浅谈新一代能源系统的发展

浅谈新一代能源系统的发展

鉴于大型能源厂、大型能源厂和大型能源厂的集中供电，第一代能源系统由于缺乏综合能源利用，导致了室温反应、酸雨等问题，并给中国当前的能源总量不足和环境问题带来了双重压力。以分布式能源系统为特征的第二代能源系统具有燃料多元化、冷热电联产化、网络智能信息化和高环保水平等优点,符合我国改善能源结构,提高资源利用率,降低环境污染,实现经济和环境协调发展的要求。一、分布能源系统1.余热吸收式制冷机分布式能源系统是一种建立在能量梯级利用基础上,利用热工设备产生的高品位的蒸气/燃气带动发电机发电或利用燃料电池技术供电,同时冬季利用热工设备抽气或排气向用户供热,夏季利用余热吸收式制冷机向用户供冷及全年提供卫生热水或其它用途热能的一体化多联产或者分产系统。它可以分布在工业园区、社区、学校和医院等终端用户附近,容量在几千瓦到50兆瓦之间,提供电能、热能和冷能,是一种先进的能源利用系统。从上世纪70年代出现以来,其能源供应高质量和高可靠性以及电热冷负荷需求的逐步普遍化逐渐引起了人们的关注。美国能源部发布了分布式能源资源策略规划,计划到2010年该技术在新增发电容量中达到20%。西欧、北欧、东南亚等国家和地区也在推广应用该技术。2.能源利用效率好(1)减少了输配电设备的投资和电网的输送损失;(2)供电可靠性高;(3)环保性能好;(4)提高了能源利用率,实现了能源的综合梯级利用;(5)具有很强的灵活性和适应性,设备小、占地面积和初投资少,建设周期短,运行、安装、维护方便;(6)为可再生能源提供了应用舞台。3.发展非碳经济和能源技术根据燃料类型不同,主要分为以下几种。(1)利用常规矿物燃料的系统。燃煤锅炉/气轮机系统、活塞式内燃机系统、微型燃气轮机系统、工业燃气轮机系统、各种燃料电池系统、燃料电池与燃气轮机的混合系统等。(2)利用太阳能、风能、水能、生物质能发电等可再生能源的系统。(3)利用二次能源氢能的系统。相对于可再生能源能流密度低,分散性强,且受气候、地理条件及当前技术水平等因素限制和燃煤燃油系统污染严重,燃用天然气的分布式能源系统更具优势。二、天然气的使用形式1.空气和燃料回收系统活塞式内燃机已有一百多年的历史,是首先在分布式能源系统中应用的燃用化石燃料的动力装置,可以用柴油和天然气作为燃料,功率不超过60MW,目前制造技术成熟,产品系列比较丰富。其系统布置如图1所示。在该系统中应用的活塞式内燃机一般采用四冲程,吸入空气经过涡轮增压后进入燃烧器,以提高发动机出力。燃烧后的气体推动活塞运动从而带动发电机发电,发电效率25%～50%。冷水通过换热器与排气,水套水和润滑油进行热量交换,可回收占输入能60%～70%的热量用来供热或制冷。通过控制空气和燃料的比例,使发动机吸入混合气体中空气的比率高于传统装置,从而降低燃烧室的温度,减少了NOx、CO和碳氢化合物等的生成。当采用天然气为燃料时,可进一步减少固体颗粒排放。活塞式内燃机作为分布式能源动力装置具有使用容量范围广、启动快、部分负荷经济性好、寿命长、可靠性高、运行维护简单等特点。2.部分分散剂设计微型燃气轮机技术源于航空发动机,作为小型分布式能源系统动力装置的历史较短,但发展很快,目前很多公司如AlliedSignal、Capstone、Elliott和Bowman都在研制和生产该类型燃气轮机,单机功率25～300kW。简单的微型燃气轮机系统由涡轮机、压气机、燃烧室、回热器、发电机等部分组成,涡轮机和压气机采用径流式设计,大多数机组采用空气轴承,不需要润滑油系统。燃气轮机和发电机设计成一体,单轴布置,整台机组尺寸小,重量轻,结构紧凑(见图2)。采用进气回热后发电效率可达20%～30%,采用冷热电联产时能源利用率可达80%以上。只要空气和燃料比例控制得合适,NOx排放量可以控制在很低的水平,另外排放量还与制造水平、燃料及气候状况等有关系,优化燃烧室设计也可以减少NOx的生成。微型燃气轮机作为分布式能源系统的动力装置具有结构紧凑、占地少、噪声低、可布置在用户附近、环保性好、运行维护方便等特点。3.发电机的基本负荷工业燃气轮机从上世纪80年代初开始在发电领域应用,近年来随着其效率不断提高和国家能源结构的调整,装机容量所占比重不断提高并已开始承担基本负荷,其简单循环发电功率为1～250MW(见图3)。工业燃气轮机系统的压比最大到16∶1,简单循环发电效率25%～40%,采用联合循环可达到60%。在燃气轮机中主要通过在燃烧室加入水蒸气或控制空气和燃料的比例等手段降低燃烧温度,从而减少NOx的生成。通过采用耐高温材料和先进冷却方法提高操作温度和压比采用回热系统和采用制冷装置降低吸入空气温度等措施,都可提高燃气轮机效率。4.燃料特性分析目前燃料电池主要分为以下几种:碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸盐酸性燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲烷燃料电池(DMFC)。各类燃料电池的主要特性见表1。如图4,燃料经过燃料处理单元处理后产生富氢气体送往阳极,空气或氧气送往阴极,氢气在阳极发生电离,释放出负电子和氢离子:这些负电子通过连接阴阳极的电路流到阴极,氢离子通过电解液也被送到阴极。在阴极氧气与负电子、氢离子发生反应产生水:各种燃料电池因电解质不同使其制造成本、效率、运行温度及燃料等有一定差别,从而适用不同的场合。直接用氢作为燃料成本较高,而采用运行成本低效率高的转换装置从天然气等原料中制取富氢气体作为燃料更加经济可行。燃料电池在运行过程中产生的NOx和CO等污染物很少(因这是一个电化学过程而不是一个燃烧过程)。当前PAFC发电已经商业运行,PEM在交通运输和分布式能源系统正得到越来越多的关注。MCFC和SOFC属于高温燃料电池,与燃气轮机组成混合系统在分布式能源方面前景广阔三、以天然气为燃料的分布式能源系统特性与其他类型分布式能源系统相比,使用天然气为燃料的分布式能源系统具有以下优势。(1)符合国家能源政策,利于改善我国长期以煤炭为主的能源结构,且可提高输气管线利用率,平衡天然气季节消耗的不平衡,削峰填谷缓解电力紧张。(2)