熱電聯(lián)產系統(tǒng)

熱電聯(lián)產系統(tǒng)熱電評價

蒸汽輪機

原理是由高溫高壓蒸汽帶動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，做功后的低品位的汽輪機抽汽或背壓排汽用于供熱或制冷。由此機組也一般有兩種，一種是背壓式機組，另一種是抽汽式機組。背壓式機組不設冷凝器，用汽輪機尾部的余熱作為熱源，需要穩(wěn)定的熱負荷才能正常發(fā)電，其優(yōu)點是熱效率高。而抽汽式機組設置冷凝器，在汽輪機的中段抽取一定壓力（一般在1.0MPa左右）蒸汽作為熱源，其優(yōu)點是熱負荷可靈活調節(jié)，但熱效率比背壓式機組低。機組充分利用了汽輪發(fā)電機梯級做功的原理，能夠提高發(fā)電機組的熱效率，純凝汽式發(fā)電機組的熱效率一般為25%～30%，而熱電聯(lián)產機組總熱效率則在45%以上。由于蒸汽輪機機組需要用到鍋爐提供高溫高壓蒸汽，所以一般在煤改氣的熱電聯(lián)產中得以應用。

燃氣輪機

燃氣輪機機主要由壓氣機、燃燒室和汽輪機組成。壓氣機將空氣壓縮進入燃燒室，在燃燒室內與噴入的燃氣（如天然氣）混合燃燒，之后在汽輪機里膨脹，驅動葉輪轉動，使其驅動發(fā)電機發(fā)電。燃氣輪機的尾氣溫度很高（一般在500℃以上），是很好的驅動熱源，可以用來制冷，也可以進余熱鍋爐產生蒸汽再供熱或制冷。另外，煙氣也可以不全部用來發(fā)電，而是部分用于工藝，這樣它的總熱效率可達80%或更高。

某焦化廠以富余的焦爐煤氣為燃料進行熱電聯(lián)產，對燃氣輪機和蒸汽輪機這兩套方案進行了比較，我們可以看出燃氣輪機具有以下的優(yōu)點：

①效率高。富余的焦爐煤氣可帶動2臺2000kW的燃氣輪機，其尾氣又可帶動2臺6.5t/h的余熱鍋爐。燃氣發(fā)電效率21%，余熱鍋爐熱效率44%，總熱效率65%.相應的蒸汽輪機方案發(fā)電熱電轉換率只有28%左右，裝機容量也只有3500kW.

②投資小，占地少，投資回收期短。2000年的單位投資為3492元/kW，而蒸汽輪機發(fā)電的單位投資為5500元/kW.

③啟動迅速，運行穩(wěn)定，故障率低，維修工作量小，結構簡單，自動化程度高，燃料適應范圍廣。

此外，燃氣輪機的容量范圍也很寬，小有幾十到數(shù)百kW的微型燃氣輪機，大到300MW以上的大型燃氣輪機。因而燃氣輪機正日益取代汽輪機在熱電聯(lián)產中的地位。

發(fā)電裝置

除了燃氣輪機的簡單循環(huán)形式外，還有一種聯(lián)合循環(huán)的形式，即燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)把具有較高平均吸熱溫度的燃氣輪機與具有較低平均放熱溫度的蒸汽輪機結合起來，使燃氣輪機的高溫尾氣進入余熱鍋爐產生蒸汽，并使蒸汽在汽輪機中繼續(xù)作功發(fā)電，其抽汽或背壓排汽用于供熱和制冷，達到揚長避短、相互彌補的目的，使整個聯(lián)合循環(huán)的熱能利用水平較簡單循環(huán)有了明顯提高。從《城市天然氣工程》中可以看到，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的凈效率已達48%～58%，并且正向著60%的目標邁進。

燃氣輪機的這兩種循環(huán)形式都有各自的特點和適用范圍。聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)初投資較高，占地面積較大，但具有較強的靈活性，熱電產出比可通過控制抽汽量方便地調節(jié)，故適用于大型的聯(lián)產系統(tǒng)。簡單循環(huán)系統(tǒng)初投資低，占地面積小，熱電聯(lián)產可調性差，則適用于負荷相對穩(wěn)定、小型的聯(lián)產系統(tǒng)。

內燃機

內燃機將燃料（如天然氣）與空氣注入汽缸混合，點火引發(fā)其爆炸作功，推動活塞運動，驅動發(fā)電機發(fā)電，回收燃燒后的煙氣和各部件的冷卻水的熱量用于熱電聯(lián)產。當其規(guī)模較小時，發(fā)電效率明顯比燃氣輪機高，一般在30%以上，并且初投資較低，因而在一些小型的熱電聯(lián)產系統(tǒng)中往往采用這種形式。但是，由于余熱回收復雜而品質又不高，因此不適于供熱溫度要求高的場合。

外燃機

外燃機是一種外燃的閉式循環(huán)往復活塞式熱力發(fā)動機，又名斯特林發(fā)動機（Stirling engine）新型的外燃機使用氫氣作為工質，在四封閉的氣缸內充有一定容積的工質。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫熱腔中迅速加熱，膨脹作功。燃料在氣缸外的燃燒室內連續(xù)燃燒，通過加熱器傳給工質，工質不直接參與燃燒，也不更換。

外燃機的主要特點在于：

①發(fā)電效率高，部分負荷性能優(yōu)越。外燃機的發(fā)電效率可達40%，并有望提高到50%.對于微型的外燃機聯(lián)產系統(tǒng)來說，發(fā)電效率可達到30%～35%.

②出力和效率不受海拔高度影響，是一般高原地區(qū)柴油機效率的150%.

③可選擇的燃料范圍十分廣泛，包括各種氣體、液體和固體燃料。

④燃料在汽缸外過氧連續(xù)燃燒，運行平穩(wěn)，振動小，排氣中有害成分較少，噪聲較低。

⑤余熱易于回收，熱電聯(lián)產綜合效率可達65%～85%，熱電比在1.2～1.7的范圍。

⑥零部件少，活動部件少，潤滑油耗量少，無需維護保養(yǎng)而且保證長期運行。

外燃機尚存在的主要問題和缺點是制造成本較高，工質密封技術較難，密封件的可靠性和壽命還存在問題。

燃料電池

燃料電池是把氫和氧反應生成水放出的化學能轉換成電能的裝置，其基本原理相當于電解反應的逆向反應。其具有無污染、高效率、適用廣、無噪聲和能連續(xù)運轉等優(yōu)點，發(fā)電效率達40%以上，熱電聯(lián)產的效率達到80%以上。多數(shù)燃料電池正處于開發(fā)研制中。

熱電聯(lián)產系統(tǒng)制冷評價

與制冷技術有關的選擇有壓縮式、吸收式和其他制冷方式。壓縮式制冷機的主要設備有壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流機構，通過消耗外功并傳遞給壓縮機進行制冷，可通過機械能的分配來調節(jié)電量和冷量的比例。吸收式制冷機則是用發(fā)生器、溶液泵、吸收器和節(jié)流閥取代了壓縮機，通過消耗低品位熱能來制冷，把來自熱電聯(lián)產的一部分或全部熱能用于驅動制冷系統(tǒng)。

溴化鋰吸

溴化鋰吸收式制冷機以水-溴化鋰為工質對，其工作原理為：溴化鋰稀溶液在發(fā)生器中被加熱，產生制冷劑（沸點較低）——水蒸汽，水蒸汽在冷凝器中被冷卻，并凝結成液態(tài)水。液態(tài)水經節(jié)流機構減壓后進入蒸發(fā)器并在其中吸熱蒸發(fā)，進行制冷，液態(tài)水重新汽化為水蒸汽。而發(fā)生器中發(fā)生了水蒸汽的溴化鋰濃溶液是吸收劑（沸點較高），經節(jié)流閥減壓后，進入吸收器吸收蒸發(fā)器來的水蒸汽。而后，吸收了水蒸汽的溴化鋰稀溶液由溶液泵提高壓力送回發(fā)生器，完成吸收制冷循環(huán)。

由于溴化鋰吸收式制冷機對熱源參數(shù)要求低、適應性強，而且消耗電能少，所以在我國現(xiàn)階段的冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)中最為常見。根據(jù)驅動熱源的不同，可分為蒸汽型、直燃型、熱水型、余熱型和復合熱源型，可視熱電聯(lián)產系統(tǒng)產物選取不同機型。盡管如此，溴化鋰溶液易結晶的特性和機組能效比偏低的缺點卻在一定程度上制約了溴化鋰吸收式機組的發(fā)展。

氨吸制冷

氨吸收式制冷機以氨-水作為工質對，其工作原理與溴化鋰式有相似之處。其優(yōu)點是能制取0℃以下冷量而不易結晶，對除了銅以外的金屬基本無腐蝕性，系統(tǒng)的體積也較小。其最大缺點在與大量的氨泄露會危害人體健康。此外，它也同樣具有吸收式制冷機組傳熱設備較多、能效比偏低的通病。

“十一五”期間，全國新增供熱機組裝機容量約6000萬千瓦，2011年我國熱電聯(lián)產裝機規(guī)模為141.30GW，到2012年供熱機組裝機總容量達到156.93GW，約占同期全國火電機組裝機總容量的19.16%。到2012年底，我國6000千瓦及以上熱電聯(lián)產裝機已超過2.2億千瓦，達22075萬千瓦，占同口徑火電裝機容量的27.49%，占全國發(fā)電機組總容量的19.25%。

熱電聯(lián)產是一項綜合利用能源的技術，在發(fā)電的同時，有效利用汽化潛熱進行供熱，具有能源利用效率高、保護環(huán)境等諸多優(yōu)勢，被認為是最好的集中供熱熱源。但近年來，有的地區(qū)卻出現(xiàn)了熱電聯(lián)產集中供熱價格高于區(qū)域鍋爐供熱的不合理現(xiàn)象，以及熱電聯(lián)產在城市集中供熱的比重不斷降低，這不利于行業(yè)的長遠發(fā)展。國家應進一步加強對熱電聯(lián)產相關配套政策的落實完善，使這一現(xiàn)象得到緩解，保障熱電聯(lián)產行業(yè)的順利發(fā)展。

受我國能源結構的影響，目前我國的冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)還大多以煤為主要燃料，總的熱效率不高。對比發(fā)達國家，美國73%的熱電聯(lián)產項目使用的是燃氣，俄羅斯熱電聯(lián)產燃料構成中70%是石油和天然氣。這促使我們要大力發(fā)展以燃氣（尤其是天然氣）為燃料的冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)。另外，我國的燃氣冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)也多是采用高參數(shù)的大容量機組，而不需要長距離輸送、能源利用率高的小型系統(tǒng)還并不多見。相信未來小型冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)和區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)（DHC）將會得到更廣泛的應用。以上兩個趨勢和方向，使得微型燃氣輪機、外燃機、燃料電池和單壓吸收式制冷機等既環(huán)保又節(jié)能的設備受到了較大關注和開發(fā)。相信在我國能源政策的調整中，所有以上這些形式多樣、特點各異的設備會給冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)帶來更深的內涵和更好的發(fā)展。 2100433B

鍋爐加供熱汽輪機由于煤燃燒形成的高溫煙氣不能直接做功，需要經鍋爐將熱量傳給蒸汽，由高溫高壓蒸汽帶動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，做功后的低品位的汽輪機抽汽或背壓排汽用于供熱。鍋爐加供熱機熱電聯(lián)產系統(tǒng)適應于以煤為燃料。這也是我國的熱電聯(lián)產系統(tǒng)普遍采用的形式。這種系統(tǒng)的技術已非常成熟，主要設備也早已國產化。由于這種系統(tǒng)占地大，負荷調節(jié)能力差，發(fā)電效率低，一般在煤改氣的熱電聯(lián)產中得以應用，新建燃氣熱電聯(lián)產系統(tǒng)很少采用這種形式。 燃氣輪機熱電聯(lián)產系統(tǒng)分為單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)兩種形式。單循環(huán)的工作原理是：空氣經壓氣機與燃氣在燃燒室燃燒后溫度達1000℃以上、壓力在1－1.6MPa的范圍內而進入燃氣輪機推動葉輪，將燃料的熱能轉變?yōu)闄C械能，并拖動發(fā)電機發(fā)電。從燃氣輪機排出的煙氣溫度一般為450℃～600℃，通過余熱鍋爐將熱量回收用于供熱。大型的燃氣輪機效率可達30%以上，當機組負荷低于50%時，熱效率下降顯著?？紤]到熱和電兩種輸出的總效率一般能夠保持在80%以上。燃氣輪機組啟停調節(jié)靈活，因而對于變動幅度較大的負荷較適應。工業(yè)燃氣輪機的生產基本上來自西方國家，如GE、ALSTOM、SIEMENS、SOLAR、ABB等。 上述單循環(huán)中余熱鍋爐可以產生的參數(shù)很高的蒸汽，如果增設供熱汽輪機，使余熱鍋爐產生的較高參數(shù)的蒸汽在供熱汽輪機中繼續(xù)做功發(fā)電，其抽汽或背壓排汽用于供熱，可以形成燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的發(fā)電效率進一步得到提高，可達到50%以上。 內燃機熱電聯(lián)產系統(tǒng)當規(guī)模較小時，它的發(fā)電效率明顯比燃氣輪機高，一般在30%以上，因而在一些小型的燃氣熱電聯(lián)產系統(tǒng)中往往采用這種內燃機形式。但是，由于內燃機的潤滑油和氣缸冷卻放出的熱量溫度較低（一般不超過90℃），而且該熱量份額很大，幾乎與煙氣回收的熱量相當，因而這種采暖形式在供熱溫度要求高的情況下受到了限制。內燃機的生產廠家有總部這在瑞士的WARTSILA NSD公司、德國的MANB&W公司以及美國的CATERPILLAR公司等。 燃料電池它是把氫和氧反應生成水放出的化學能轉換成電能的裝置。其基本原理相當于電解反應的逆向反應。燃料（H2和CO等）及氧化劑（O2）在電池的陰極和陽極上借助氧化劑作用，電離成離子，由于離子能通過在二電極中間的電介質在電極間遷移，在陰電極、陽電極間形成電壓。在電極同外部負載構成回路時就可向外供電。燃料電池種類不少，根據(jù)使用的電解質不同，主要有磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）、固體氧氣物燃料電池（SOFC）和質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。 燃料電池具有無污染、高效率、適用廣、無噪聲和能連續(xù)運轉等優(yōu)點。它的發(fā)電效率可達40%以上，熱電聯(lián)產的效率也達到80%以上。多數(shù)燃料電池正處于開發(fā)研制中，雖然磷酸燃料電池（PAFC）等技術成熟并已經推向市場，但仍較昂貴。鑒于燃料電池的獨到優(yōu)點，隨著該項技術商業(yè)化進程的推進，必將在未來燃氣采暖行業(yè)起到越來越重要的作用。從事燃料電池研究和開發(fā)的單位主要有美國的國際燃料電池、聯(lián)信、Plug Power、Analytic Power、Onsi和西屋等公司，加拿大Ballard公司，日本的三菱、松下、三洋、東芝、宣士電機和富士電機等公司，德國MTU公司和西門子公司等。我國也有大連化物所等多家單位從事燃料電池的研究。 與熱電聯(lián)產技術有關的選擇主要有蒸汽輪機驅動的外燃燒式方案和燃氣輪機驅動的內燃燒式方案。此外，現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，特別是微型燃氣輪機、燃氣外燃機和燃料電池以及其他新能源技術的發(fā)展，也賦予了冷熱電聯(lián)產新的內涵。

“大幅提高我國熱電聯(lián)產集中供熱系統(tǒng)效率的途徑”研討會開幕詞

議題一 熱電聯(lián)產集中供熱事業(yè)的發(fā)展方向

(執(zhí)行主席：倪維斗)

我國熱電聯(lián)產的新發(fā)展

從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度重新審視熱電聯(lián)產

以總能系統(tǒng)觀點與用熱終端高效化為特征的大中型火電機組聯(lián)產供熱系統(tǒng)新模式

城市熱電聯(lián)產集中供熱的發(fā)展與挑戰(zhàn)

加速發(fā)展核電——中國能源結構調整的必由之路

議題二熱電聯(lián)產集中供熱事業(yè)的技術創(chuàng)新流程(執(zhí)行主席：江億)

基于Co-ah循環(huán)的熱電聯(lián)產集中供熱方法

節(jié)能減排需要科學創(chuàng)新

大容量熱電聯(lián)供汽輪機設計的有關問題

凝汽機組改供熱的幾個問題

熱電聯(lián)產創(chuàng)新技術應用的建議

基于分棟熱計量的末端通斷調節(jié)與熱分攤技術介紹(一)——理論可行性研究及硬件開發(fā)

基于分棟熱計量的末端通斷調節(jié)與熱分攤技術介紹(二)——示范工程測試及社會可接受性調查

低溫地板輻射供熱技術

工程示例

案例一 赤峰大唐富龍利用基于吸收式循環(huán)的集中供熱新技術2×300Mw熱電聯(lián)產節(jié)能減排示范工程

案例二 內蒙古環(huán)境改善一期項目巴彥淖爾市臨河區(qū)集中供熱工程

案例三 天津中新生態(tài)城能源基礎設施規(guī)劃集中供熱工程

附錄

附錄一中國工程院院士建議關于加快科技創(chuàng)新、大幅提高我國熱電聯(lián)產集中供熱系統(tǒng)效率建議

附錄二 第9次“工程前沿”研討會會議紀要

用于家庭或小型商業(yè)建筑的熱電聯(lián)產（CHP）系統(tǒng)通常由天然氣供電以產生電力和熱量。微型熱電聯(lián)產(Micro CHP)系統(tǒng)是小型燃料電池或驅動發(fā)電機的發(fā)動機，其為個體建筑的供暖，通風和空調提供電力和熱量。微型熱電聯(lián)產可能主要跟隨熱需求發(fā)熱，供電作為副產品，或者可能會跟隨電力需求發(fā)電，熱量是副產品。 當主要用于在電力需求波動的情況下的熱量時，微型熱電聯(lián)產系統(tǒng)可能產生比立即要求的更多的電力。

微型熱電聯(lián)產使用的技術有：

• 內燃機

• 斯特林發(fā)動機

• 燃料電池

• 微型燃氣渦輪發(fā)動機

• 蒸汽機（使用傳統(tǒng)的水或有機化學品如制冷劑）

微型熱電聯(lián)產燃料

有許多類型的燃料和熱源可能被認為用于微型熱電聯(lián)產。這些來源的性質在系統(tǒng)成本，熱成本，環(huán)境影響，便利性，易于運輸和存儲，系統(tǒng)維護和系統(tǒng)壽命方面都有所不同。 正在考慮與微型熱電聯(lián)產一起使用的一些熱源和燃料包括：天然氣，液化石油氣，生物質，植物油（如菜籽油），木煤氣，太陽能熱能，最近還有氫，以及多燃料系統(tǒng)。

微型熱電聯(lián)產發(fā)動機類型

天然氣適用于內燃機，如奧托四沖程發(fā)動機和燃氣渦輪發(fā)動機系統(tǒng)。 燃氣輪機由于其高效率，小尺寸，清潔燃燒，耐用性和低維護要求而被用于許多小型系統(tǒng)中。 用箔軸承和空氣冷卻設計的燃氣輪機在沒有潤滑油或冷卻劑的情況下運行。 燃氣輪機的廢熱大部分在排氣中，而往復式發(fā)動機的廢熱在排氣和冷卻系統(tǒng)之間分流。

外燃機可以在任何高溫熱源上運行。 這些發(fā)動機包括斯特林發(fā)動機，熱“氣”渦輪增壓器和蒸汽機。 兩者的效率都在10%-20%之間，截至2014年，微型CHP產品的生產量很少。

微型熱電聯(lián)產燃料電池

燃料電池發(fā)電和作為副產品的發(fā)熱。固定燃料電池應用于斯特林熱電聯(lián)產的優(yōu)點是無需移動部件，維護更少，操作更安靜。 剩余電量可以交回電網。