分布式发电中燃气轮机热电联产及优化

分布式发电中燃气轮机热电联产及优化

热动08-02班 吴思知 200823060215

【摘 要】分布式能源系统或分布式供电是相对于传统的集中式供电方式而言的，它将发电系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近。对于热电联产，要解决的最关键问题就是尽可能满足用户在不同时段对热电的需求变化，也就是要合理解决联产系统热电产出比和用户对热电的需求比之间的矛盾，以使联产系统达到最佳的一次能源利用效率。

【关键词】分布式能源系统；燃气轮机；热电联产；优化

1. 分布式能源系统

1.1 分布式能源系统简介

以燃气轮机发电机组、余热锅炉等设备构成的小型全能量系统，也称第二代能源系统或分布式能源系统(简称CHP或CCHP)。分布式能源系统是相对传统的集中式能源系统而言的，它将发电系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近，可以独立地输出电、热或冷能的系统，同时它又可以与大电网相连接，在电力不够时从网上购买电，而在电力多余时向大电网出售电。分布式能源是世界能源工业发展的重要趋势，是人类可持续发展的一个重要组成部分。 1.2 分布式能源系统的优劣势分析

由于大电厂加大电网将会长期存在，因此有必要将其与分布式能源系统作一比较；而对分布式能源系统优缺点的分析，可以帮助我们更好地理解集中与分散式能源系统各自的优劣势和适用范围。 1.2.1分布式能源系统的优点

分布式能源系统的最主要的优点是应用在冷热电联产中，热电联产效率是最高的，可达60%～80%。分布式能源系统按需就近设置，可以尽可能与用户配合好，没有远距离输送冷、热能的问题，且负荷的适应性很强。

没有或很低输配电损耗；无须建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本； 适合多种热电比的变化，系统可根据热或电的需求进行调节从而增加年设备利用小时；土建和安装成本低；各电站相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模

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供电事故，供电的可靠性高；可进行遥控和监测区域电力质量和性能；非常适合对乡村、牧区、山区、发展中区域及商业区和居民区提供电力；大量减少了环保压力。

为了保证使用单位的各种二次能源能够充分供应，分布式能源系统还可以让使用单位本身有较大的调节、控制与保证能力。这也是一个很重要的优点。 1.2.2 分布式能源系统的缺点

分布式能源系统的主要不足在于，由于它是分散供能，单机功率很小，比起大电厂单机功率有百万千瓦以上、单厂功率近千万千瓦而言，发电效率显然比不上后者。现有动力设备都是机组越大，效率越高。400Mkw以燃气轮机为主的联合循环装置效率比400Mkw回热燃气轮机的效率要高一倍。“麻雀虽小，五脏俱全”，因此大机组单位功率的售价相比小机组要低得多，相差近几倍。大机组集中在一起，有专门高级技工运行维护，安全性、工作寿命都应该更有保证。所以， 要对纯发电成本和单位功率初投资作比较，分布式能源系统的经费投入肯定要大大高于现在的大电力系统。另外，分布式能源系统对当地使用单位的技术要求要比简单使用大电网供电来得高，要有相应的技术人员与适合的文化环境。

2. 燃气轮机热电联产系统的工作原理

热电联产系统按照功能可以分成两个子系统：动力系统(发电)和供热系统(供暖、热水、通风等)。动力系统处于联产系统的顶端，通常根据动力系统确定联产系统所采用的技术。联供技术的采用取决于许多因素，包括：电负荷大小，负荷的变化情况、空间的要求、热需求的种类及数量、对排放的要求、采用的燃料、经济性和并网情况等。以燃气轮机为原动机的分布式联产系统的主要原动机又可以分为两类：小型燃气轮机和微型燃气轮机。 2.1 燃气轮机热电联产系统

单纯的燃气轮机发电机组效率不高的主要原因就是透平排气温度较高，将 大量的余热无偿地排放到了大气中。为了解决这个问题，目前常见的有三种解 决办法。

第一种是采用燃气轮机回热循环，也就是前面介绍的微型燃气轮机的结构，让透平的排气先预热从压气机出来的高压气体，使之在一定初温的基础上再进入

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燃烧室中与燃料一起燃烧，这样可以在一定程度上提高燃气轮机发电机组的发电量，但是所提高的幅度很有限，仍会有相当一部分余热被无偿地释放到了大气中。 第二种办法就是我们常说的燃气一蒸汽联合循环，这是一种将燃气轮机循环与蒸汽轮机循环以一定的方式组合成为一个整体的热力循环，简称为“联合循环”。但是这种循环通常都用在容量较大的系统中，故在分布式热电联产这种规模较小的系统中应用很少。

第三种办法是将燃气轮机和余热锅炉一起组成分布式燃气轮机热电联产系统，用余热锅炉来回收燃气轮机排气中的余热。这种办法简单、经济，因而得到了广泛的应用。一个最基本的分布式燃气轮机热电联产系统包括一个燃气轮机发电系统(压气机、燃烧室、透平)和一台余热锅炉，燃料被送进燃烧室与来自压气机的压缩气体混合燃烧，系统最终产出的热能的质与量取决于进入余热锅炉的燃机余热的温度。如果用户需要，也可以将若干个子系统并联运行。 2.2 燃气轮机热电联产系统的工作原理

实现热、电两种能量生产必须具备的条件是：(1)有热用户，而且要保证热 用户所需要的参数(压力和温度)和流量；(2)在供热的同时还要保证必须数量的 电能。

热电联产(CHP，Combined Heat and Power)是一种建立在能的梯级利用概念基础上，将供热(采暖和供热水)及发电过程一体化的多联产总能系统，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。

图一 燃气轮机热电联产机组示意图

图一为燃气轮机热电联产机组示意图。天然气在微型燃气轮机内燃烧后产生的高温烟气在燃机内做功，一部分热能转变为高品位的电能，排出废热通过余热

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锅炉，余热锅炉可能带有补燃装置，燃机排气余热和补燃带人锅炉的热量共同与炉水换热后产生蒸汽或热水。可以看出，整个系统由燃烧室输入的燃料作为输入，同时产出电能和热能，其中电能由燃气轮机发电机组提供，热量由余热锅炉提供。

图二 燃气轮机热电联产系统示意图

（a）简单循环热电联产系统示意图 (b)回热循环热电联产系统示意图

如图二所示为目前常见的两种燃气轮机热电联产系统流程图。图(a)为小型燃气轮机简单循环热电联产系统循环示意图。若不考虑制冷环节，一个最简单地 燃气轮机热电联产系统由一台燃气轮机和一台余热锅炉组成，称之为燃气轮机简单循环联产系统。图(b)为微型燃气轮机回热循环热电联产系统循环示意图。

对于图(a)，透平排气被直接送到余热锅炉进行余热的利用，最后产生蒸汽或热水以满足用户对热能的需求。对于图(b)，由于透平排气首先经过回热器以加热从压气机出来的压缩气体，所以，等于是从回热器出来的微型燃气轮机排气经过余热锅炉产生蒸汽或热水来满足用户对热能的需求。此时，进入余热锅炉的 排气温度将会有一定程度的降低，如果不考虑余热锅炉补燃，那么，在相同燃料输入的情况下，热电联产系统产生的热量将会有一定程度的降低。于此同时，由于进入燃烧室的压缩空气得到了预热，因此，燃烧初温升高，最终使得燃气轮机发电机组也即热电联产系统的发电效率有所提高。

3. 分布式发电中燃气轮机热电联产及优化

3.1 分布式发电中燃气轮机热电联产系统的两种运行方式

分布式燃气轮机热电联产系统包括两种形式能量的产品：电能和热能，其中热能通常是以蒸汽和热水的形式存在。电能和热能的比率关系随具体情况的不同

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