BCHP研究综述.ppt

信息时代的能源系统新构架 分布式能源互联网 BCHP 蔡浩2003 2 13 主要内容 1 热电 冷 联产的基本概念2 分布式能源互联网 BCHP 3 BCHP在国防 人防工程中的应用展望 1 热电 冷 联产的基本概念 1 1热电冷联产的基本原理1 2热电冷联产的分类1 3热电冷联产的动力机械 1 1热电 冷 联产的基本原理 CCHP系统简图 1 2热电冷联产的分类 大型DCHP 适用于大中型电站的较大区域的热电冷联产 10MW级 100MW级或以上小型DCHP 适用于小型热电厂的小区域的热电冷联产 1 10MW之间BCHP 适用于单个楼宇的微型分布式能源系统 10KW级 100KW级 或1MW左右容量 1 3热电冷联产的动力机械 蒸汽动力蒸汽机 汽轮机内燃机汽油机 柴油机 煤气机 天然气内燃机 双燃料系统内燃机等燃气轮机大燃机 10 150MW 小燃机 800 10 000KW 微燃机 25 750kw 外燃机燃料电池低温 AFC PAFC PEMFC 高温 MCFC SOFC 可再生能源利用太阳能 风力 生物质能 垃圾填埋处理 水力 潮汐 地热 海洋潜流利用等 2 分布式能源互联网 BCHP 2 1BCHP是什么 2 2为什么是BCHP 2 3BCHP的动力机械及技术比较2 4几种常见的BCHP应用形式2 5BCHP的工程应用介绍 2 1分布式能源互联网是什么 分布式能源互联网可以理解为由分布式的小型 微型热电冷装置所组成的能源网络 其主要特点包括 在一次能源上 以气体燃料为主 可再生能源为辅 积极利用一切可以利用的资源 二次能源上 通过分布在用户侧的小型 微型热电冷综合能源转换装置 根据用户的实际需求 就近直接提供热 电 冷和热水等能源 在能源利用上实现热电冷联产化 将原来热 电 冷和热水等系统优化整合为一个新的 统一的能源系统 将资源利用效率提高到80 90 在运行管理上 通过无人职守的智能化控制技术和网络化远程遥控技术 对用户端能源设备进行管理和运行 在系统上 将燃气管网 低压电网 通讯网络和冷热水管道于临近机组连接 形成一个能源于信息交织的网络 使各种能源系统实现协同整合优化 分布式 微型化 优化整合能源系统 传统方式 优化方式 互联网式的分布式能源系统 BCHP是信息时代的产物 在工业时代 社会分工细化 以产品定行业 又在同一产品下优化 其结果必然是规模越大效益越好 即规模效益 而信息时代最大的力量就是 整合的能力 将不同领域的问题进行统一优化 利用优势互补实现协调统一 随着信息的整合能力的不断加强 社会分工将逐步模糊 人们可以根据自己对各种需求不断增长的状况 技术进步的速度 以及人类不断提高的道德观念 根据资源效益 环境效益 社会效益和经济效益优化出一个最佳效益的规模 效益规模 这是人类文明的必然趋势 BCHP是信息时代的产物 它的发展打破了传统的界限 将采暖 热水 电 冷 燃气 水资源合理利用和环境污染治理统筹考虑 以最小的资金 资源和环境代价 换取最高的投资效益 能源转换效率和能源设施效能 减少了电网及配变电 热力管网及热交换站 燃气管网及调峰系统 自来水管网 制冷设备 热水供应设施和环境污染治理等多项投资 一石数鸟 关于BCHP的一个例子 北京有一个房地产公司最近要开发建设一座高层公寓大楼 因为有电梯 劳动部门要求至少两路供电 消防部门也要求电源不能少于两路 否则需要安装自备发电机组 开发商从供电部门得到的信息是 其中一路电缆必须入地 需要建设费至少200万元 解决天然气采暖需要购置至少安装2台燃气锅炉 投资超过50万元 投资需75年才能回收 锅炉寿命只有20年 如果采用宝曼80kW微型燃机热电联产设备 总投资在120万左右 可以不用建设第二路供电线路和燃气锅炉 投资节省130万元 设备能在4年之内回收 由此可见 发展BCHP是具有一些明显优势的 2 2为什么是BCHP 能源系统的安全性节能与环保平衡供求关系政策法规与当前形势 能源系统安全性 分散的能源系统互为补充 较大电网 长途输送更安全 南斯拉夫 几枚廉价的石墨炸弹彻底改变战争的进程 911事件 恐怖份子将可能不择手段 采取意想不到的方式发起攻击 中国也难以幸免 首都北京外埠供电超过60 几年之后将超过70 恐怖份子或敌对势力集团只要几十公斤炸药 就可能同时将几个50万高压线路的输电铁塔炸倒 其破坏足以将整个电网拉垮 北京将陷入一片黑暗 即便是自然灾害北京电网也不一定能够安全应对 从山西 内蒙接入北京的几条50万和22万输电线路几乎同跨一个地震断裂带和相同的气候区域 一场地震或大雾 就可能造成北京的供电系统破坏 节能与环保 新型分布发电系统采用的小型 微型燃气轮机 燃气内燃机和燃气外燃机不仅效率高达30 左右 环境排放极低 氮氧化物的排放为25ppm以下 是一般燃气锅炉 直燃机和燃气热水器的1 10 1 20 实际上 这一技术可以实现通过替换传统的能源装置 来挤出了发电的环境容量空间 而且比原来胜出十倍 特别是这些设备发电本身不需要用水的 没有水资源浪费问题 排出的高温烟气可供余热锅炉或溴化锂空调机组换热 制冷 为建筑物解决电 热 冷和生活热水 消除了电网 热力管网的输送损耗 空调机组利用后的余热和二氧化碳 水蒸气还可以提供给周围的玻璃大棚 供植物吸收利用 实现能源的梯级利用 从根本上实现了节能和零排放的目标 平衡供求关系 北京为例说明 北京使用的是陕甘宁天然气 由于经验不足 将天然气主要用于了代替原来的燃煤锅炉采暖 但采暖只有冬天用气 造成季节峰谷差高达7倍 导致天然气管道和气田设施利用效率很低 造成上游企业亏损 政府不得不将天然气价格上调 居民气价从1 4元 立方米上升到1 7元 供暖燃气价1 8元 进一步造成下游企业亏损和严重欠费问题 北京热力公司在降低供热标准 不断提高供热收费的前提下 采暖费从每建筑平方米18元 采暖期上升到30元 2002年的财政补贴超过2 5亿 热费拖欠也非常严重 平衡供求关系 另一方面 北京的用电负荷快速增加 2002年达到765万Kw 超过750万kw的极限承受能力 但实际用电量增加的幅度并不大 发电设备和电网的利用小时每年都在减少 其中一个主要的问题是电空调容量的增加速度太快 2001年电空调负荷估计在260万千瓦 这些电空调大多每年只用1000小时左右 为了这1000小时的负荷 电力企业必须投入每千瓦上万元的资金去建设相应的发电厂 抽水蓄能电站 高压输电线路 变电站 不要说投资难以回收 运行安全都成了问题 BCHP系统可全年运行 稳定了天然气的用气峰谷平衡问题 利用余热制冷 不再需要电空调 平衡了电网供电峰谷问题 减少了臭氧层的破坏 也美化了城市的景观 政策法规与当前形势 我国 节能法 中明确规定 国家鼓励发展热电冷技术 2000年国家计委 经贸委 建设部和环保总局联合颁布了 发展热电联产的规定 再次明确了国家鼓励发展热电联产的政策 特别支持发展以天然气为燃料的燃气轮机热电联产项目 同时强调了国家积极支持发展小型燃气机组组成的热电联产和热电冷联产系统 国家计委把在北京 上海等地发展热电冷联产试点工作 列入了 十五 能源规划纲要 目前 北京 天津等地正在积极利用陕甘宁天然气资源 上海 江苏和浙江等地正在安排落实 西气东输 工程的市场 为发展小型燃气轮机热电联产提供了机遇 北京为承办奥运会正在实施的一项计划 绿色能源网计划 GreenPowerNet 计划的核心是在北京发展用户端的分布式能源互联网系统 2 3适用于BCHP的主要动力机械 内燃机 燃气 柴油 燃气轮机小型燃气轮机 800 10 000KW 微型燃气轮机 25 750kw 外燃机 又称热气机 斯特林发动机 燃料电池低温 AFC PAFC PEMFC 高温 MCFC SOFC 内燃机 汽油机 汽油燃料 点燃式内燃机 Otto循环 柴油机 柴油燃料 压燃式内燃机 Diesel循环 燃气内燃机 天然气燃料 结合汽油机和柴油机的设计原理 Otto循环 柴油机部分负荷效率高 比汽油机更多的应用与固定电站 双燃料内燃机 可用柴油 汽油 天然气等多种燃料 柴油发电机组外观 内燃机 主要优点 技术成熟 工艺稳定 已经被广泛采用 发电效率高 通常在32 40 这对于电力需求较大的用户十分合适 可选择的机组容量范围大 从几十千瓦至近万千瓦的产品市场上都可以找到 主要缺点 体积大 重量大 热电联产不宜布置 运行维护成本高 大修费用高 由于内燃机作功需要震暴 导致噪音很大 通常超过100分贝 余热回收复杂 需要对烟气 汽缸冷却水 中冷器三段热量进行回收 供热量小 内燃机的废热回收 为防止烟气冷凝 废热只能部分回收 烟气温度在500 左右 排气温度在160 热水温度通常是99 或以下 燃气 柴油内燃机产品介绍 世界生产燃气内燃机产品的公司很多 最早是由美国卡特彼勒公司于1940年开发生产的 其他的标志性公司有美国的康明斯 荷兰的瓦西兰等 我国也有多家企业可以生产 主要是生产柴油机的公司 卡特彼勒燃气内燃机外观 燃气内燃机的优点是发电效率较高 设备投资较低 缺点是余热回收复杂 余热品质较低 燃气内燃机与余热溴化锂空调联合循环运行的技术方案已经解决 新希望集团在成都其酒店内将一台内燃机与余热溴化锂空调连接 直接回收余热制冷 目前卡特正在与远大合作配套 准备向有关项目提供全套系统 燃气 柴油内燃机产品介绍 美国康明斯cummins公司专业从事燃气内燃机和柴油机热电冷联产的设备开发 国内柴油内燃机BCHP尝试 由南京工业大学设计 浙江联丰集团公司制造的热管废热溴化锂制冷机已应用在上海上能节能中心的200kW柴油发电机的热 电 冷联供改造项目 南京工业大学的这项专利 还只是热电冷联产的 初级阶段 因为它只利用了柴油机排烟中一部分热量 柴油机缸套中的排热和烟气中大部分热量没有被利用 而且在实际运行中肯定还要 补燃 国内柴油内燃机BCHP尝试 常规的燃气轮机 燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转 将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械 是一种旋转叶轮式热力发动机 燃气轮机由压气机 燃烧室和燃气透平等组成 其工作过程是 压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩 压缩后的空气进入燃烧室 与喷入的燃料混合后燃烧 成为高温燃气 随即流入燃气透平中膨胀作功 推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转 加热后的高温燃气的作功能力显著提高 因而燃气透平在带动压气机的同时 尚有余功作为燃气轮机的输出机械功 燃气轮机由静止起动时 需用起动机带着旋转 燃气轮机工作示意图 常规的燃气轮机 燃气涡轮发电机通常由透平 变速箱 发电机 进气增压器 排气系统组成 见右图 常规燃气涡轮发电机能提供从1至数兆瓦的电力 可满足几乎一切包括办公大楼 医院 学校 商店的建筑物的用电需求 其废气是吸收式制冷机的理想热源 被用来制冷 采暖和提供卫生热水 其废气含氧量较高 可达15 以上 可以作为直燃机的助燃空气 进行第二次燃烧 透平外观图 常规的燃气轮机 燃气轮机的理论循环是布雷顿 Brayton 循环 燃气初温和压气机的压缩比 是影响燃气轮机效率的两个主要因素 提高燃气初温 并相应提高压缩比 可使燃气轮机效率显著提高 现代燃气轮机的初温可达1200 压缩比可达30 1以上 燃气轮机联合循环示意图 与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较 燃气轮机的主要优点是小而轻 按流程的不同 分为 简单循环和联合循环 简单循环的效率可达40 联合循环通常由余热锅炉回收燃气轮机的排气产生蒸汽 再驱动蒸汽轮机发电 或直接提供蒸汽 是新建电厂的常见流程 效率可达60 小燃机产品介绍 主要是400kW 15MW的采用涡流式技术的燃气轮机 标志性产品是美国索拉 Solar 公司星座系列和加拿大普拉特 惠特尼 P W 公司的ST系列 前者为专门为地面应用设计的工业型燃机 后者为小型航空涡轮发动机的地面改型产品 或称为 轻型燃气轮机 小型燃机可以适应天然气 液化石油气 煤制气 柴油等多种燃料 并可随时自动切换 确保能源供应安全 大修周期在3 4万小时 运行稳定可靠 调峰能力强 一般都可以在30 的工况下稳定持续运行 机组能够自动跟踪频率 实现电网和自备电源的混合运行 燃机转速高达10000转 分 电力品质好于电网电力 美国Solar透平公司产品 索拉透平公司是世界上最大的小型工业型燃气轮机制造厂家 产品行销全球 至今生产的燃气轮机已超过11 500台 其中引进中国的机组近70台 索拉小燃机设计精良 坚固耐用 性能可靠 为更好地配合在中国市场的售后服务 索拉已决定在天津港保税区建设备件支援中心提供备件支持 能够为中国用户 特别是京津地区用户提供及时的服务支持 Solar土星20Saturn20机组 加拿大P W透平公司产品 普拉特 惠特尼公司是世界上最大的小型航空发动机制造商 中国民航大量使用该公司发动机产品 以该公司发动机组装的地面发电机设备多达数几千台 其设备技术先进 轻巧可靠的技术特性在同行业中处于领先地位 P WST5迷你燃气轮机 微型燃气轮机 微燃机的工作原理和小燃机基本相同 这里主要是指25 750kW采用轴流技术的燃气轮机 标志性厂家主要是英国宝曼公司 美国卡伯斯通公司和刚刚被GE公司兼并的霍尼韦尔公司的产品等 技术特点 单轴设计 压气机 涡轮和驱动永磁发电机全部集成在一根轴上 该轴是涡轮发电机上唯一的运转部件 轴支撑在一个叫空气轴承的部件上 空气轴承通过一层薄的空气膜起支撑作用 不需要任何的润滑剂 回热器 空气经压气机增加后进入回热器 被进入回热器的烟气废热加热 提高燃烧初温 微燃机工作示意图 微型燃气轮机 技术特点 单轴设计 运转部件少 空气轴承 无需润滑 回热器 燃耗少 效率高 燃烧室 预混燃烧 有害物排放少 变频器 高效产生需要的频率和电压 Bowman微燃机 宝曼电力系统有限公司 BPS 在微燃机热电联产系统方面居国际领导地位 目前正在欧洲 美国和日本的一些热电联产系统上进行现场测试 机组范围为30KW和100KW Bowman微燃机TG80 BowmanTG80技术参数 Capstone微燃机C30 Capstonec30LPNG Holleywell微燃机PARALLON75 PARALLON75 发电量 75kW 外燃机原理及产品介绍 外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机 因它是在1816年由苏格兰的R 斯特林所发明 故又称斯特林发动机 新型外燃机使用氢气作为工质 在四个封闭的气缸内充有一定容积的工质 气缸一端为热腔 另一端为冷腔 工质在低温冷腔中压缩 然后流到高温热腔中迅速加热 膨胀做功 活塞 旋转斜盘 燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧 通过加热器传给工质 工质不直接参与燃烧 也不更换 只要热腔达到700 设备即可做功运行 环境温度越低 发电效率越高 外燃机示意图 美国STM动力公司外燃机 一台25kW的外燃机 可以供热44kW 完全可以满足1000 1500建筑平方米或一个连级单位的基本能源供应 STM25KW外燃机外型 STM公司推出的25kW外燃机作为一个独立的电源供应装置 能够自动适应小型独立电网的容量变化需求 实现智能化控制 无需专人运行职守 基本属于傻瓜机 设备结构简单 零件只有内燃机的一半 没有进出气阀门等磨损机件 没有震爆作功 可靠性大大提高 设备坚固耐用 大修周期为5万小时 设备寿命可以达到20年 STM5KW外燃机外型 外燃机产品介绍 热电联产设备 外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题 从而实现了高效率 低噪音 低污染和低运行成本 STM公司热电联产设备外观 燃料 各种可燃气体 如天然气 沼气 石油气 氢气 煤气等 也可燃烧柴油 液化石油气等液体燃料 还可以燃烧木材 以及利用太阳能等 STM4 120型25kW级机组的发电效率为29 6 大大高于同容量的内燃机 体积只有办公桌大小 外燃机产品介绍 太阳能 外燃混合 1 多面反光镜聚焦在外燃机的热腔 利用太阳能加温热腔发电 发电功率达到20kW 设备可以自动跟踪太阳旋转 美国防部五角大楼太阳能 外燃混合发电装置 3 STM太阳能发电装置 可安装在城市建筑物上 作为城市造型建筑 白天利用太阳能 晚上利用夜间低谷燃气 发电并解决楼内热水供应 在一定程度上还可以减少城市热岛效应 2 太阳落山后或阳光不足时 自动合闭热腔 利用燃料燃烧发电 一机两用 节省了蓄电池投资 提高了能源供应设备的利用效率 而造价仅仅为硅晶光伏电池的1 3 投资效益极好 STM在高层住宅楼应用的经济性 STM可代替高层居民住宅楼的一路备用供电 城市高层建筑因为电梯和消防水泵等要求 必须两路供电 开发商平均一路投资50 150万 按2 4部电梯最大功率11 13KW 消防水泵2 2KW 消防灯用电1 1 5KW 1 2部STM发电机可以承担一路备用供电的要求 STM可实现24小时的热水供应 947kg55 热水 hrs 23吨 日50公升 人 满足450人的生活热水供应 免除家用热水器的安装 投资和安全问题 大大降低了NOx CO污染问题 STM在高层住宅楼应用的经济性 燃料电池基本原理 1839年 Wi11iamGrove爵士通过将水的电解过程逆转而发现了燃料电他的原理 工作原理是 从负极处的氢气中抽取电子 氢气被电化学氧化掉 或称 燃烧掉了 这些负电子流到导电的负极 同时 余下的正原子 氢离子 通过电解液被送到正极 在正极 离于与氧气发生反应并从负极吸收电子 这一反应的产品是电流 热量和水 燃料电池原理 燃料电池基本原理 燃料电池的优点 效率高 净发电效率 40 55 LHV 小型燃料电池与大型燃料电池的效率一样污染物排放非常低噪声与振动非常低排出的废热利用价值很高模块化 易安装 燃料电池的缺点 价格高需要特别的维护技术对燃料的敏感性尚未成熟 燃料电池的类型 燃料电池在BCHP中的应用 MoltenCarbonateFuelCellpowerplantbuiltbyM CPowerCorporation 200kWPAFCpowerplantbuiltbyUTCFuelCells formerlyONSICorporation 燃料电池在BCHP中的应用 TubularSolidOxideFuelCellpowerplantbuiltbySiemensWestinghouse 动力机械的技术比较 Datasource DistributedPowerCoalitionofAmerica DPCA1995 andCaliforniaAllianceforDistributedEnergyResources CADER1998 动力机械的技术比较 各类燃气热电联产设备的氮氧化物排放比较Bowman微燃机25ppmSolar小燃机25ppm卡特内燃机 150ppmSTM外燃机8ppm燃料电池0燃气锅炉 200ppm 2 4几种常见的BCHP系统形式 1 燃气轮机 排气直热单效冷温水机 燃气轮机的排气送入单效冷温水机 余热用于制冷或采暖特点 1 排气余热全部进入冷温水机加以利用 热损失小 2 受排气量限制 制冷或供热量较小 3 适用于小型建筑场合使用 2 4几种常见的BCHP系统形式 2 燃气轮机 排气再燃型冷温水机 燃气轮机高温富氧排气 含氧量18 进入冷温水机直接进行燃烧利用 特点 1 利用了排气中的余热和氧气充分燃烧 余热利用率达95 以上 冷温水机能耗大幅度降低 2 热 电 冷负荷容量搭配灵活 可以满足不同场合的需要 缺点是排气在部分负荷时不能全部利用 须排空 2 4几种常见的BCHP系统形式 2 2 4几种常见的BCHP系统形式 3 燃气轮机 排气再燃 热交换并联型冷温水机 燃气轮机排气余热一部分被溴冷机的稀溶液回收 另一部分参与二次燃烧特点 1 发电后的排气余热得到充分利用 冷温水机能耗最大限度降低 避免了模式二的缺点 2 电力 空调 采暖和卫生热水几种负荷容量搭配灵活 可以满足不同场合的需要 2 4几种常见的BCHP系统形式 2 2 4几种常见的BCHP系统形式 4 燃气轮机前置循环 溴冷机 燃气轮机发电后排出的高温烟气通过余热锅炉回收 产生的蒸汽供蒸汽吸收式制冷机制冷 其余通过热交换器提供采暖 卫生热水或供工业用户使用特点 1 夏季采暖 热水负荷最小的时候 蒸汽溴冷机可以充分利用燃气轮机余热制冷 保证较高的系统综合能源利用效率 2 适合于燃气轮机电厂或燃气轮机热电厂 2 4几种常见的BCHP系统形式 5 内燃发电机 余热利用型直燃机 内燃机基于柴油发电机技术 燃料和空气进入气缸混合压缩燃烧并做功 推动活塞运动 通过联杆机构 驱动发电机发电 排气 缸套冷却水的余热由余热利用型冷温水机产生制冷 采暖 卫生热水 特点 1 余热中高温排气量较小且含氧量低 不能再燃利用 2 制冷 采暖 卫生热水 电力几种形式的负荷容量搭配比较灵活 3 系统组合简便 适合于现有内燃机电站或现有直燃机的基础上进行改造 4 可以用于该系统的制冷机有 热水机 排气制热单效 双效制冷机 2 5BCHP国内外工程应用介绍 目前以小型燃气轮机 微型燃气轮机 燃气内燃机为核心的BCHP系统已在北京 上海等地的多个工程项目中得到应用 如 黄浦中心医院闵行区中心医院浦东机场北京燃气集团控制中心大楼中国科技促进大厦北京安定门303 大厦华北电力大学8 000平方米建筑分布式热电冷联产小型燃气轮机适用于10 000平米以上的大型建筑 可选用气体或液体燃料 微燃机适用于2 000 10 000平米的中小型建筑 可选用气体或液体燃料 燃气内燃机提供多种系列产品 发电效率高 热电比低 只能选用气体燃料 马里兰大学BCHP项目 马里兰大学综合楼 2000年10月 美国能源部能源资源分配办公室 马里兰大学 橡树岭国家实验室的专家学者一行23人考察了远大空调有限公司开发的BCHP系统装置 并签署 双方合作谅解备忘录 根据 备忘录 精神 马里兰大学向远大空调购置一套制冷量为23USRt和发电量为75kW的BCHP系统 以提供学院楼宇冷热电负荷需求和科研使用 马里兰大学BCHP项目 BCHP系统简图 马里兰大学BCHP项目 BCHP系统运行照片 美国国防部PAFC示范工程介绍 美国国防部在1994到1997年之间先后建造了30个PAFC的示范性工程项目 称之为U S DoD sPAFCDemonstrationProgram 这样一个大型项目的目标主要在于三个方面 演示并评价FC在实际工程应用中的能力 激励燃料电池工业的发展 确定FC在美国国防部长远的能源战略中所起的作用 美国国防部PAFC示范工程背景 1993年美国国会拨款 1 800万 以推动国防部的PAFC示范工程项目 1994年又追加拨款 1 875