1、1目 录相关背景1分布式燃气发电的技术原理分布式燃气发电基本概念分布式燃气发电的国内外发展情况下一阶段研究工作分布式燃气发电相关标准234562分布式能源系统相关背景u基本概念 近年来, 由于石化能源短缺, 提高能源的利用率成为各国关注的焦点。世界各国都相继拓宽电力发展模式, 给予政策支持并发展分布式能源系统。 分布式能源系统是指设置在用户处能够提供能源的生产、转换及相关服务的小型系统。它具有以下特点:就地设置的小型系统, 一般设置在住宅小区、学校、医院、商场、办公大楼和工厂里, 系统的负荷一般为1kW 100MW。采用一种能源生产其他形式的能源。采用的一次能源范围广泛, 包括石化燃料、太阳能
2、、水力和生物质能(沼气、秸秆)。一般能够同时提供冷、热和电, 具有较高的能源利用率。生产的电(热)能可以单独供用户使用, 也能够接入城市电(热)网。3分布式能源系统相关背景u以燃气为一次能源的分布式能源特点能源利用率高，经济效益巨大 燃气分布式能源系统能实现能源的梯级利用，充分利用发电余热，就地供热、供电，可减少电力与热力长距离输送的损耗，能源综合利用率在80以上，超过大型煤电发电机组一倍；同时节约电网、热力管网输送环节的投资费用，产生巨大的经济效益。大电网的有益补充，提高能源供应安全性 燃气输送不易受气候影响，可以就地储存（LNG、CNG、地上或地下储气库），城市或区域配有一定规模燃气分布式
3、能源供电系统，自主发电能力提高，较单纯依赖大电网供电系统具有更高的安全性。如2008年南方冰雪灾害直接经济损失1516.5亿元，大部分是电网瘫痪造成。适度的发展燃气分布式电源可提高地区能源供应安全性。4分布式能源系统相关背景u以燃气为一次能源的分布式能源特点降低燃气以及电网调峰压力，能源优势互补 燃气分布式能源项目可成为可中断、可调节的发电系统，对燃气和电力具有双重“削峰填谷”作用。有效地缓解燃气冬夏季峰谷差，提高夏季燃气设施的利用效率，增强供气系统安全性。同时减少电力设备的峰值装机容量以及燃气储气设施的投资，有效降低电网以及燃气管网的运行成本。环境保护效益 采用燃气为一次能源的分布式能源系统
4、，可大幅度减少二氧化碳等污染物排放。”十二五规划”预计的天然气分布式能源装机5000万千瓦，相当于可以减少1亿千瓦燃煤装机，相当于减少消耗2亿吨煤炭，减排4亿吨二氧化碳。5国家对分布式能源政策相关背景u燃气分布式能源政策 2011年10月9日，国家发改委、财政部、住房城乡建设部、国家能源局联合发布天然气分布式能源指导意见，提出： 天然气分布式能源在我国已具备大规模发展的条件，将以提高能源综合利用效率为首要目标，以实现节能减排任务为工作抓手，重点在能源负荷中心建设区域分布式能源系统和楼宇分布式能源系统。包括城市工业园、旅游集中服务区、生态园区、大型商业设施等，在条件具备的地方结合太阳能、风能、地
5、源热泵等再生能源进行综合利用。6国家对分布式能源政策相关背景u未来10年规划 “十二五”初期启动一批天然气分布式能源示范项目，“十二五”期间建设1000 个左右天然气分布式能源项目，并拟建设10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。未来10年内在分布式能源装备核心能力和产品研制应用方面取得实质性突破。初步形成具有自主知识产权的分布式能源装备产业体系。 2015 年前完成天然气分布式能源主要装备研制。通过示范工程应用，当装机规模达到500万千瓦，解决分布式能源系统集成，装备自主化率达到60%；当装机规模达到1000万千瓦，基本解决中小型、微型燃气轮机等核心装备自主制造，装备自主化率达到90%。
6、到2020年，在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统，装机规模达到5000万千瓦，初步实现分布式能源装备产业化。7目 录相关背景1分布式燃气发电的技术原理分布式燃气发电基本概念分布式燃气发电的国内外发展情况下一阶段研究工作分布式燃气发电相关标准2345689燃气发电概述分布式燃气发电基本概念 燃气发电是指以燃气作为一次能源，驱动各种发动机做功，最终产生电能的一种发电方式。燃气发电能够作为最稳定的分布式供能方式，优秀的冷热电三联供发电系统能够把燃气发电的有效率提高到95%以上。 燃气发电所需的可燃气体主要包括：天然气：从地层中开采，以甲烷为主。天然气热值约850010000千卡/立方米，是最主
7、要、也是最清洁高能的燃气发电燃料。沼气：是碳水化物在微生物的作用下产生的，其可燃成分包括甲烷、硫化氢、一氧化碳等气体，热值约5000千卡/立方米。煤气：又叫瓦斯，来源较多，包括焦炉煤气、炉煤气、水煤气等，其成分主要为一氧化碳以及甲烷、氢气等气体，热值约3500千卡/立方米。秸秆气：以空气为气化剂对秸秆进行气化产生的可燃气体，其主要成分为氮气、一氧化碳、氢气以及少量甲烷等气体。由于氮气含量较高，其热值较低，约1400千卡/立方米。10燃气发电的类型分布式燃气发电基本概念u燃气发电机组 燃气发电机组是发动机利用可燃气体作为燃料，将燃料燃烧产生的热能转化为动能，带动发电机旋转并产生电能的装置。它由燃
8、气发动机、发电机和控制系统（控制屏）三部分组成，它是一种由燃料内能发动机动能（与发动机飞轮端轴联的旋转磁极式发电机转子动能）发电机定子电能的转换装置。 作为动力部分的发动机是燃气发电机组的核心部分，目前主要的发动机设备有：燃气轮机、微型燃气轮机、燃气内燃机、燃气外燃机等。 发电机一般采用同步发电机或永磁高速同步发电机。11燃气发电的类型分布式燃气发电基本概念u燃料电池 燃料电池是一种主要透过氧或其他氧化剂进行氧化还原反应，把燃料中的化学能转换成电能的电池。而最常见的燃料为氢气，一些碳氢化合物例如天然气亦常作燃料使用。燃料电池有别于原电池，因为需要穏定的氧和燃料来源，以确保其运作供电。此电池可以
9、提供不间断的稳定电力，直至燃料耗尽。 燃料电池是以特殊催化剂使燃料与氧发生反应产生二氧化碳和水，因不需推动涡轮等发电设备，也不需将水加热至水蒸气再经散热变回水，所以能量转换效率高达70%左右，比一般发电方法高出30%以上；而且燃料电池的二氧化碳排放量比一般发电方式低许多，水又是无害的产生物，因而是一种低污染性的能源。12燃气发电的类型分布式燃气发电基本概念u燃料电池 燃料电池是一种主要透过氧或其他氧化剂进行氧化还原反应，把燃料中的化学能转换成电能的电池。而最常见的燃料为氢气，一些碳氢化合物例如天然气亦常作燃料使用。燃料电池有别于原电池，因为需要穏定的氧和燃料来源，以确保其运作供电。此电池可以提
10、供不间断的稳定电力，直至燃料耗尽。 燃料电池是以特殊催化剂使燃料与氧发生反应产生二氧化碳和水，因不需推动涡轮等发电设备，也不需将水加热至水蒸气再经散热变回水，所以能量转换效率高达70%左右，比一般发电方法高出30%以上；而且燃料电池的二氧化碳排放量比一般发电方式低许多，水又是无害的产生物，因而是一种低污染性的能源。13分布式燃气发电的优缺点分布式燃气发电基本概念u技术和经济优势分布式燃气发电占地小，一般的楼宇建筑内或地下室均可。分布式燃气发电一般由各单位筹建，因为工程小，造价不高，建设资金自筹易解决，政府只要出台支持发展的政策，其他如资金、设备和管理等问题都会自行解决。分布式燃气发电实现了自备
11、电源，减小了大电网的供电压力。发电、输电、配电的基建投资大量减少。而且由于是就地转换、就地供应，没有中间环节的损耗，其用户端能源利用效率大大提高，节约了资源。分布式燃气发电的发电成比电网的售电价低，因而有明显的经济效益。小型燃气轮机、微型燃气轮机、燃气外燃机和燃气内燃机污染排放低，环保效益好。14分布式燃气发电的优缺点分布式燃气发电基本概念u不足之处机组容量小，单位能耗高，单位千瓦造价高。分布式燃气发电系统麻雀虽小、五脏俱全，专业性较强，而筹建单位往往是“门外汉”，运行、维护较困难。夜间低负荷时分布式燃气发电系统如何运行，如何实现全年生活热水供应等问题还需深入思考；对于实施峰谷电价的地区，经济
12、性还需详细计算。15分布式燃气发电的联合供能分布式燃气发电基本概念 目前分布式燃气发电最高效的供能方式为冷热电三联供（CCHP)，它是传统热电联产（CHP）的一种进化和发展，它以机组更加小型化、分散化的形式布置在用户附近，以能量的梯级利用为基础，同时向用户输出冷、热、电能，使能量达到更高的利用率。它从二十世纪八十年代开始兴起发展，到现在已经成为一种技术成熟的能源供应方式。 据美国对商用楼宇终端能源的消费统计，采暖用能占22%，热水供应占7%，制冷空调用能占18%；普通热电联产只能解决建筑29%的用能及提供电力供应，而冷热电三联供可以提供47%的用能及电力。因此冷热电三联供被视为21世纪最具经济
13、潜力的组合方式。同时，天然气作为一种清洁、高效的能源，是我国政府推动能源优质化的重点领域。西气东输工程的竣工标志着中国天然气时代的开始，为燃气冷热电三联供提供了资源基础。16目 录相关背景1分布式燃气发电的技术原理分布式燃气发电基本概念分布式燃气发电的国内外发展情况下一阶段研究工作分布式燃气发电相关标准2345617国内相关标准分布式燃气发电相关标准JB/T 9583.11999气体燃料发电机组通用技术条件 该标准规定了气体燃料发电机组的技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装及贮运等要求。适用于0.5800kW燃烧天然气、煤气、沼气等气体及其与柴油混合燃烧的内燃机驱动交流工频发电机的发电机组
14、。JB/T 10629-2006 燃气机通用技术条件和试验方法 该标准规定了燃气机的技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装及贮运。适用于燃用各种气体燃料的非道路用往复活塞式内燃机的设计、制造和验收。GB/T 1147.1-2007 中小功率内燃机 第1部分：通用技术条件 该标准规定了中小功率内燃机的性能要求、试验方法、检验规则、标志、包装及贮运等。适用于道路车辆、船舶、农用拖拉机、林业机械、工程机械、发电机组、排灌机械用中小功率内燃机，其他未被列入的中小功率内燃机可参照执行。18国内相关标准分布式燃气发电相关标准GB/T 2820 往复式内燃机驱动的交流发电机组 该标准对由往复式内燃（RIC
15、）发动机、交流发电机、控制装置、开关装置和辅助设备组成的发电机组的用途、性能、技术条件和设计、试验方法、安全装置等各方面进行了规定。适用于由陆用和船用RIC发动机驱动的交流发电机组，不适用于航空或驱动陆上车辆和机车的发电机组。对于某些特殊用途（例如必要的医院供电、高层建筑等等）和其他型式的往复式原动机（例如沼气发动机、蒸汽发动机），以该标准规定作为基础。GB/T 15548-2008 往复式内燃机驱动的三相同步发电机通用技术条件 该标准规定了往复式内燃机驱动的三相同步发电机的型式、基本参数与尺寸、技术要求、检验规则、试验方法以及标志、包装和质量保证期。适用于往复式内燃机驱动的三相同步发电机。1
16、9国内相关标准分布式燃气发电相关标准JB/T 5884-1991 燃气轮机控制与保护系统 该标准规定了燃气轮机控制与保护系统的基本要求和选用依据。适用于发电和工业驱动用的开式、闭式和半闭式循环的燃气轮机控制与保护。JB/T 7822-1995 燃气轮机电气设备通用技术条件 该标准规定了与燃气轮机配套使用的电气设备(除控制设备外)的通用技术条件。适用于发电用燃气轮机装置，对于机械驱动用燃气轮机装置亦可参照采用。CJJ 145-2010 燃气冷热电三联供工程技术规程该规程为行业标准，适用于以燃气为一次能源，发电机总容量小于或等于15MW，新建、改建、扩建的供应冷、热、电能的分布式能源系统的设计、施
17、工、验收和运行管理。20国外相关标准分布式燃气发电相关标准 与燃气轮机与内燃机相关的国外标准较多，包括美国、英国、法国、德国、日本等国家都有各自的相关标准，相应的国际标准也较多。比较重要的国外标准包括：ISO-3977 燃气轮机系列标准IEC60034-2009 往复式内燃机系列标准ANSI B133 燃气轮机系列标准，包括燃气轮机的控制和保护系统、电气设备、同步发电机等ASME PTC17 往复式内燃机DIN 4342 燃气轮机-标准参考条件、标准功率、性能数据21目 录相关背景1分布式燃气发电的技术原理分布式燃气发电基本概念分布式燃气发电的国内外发展情况下一阶段研究工作分布式燃气发电相关标
18、准2345622燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理 发电机和燃气轮机连轴，高温燃气推动涡轮旋转做功带动发电机旋转，从而产生电力。发电机和燃气轮机有两种连接方式：一种是直接连接，即单轴系统，发电机采用永磁高速同步发电机；另一种通过减速齿轮连接，即分轴系统，发电机采用普通的同步发电机。u燃气轮机发电原理23燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理 右图表示了燃气轮机的简单工作过程：空气从空气入口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见浅蓝色箭头线；燃料在燃烧室燃烧，产生高温高压空气，高温高压空气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气体从排气口排出，其流向见红色箭头线。u燃气轮机结构24
19、燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理 燃气轮机的发电效率能达到30%，热效率达到40%，综合效率超过70%。燃气轮机利用压气机进气导叶的开度来调节空气进气量，调节的范围为70%100%。当负荷小于70%的时候，只能通过控制燃气供给量来控制燃气轮机的出力。所以燃气轮机低负荷运行时，发电效率大幅度下降，带50%负荷时发电效率将下降68%左右、热效率下降1015%，故燃气轮机不适宜于带部分负荷运行。 燃气轮机的起动时间较短，大型的燃气轮机起动时间一般不超过1小时，最快的微型燃气轮机，从起动到带满负荷不超过2分钟。燃气轮机对于燃料的适应性比较强，能够使用各种高含氢低热值和气体含杂质较多的劣质燃料，含硫
20、、含尘高一点问题都不大；且发电出力一般不会减少，甚至因为燃料进气量增加而有所增加；此外，燃气轮机功率密度大体积小，比较适合再移动，便于转移运行现场。u燃气轮机运行特性25燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理u适用于分布式燃气发电的燃气轮机小型燃气轮机 主要指额定功率在300kW-15MW的采用涡流式技术的燃气轮机。其特点是坚固可靠，应用极为广泛。可以作为固定电源或移动电源，可用于热电联产，也可与余热溴化锂机组组成热电冷联合循环系统，还可以直接提供工业动力或组合成动力热力联合循环，以及应用于交通动力设备等等。 小型燃气轮机极为适合于工业和大型建筑的自备热电设施，可作为工厂的热电设施，当用电大用热
21、少时，可以采用燃气轮机-背压机同轴联合循环；当用电小用热大时，可以采用余热锅炉补燃技术，能够适应各种需求变化。目前的小型燃气轮发电机组大修周期在3-4万小时，运行稳定可靠。调峰能力强，机组能够自动跟踪频率，实现并网和离网（自备电源）运行，燃机转速高达10000转/分，电力品质甚至能超过普通中、低压配电网。26燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理微型燃气轮机 主要指25-300kW采用轴流技术的燃气轮机。基本原理是通过一个精密铸造的叶轮和永磁发电机转子连接的转子的高速旋转，叶轮一侧 为压缩机，另一侧为燃烧室和动力叶片，来带动发电机发电。转子的速度为每分钟6-15万转，为了减少阻力，转子是浮在空气
22、轴衬上运行。 与传统的燃气轮机结构的区别在于采用了空气轴承和向心式透平以及离心式压气机。27燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理 微型燃气轮机的发电原理和传统的燃气轮机相似，只是多了一个回热循环。 回热循环的热交换器为选装设备，回热循环发电效率为25-28%，排烟温度300以下，热电综合效率75%左右。不使用回热器发电效率14-16%左右，排烟温度在600以上，热电综合效率85%。微型燃气轮机结构简单，由于采用空气轴承，整套系统只有一个运动部件，连续运行可靠率高达99.99%，平均每年的停机检修时间不超过2小时。整机由空气冷却，不需要润滑系统和冷却剂，保养间隔长，维护成本低。其使用寿命达到20
23、年。微型燃气轮机28燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理u燃气内燃机 内燃机一般是指活塞式内燃机，包括往复活塞式内燃机和旋转活塞式内燃机，其中往复活塞式内燃机最为普遍。根据所用燃料的不同，内燃机主要有汽油机、柴油机、燃气机、乙醇发动机等。 燃气内燃机主要使用天然气、液化石油气、煤气等可燃气体作为燃料。 燃气内燃机发电原理和燃气轮机相似，燃气经管道送入燃气内燃发电机组，进行燃烧做功带动同步发电机发电，产生的废气经热量回收、质量控制设施通过烟囱排入大气。29燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理u燃气内燃机工作原理 燃气内燃机一般采用往复活塞式内燃机。一般包含5大系统结构：燃气供给系统、润滑系统、冷
24、却系统、点火系统、起动系统。30燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理u燃气内燃机与燃气轮机的比较燃气内燃机与燃气轮机相比，其规格更齐全，市场上从几千瓦到数十兆瓦都有销售，同等规格的内燃机比燃气轮机便宜。燃气内燃发电机组的发电效率比燃气轮发电机组更高，发电效率能达到40%，热效率40%，综合效率超过80%。燃气内燃发电机组启动快，在突然停电的情况下，启动机组只需要很少的辅助电力，通常只要蓄电池就足够了。内燃机的部分负荷运行性能较燃气轮机好，当燃气内燃发电机组在50%负荷下运行时，其综合效率只比满负荷运行时低5-8%。但是内燃机燃烧低热值燃料时，机组出力明显下降，一台燃烧低热值8000大卡/立方米
25、天然气燃料的500千瓦级燃气内燃发电机组，在使用低热值4000大卡/立方米的焦化煤气时，出力可能下降到350400kW左右。31燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理u燃气内燃机与燃气轮机的比较内燃机需要频繁更换机油和火花塞，消耗材料比较大，也影响到设备的可用性和可靠性两个主要设备利用指标，对设备利用率影响比较大，有时不得不采取增加发电机组台数的办法，来消除利用率低的影响。内燃机对燃气清洁度要求比燃气轮机高，对燃气中的水分子含量和硫化氢等比较敏感，可能导致硫化氢和水形成硫酸腐蚀问题，需要对燃气进行清洁过滤。32燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理u燃气外燃机 燃气外燃机，又称斯特林机、热气机，是
26、一种闭式循环往复活塞式外燃机。 外燃机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。与内燃机不同的是：它的工作气体是封闭在机器内的，并在各腔室间循环，反复使用。在外然机封闭的气缸内充有一定容积的工质（氢气或氦气），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，膨胀作功。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。 斯特林机一般由燃烧系统、热端部件（加热器，回热器）、冷端部件（冷却器，冷却系统）、传动系统及辅助系统组成。33燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理u燃气外燃机的特点燃料的多样性：可以使用各种燃料，包括液态、气
27、态或固态燃料。因为燃烧过程连续，而且是在缸外接近于大气压力的状态下进行，所以对燃料品质要求不高。同时，斯特林机也可用来回收各种分散或低品位的热能。发电效率较高：实际燃气外然发电机组的发电效率一般为25%35%，最高可达到47%，在部分负荷下斯特林机仍可达35%的发电效率。但是热效率不高，热量损失是内燃机的2-3倍。外燃机一般功率较小，从几百瓦到数十千瓦不等。排气污染少，噪音低：外燃机的燃烧过程是连续的，空气燃烧比变化对效率影响很小，而对功率几乎没有影响，发动机可以在足够的过量空气下运转。外燃机气缸内压力是按照正弦规律变化的，机内工质压力变化平缓，因而不会产生燃烧爆炸和排气波。另外，外然机没有气
28、阀机构且运转平衡，因而没有气阀的冲击和活塞的敲缸声等，噪音一般比内燃机低15-20dB。34燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理u燃气外燃机的特点运转特性好：外然机气缸中的压力变化平稳，最大和最小压力之比一般为2.0左右，因此扭矩均匀，运转平稳。转速变化范围大，最大与最小转速的比值一般为810（内燃机为35）。外然机的超负荷能力很大，能在超过额定负荷50%的情况下正常运转，而内燃机只能超载15%。外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，因此非常适合于高海拔地区使用。工艺有待改进，尚未大量使用：外燃机虽然零件数比内燃机少40%左右，且润滑系统与大气隔绝不受燃烧产物污染、润滑油消耗量很少；但
29、是，外燃机的结构比较复杂，制造工艺要求高，制造成本较高，工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题，功率调节控制系统较复杂，机器较为笨重。因此其推广应用受到一定限制。35燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理u燃料电池的发电原理 燃料电池是把化学能直接转化为电能的装置，由阴极、阳极、电解质几个基本单元构成。燃料（氢气、天然气等）在阳极催化剂的作用下发生氧化反应，生成阳离子并给出自由电子；氧化物（通常为氧气）在阴极催化剂的作用下发生还原反应，得到电子并产生阴离子；阳极产生的阳离子或者阴极产生的阴离子通过质子导电而电子绝缘的电解质运动到相对应的另外一个电极上，生成反应产物并随未反应完全的反应物
30、一起排到电池外，与此同时，电子通过外电路由阳极运动到阴极，使整个反应过程达到物质的平衡与电荷的平衡，外部用电器就获得了燃料电池所提供的电能。阳极阴极电 解 质阳 离 子阴 离 子燃 料氧 化 剂产 出 气 体产 出 气 体负 载e36燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理u燃料电池的类型 依据电解质不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸 型 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）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。其中属于碱性燃料电池的只有AFC一种，而其余的燃料电池均属于酸性燃料电池。简称燃料电池类型电解质工作温度（）电化
31、学效率燃料、氧化剂功率输出AFC碱性碱性燃料电池燃料电池氢氧化钾溶液氢氧化钾溶液室温室温-9060-70%氢气、氧氢气、氧气气300W-5KWPEMFC质子交换膜质子交换膜燃料电池燃料电池质子交换膜质子交换膜室温室温-8040-60%氢气、氧氢气、氧气（或空气（或空气）气）1KWPAFC磷酸磷酸燃料电池燃料电池磷酸磷酸160-22055%天然气、天然气、沼气、双沼气、双氧水、空氧水、空气气200KWMCFC熔融碳酸盐熔融碳酸盐燃料电池燃料电池碱金属碳酸盐碱金属碳酸盐熔融混合物熔融混合物620-66065%天然气、天然气、沼气、煤沼气、煤气、双氧气、双氧水、空气水、空气2MW-10MWSOFC固
32、体氧化物固体氧化物燃料电池燃料电池氧离子氧离子导电陶瓷导电陶瓷800-100060-65%天然气、天然气、沼气、煤沼气、煤气、双氧气、双氧水、空气水、空气100KW37燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理u燃料电池的特点能量转化效率高：直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。电能转换效率最高能达到70%。有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低：CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。燃料适用范围广：氢气、天然气、沼气、煤气等。积木化强：规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为
33、集中电站还是分布式发电都非常合适。38燃气发电原理分布式燃气发电的技术原理u燃料电池的特点负荷响应快，运行质量高：燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。实际应用存在瓶颈：燃料电池造价偏高；起动速度尚不及内燃机引擎；氢化合物燃料均需经过转化器、一氧化碳氧化器处理产生纯氢气后，方可供现今的燃料电池利用，这些设备亦增加燃料电池系统之投资额；目前的氢气储存技术需消耗大量的电能，尚需改进。39燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理u燃气-蒸汽联合循环 以燃气轮机循环为前
34、置循环、以蒸汽轮机循环为后置循环所组成的一个整体的热力循环，统称为“燃气-蒸汽联合循环”，简称为“联合循环”。联合循环能够合理地梯级利用能源，具有提高机组效率、同时增大其功率的功能，它是当今能源利用方式中比较先进的技术。 循环发电机组的工作原理是：经过加热后的燃气进入燃气轮机的燃烧室，与压气机压入的高压空气混合燃烧，产生高温高压气流推动燃气轮机旋转做功。从燃气轮机排出的气体温度高达600摄氏度，进入余热锅炉将水加热成高温高压蒸汽，高温高压蒸汽推动蒸汽轮机旋转做功。燃气轮机和蒸汽轮机同时旋转将内能转换成机械能带动同步发电机旋转产生电能。40燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理u燃气-蒸汽联合
35、循环 燃气轮机、蒸汽轮机、发电机的转轴相互连接同轴旋转的，称为单轴系统；燃气轮机带动一台发电机、蒸汽轮机带动一台发电机，各自一个轴系，称为多轴系统。 对于30万千瓦以上的大型联合循环发电机组，一般采用单轴系统。41燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理u燃气-蒸汽联合循环 20万千瓦以下的联合循环发电机组一般采用多轴系统。在分布式燃气发电中，小型燃气轮机和小型蒸汽轮机组成的循环发电机组一般都是采用多轴系统。42燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理u燃气-蒸汽联合循环发电机组的特点有较高的热效率：联合循环发电机组发电效率可以达到45%50%，一些大型机组甚至可以超过55。在同等功率条件下效
36、率要比蒸汽轮发电机组高出15%以上。环保性能好，对环境的污染少：联合循环发电机组CO、NOx排放少，没有灰渣、无需灰渣排放。 投资省：目前每千瓦的投资费用仅为蒸汽轮发电机组的一半左右。 建设周期短：可以分阶段建设，首先建设燃气轮机发电，再建联合循环发电，从而使资金利用最大效率化。占地少、用水少：占地面积小，适合在城市里建设，用水量一般仅常规蒸汽轮发电机组的三分之一左右。 运行方式灵活：大型机组可用于调峰运行；小型机组应用于分布式发电时，可作为孤网运行的主电源，运行可靠，供电质量高。43燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理u冷热电三联供系统 冷热电三联供系统是在传统的热电联产基础上发展起来的
37、，它是一种根据能量品位进行梯级利用的综合产、用能的先进的分布式能源系统。系统安装于最终用户端附近，首先利用一次能源驱动各种发动机发电，再通过各种余热利用设备（吸收式制冷机、吸附式制冷机、余热锅炉、干燥除湿设备、换热器等）对余热进行回收利用，同时向用户提供电力、制冷、采暖、生活热水等，综合用能效率可达90%以上。44燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理u冷热电三联供系统 冷热电三联供系统节省能源，与常规供能相比节能率超过30%；排放量小、低碳环保；经济性好，由于系统靠近用户端，减少冷热电的输送损失及管网不平衡损失，提高用能的利用效率，目前天然气三联供系统一般710年左右即可收回投资；燃气三联
38、供系统可以有效地缓解天然气冬夏季峰谷差，提高燃气设施的利用效率，同时减少电力设备的峰值装机容量。 按照供应范围三联供系统可以分为区域型和楼宇型两种： 区域型-系统主要是针对各种工业、商业或科技园区等较大的区域，设备一般采用容量较大的机组，还要考虑冷热电供应的外网设备，往往是需要建设独立的能源供应中心； 楼宇型-主要是针对具有特定功能的建筑物，如写字楼、商厦、医院及某些综合性建筑所建设的冷热电供应系统，一般仅需容量较小的机组，机房往往布置在建筑物内部，不需考虑外网建设。45燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理u三联供的系统组成 该系统最核心的两个设备是：热电转换装置和热冷转换装置。热电转换装
39、置包括前述的小型燃气轮发电机组、微型燃气轮发电机组、燃气内燃发电机组、斯特林机发电机组、小型燃气-蒸汽联合循环发电机组以及燃料电池；热冷转换装置包括吸收式制冷机和吸附式制冷机。 余热锅炉等换热设备动力设备热 驱 动制冷机组电 驱 动制冷机组燃料电控设备公共电网电负荷需求冷负荷需求热负荷需求余热回收系统用电设备46燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理 用于冷热电三联产的吸收式制冷机常用的吸收剂为溴化锂、制冷剂为水。 吸收式制冷机通过消耗热能将液体蒸发来持续不断的制冷，其特点是：可以利用各种热能（蒸气、废热、余热、燃油、燃气等）驱动；可以大量节约用电；结构简单，运动部件少，安全可靠；对环境和大
40、气臭氧层无害。溴化锂吸收式制冷机一般只能制取0摄氏度以上的冷水，因而多用于空调系统；它还可以作为热泵，回收废热水的热量，制取高温水，用于采暖等场合。根据热能来源的不同，溴化锂吸收式制冷机可分为热水型、蒸汽型、烟气型、补燃型、直燃型等。吸收式制冷机47燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理 吸附式制冷属于间歇制冷，吸附器处于吸附过程中产生冷效应，吸附结束后必须有一个解析过程使吸附剂状态还原，这时将停止制冷。 吸附式制冷系统与吸收式制冷系统相比较，其适用的热源温区范围较大，没有制冷剂的结晶和腐蚀问题，可用于空调、制冰以及热泵等一些余热可资利用场合。但是吸附式制冷的出力较小，循环周期较长，实用化受
41、到了一定的限制。 目前在冷热电三联供系统中，一般采用吸收式制冷机。吸附式制冷机 吸附式制冷机的制冷原理是：一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用。吸附能力随吸附温度的不同而不同。周期性地冷却和加热吸附剂，使之交替吸附和解析。解析时，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体；吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用。48燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理u三联供系统结构 小型燃气轮机驱动的三联供系统一般有两种形式，一种采用余热锅炉，适用于2兆瓦以上机组；另一种直接利用燃气轮机排出的烟气，适用于2兆瓦以下的机组。小型燃气轮机驱动的三联供系统蒸汽型吸收式制冷机供热供冷透平燃烧室 燃料发电机 供电压气
42、机 空气 （蒸汽或热水）排气余热锅炉燃料燃气轮机排气49燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理 微型燃气轮机驱动的三联供系统非常适合安装于楼宇场合。 微型燃气轮机驱动的三联供系统其余热回收形态 一 般 为 2 5 0 -650烟气。微型燃气轮机驱动的三联供系统50燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理 小型燃气-蒸汽联合循环系统驱动的三联供系统适用于5兆瓦以上机组，能够为较大的区域提供制冷和供热。燃气-蒸汽联合循环系统驱动的三联供系统 余热锅炉排气空气 燃料燃气轮机排气燃烧室 压气机 透平燃料发电机 蒸汽型吸收式制冷机换热器供热供冷汽轮机 发电机 供电供电51燃气发电联供技术分布式燃气发电
43、的技术原理 燃气内燃机驱动的三联供系统其余热回收形态包括400-600烟气以及80-100套缸水。燃气内燃机驱动的三联供系统燃料供热供电烟气型吸收式冷热水机组供冷发电机 排气供热缸套水循环回路换热器内燃机 内燃机排气燃料52燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理 斯特林机的功率一般较小，一般采用热电联供型式，制冷由直燃机单独完成。 未来随着小型余热型固体吸附式制冷技术的成熟，斯特林机与吸附式制冷机的组合在三联供系统的应用值得期待。燃气外燃机驱动的三联供系统53燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理 以高温熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）为例，其排气温度为650，燃料电池的高温排气经过吸收式制
44、冷机组放出热量，温度降为300，再通入换热器中预热锅炉给水，使得锅炉给水温度由25升至100。换热器排气温度约为150，用于供热。系统发电效率超过40%，余热回收效率约为45%，总效率超过85%。燃料电池驱动的三联供系统54燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理u各三联供系统的比较燃气内燃机系统的启动时间短, 当遇到紧急情况时能够迅速启动, 保证能源的正常供应, 同时燃气内燃机与燃气轮机相比具有更好的部分负荷特性, 其余热利用效率随着负荷率的降低有上升趋势，是非常优秀的三联供系统发动机；燃气轮机系统的NOx排放量很小,比内燃机具有更好的环境效益，但是发电效率不如内燃机, 适用于商业、办公等对
45、环境、空间要求高的区域；斯特林机系统高效、低噪声、低污染，但出力较低、工艺复杂、成本较高，实用性有待进一步提高；燃料电池系统环境效益最好, 但是由于相同功率的燃料电池造价是普通内燃机的5倍, 它的应用目前受到很大限制。55燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理u三联供系统的并网 根据燃气冷热电三联供工程技术规程的规定，燃气冷热电三联供是“以热定电”为设计原则,采用“联网不上网”的并网方式。冷热电三联供电站发电量仅占规划电负荷容量的1/3 1/2为宜,供电负荷容量不足部分由外网供给。 一般并入400V或10kV公共电网。56燃气发电联供技术分布式燃气发电的技术原理u三联供系统的适合用户政府机关
46、和事业单位建筑物等设施；文化体育、医疗、教育、交通枢纽等公共建筑或设施；商场、宾馆、写字楼等商业设施；工农业企业、工业园区、经济开发区；生产过程中产生可利用余热的企业。57目 录相关背景1分布式燃气发电的技术原理分布式燃气发电基本概念分布式燃气发电的国内外发展情况下一阶段研究工作分布式燃气发电相关标准2345658国外天然气发电现状分布式燃气发电的国内外发展情况以2001年数据统计，美国的天然气发电量占电力生产总量的16.5%；俄罗斯作为天然气生产大国，发电燃料结构中，天然气的比例占了60%以上；卡塔尔、马来西亚等国天然气资源非常丰富，而煤炭和水力资源匮乏，天然气发电占电力生产总量的70%以上
47、；阿根廷、荷兰等国天然气发电的比例在40%60%；天然气发电占电力生产总量20%40%的典型国家有英国、日本、意大利等国；天然气发电占电力生产总量10%20%的典型国家有韩国、匈牙利等国。 可以看出，国外西方发达国家和天然气资源丰富的国家，天然气发电所占比例都较高。59国内天然气发电现状分布式燃气发电的国内外发展情况以2010年数据统计，我国的电力结构中，火电发电占71%（煤电68%，燃气发电2.8%），水电23%，风电3%，核电1%，剩下少量其它新能源与再生能源发电。可见我国天然气发电所占比例较低，不到3%，天然气发电还在发展阶段。2000年之前，天然气发电主要应用在靠近天然气源头的地区以及
48、依靠进口液化天然的广东、福建地区，发电容量小，投资规模不大，也没有形成一定的商业运作模式。2002年以后，随着西气东输工程的实施，天然气发电量迅速增加，按规划，西气东输的天然气60%，进口天然气的40%用于发电，预计到2020年，天然气发电占全国发电量比例将会提高到6.7%。60国外三联产现状分布式燃气发电的国内外发展情况 美国是热电冷联产技术的积极倡导者。按美国能源部制订的总体商用建筑冷热电联供规划：2010年,20%的新建商用写字楼类建筑使用CCHP，5%的现有商用写字楼类建筑使用CCHP;25%的美国能源部CHP(热电联产)项目使用CCHP。到2020年,将要有50%的新建商用写字楼建筑
49、使用CCHP，15%的现有商用写字楼类建筑采用CCHP。 美国已有6000多座分布式能源站，占总装机容量7.8%，以天然气热电联供和冷热电联供为主,到2020年，三联供系统装机容量将占到总装机容量的29%。u美国61国外三联产现状分布式燃气发电的国内外发展情况 在欧洲,热电冷联产技术的发展也日益受到重视,特别是在20世纪80年代后,发展比较迅速。 特别是丹麦，从90年代开始新建电厂全部为热电/冷热电联产，到2000年时包括丹麦、芬兰和荷兰等国冷热电三联供的发电量都已超过该国总发电量的50%，澳大利亚、德国、葡萄牙和意大利等国冷热电三联供也都有较大的比例。 在当前的能源市场上，冷热电三联供电力供
50、应占整个欧洲电力生产的20%左右。欧洲各国都建立了许多冷热电三联供厂，规模从几千瓦到500兆瓦不等，从个体建筑物到大规模的地区供热方案都有冷热电三联供的应用。u欧洲62国外三联产现状分布式燃气发电的国内外发展情况 日本热电联产相关法令有：供热法、城市规划法、防止公害法和关于推动热电联产发展的指导标准等。政府对热电项目给予低息贷款年利率3%（一般工业为6%）和补贴。 目前日本的冷热电三联供应用已领先于欧美，截止1999年3月底，日本热电联产的总装机数量是2777台，总装机容量为4627MW，占各类机组（电力公司的电厂机组加上私有发电设备）总装机容量的2，其中，民用与商业部门1654台，装机容量共
