（热能工程专业论文）基于燃料电池微燃机分布式能量系统的热力性能研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文采用计算功能强大的f o r t r a n 程序，根据带有回热系统的微燃机的特性和 假定条件运用热力学第一定律对以微型燃气轮机为核心的冷热电三联供系统进行 了热力性能分析；根据固体燃料电池电化学反应和热力性能原理，对管式固体燃料 电池进行建模、计算，分析了电流密度、电池温度、压力等参数对燃料电池性能的 影响。在此基础上，由固体燃料电池代替微燃机中的燃烧室部分组成固体燃料电池 与微燃机联合循环系统，对该联合循环系统进行分析并与微燃机循环系统作比较。 为固体燃料电池一微燃机联合循环分布式能量系统的设计计算、集成与优化分析提 供一定的参考依据。 关键词：分布式能量系统，微燃机，固体燃料电池，联合循环，热力性能 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，i n a c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a s s u m p t i o n o f m i c r o - g a s t u r b i n ew i t hh e a tr e c o v e r ys y s t e m ，t h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo fm g ta tt h e c o r ef o rc o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n ga n dp o w e rs y s t e mi sa n a l y s e di nd e t a i lb a s e do nt h e f i r s tl a wo ft h e r m o d y n a m i c sb yu s i n gt h ef o r t r a np o w e r f u lc a l c u l a t i o np r o c e d u r e s t h e t u b u l a rs o f cm o d e li se s t a b l i s h e da n dc a l c u l a t e du n d e rt h ee l e e t r o e h e m i e a lr e a c t i o na n d t h e r m a lp r i n c i p l eo fs o f c ，t h ei n f l u e n c e so nt h ep e r f o r m a n c eo ff u e lc e l l sb yc u r r e n t d e n s i t y ，b a t t e r yt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n do t h e rp a r a m e t e r sa r ea l s oa n a l y s e d o n b a s i s ，c o m b i n i n gt h et w os y s t e m sd i s c u s s e da b o v ei n t o o n ec o g e n e r a t e ds y s t e m ，i n w h i c ht h ec o m b u s t o ro fm g ti ss u b s t i t u t e db yt h es o f cs y s t e m ，t h eh y b r i ds y s t e mi s c a l c u l a t e dc o m p a r e dw i t ht h es i n g l em i c r o g a st u r b i n es y s t e m h o p i n gt h er e s u l t so ft h e p a p e rp r o v i d er e f e r e n c e st ot h ed e s i g n ，i n t e g r a t i o na n do p t i m i z a t i o no fh y b r i dc y c l ea n d d i s t r i b u t e de n e r g ys y s t e m t a od e a n ( t h e r m a lp o w e r e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a n gy o n g p i n g k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e de n e r g ys y s t e m ，m i c r o g a st u r b i n e , s o l i do x i d ef u e lc e l l ，h y b r i d c y c l e s ，t h e r m a lp e r f o r m a n c e s 华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文采用计算功能强大的f o r t r a n 程序，根据带有回热系统的微燃机的特性和 假定条件运用热力学第一定律对以微型燃气轮机为核心的冷热电三联供系统进行 了热力性能分析；根据固体燃料电池电化学反应和热力性能原理，对管式固体燃料 电池进行建模、计算，分析了电流密度、电池温度、压力等参数对燃料电池性能的 影响。在此基础上，由固体燃料电池代替微燃机中的燃烧室部分组成固体燃料电池 与微燃机联合循环系统，对该联合循环系统进行分析并与微燃机循环系统作比较。 为固体燃料电池一微燃机联合循环分布式能量系统的设计计算、集成与优化分析提 供一定的参考依据。 关键词：分布式能量系统，微燃机，固体燃料电池，联合循环，热力性能 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，i n a c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a s s u m p t i o n o f m i c r o - g a s t u r b i n ew i t hh e a tr e c o v e r ys y s t e m ，t h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo fm g t a tt h e c o r ef o rc o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n ga n dp o w e rs y s t e mi sa n a l y s e di nd e t a i lb a s e do nt h e f i r s tl a wo ft h e r m o d y n a m i c sb yu s i n gt h ef o r t r a np o w e r f u lc a l c u l a t i o np r o c e d u r e s t h e t u b u l a rs o f cm o d e li se s t a b l i s h e da n dc a l c u l a t e du n d e rt h ee l e e t r o e h e m i e a lr e a c t i o na n d t h e r m a lp r i n c i p l eo fs o f c ，t h ei n f l u e n c e so nt h ep e r f o r m a n c eo ff u e lc e i l sb yc u r r e n t d e n s i t y ，b a t t e r yt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n do t h e rp a r a m e t e r sa r ea l s oa n a l y s e d o n b a s i s ，c o m b i n i n gt h et w os y s t e m sd i s c u s s e da b o v ei n t o o n ec o g e n e r a t e ds y s t e m ，i n w h i c ht h ec o m b u s t o ro fm g ti ss u b s t i t u t e db yt h es o f cs y s t e m ，t h eh y b r i ds y s t e mi s c a l c u l a t e dc o m p a r e dw i t ht h es i n g l em i c r o g a st u r b i n es y s t e m h o p i n gt h er e s u l t so ft h e p a p e rp r o v i d er e f e r e n c e st ot h ed e s i g n ，i n t e g r a t i o na n do p t i m i z a t i o no fh y b r i dc y c l ea n d d i s t r i b u t e de n e r g ys y s t e m t a od e a n ( 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 y a n gy o n g p i n g k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e de n e r g ys y s t e m ，m i c r o g a st u r b i n e , s o l i do x i d ef u e lc e l l ，h y b r i d c y c l e s ，t h e r m a lp e r f o r m a n c e s 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于燃料电池一微燃机分布式 能量系统的热力性能研究，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，除了文中特墨 l j j j n 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：z 西建! 至 日 期：学位论文作者签名： 【型篷! 茁 日 期： 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： 日期： ? 氡柱垂 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景与意义 1 1 1 研究背景 第一章引言帚一早j i商 我国是能源生产大国，目前的能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位； 同时我国又是能源消费大国，基本能源消费占世界总消费量的1 0 4 ，仅次于美国， 居世界第二位。在全面建设小康社会的进程中，我国能源供应和能源安全问题尤为 突出。我国能源状况已成为经济发展的严重制约，主要表现在三个方面：一是能源 需求日益增加，供需矛盾突出。我国人均能源可采储量远低于世界平均水平，而目 前人均能源消费约为1 吨标煤年，远低于工业化国家水平，潜在需求巨大。二是 能源利用技术落后，效率低，能源利用效率比发达国家低1 0 个百分点左右。三是 环境污染严重，可持续发展面临严峻挑战【l 】。因此，必须树立和落实科学发展观， 走节能环保的新型工业化道路，调整能源结构，更加洁净地开发利用传统能源，大 力发展清洁的、可再生新能源，获得更可靠的、可持续的能源供给，降低环境污染。 分布式发电是指将发电机组按需要安装在用户的一旁就近供电，最大的优点是 不需远距离配电设备，显著减少输电损失，可按需要方便地利用排气热量实现热电 联供，提高能源利用率。当今的分布式供电主要包括燃用液体或气体燃料的内燃机、 各种工程用的燃料电池和微型燃气轮机。分布式供电方式近年来正在兴起，今后将 大力发展，国外有的甚至认为今后在大力发展分布式供电的情况下，大型中心电站 将走向衰落【z 】究其原因不外乎为其下几点为：技术日趋完善；资源在不断减 少；排放标准更加严格；用电安全要求再提高；可持续发展意识逐渐增强。 从其发展历史上看，电站建设的规模并不是一味地求大，在主体电力供应系统已经 形成规模的情况下，更强调发展灵活性更大、效益更好的中小型联供电站，这种趋 势应当引起我国能源界的关注。 1 1 2 研究意义 多年来人们一直在努力寻找高效、清洁的能源利用方式，燃料电池发电技术就 是其中的一种。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电 能的发电装置。燃料电池的能量转换过程不受卡诺循环的限制，因此一般情况下其 能量转换效率高达6 0 以上，几乎是目前传统发电技术的两倍。燃料电池与传统的 火力发电方式相比，具有噪音低、污染小、占地少、建设快等优点，它几乎不排放 n 0 ，s o ，而且c 0 ：的排放量也比常规发电厂减少4 0 以上，并且具有较高的热效率且 几乎不受负荷变化的的影响。燃料电池被认为是继水力、火力、核能之后的第四代 华北电力大学硕士学位论文 发电装置，其用于分布式发电的前景十分广阔。 微型燃气轮机是目前最成熟、最有商业竞争力的分布式发电设备【3 1 i ”】。微型燃 气轮机是指功率在2 5 - 3 0 0 k w 之间的小型燃气轮机，具有高可靠、长寿命、低噪声、 重量轻、体积小、低污染、多燃料、低油耗等一系列优点，具有很好的民用需求前 景和军事应用价值，对于能源、电力、航空、航天、舰船、车辆以及军事领域的技 术发展有着重大作用。随着全球范围内能源与动力需求结构，特别是电力系统的放 松控制以及环境保护等要求的变化，微型燃气轮机得到了有关部门的高度重视，特 别在美、欧等国发展迅猛。可以肯定，在未来全球电力和动力系统发展中，以微型 燃气轮机为核心的热力系统将是一个重要的研发和应用领域【4 , 5 , 6 】。 高温固体氧化物燃料电池与微型燃气轮机组成的s o f c - m g t 联合循环系统，也 是分布式发电的一种。联合循环系统中s o f c 的排气温度高达9 0 0 左右，利用微型 燃气轮机可以将废热加以利用，重新用于发电。在联合循环系统中，s o f c 取代了 m g t 的燃烧室，以天然气为燃料，高温排气直接进入透平做功，整个装置的效率可 达8 卜9 0 ，而且有效的降低了排放，减少了污染，前景十分诱人。 从某种意义上讲，具有冷热电多联产的分布式供能技术并不是什么新的概念， 但随着技术的发展，特别是微型燃气轮机和燃料电池以及其它新能源技术的进步为 冷热电联产赋予了新的内涵【_ n 。因此，对s o f c 和m g t 组成的联合循环系统进行性能 分析，将有助予我们进一步改进其性能，使其更好的发挥优点，为我国的发电事业 做出贡献。 1 2 本课题研究的主要内容 本文的工作是在对文献进行综述的基础上，结合现有的模型和研究成果，分别 建立初步的s o f c 、m g t 及它们组成的联合循环系统模型，并进一步对它们的热力学 性能进行计算、分析；大致可以分为以下几个方面： 1 引入了分布式能量系统的概念并对其特点、分类、发展意义及国内外的研究 动态做了具体的介绍。 2 简要介绍了微型燃气轮机的原理、性能特点、发展现状与应用，根据其基本 工作原理和特性数据，建立了带有回热系统的简单微型燃气轮机循环系统模型，并 对其进行了热力性能计算、分析；在此基础上对简单的m g t 冷热电联供系统基于热 力学第一、二定律进行了分析。 3 大体介绍了燃料电池的原理、特点和分类、发展现状以及应用，根据燃料电 池的基本结构和工作原理，给出了燃料电池的模型，这里采用的是高效管式s o f c 并进一步分析了电流密度、电池工作温度、压力以及燃料流量等参数对燃料电池性 能的影响。 4 在前面所建立模型的基础上，由s o f c 模型代替m g t 的燃烧室模型，并考虑 2 华北电力大学硕士学位论文 各种相容性及技术上的要求，组合成了联合循环系统的模型。在一定功率范围内， 分析了其在额定工况的热力性能，并展望了其将来的发展前景。 本课题主要借助于f o r t r a n 科学计算软件程序，分别建立了s o f c ，m g t 以及 s o f c - m g t 组成的系统模型，通过改变输入参数，对系统进行仿真模拟计算，分析了 简单系统及联合循环系统的性能，为分布式能量系统的集成、优化特别是基于微型 燃气轮机和燃料电池联合循环系统的设计、优化提供一定的科学技术上的依据。 华北电力大学硕士学位论文 第二章分布式能量系统基础知识 2 1分布式能量系统简介 2 1 1分布式能量系统的概念 分布式能量系统是l978 年美国公共事业管理政策法公布后，在美国开始推 广，然后被其他先进国家接受的发电技术，然而分布式能量系统至今仍没有统一的 定义。下面是几种常见的定义，分别从不同的层面上对分布式能量系统给予了解释 8 , 9 , 1 0 , 1 1 1 。这些定义各自有各自的侧重点和出发点，各定义之间是既相近又有区别。 表2 1 欧美一些机构或组织对分布式能源的定义 u sd e p a r t m e n t o f d p 是生产或储存电能的系统，通常位于用户附近，包括生物能发电、 e n e r g yi 燃气轮机、太阳能发电和光伏电池、燃料电池、风能发电、微型燃气 轮机以及存储控制技术。分布式能源可以连接电网，也可以独立工作。 区别于大型集中式中央电站，分布式能源系统一般的容量从小于t k w 到几十姗不等。 u s d e p a r t m e n t o f d e r 指的是一系列小型的、模块化的、产生电能的技术，容量范围从 e n e r g yi i 几千瓦到5 0 m w ，包含许多供应侧的和用户侧的技术，一般位于需要能 源的地点或附近 e l e c 仃i ep o w e r d e r 是小型的能量产生及存储系统，一般在用户或配电站附近，单个 r e s e a r c h i n s t i t u t e ( e p r i ) 设备的容量在2 0 m w 一下，总容量i k w - 5 0 m w ，可采用供应侧及用户 侧的管理技术。 a m e r i c a ng a s d g 是小型电能发生设备，建在用户附近或公共电网的变电站附近，它 a s s o c i a t i o n 包含多种技术：燃气轮机、内燃机、燃料电池、微型燃气轮机、风力 发电和光伏电池。 t h e e u r o p e a n d g 是由一切连接分布式电网、拥有用户侧管理( t h ec u s t o m e rs i d eo f a s s o c i a t i o nf o rt h e p r o m o t i o no ft h em e t e r ) 的发电装置组成，主要是可再生能源系统和热电联产系 c o g e n e r a t i o n 统，一般单个装置发电量不超过1 0m w 。 t h ei n t e r n a t i o n a l d g 是服务于当地用户或支持电网的发电站，与公共电网以传输电压进 e n e r g ya g e n c y 行连接。主要采用的技术是内燃机、小型或微型燃气轮机、燃料电池 和光伏电池系统。由于风力发电场一般不面向当地用户需要，因此不包 括这项技术。d p 是将d g 加上能量储存技术，比如飞轮、大型再生燃料 电池和空气压缩存储。d e r 是d g 加上需求侧管理 从表2 1 中可以发现，分布式能源在英语中对应的专有缩略名词有以下几个： 华北电力大学硕+ 学位论文 d e r ( d i s t r i b u t e de n e r g yr e s o u r c e ) ，d p ( d is t r i b u t e dp o w e r ) ，d g ( d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n ) 。在中文文献中，它们通常不加区分，实际上它们分别从能量储存、能 源管理、需求侧管理等方面对分布式能量系统进行定义的。从图2 1 中也可以直观 的看出它们的关系。 图2 id e r ，d p ，d g 的关系 2 1 2 分布式能量系统的分类 分布式发电方式多种多样，根据燃料不同，可分为化石能源与可再生能源；根 据用户需求不同，有电力单供方式与热电联产方式( c h p ) ，或冷热电三联产方式 ( c c h p ) ；根据循环方式不同，可分为燃气轮机发电方式，蒸汽轮机发电方式或柴 油机发电方式等。表2 2 列出了主要的分布式发电方式【1 2 】。 表2 2 主要的分布式供电方式 发电技术能源种类 内燃机发电技术化石能源 燃气轮机发电技术 微型燃气轮机发电技术 常规的燃油发电机发电技术 燃料电池发电技术 太阳能发电技术可再生能源 风力发电技术 小水利发电技术 生物质发电技术 氢能发电技术二次能源 垃圾发电技术一般废弃物 表2 3 列举了上述动力设备的主要技术参数以及投资和运行维护费用等信息 表2 3 各种用于分布式能量系统主要原动机性能对比 i 燃气轮机微燃机光伏电池风力发电燃料电池发动机 可调度性有有有有 华北电力大学硕士学位论文 燃料燃气气体或液太阳风力发电燃气 柴油或燃 体气 效率( ) 2 9 - 4 2 2 9 4 22 7 3 26 1 92 54 0 5 7 3 5 能源密度 5 95 9 o 0 2o 0 l1 35 0 ( k w m ) 投资费用( $4 5 0 8 7 0 1 0 0 06 6 0 01 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 3 5 0 k w 。1 )5 0 0 0 运行费用( $ 0 0 0 5 0 0 0 5 - 0 0 0 1 o o o l0 0 0 20 0 l k w 。1 ) 0 0 0 70 0 0 7 0 0 0 4 发电投资( $ 6 86 81 8 2 03 - - - , 46 8 7 , - 9 k w 。1 ) 能力储存要求无 无 需要需要无无 热耗( m j k w 5 1 05 1 05 1 0 1 0 - - - - 1 5 h 1 ) 预计运行寿命 44 1 4 4 ( 1 0 4 1 1 ) 技术发展状态已商业化最近将商已商业化已商业化不久商业已商业化 业化 化 2 1 3 分布式能量系统的特点、优势 2 1 3 1 分布式能量系统的特点 分布式能源系统具有以下特点： 一、使用吸收式制冷机组实现余热回收，提供空调或工艺用冷，能源利用率可 提高到7 0 以上； 二、设备靠近用户，热量、冷量和电量可直接使用，大大减少了输配电设备的 投资和电网的输送损失，同时增加了系统供能的稳定性和可靠性； 三、装置容量小、占地面积小，初投资少，效益好。用户可以直接投资建设小 型的分布式能源冷热电三联供系统： 四、采用模块化设计，建设周期短。投产后回收期短，一般只要2 3 年。 2 1 3 2 分布式能量系统的优势 与常规的集中供电电站相比，分布式供电具有以下特点优势：没有或很低的输 配电损耗；无需建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本；适合多种热电比的 变化，可使系统根据热或电的需求进行调节从而增加设备年利用小时；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。为可再生能源的利 华北电力大学硕士学位论文 用开辟了新的方向；为冷热电联产系统的实施与应用提供了技术支持等。 同时，分布式供电系统也存在不足之处：当分布式供电系统内出现电力盈余的 情况时，就要将这部分盈余电力转移到电网：如果出现电力不足的情况，就要从电 网引进电力。这样一进一出，将会产生的强烈的震荡效应，必定会对电网的稳定与 安全产生负面的影响。值得乐观的一点是，目前国内外都在积极努力开发与分布式 能源系统相关的技术与产品，相信这类问题在不久的将来一定会得到圆满的解决， 那时分布式供电的将尽显优势。 2 2 分布式能量系统的研究动态与发展概况 2 2 1国内外研究动态 国内外有关d e s 的学术研究主要集中在各种d e s 技术研发和设备制造、d e s 并 网运行条件、d e s 的仿真建模和分析计算、d e s 对电网的安全性影响以及与电网的 互动关系、d e s 的经济性评估和市场交易问题、d e s 发展的宏观政策和具体实施措 施的制定等六方面。 d e s 的研究和商业化实践上均有很大进展，但还不充分完善。国内外正积极建 立d e s 的试验、示范和商用机组，这说明实践已跑在理论研究的前面。理论研究相 对滞后，尤其是对d e s 建模，分析等技术层面上的研究比较少，一定程度上妨碍了 d e s 的发展。建立d e s 的动态模型被列在最紧迫需要解决的问题之列。同时，现有 配电网络计算模型以及分析仿真工具不足以给运行、规划人员提供未来集成配电系 统所需要的参考信息。就发电技术本身而言，太阳光伏发电、微型燃气轮机技术、 风力发电均已基本成熟，目前面临的主要困难是并网运行中的具体问题。国内，中 国科学院工程热物理所、中国科学院电工所、中国电力科学院、清华大学电机系清 华大学一b p 清洁能源中心等多家科研单位基于各自的技术积累也开始了较大规模 的研究工作。缺乏系统的、正确的理论体系指导是目前d e s 研究存在困难的关键因 素之一。 2 2 2国外发展现状 在欧美随着能源市场放松管制，竞争机制的引入以及可持续发展战略的实施， 分布式能量系统得到迅猛的发展。 在欧盟，分布式能量系统的目标是t 到2 0 1 0 年使可再生能源能够提供2 2 的 电能。欧洲委员会正在进行一个s a v ei i 的能效行动计划，包含许多不同的能效措 施，来推动分布式能量系统的发展。 目前，美国的冷热电联产( c c h p ) 组织正抓住各种机会排除障碍，使冷热电联 产技术在建筑业被广泛利用。以开发和盈利为目的，天然气公司、电力行业和暖通 华北电力大学硕士学位论文 空调行业的制造者正在进行广泛地合作，提出了“分布式能量系统2 0 2 0 年纲领 目的是到2 0 2 0 年使分布式能量系统成为商用建筑、写字楼、民用建筑高效使用矿 物燃料的典范。 i e e e 经过评估认为，到2 0 1 0 年分布式能量系统将占新增发电容量的3 0 。成 立了一个名为i e e e s c c 2 1o nf u e lc e l l s ，p h o t o v o l t a i a s ，d i s p e r s e dg e n e r a t i o n 。 a n de n e r g ys t o r a g e 新机构，专门检查燃料电池、太阳能、分布式能量系统、能量 储存等方面标准的发展，并协调这些标准与i e e e 以外的其它团体或机构颁发标准 的一致性，确保这些标准的通用性，并于1 9 9 9 年3 月颁布了关于分布式能量系 统与电网连接的p 1 5 4 7 标准1 1 4 , 1 5 l 。 2 2 3国内发展现状 从我国当前分布式能量系统的发展情况来看，分布式能量系统的研究还处在初 期阶段。但分布式能量系统在我国也有应用，在一些边远地区建立了太阳能发电、 风能发电的分布式能量系统。当前我国分布式能量系统的应用主要是以内燃机带动 发电机，用于紧急情况和备用情况，总体来看，发展比较落后。但是我国有巨大的 分布式能量系统发展潜力，随着经济发展，人民生活水平的不断提高，用能源需求 的不断增长将成为中国分布式能量系统发展的主要动力。特别是我国正在实施的西 部大开发战略、”西气东输”工程和城镇化建设将为分布式能量系统的应用提供巨大 的市场。 我国分布能源系统需求的总走势与国外相似【l6 1 ，因经济发展水平而有所滞后， 但上海、北京、南方地区的需求已经出现，如广东番禹南沙科技园、上海浦东国际 机场，北京天然气控制中心大楼、中国科技促进大楼已规划了分布式能源系统。目 前我国已建立的分布式三联供系统示范工程项目主要集中在上海、北京、广州、天 津等大城市并已经取得了一定的经济和社会效益。 2 3 本章小结 传统的电力工业是中央规划、决策、垂直一体化管理的企业，自2 0 世纪初以 来电力工业的发展方向是“大机组、大电厂和大电网。随着经济的发展，社会的 进步人类对能源的需求量越来越多，由大电厂、大电网构成的单一化能量系统显示 了其不足之处。能源工业亟待解决四大问题：合理调整能源结构，进一步提高能源 利用效率，改善能源产业的安全性，解决环境污染。而分布式能量系统恰好在这些 方面能给以补充，因此，大电网与分布式能量系统的合理结合，被认为是2 1 世纪 电力工业的发展方向。可以毫不夸张的说人类使用自然界能源，经历了一个从分布 式能量系统到集中式能量系统的过程一些工业发达国家又出现了从集中式能量系 统到分布式能量系统的发展趋势。 华北电力人学硕士学位论文 第三章微型燃气轮机冷热电联供系统研究 3 1 微型燃气轮机基础 3 1 1微型燃气轮机概况 微型燃气轮机的雏形可追溯到2 0 世纪6 0 年代，但作为一种新型的小型分布式 能源系统和电源装置的发展历史则较短。1 9 9 5 年在美国动力年会上，a 1 1 i e d s i g n a l 、c a p s t o n e 与e 1 1 i o t t 公司展示了2 5 7 5 k w 微型燃气轮机样机，其后发 展迅速，每年均有样机推出。目前已有多种产品进入市场，h o n e y w e l l ( a l l i e ds i g n a l ) 公司的7 5k w 产品，c a p s t o n e 公司的3 0k w 和6 0k w 产品，e 1 1i o t t 公司有4 5k w 和8 0k w 产品，i n g e r s o l lr a n d ( n o r t h e r nr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n gc o m p a n y ) 有 从3 0 2 5 0k w 范围的几种微型燃气轮机产品，g e 有7 5 3 5 0k w 的产品，英国 b o w m a n 公司有3 5 2 0 0k w 的产品。其它公司如a l l i s o ne n g i n ec o m p a n y ，w i l l i a m s i n t e r n a t i o n a l 。t e l e d y n ec o n t i n e n t a lm o t o r s ，欧洲( v o l v o 和a b b ) 和日本 ( t o y o t a ，i h i 和川崎) 公司也已经开发出微型燃气轮机产品，并开始进入国际市场 1 1 7 1o 微型燃气轮机发电机组由微型燃气轮机、发电机和数字电力控制器等部分组成， 以天然气、甲烷、汽油、柴油等为燃料，具有高可靠、长寿命、低噪声、重量轻、 体积小、低污染、多燃料、低油耗、可遥控、自诊断以及多台集成扩容等一系列优 点，具有很好的民用需求前景和军事应用价值，对于能源、电力、航空、航天、舰船、 车辆以及军事领域的技术发展有着重大作用。其中微型燃气轮机是指功率在几百千 瓦以内的1 种新发展起来的小型热力发动机或动力装置。它由径流式叶轮机械、单 筒形燃烧室和回热器构成。图3 1 为c a p s t o n e 微燃机发电机组。因为径流式叶轮 机械( 向心式透平与离心式压气机) 在转子上两者叶轮为背靠背结构，从而使结构 简单、紧凑、便于移动，数字方向代表了工质的流向。 图3 1c a p s t o n e 微型燃气轮机发电机组 华北电力大学硕十学位论文 3 1 2 系统组成及工作原理 微型燃气轮机发电机组由微型燃气轮机、燃气轮机直接驱动的内置式高速逆变 发电机和数字电力控制器( d p c ) 等部分组成。其中的核心设备微型燃气轮机由 径流式叶轮机械( 向心式透平与离心式压气机) 、燃烧室、板翘式回热器构成，功率 范围在数百k w 以下，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型气轮机，采用回热 式布朗循环。其发电效率可达3 0 ，如实行热电联产，效率可提高到7 5 以上。系 统的工作原理为：从离心式压气机出来的高压空气先在回热器内由涡轮排气预热， 然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧，高温燃气送入向心式涡轮做功，直接带动高速发 电机发电。发电机首先发出高周波交流电，然后转换成高压直流电，再转换为 6 0 h z 4 8 0 v 的交流电供用户，下图为回热型微型燃气轮机及原理示意图： 图3 2 回热型微型燃气轮机及原理示意图 作为一种新型电源装置，从1 9 9 5 年美国的a l l i e ds i g n a l 、c a p s t o n e 与 e l l i o t t 等公司推出2 5 7 5 k w 微型燃气轮机样机以来，得到了电力、交通和军事 等领域的高度重视。我国作为一个能源需求大国，对微型燃气轮机的研究也在进行 当中，这对于提高我国的能源利用率和缓解能源瓶颈问题有着十分重要的意义。 3 1 3 微型燃气轮机发电机组性能指标 目前国际市场微型燃气轮机产品的主要性能参数指标有：带有回热、变频、高 速电机等设施；微型燃气轮机的效率达2 5 2 9 ( 研制目标为4 0 ) ；冷热电能量利 用率达7 0 9 0 ；污染物n o x 排放9 x1 0 。6 ；功率为2 5 l o o k w 。下表为国外几家 著名的微燃机生产厂家提供的性能参数 1 8 , 1 9 】： 表3 1 国外微型燃气轮机的主要性能 生产厂家c a p s t o n e b o w m a nh 1 1 i e de 1 1 i o t ti h l 日产 n r e c t t o n e y w e ll s i g n a l 产品型号c 3 0 6 0 t g 8 0 c ga s 7 5 t a 4 5 ，6 0 ，8 0d y n a j e t 2 6 p o w e rp a r a ll o n 7 5 w o r k 额定功率3 0 ，6 0 8 07 5 4 5 ，6 0 ，8 0 2 67 07 5 k w 华北电力大学硕士学位论文 压比3 24 3 3 74 2 83 33 7 发电效率2 5 ( 2 ) 2 72 8 52 5 3 08 1 0 3 32 8 5 燃料类型天燃气、天燃气、天燃气、天燃气、柴柴油 天燃气、天燃气、柴 柴油柴油柴油 油柴油 油 燃烧耗率 9 31 7 3 2 2 21 5 6 1 41 8 42 2 2 m 3 h 1 排( 进)2 7 0 ( 8 4 0 )3 0 02 5 02 8 0 ( 9 2 0 )2 5 0 ( 8 5 0 )2 0 0 ( 8 7 0 )2 7 0 ( 9 3 0 ) 气温度 ( 6 8 0 )( 9 2 0 ) n o ，( 9 99 2 5 2 5 9 9 2 5 1 0 书) 噪音d b6 5 1 0 m7 5 1 0 m6 5 1 0 m6 5 1 0 m5 5 1 0 m6 5 1 0 m 寿命h4 0 0 04 0 0 05 4 0 04 0 0 08 0 0 04 0 0 0 美国国家能源部已制定了2 0 0 0 - - , 2 0 0 6 年度财政计划项目“先进微型燃气轮机 系统”，共投资1 6 3 亿美元，研制功率为2 5 1 0 0 0k w 带有回热的微型燃气轮机， 并提出更高的性能指标要求： 效率：燃料一电力转换效率至少达到4 0 ； 环境：燃用天然气时，在实际工作范围内n o x 排放小于7 p p m ； 持续性：无检漏时间为110 0 0 h ，服务寿命至少4 50 0 0 h ； 电力投资：系统投资小于5 0 0 美元k w ； 燃料灵活性：可使用多种燃料，包括柴油、天然气、乙醇、垃圾气和生物燃料。 总之，先进微型燃气轮机提供了清洁可靠高质量多用途分布式发电的最佳方 式。图3 3 概括了先进微型燃气轮机具有的可能技术优点、特征以及在发电领域中 的不同用途。可见微型燃气轮机不仅具有明显的技术优势，而且应用范围广泛 【2 0 ，2 l ，2 2 1 。 图3 3 先进微型燃气轮机技术的优点、特征和发电用途 1 1 华北电力大学硕士学位论文 3 2 微型燃气轮机的应用及研究动态 微型燃气轮机的技术特点使微燃机发电机组可以在很多领域发挥其性能可靠， 高环保低污染，经济性好的优势而得到应用。下面我们将具体的介绍几种常见的微 燃机应用的例子。 3 2 1 冷热电联供系统 冷热电三联供的基本原理是能的梯级利用原理。如以天然气为燃料燃烧后，5 5 0 以上的燃气用于发电、2 0 0 - 5 0 0 燃气用于吸收制冷，2 0 0 以下燃气用于热水或 低压蒸汽，这样燃料热量的8 0 可以得到应用。如何根据用户能源消费结构的特点， 综合设计能源供应体系，将简单的单一电力供应，改变成电、热、冷的联合供应，充 分利用燃料燃烧后放出的热量，就有可能在现有发电效率的基础上，增加热能利用 率，从而大幅度地提高能源利用率【2 ”。图3 4 为微型燃气轮机余热型溴化锂吸 收式联合循环冷热电联产系统图。 图3 4 微燃机冷热电联产系统示意图 微型燃气轮机单纯的发电效率不算很高，但冷热电共生的能量利用率甚至超过 大型机。回热微型燃气轮机排气温度约为2 5 0 一- - 3 0 0 。c ，用于分布式供电时靠近用户， 可方便地按用户需要利用排气热量来供暖、供冷和供热水等，这些热负荷相互重迭 和衔接，使供热负荷波动减少，提高了能源有效利用的程度。以天然气为原料的小 型、微型容量的新型分布式能源技术设备和冷热电联供设施，将能源利用效率和环 保标准提高到一个全新的层次。这一能源系统将会从根本上改变目前发电、供热和 制冷互相分离，通过大型电力、热力设施，从高压、中压到低压的自下而上的传统能 源系统1 1 u j 。 3 2 2 微型燃气轮机一燃料电池混合装置 高温燃料电池作为一种先进的能源转化装置，其功率可以根据需求进行堆栈的 华北电力大学硕士学位论文 调整，但排气温度较高，从而影响了燃料利用效率。当将高温燃料电池与微型燃气轮 机两者联合进行发电时，其输出功率和效率都会大幅度提高，如果再将废热加以利 用，会获取更高的燃料利用效率，同时降低整个系统的投资成本。美国能源部的研究 表明，固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池与燃气轮机组成的混合装置可以 获得7 0 以上的发电效率，除c o ：之外，排放几乎为零。因此，微型燃气轮机和燃料电 池联合循环被认为是未来最有竞争力的发电系统，图3 5 为燃料电池热点联产系统 示意图。 囊 空 图3 5 微燃机燃料电池系统 3 2 3 微型和超微型发电系统的研究 随着便携式电子产品和微机电系统( m e m s ) 的迅速发展，为了满足对电源能量密 度不断提高的要求，近年来科学家们开始研究利用微型和超微型内燃机作为微型 便携式发电系统原动机，主要的研究趋势是将现有的宏观发电机系统缩小为微型和 超微型发电系统。m i t 、加州大学伯克力分校等著名高校和h o n e y w e l l 技术中心在 美国国防部先进研究计划局( d a r p a ) 的资助下，已经有了许多研究成果。其超微型化 的研究主要分成3 个阶段：六陶瓷片组成的超微型燃气轮机，双区域燃烧器和催化燃 烧器。同时，四冲程微型摆式内燃机和新型二冲程微型摆式内燃机也在便携式发电 系统的研究领域受到了越来越广泛的关注1 2 4 1 。 3 2 4 微型燃气轮机发展前景及状况 3 2 4 1 国外发展状况 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。 华北电力大学硕士学位论文 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，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 国家实验室等都已经在微燃机冷热电联供方面作了比较深入的研 究。2 0 0 3 年，美国c a l i f o r n 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。 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一个重 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 微燃机冷热电联供系统，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，每年可节约资金 约5 0 万美元。另外，在日本的三进公司，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。 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 微燃机其效率 可达8 0 以上；在荷兰的p u t t e n ，l 台3 0k w