这是实现热电联产、高效利 用能源和节能的主要形式； “燃料电池”技术，这也是未来主要的分布式能源 利用技术之一。
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2.分布式能源主要特征：
7.2.2
小型燃气轮机发电机组
燃气轮机按功率分为：大型燃机(100MW以上)
中型燃机(20～100MW )
小型燃机(20MW以下)
微型燃机(小于300kW)
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燃气轮机又可分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机 • 轻型燃气轮机为航空发动机的转型产品，如LM6000PC和FT8燃气轮机，
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2. 分布式能源中的系统优化技术
（1）多种能源系统整合优化
（2）将分布式能源与交通系统整合优化 （3）分布式能源系统电网接入研究 （4）储能技术 （5）地源储能技术
（6）网络式能源系统
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3. 分布式能源中的资源利用技术
（1）天然气凝结水技术
（2）将分布式能源与大棚结合的技术 （3）利用发电制冷的冷却水生产生活热水的技术 （4）空调系统废热回收技术 （5）污水水源热泵系统
（1）简单循环发电
由燃气轮机和发电机独立组成的循环系统
优点：装机快、起停灵活，多用于电网调峰和交通、工业动力系统。 美国GE公司的LM6000PC轻型燃气轮机是目前效率较高的开式循环系统， 其发电效率为43%。
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（2）前置循环热电联产或发电
组成：由燃气轮机、发电机与余热锅炉共同组成的循环系统。
（1）相同的组合状态的变化——流体转化为固体； （2）均属放热过程，并产生很大的热效应； （3）结冰或形成水合物时水体积均增大； （4）水中溶有盐时，二者相平衡温度降低，只有淡水才能转化为冰或 水合物； （5）冰与气水合物的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小 于同类的水层； （6）含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层； （7）含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。
其优势在于装机快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电 力调峰、船舶动力。 • 重型燃气轮机为工业型燃机，如GT26和PG6561B等燃气轮机，其优势 为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环 发电、热电冷联产。
轻型燃气轮机 机械工业出版社
重型燃气轮机
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• • • • • • •
(1)高效性 (2)环保性 (3)能源利用的多样性 (4)调峰作用 (5)安全性和可靠性
(6)减少国家输配电投资
(7)解决边远地区供电
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分布式能源的先进技术包括太阳能利用、风能利用、燃 料电池和燃气内燃机冷-热-电三联供等多种形式； 主要技术有： 电能有效利用（EUEE，Efficient Utilization of Electrical Energy）、智能通信技术（ICT，Information and Communications Technology）、智能模块（Smart Box）、主动网络管理 （ANM，Active Network Management）以及微网（Micro-Grids）和智能电网 （Smart-Grids），并实现整合预期能源发展的柔性电网 （FENIX，Flexible Electricity Networks to Integrate the eXpected 'energy evolution）。
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应用：这一工艺可用作热电联产、热电冷联产、热冷联产、电冷联产、
直接供热或直接制冷利用。
特点：该系统热效率极高，如果用于直接供热，热效率可达150%，是未 来能源利用的主要趋势之一。
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（9） 燃料电池――燃气轮机联合循环
组成：由燃料电池和燃气涡轮机结合在一起的发电设备。 工作原理：电池以天然气为燃料，能放出高温高压的废气流，燃气涡轮 机则用燃料电池产生的热废气流产生电力。 特点：污染少； 只要有天然气和空气存在，燃料电池就能工作；
发电效率高达55%，燃煤发电效率35%，燃气涡轮机发电效率50%。
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第7章 分布式能源的利用与控制技术
工作原理：它将燃气轮机作功后排出的高温废烟气通过余热锅炉回收， 转换为蒸汽或热水加以利用。 应用：热电联产，也有将余热锅炉的蒸汽回注燃气轮机提高燃气轮机出 力和效率。
改进：为提高供热的灵活性，大多数前置循环热电联产机组采用余热锅
炉回补燃烧技术，补燃时的总效率超过90%。
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1. 燃气轮机的工作原理
燃气轮机由燃烧室、压气机、轮机装置组成
排气口 燃气轮机 空气入口
燃气轮机优点：
效率高、功率大、体积小、
投资省、运行成本低、寿命 周期较长等。
燃烧室 燃料入口
主要用于发电、交通和工业 动力。
燃气轮机工作原理
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2. 燃气轮机的发电方式
（6）小型生物质沼气生产技术
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4. 分布式能源的主要应用形式
热-电-冷联产技术
燃气轮机发电系统
微燃气机发电系统 氢燃料电池发电系统 风力发电系统 小水电发电系统
太阳能光伏发电系统
地热能综合利用热-电联产系统 生物质能源发电系统
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（7） 燃气烟气联合循环
组成：由燃气轮机和烟气轮机组成的循环系统。
工作原理：利用燃气轮机排放烟气中的剩余压力和热力进一步推动烟气
轮机发电。 特点：该系统与燃气蒸汽联合循环系统比较可完全不用水，但烟气轮机 造价较高，还未能广泛使用。
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