（热能工程专业论文）微型燃气轮机冷热电联供系统的研究与优化.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 介绍了微燃机冷热电联供系统的组成及其主要设备特性；分别从微燃机的温 比、回热度和压比等方面对冷热电联供系统进行了热力学分析，并对其一次能源节 约率进行了敏感性分析；利用数学规划的思想，以发电、制冷和供热设备的性能参 数为优化的约束条件，建立了年运行费用最低的目标函数，并以某建筑为例，在给 定的能源价格和冷热电负荷条件下，对微燃机冷热电联供系统进行了配置优化和运 行策略分析。采用热经济学方法，考虑经济和技术等因素，提出了冷热电联供系统 的优化改进意见。最后，采用灰色关联法和层次分析法，综合考虑经济、环保、节 能和可靠性等指标，建立了冷热电联供系统分析评价的数学模型，对选定的多个楼 宇冷热电联供系统方案进行了优化，确定了最优方案。 关键词：微燃机冷热电联供系统，运行策略，热经济性，优化 a b s t r a c t t h em a i np a r t sa n de q u i p m e n t sc h a r a c t e r i s t i c so fm t - c c h pa r es u m m a r i z e da n d i n t r o d u c e d t h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i si sd o n et om t - c c h p f r o ma s p e c t so ft e m p e r a t u r e r a t i o ，h e a tr e c o v e rr a t i o ，p r e s s u r er a t i o s e n s i b i l i t ya n a l y s i si ss t u d i e df o rp r i m a r ye n e r y s a v i n gr a t i oo fm t - c c h p t a r g e tf u n c t i o ni s s e tu pc o n s i d e r i n ge q u i p m e n t sp a r a m e t e ro f p o w e r ，c o o l i n ga n dh e a t i n ga sc o n s t r a i n t sb yu s i n gm a t h e m a t i cp r o g r a m m i n g t a k ea b u i l d i n ga sa ne x a m p l e ，s t u d yo fc o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o na n do p e r a t i o n a ls t r a t e g yi s d o n ef o rm t c c h pw i t hc e r t a i ne n e r g yp r i c ea n dc a l c u l a t e dl o a d so fc o o l i n g ，h e a t i n g a n dp o w e r t h et h e r m o e c o n o m i cm e t h o di su t i l i z e dt oa n a l y z em t c c h p _ c o m b i n e d e c o n o m ya n dt e c h n o l o g y ，t h e a d v i c ei s p u tf o r w a r d t om a k ei m p r o v e m e n ta n d o p t i m i z a t i o n t om t c c h p f i n a l l y ，c o n s i d e r e i n ge c o n o m y ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ， e n e r g ys a v i n ga n dr e l i a b i l i t ya si n d e x e s ，m a t h sm o d e li se s t a b l i s h e d t oa n a l y z ea n dv a l u e m t c c h pb yu s i n gt h e o r yo fg r e yr e l a t i o na n da h et h eo p t i m a ls c h e m ei ss e l e c t e d f o r ms e v e r a ls c h e m e so fb c h p w a n gz h i w e i ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w e ib i n g k e y w o r d s ：m t - c c h p o p e r a t i o n a ls t r a t e g y ，t h e r m o e c o n o m i e ，o p t i m i z a t i o n 声i j j = l 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文微型燃气轮机冷热电联供系统的 研究与优化，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乏垄 日期：逸! ! z ! ：兰j 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 e t期：z 嫂6 1 j 上1 6日期：坚! ：! 兰：丛 过 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 本章阐述了分布式能源的优势及天然气资源合理利用的发展前景，分析了微型 燃气轮机( 微燃机) 冷热电联供系统的特点及在国内外的发展和研究状况，得出了 其目前在我国的发展不足和潜力，确定了本文的研究目的和主要工作。 1 1 选题背景 随着能源危机和环境污染的日益加剧，人们对动力设备的技术革新已开始从追 求单独设备的高效率和低能耗向注重能源梯级、高效综合利用及环境保护等方向转 变。冷热电联供( c o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n ga n dp o w e r ，c c h p ) 是一种建立在能源 梯级利用概念的基础上，集制冷、供热( 采暖和供热水) 及发电过程为一体的多联 供总能系统。微燃机冷热电联供是多联供总能系统的一种形式，其以微燃机为核 心装置，以天然气、沼气、汽油、柴油及烷类气体等为燃料，在微燃机中燃烧作功， 其高温排烟驱动溴化锂吸收式制冷机和余热锅炉等，用于供热、制冷和生活卫生用 水等。微燃机冷热电联供系统适合于楼宇建筑，是众多楼宇冷热电联供方式中的一 种。 冷热电联供是分布式能源( d i s t r i b u t ee n e r g yr e s o u r c e ，d e r ) 的重要形式之一， d e r 是指分布在需求侧的能源综合利用系统，即靠近用户安装的小型、模块化能源 供应体系。是以一个大厦、学校或小区为单位，将燃气、电力、热力、制冷与蓄能 等技术结合起来，实现多系统能源融合，将资源的利用效率发挥到最佳状态，以达 到节能和经济的目的。当前，以分布式能源系统为代表的燃气联供系统打破了传统 的“小就是不经济”的观念，已成为能源综合利用的重要发展方向之一。由于在微 燃机中3 0 左右的能量直接转化为电能，再加上烟气热量的利用，比如用于供热、 制冷或用于各种不同能级的用户，实现了能量的梯级利用，整个系统的总能量利用 率已达到较高的程度。 当前，世界多数发达国家都在推动第二代能源系统的建设。第二代能源系统具 有燃料的多元化、设备的小型和微型化、冷热电联供化、网络化、控制智能化和管 理信息化、环境友好化等六个方面的主要特征【2 1 。其中的设备的小型和微型化、冷 热电联供化和环境友好化则代表着分布式能源技术与冷热电联供系统的发展方向。 微燃机冷热电联供与上述的多方面都有着直接的联系，而微燃机作为一种小型化、 高效率和分散型的发电装置，其可能成为2 1 世纪能源技术的主流。美国的能源专家 称微燃机为第二代能源系统中的“个人电脑”，它在第二代能源系统中将与p c 机在 因特网中的位置相当，具有极大的发展前景。 华北电力大学硕士学位论文 近年来，由于高温天气所引起的电力空调制冷所需电负荷上升，我国在夏季出 现大范围的供电紧张情况。以北京、上海为例，2 0 0 5 年北京地区最高用电负荷达到 1 0 5 4 万千瓦，同比增长1 2 1 2 1 3 1 。上海地区2 0 0 5 年6 月用电负荷达到1 5 4 0 万千瓦， 创历史用电新高。由于电力紧张引起的拉闸限电使各行业均受到不同程度的损失 在供电安全方面，1 9 9 9 年我国台湾省的大规模停电，在一个月的修复期内经济受到 了重大的影响。2 0 0 3 年，美国、加拿大和英国伦敦等地的大停电事故相继发生，美 国加州发生的停电，致使硅谷地区包括s e n s k e 、i b m 、i n t e l 等高新技术公司蒙受了 极大的损失，仅s e n s k e 公司停电一天的损失就高达8 0 0 0 万美元，而o r a c l e 公司， 仅凭着自己拥有的能源系统，在停电灾难中安全无损。微燃机冷热电联供技术是电 力安全和能源供应的重要保证之一。 我国和周边国家的天然气资源比较丰富，除了陕甘宁、四川、南海、东海、渤 海一大港等气田外，还有“西气东输”的塔里木气田和新发现的准葛尔气田，周边 的俄罗斯、哈萨克斯坦、土库曼斯坦等国均有丰富天然气资源可供中国使用 4 1 。当 前，电力负荷的夏高冬低和天然气用量的夏低冬高致使电力和天然气设备都不能充 分发挥效益。发展以天然气为燃料的热冷电联供系统，可以平抑电力的夏季高峰和 天然气的冬季高峰，并充分发挥其经济优势。 微燃机冷热电联供系统具有如下优势 ( 1 ) 发电后的烟气用来供热或制冷， 梯级利用，提高能源利用率； ( 2 ) 运用溴化锂吸收式制冷的同时， 的氟利昂等制冷剂，具有环保效益； 能够实现冷、热、电联供，达到能源的 可以避免使用对大气臭氧层有破坏作用 ( 3 ) 微燃机与内燃机等发电系统相比具有可靠性高、寿命长、噪声低、污染 小以及多台集成扩容等一系列优点。与其他大型燃气轮机相比，可以尽量避免部分 负荷运行；当某台微燃机出现故障时，对整体电力供应的影响较小； ( 4 ) 在天然气价格合理的情况下，比传统的冷，热、电分供系统经济： ( 5 ) 除用天然气作燃料外，还可利用沼气、汽油、柴油及烷类气体等多种燃 料。 ( 6 ) 可以平抑电力夏季高峰和天然气冬季高峰，缓解用电紧张。具有独立供 电的能力，电力供应比较安全。 当然也存在着不足： ( 1 ) 经济性受天然气价格和大电网电价的影响较大，天然气价格过高时，整 个联供系统则不经济； ( 2 ) 目前，微燃机技术并不成熟，价格较高，联供系统初投资较高，这是制 2 华北电力大学硕士学位论文 约微燃机冷热电联供系统发展的一个重要因素。 1 2 微燃机冷热电联供系统的发展和研究现状 1 2 1 微燃机冷热电联供系统的国内外发展状况 美国在发展微燃机的同时，工业界已经提出了具体的楼宇冷热电联供系统 ( b c h p ) 创意和b c h p 2 0 2 0 年纲领，来支持美国能源部总体商用建筑规划及b c h p 规划。大批新建商用写字楼和现有商用写字楼都将陆续使用b c h p 或进行b c h p 改 造。到2 0 2 0 年将有5 0 的新建商用写字楼使用b c h p ，1 5 的现有商用写字楼建 筑将进行b c h p 改造【5 j ，微燃机冷热电联供系统在美国前景广阔。美国的m a r y l a n d 办公区能源系统和o a kr i d g e 国家实验室等都已在微燃机冷热电联供方面作了比较 深入的研究。2 0 0 1 年，美国某微燃机制造公司与某用户合作，将5 0 台微燃机应用 在l o s a n g e l e s 的沼气利用项目中。2 0 0 3 年，美国c a l i f o m i a 某机场中心大楼的微燃 机冷热电联供系统正式开始运行，每年节约资金1 0 万美元以上。 加拿大政府和商业机构从1 9 9 8 年起开始在t o r o n t o 、o t t a w a 等地共同研究和开 发微燃机冷热电联供系统。他们利用美国开发的几种微燃机组成的联供系统，预测 了电力价格和微燃机冷热电联供系统投资回收期的关系，为其在加拿大市场的推广 打下了基础。在a l d a n 技术大学、c a l g a r y 等地的应用实例已经证明微燃机冷热电联 供系统的能源利用率可以达到7 5 ，其温室效应和氮氧化物排量比传统的热电联供 系统分别减少5 5 的和9 7 。 日本是依赖能源进口的国家，因此发展微燃机冷热电联供成为其节能的个重 要举措。日本东京燃气公司为发展燃气冷热电联供项目专门设立了一个研究开发中 心，负责燃气热电项目的集成、设计和安装等。在2 0 0 2 年日本安装了至少7 0 0 套 微型冷热电联供系统，其中最大规模的微燃机为4 4 台，发电总量可达2 6 m w ，这 样多机组组合的系统具有较高的调节灵活性和能源供应的可靠性，每年节约资金约 5 0 万美元。日本的一家塑料厂采用2 0 台微燃机发电，每1 0 台微燃机驱动一个余热 锅炉，组成阵列热电联产项目。另外，在日本的三井公司、久保田公司和日本电报 电话公司等都利用了微燃机冷热电联供系统。 欧洲在京都议定书实施之后也加快了开发微型联供系统的进程，不断研制出新 型的微燃机以适应联供的发展。英国b o w m a n 公司已经开始供应g t 8 0 微燃机，某 公司利用由8 台8 0 k w 的g t s 0 微燃机组合成1 组6 4 0 k w 的供电单元，其发电效率 为2 7 ，供热量从1 2 0 0 k w 到2 4 0 0 k w 自由无级调节，热电综合效率高达8 0 。当 其中的任何台机组发生故障时，全系统仅减少1 8 的出力，用户对用电量稍加调 节即可适应【6 i 。英国的v i c t o r i a n 时代宾馆采用6 台微燃机带动冷热电联供系统，使 3 华北电力大学硕士学位论文 该建筑实现了独立、安全的用能系统。同时，在l o n d o n 等地区都有成功利用微燃 机实现冷热电联供系统的案例。 其他欧洲国家，如西班牙b a r c e l o n a 一家医院利用单台发出8 0 k w 电力和提供 1 5 0 k w 热量的微燃机组，结合烟气余热利用机组，满足了医院冷热电需求。在荷兰 的p u a e n ，l 台3 0 k w 的微燃机向一总容量1 6 m l 的游泳池提供全年的供暖和供电 服务，总能源利用效率达到了9 6 【”。意大利m i l a n 北部一家医院利用微燃机冷热 电联供系统为医院节约了近4 0 的资金，同时基本满足了医院的独立能源，保证了 其用电安全。德国、土耳其等国也都在研制和推广微燃机冷热电联供系统。 我国微燃机冷热电联供系统的发展刚刚起步，仅在部分地区有所利用，如上海 浦东国际机场和广东番禹南沙科技园等。北京天然气控制中心大楼、中国科技促进 大楼也已进行了微燃机能源利用系统的规划1 3 1 。在高校中，上海交通大学的科学园 软件大楼，上海理工大学的“能源岛”项目已是微燃机冷热电联供系统的示范科研 基地；华北电力大学也计划建设一个8 0 0 0 平方米科技楼，作为微燃机冷热电联供实 验示范工程。 1 2 2 微燃机冷热电联供系统的国内外研究现状 随着人们对分布式能源的重视和冷热电相关技术的发展，微燃机冷热电联供系 统的研究也越来越深入和完善。主要的研究表现在：联供系统能耗的评价和经济性 分析；联供系统的规划、设计与运行优化；联供系统的经济、节能、环保和安全可 靠性的综合评价；联供系统多设备因素影响分析；联供系统部件性能因素对联供系 统经济、节能的影响等。 1 2 2 1 国外研究现状 微燃机冷热电联供在发达国家已得到很快的发展，研究的比较深入。下面将从 性能参数及外部条件变化对联供系统的影响，优化目标、内容和方法等方面来阐述 国外的研究现状。 外部环境大气温度、湿度一般决定着微燃机进口温度、湿度，从而影响联供系 统的效率。美国的a z a l t a s h 、瑞典的j o h a n n ac a r n 6 ，新加坡的j c h o 等人分别用 不同的方法分析了微燃机出力与发电效率关系、排热量与制冷系数关系 9 l l l 。美国 的f a i r c h i l d 分析了背压对微燃机和整个联供系统的影响l “j 。 优化目标方面，希腊的k a t s i g i a n n i sp a 在联供系统经济性、节能性研究的基础 上考虑了联供系统排放物对环境的影响，对三个方面的目标进行了优化【t 3 l 。加拿大 的b r a n d o nr o b e r tj 对提出的5 种联供方案，进行了济性分析，主要考虑电价与对 投资回收期的关系以确定最佳方案【l4 1 。英国的g g m a i d m e n 依据一家超市的冷热电 负荷，以最小运行费用和投资回收期为目的，比较了传统供能与联供供能，得出了 4 华北电力大学硕士学位论文 联供系统的优越性【”l 。 优化内容方面，意大利的c a m p a n a r i ，s 分析了负荷率和联供系统出口温度对发 电效率、总能效率和联供系统节能率的影响：研究了发电并网对经济回收的影响， 微燃机出力和建筑需能量与联供系统净现值的关系【1 6 】。美国的s a h mm i c h a e lk 对 “以热定电”和“以电定热”的联供系统进行了分析评价【1 7 1 美国p a r s o n s 。j a 探 讨了可调回热器与联供系统效率的关系，得出联供系统各部分通过合理的调节可以 达到最优化运行【i ”。南斯拉夫的d z i h e r 分析了一家医院在冷负荷的尖峰时刻与非 尖峰时刻的最佳运行，其中探讨了蓄冷装置的灵活调节【1 9 】。 优化方法方面，日本的s a t o s h ig a m o u ，r y o h e iy o k o y a m a 等人采用线性规划和 混合整数线性规划对微燃机冷热电联供系统进行了优化；通过分析最佳微燃机数量 和变工况下最大能源需求之间的关系确定了所需的最佳机组数量【2 0 例】。在现实的问 题中有许多问题是多模型、非连续和没有明显特性的，这就使传统算法不容易求解。 遗传算法可以解决传统方法解决不了的优化问题，美国的a r i s t o t l e m a r a n t a n 在博士 论文中尝试运用了遗传算法进行微燃机冷热电联供系统的优化，取得了比传统算法 好的效果【2 2 1 。 1 2 2 2 国内研究现状 近年来国内对微燃机冷热电联供的研究也逐渐增多，但研究内容还比较少。不 过，现在中国科学院工程热物理研究所、西安交通大学等已经开始攻关1 0 0 k w 级微 燃机，与此同时微燃机冷热电联供系统的研究也逐渐深入。中国科学院工程热物理 研究所的冯志兵、金红光对采用燃气轮机简单循环和回热循环的冷热电联供系统进 行研究，分析了温比、压比和回热器传热温差以及制冷系统性能等变量对联供系统 热力学性能的影响 2 3 1 ，为微燃机冷热电联供系统的类似分析提供了借鉴。西安交通 大学的黄锦涛、刘莉、丰镇平等人对1 0 0 k w 的微燃机冷热电联供系统的运行模式进 行了研究并进行了经济性分析，根据冷热电负荷曲线，给出了微燃机冷热电联供系 统不同的运行方式下的热经济性和技术经济性，还探讨了微燃机回热度和热电比等 对联供系统经济性的影响【2 4 5 1 。上海理工大学的任禾盛、刘兴宝等人以最小燃料费 用和非能量费用为目标对微燃机冷热电联供系统进行了热经济性分析和优化，得出 了联供系统的不足之处并提出改进意见【2 毛27 1 。同济大学的张蓓红在其博士论文中运 用数学规划的基本原理和思想，对小型区域热电( 冷) 联供系统和建筑热电( 冷) 联供系统的优化配置和运行调节问题进行了深入的研究【2 引。上海交通大学的张万坤 在其硕士论文中对微燃机及溴化锂吸收式机组的工作性能进行了深入分析，并将这 些装置的主要性能参数通过m a t l a b 等数学工具拟合成解析函数，并对上海地区两个 典型的建筑物进行了最佳装配和冬夏典型日最优运行分析【2 9 l 。 以上的研究都为我国微燃机冷热电联供系统的发展奠定了基础，但与国外相比 5 华北电力大学硕士学位论文 研究还不够深入。适应于我国建筑领域的微燃机冷热电联供系统存在较大的研究空 间。 1 3 本课题的提出 微燃机冷热电联供系统在我国刚刚起步，由于我国在能源结构、价格、管理体 制以及热、电、冷负荷等外部条件与国外存在差异，国外相关领域的一些研究成果 和成功经验不能完全地应用到我国。微燃机冷热电联供系统配置和运行受许多因素 的制约，经济因素包含天然气、电力的价格及其波动，设备的利用率、内部收益率、 运行和维护费用。微燃机等机组效率和出力受到环境的温度、湿度和压力等参数的 影响，建筑物负荷的需求变化对机组的选择和运行有一定的影响，同时节能、经济 和环保之间也存在着既矛盾又统一的关系，因此，研究微燃机冷热电联供系统是一 个涉及多方面因素的课题。 1 4 本文主要研究目的和工作 本文以微燃机冷热电联供系统为研究对象，对其进行研究和优化，主要包括： 介绍微燃机和溴化锂吸收式制冷机的性能及在冷热电联供系统中的应用；针对特定 的冷、热、电负荷和能源价格等条件，对机组的台数和容量进行匹配，以最大的经 济效益为目标，分析负荷波动和能源价格变化时配置的优化，并对联供系统进行运 行策略研究；利用热经济学分析联供系统提出优化改进意见；利用灰色关联法和层 次分析法，在楼宇热电联供系统的方案选择中综合考虑经济、环保、节能和可靠性 等指标，对联供系统方案进行优化。 本文具体开展以下工作： ( 1 ) 分析微燃机和溴化锂吸收式制冷机的工作原理、主要特性及其在冷热电 联供中的应用。 ( 2 ) 分析各季节微燃机的温比、回热度和压比等参数的变化对联供系统的影 响；针对联供系统的影响因素，对联供系统一次能源节约率进行敏感性分析；最后， 在给定微燃机回热度、压比和温比的情况下，分析各季节联供系统的火用效率。 ( 3 ) 给出微燃机冷热电联供系统的配置优化步骤，结合联供系统优化所需要 考虑的主要因素，提出微燃机冷热电联供系统的几种方案，建立年运行费用最低的 目标函数，给出了设备发电、制冷和供热的函数，并将其作为联供系统优化的约束 条件。以某建筑为例，在确定的能源价格和各季节的冷热电负荷下，对微燃机数量 和容量与联供系统经济运行的关系进行分析；在满足建筑冷热电需求的情况下，得 出与给定几种方案相对应的年运行费用极小值方案，得出适合该建筑的最优方案。 分析天然气价格对联供系统投资回收期的影响和微燃机价格与联供系统初投资年 6 华北电力大学硕士学位论文 等值费用和投资回收期的关系。 ( 4 ) 采用热经济学的方法对冷热电联供系统进行优化分析，考虑经济和技术 两个方面，提出冷热电联供系统的优化改进意见。 ( 5 ) 采用灰色关联法和层次分析法，综合考虑经济、环保、节能和可靠性等 指标，对楼宇冷热电联供系统方案中的微燃机冷热电联供及其它几种冷热电联供系 统进行最优方案选择。 1 5 本章小结 ( 1 ) 阐述了本文的研究背景，得出了发展微燃机冷热电联供技术是节能环保、 合理用气、优化能源结构和实现可持续发展的重要途径之一。 ( 2 ) 介绍了微燃机冷热电联供系统在国内外的发展和研究现状及其在我国具 有的发展潜力。 ( 3 ) 明确了本文的研究目的和工作。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章微燃机冷热电联供系统主要组成装置性能分析 微燃机、溴化锂吸收制冷机等是微燃机冷热电联供系统的主要组成部分，分析 探讨其组成部分可对联供系统进行研究和优化做出必要的准备。 2 1 微燃机的性能分析 微燃机( m i c r o t u r b i n e ，m t ) 是单机功率为2 5 3 0 0 k w 的小功率燃气轮机，其 能够利用天然气、沼气、汽油、柴油及烷类气体等多种燃料1 3 0 1 ，具有重量轻、污染 小、噪音低、寿命长和运行成本低等优点 3 h ，排烟温度多在2 0 0 。c 以上，适合于分 布式能源的冷热电联供系统。 2 1 1 微燃机的性能及特点 微燃机起源于2 0 世纪6 0 年代，2 0 世纪7 0 年代美国n a s a 开展了微燃机作为辅机 电站在航天飞机上应用的研究，2 0 世纪9 0 年代初，出现了不用减速齿轮而由燃气轮 机直接带动高速交流发电机的燃气轮机发电机组，从而在很大程度上简化了结构， 使机组尺寸减小，重量减轻。加上美英联合开发舰用回热中冷燃气轮机的成功和板 翅式回热器工艺技术的进步，使微燃机从军用走向民用。1 9 9 5 年，a l l i e ds i g n a l 、 c a p s t o n e 、e l l i o t t 等公司展示了2 5 7 5k w 的微燃机。1 9 9 8 年，美国c a p s t o n e 公司推 出了第一台商业化的微燃机 3 2 1 。目前已有多种产品进入市场，微燃机的应用正在欧 美及日本等国兴起。 2 2 1 1 微燃机的性能 先进的微燃机不仅采用可调节烟气回热技术，还采用空气轴承、永磁发电机、 晶体管交频和智能化程序控制等技术，是提供清洁、可靠、高质量和多用途的小型 分布式供电的最佳方式之一，使电源更靠近用户，无论对中心城市还是边远地区均 能适用。 微燃机大多由透平、压气机、燃烧室、回热器、发电机及逆变器等部分组成， 多为单轴，其热力循环如图2 - 1 所示，从压气机出来的高压空气先在回热器内接受 透平排气的预热，然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧，燃烧后的燃气进入透平作功， 作功后再进入回热器放热给预热空气，最后排出微燃机。大多数微燃机由燃气轮机 直接驱动内置式高速发电机，发电机与压气机、透平同轴，转子转速在5 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 r p m 之间【3 3 】。些单轴微燃机设计，发电机发出高频交流电，转换成高压直 流电后，再转换为5 0 或6 0 h z 、4 8 0 v 的交流电。现有的带有回热、变频、高速电机 等设施的微燃机的效率达到2 5 3 0 左右。在新一代微燃机研制中，期望通过引 8 华北电力大学硕士学位论文 入高新技术，如陶瓷材料部件( 陶瓷叶轮等) ，以提高发电效率。研究表明迸气温 度为1 3 5 0 c 的微型陶瓷燃气轮机的发电效率可达4 0 1 3 4 1 。耳前，开发微燃机的厂 商主要集中在欧美的一些国家。部分欧美微燃机产品主要技术参数如表2 1 所示。 表2 - 1欧美生产的三种微燃机的主要技术参数 生产 额定燃料发电转速 压 捧气 n o x 可替换装机 厂家功率效率 比 温度燃料容量 ( k w )( ) ( r p m ) ( 。c )( p p m )( k w ) 2 7 8 柴油、煤油、2 5 b o w m a n8 0 天然气 2 6 06 8 0 0 04 3 1 6 6 1 5煤气或沼气5 0 0 沼气、丙烷、2 5 c a p s t o n e 3 0 天然气 2 6 o9 6 0 0 03 22 7 5 9 柴油等2 5 0 沼气、柴油、 h o n e y w e l l 7 5天然气2 8 56 5 0 0 03 72 4 09 2 57 5 煤油等 图2 - 2 2 4 为欧美厂家生产的三种微燃机装置的示意图 图2 1 徽燃机( 单轴) 循环示意图 图2 - 2 c a p s t o n ec 3 0 微燃机示意图 图2 3b o v n n a nt g 8 0 微燃机示意图图2 4p a r a l l o n 7 5 微燃机示意图 9 华北电力大学硕士学位论文 微燃机具有以下先进的技术特征： ( 1 ) 结构简单紧凑，体积小，重量轻，相同功率的质量约为柴油发电机的l ，3 。 如c a p s t o n e 3 0 k w 微燃机，尺寸为1 9 0 0 m m ( 高) x 7 1 4 m m ( 宽) x 1 3 4 4 m m ( 深) ， 质量为4 7 8 k g ： ( 2 ) 可用多种燃料，燃料消耗率低，排放低，尤其是使用天然气，环保效益 显著； ( 3 ) 低振动，低噪音，寿命长，运行成本低，维护周期为5 0 0 0 8 0 0 0 h ，机组 寿命可达4 5 0 0 0 h 以上； ( 4 ) 设计简单，备用件少； ( 5 ) 可遥控和诊断： ( 6 ) 可多台集成扩容。 目前，微燃机应用上主要问题是造价较高，利用低热值的燃料时效率较低，发 电效率受环境温度和海拔高度影响较大。但是，随着微燃机技术的逐步成熟，微燃 机价格也将逐步下降，表2 2 为微燃机发展趋势预测。 表2 - 2 近期微燃机发展趋势【3 ，1 功率范围 发电效率 设备费用维护费用 年代( )( $ k w ) ( 美分k w h ) k w 低高低高 低高 带回热 2 0 0 02 5 3 0 0 3 0 3 07 5 0 9 0 0o 51 o 的 2 0 0 52 5 3 0 0 3 33 65 0 07 0 0o 30 5 微燃机 2 0 l o 2 5 1 0 0 0 3 8 4 24 0 06 0 00 1o 2 不带回 2 0 0 0 2 5 3 0 01 71 76 0 07 2 00 51 o 热的2 0 0 5 2 5 3 0 02 02 34 0 05 6 00 30 5 微燃机 2 0 l o2 5 1 0 0 02 33 03 2 04 8 0 0 1 o 2 2 ，2 1 2 微燃机的热力循环过程 通常，燃气轮机循环为简单的b r a y t o n 循环。多数微燃机则采用在燃气轮机的排 气系统设置回热器，通过对吸入空气进行加热来改善热效率的回热式b r a y t o n 循环方 式。b r a y t o n 循环是简单燃气轮机和微燃机的理想循环，实际循环却由于压气机、透 平中存在的不可逆因素及气流通道中存在的压损而和理想循环有很大差别。因此， 微燃机模型受压气机、透平不可逆因素及回热器和燃烧室中压损的影响较大。 微燃机热力循环及状态点如图2 5 。循环从1 点开始，空气进入压气机，1 到2 过 1 0 华北电力大学硕士学位论文 程空气被压气机压缩，2 至i j 3 过程空气在回热器中定压加热，然而由于阻力的作用使 压力从尸2 降为p 3 。3 到4 过程空气和燃气混合在燃烧室中燃烧，4 至i j 5 过程空气和燃烧 混合物进入透平进行膨胀作功。最后，气体工质经过回热器放热排入大气。由于回 热器中阻力的影响，排气压力从p l 降为p 6 。为了简化运算特进行如下假设：( 1 ) 由 于气流通道比较窄，所以假设微燃机内气流是一维流动的，从而任何部分区域内的 压力、温度、密度和流速是一致的；( 2 ) - r 质按理想气体在常压和常温下计算：( 3 ) 工质有稳定的传热系数、黏度和比热：( 4 ) 忽略内部工件间的热传导，及工质跑、 漏等现象。 o 图2 - 5 微燃机回热循环r s 示意图 ( i ) 压缩过程。空气经过压气机丽温度为n ，压力；y ；j p i 。压气机定炳j 盘珂酉后出 1 ：3 状态温度变为t 2 ，压力为p 2 。因为假设的是理想气体所以有： 鲁：k o - _ _ j ：等 。， 五l 丑j 压气机的效率r l 为等熵压缩功与实际压缩功之比，即； 仉= 精 ：， 取定比热容时： 仉= 褥 沼s ， 实际压缩功为： 旷= 廊( 如一 ) ( 2 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 式( 2 - 1 ) ( 2 4 ) 中，以为压气机的压比：t 为压缩过程工质比热比值，取 1 4 ；e ，为压气机等熵出口温度，k 。廊为工质流量，k g s 。 ( 2 ) 回热过程。回热器加热从压气机出来的空气的过程称为回热过程，任何 循环提高循环的平均吸热温度，降低平均放热温度，都可以提高循环效率。采用回 热技术，在燃气轮机系统中加装回热器是提高平均吸热温度的有效措施【3 6 1 。近年来， 微燃机得到发展回热器的技术起到了很关键的作用。 微燃机循环中排气温度乃一般高于压气机出口温度乃，理论上排气过程5 - 6 段 的放热量可以作为工质2 3 段的吸热量。工质内部应用的这部分热量称为回热。理 想状态时排气温度乃最低可以冷却到压气机出口温度乃，即：1 6 = 乃。工质吸热后 温度乃最多可以被预热到透平出口的排气温度乃，即：乃= t 5 。这时的情况称为理 想回热。实际上，换热必须有一定的温差存在，空气预热后的温度乃一定低于乃， 即乃 2 。通常用回热度表示回热 器中实际回热程度，回热度是决定回热器性能好坏的重要因素。所谓回热度是指空 气的实际回热吸热量与理想最大回热吸热量之比，即： 萨= 蔓二堡 ( 2 5 ) 魄一 取定比热容时，则： 下一r 盯= 兰二王( 2 6 ) 2 ；一z i 采用回热器的效果表现在：( 1 ) 使微燃机循环从外热源吸收热量减少，然而循 环功不变，因此效率提高；( 2 ) 采用回热使循环的平均吸热温度提高，平均放热温 度下降，热效率提高。 采用回热技术，当压比较小时，回热对效率的改善很显著；增加压比，效果就 不明显。原因随着压比增加，压气机出口温度升高，当与透平出口温度相等或接近 时，回热就无法实现，这种情况称为极限回热，增压比称作极限压比。因此，回热 采用是有条件的，只能在压气机出口温度为下限，燃气轮机排气温度为上限。如果 能够降低乃，提高正，回热温差更大，回热效果更明显。 ( 3 ) 燃烧过程。空气和燃料混合进入燃烧室燃烧使工质温度从五到五。以甲烷 为例的燃烧化学方程式为： c h 4 十2 0 2 + 2 ( 3 7 6 ) n 2 c d 2 + 2 2 d + 7 5 2 2 ( 2 - 7 ) 空气可以被认为是由氧气和氮气组成，即2 1 的氧气和7 9 的氮气( 氮气是 1 2 华北电力大学硕士学位论文 氧气的约3 7 6 倍) 。在上式中空气正好能满足甲烷燃烧，其空气量称为理论空气量。 实际上，甲烷燃烧所参与的空气量大于理论空气量，我们把多余的空气量称为过量 空气。当有2 5 的过量空气时式( 2 - 7 ) 可以变化为： c h 4 + ( 1 2 5 ) ( 2 ) 0 2 + ( 1 2 5 ) ( 2 ) ( 3 7 6 ) 2 i o q + 2 h , o + 9 ，4 j r , + o 5 0 , ( 2 - 8 ) 对于微燃机，燃烧室内有过量空气是必要的，否则从燃烧室出来的气体温度容 易超出透平的金属承受温度。 燃烧室内工质吸收热量可以表示为： 色= r e ( h , 一岛) ( 2 9 ) ( 4 ) 膨胀过程。从燃烧室出来的工质在透平内等熵膨胀作功，做工后温度变 为正，理想气体的公式可表示为： 事：f 譬r ：乃南 c z 枷) 瓦j ” 式中，正，为透平出口温度，k ；t 为膨胀过程比热比值；互为透平的膨胀比。 透平的绝热效率r , 为实际膨胀功与等熵膨胀功之比，即： r ：(2,h,-h, 1 1 ) 啊一h 。 透平实际作功为： 矿= r e ( h , 一呜) ( 2 - 1 2 ) ( 5 ) 循环过程的损失。循环过程的损失分为内部损失和外部损失，内部损失 为由于流体在回热器和燃烧室中的阻力而引起的压降。高压侧，即燃气进入回热器 到离开回热器整个流程的全压损失一般为5 ，低压侧，即空气进入回热器到离开 回热器整个流程的全压损失为2 4 。燃烧室内的压降损失为3 左右。外部损失 为增压器、冷却风扇、发电机冷却及控制器冷却等消耗的功和热量。 2 1 2 微燃机效率及出力的影晌因素 2 1 2 1 部分负荷运行对机组性能的影响 微燃机负荷出力的下降表现在进气流量减少，单轴转速的降低，由此微燃机的 效率降低。c a p s t o n ec6 0 在1 5 c 、1 个大气压下，部分负荷o - f ，发电效率r l 与 满负荷效率r 之间的关系可以根据m a t l a b 软件拟合得出： 仉= 玎( 1 1 5 1 9 0 3 - 2 5 7 8 7 0 2 + 2 1 4 1 2 0 + 0 2 9 8 7 ) ( o s 口s 1 ) ( 2 - 1 3 ) 1 3 华北电力大学硕士学位论文 部分负荷出力只与满负荷出力，之间的关系为： 只；8 p ( 2 - 1 4 ) 2 1 2 2 大气温度的影响 大气温度变化时温比随之而变，由此效率也产生较大的变化。大气温度升高时， 温比下降，效率下降，大气温度下降时温比提高，效率提高，该影响对变工况同样 适用。空气的比容随大气温度的变化而变，导致压气机吸入的空气流量发生变化。 大气温度升高时，比容增加，空气流量减少，大气温度下降时，比容减小，空气流 量增加。空气流量的变化将导致出力的变化，空气流量越大，工质流量增加，出力 就大。因此，大气温度降低时出力增加，大气温度升高时从减少。图2 - 6 、2 - 7 是以 最大发电出力是3 0 k w 和6 0 k w 的微燃机c a p s t o n ec 6 0 和c 3 0 为例，说明微燃机的 发电出力与进口空气温度的关系。 3 2 善3 0 基2 8 2 6 至2 4 r2 2 羽2 0 051 0 1 52 02 53 03 54 0 温度( ) 图2 - 6 c a p s t o n ec3 0 微燃机效率和出力与进口温度的关系 7 0 琶6 0 槲 凝5 0 售4 0 _ 姜3 0 丑2 0 0 51 01 52 02 53 0 3 54 0 温度( ) 图2 7 c a p s t o n ec6 0 微燃机效率和出力与进口温度的关系 2 ，1 2 3 大气压力和海拔高度的影响 1 4 华北电力大学硕士学位论文 大气压力的变化直接影响空气比容，进而影响微燃机的空气流量和出力。大气 压力增加时，比容下降。空气流量和出力增加，大气压力下降时比容增加，空气流 量和出力下降。大气压力的变化一般不影响微燃机效率，只有当压力变化太大时对 压气机中气体流动产生影响时，才对效率有影响，这里不作分析。随着海拔的升高， 大气压力和温度都在下降。因此，海拔高度对微燃机的性能有很大影响。海拔升高 时比容增加，空气流量和出力下降。当微燃机保持燃烧室内温度不变时，温比随着 海拔的升高而增加，效率提高，减少了从出力下降的幅度，所以，在高原地区使用 微燃机有一定优势。 2 1 2 4 微燃机回热度对压比和燃烧室温度对微燃机效率的影响 回热度的变化影响着微燃机的效率。随着微燃机回热度的变大，发电效率明显 上升。随着压比的增加，微燃机的出力会随之增加，虽然出力高，但是消耗燃料也 多，效率就低，因此还是要考虑到最佳压比。一般由于回热器的原因，最佳压比一 般不大，在3 5 左右，当压比过大，压气机出口气体温度与回热器出口温度相等时， 回热器不起作用。当燃烧室温度升高时微燃机效率最高值增加，最佳压比也略有增 大。具体情况将在第三章中介绍。 2 1 3 微燃机在冷热电联供系统中的应用 传统的冷热电联供是将发电机尾气通过余热锅炉转换为蒸汽，再用蒸汽制冷， 这样能源转换环节多，系统复杂，能效低，且不安全。微燃机冷热电联供系统可以 省去尾气换热中间环节，直接将尾气应用于溴化锂吸收式制冷机，以提供制冷和供 热。将微燃机的高温尾气导入溴化锂吸收式制冷机，制取空调冷水。制热时，发电 机尾气导入制冷机发生器，将溶液加热产生蒸汽，高温蒸汽在蒸发器内加热空调水， 制取采暖温水。 2 1 3 1 回热器可调节的微燃机冷热电联供系统 先进的微燃机可以调节回热器的关闭程度，例如英国b o w m a n 公司生产的 t g s 0 ，完全关闭回热器时，微燃机发电效率为1 6 ，完全打开回热器，效率可提高 到2 8 。在保持8 0 k w 出力的前提下，通过调节回热器关闭程度和燃料消耗量，排 烟温度可从2 7 5 c 提高到6 1 5 ，供热量从1 5 5 k w 增加到4 2 5 k w ，当制冷系数从o 7 5 提高到i 3 时，制冷量从1 1 6k w 变化到5 5 2k w ，以满足建筑物对冷、热负荷的变 化需要。其回热器关闭程度与供热、制冷量变化如图2 - 8 所示。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 回热器关闭程度( ) 图2 ，8t g $ 0 回热器关闭程度与供热制冷量的关系 运用回热器灵活调节的优势可与溴化锂吸收式冷温水机组结合实现冷热电联 供，并根据建筑物热、电、冷负荷的需要不同进行调节。 2 1 3 2 回热器不可调节的微燃机冷热电联供系统 部分微燃机不能调节烟气温度，但排气温度仍在2 0 0 以上，具有很大的利用 价值，可以使其与烟气余热利用型溴化锂冷温水机组等组成能源梯级利用的联供系 统。采用微燃机+ 余热利用型溴化锂吸收式冷温水机组有3 种型式。 ( 1 ) 微燃机+ 排气直热制冷温水机组 微燃机的排气送入溴化锂冷温水机组，余热用于制冷或采暖。高温烟气在2 5 0 4 0 0 c 可与单效溴化锂冷机组结合，高温烟气温度达4 0 0 c 以上可与双效溴化锂冷温 水机组结合，排气全部进入余热利用机组，热损失小，适用于小型建筑场合。 ( 2 ) 微燃机+ 排气再燃型冷温水机组 排气再燃型冷温水机组结