1、3-1 3-1 概述概述 发电系统在将燃料转化成电力的过程中产生大量热能，对于发电系统在将燃料转化成电力的过程中产生大量热能，对于电力系统中的常用电厂来说，输入燃料三分之二以上的能量电力系统中的常用电厂来说，输入燃料三分之二以上的能量被转换成热能。当传统电厂将燃料转换为电能并送达一般电被转换成热能。当传统电厂将燃料转换为电能并送达一般电力用户时，只使用了全部能源的力用户时，只使用了全部能源的30%30%。由于分布式发电由于分布式发电(DG)(DG)具有与负荷相适应的规模和位置，能够具有与负荷相适应的规模和位置，能够合理经济地回收这些热能。而终端用户只需利用自身设备内合理经济地回收这些热能。而终
2、端用户只需利用自身设备内或设备附近的一台组合式热电联产或设备附近的一台组合式热电联产(Combined heat and(Combined heat and PowerPower，简写为，简写为CHP)CHP)系统就可同时获得热能和电能。系统就可同时获得热能和电能。CHPCHP系统系统的总效率高达的总效率高达90%90%以上。以上。2022年7月26日星期二3-1 3-1 概述概述 CHPCHP系统已在能源密集工业如纸浆、造纸和石油等行业应用了系统已在能源密集工业如纸浆、造纸和石油等行业应用了100100多年，满足了这些行业对于蒸汽和电力的需求。多年，满足了这些行业对于蒸汽和电力的需求。CHP
3、CHP具有各种规模和配置形式供各种工业、商业和居民用户使具有各种规模和配置形式供各种工业、商业和居民用户使用。用。CHPCHP的发电系统甚至可与电力系统中大规模的发电设备配的发电系统甚至可与电力系统中大规模的发电设备配套使用，通常与地区发电系统互联使用。套使用，通常与地区发电系统互联使用。CHPCHP还包括非电力功率、机械功率、或者仅供内部使用的电力。还包括非电力功率、机械功率、或者仅供内部使用的电力。多数多数CHPCHP的应用是联合发电，即采用中等规模的的应用是联合发电，即采用中等规模的CHPCHP系统同时系统同时生产电力和蒸汽。生产电力和蒸汽。本章主要讨论使用分布式发电原动机发电时本章主要
4、讨论使用分布式发电原动机发电时CHPCHP的应用。的应用。2022年7月26日星期二3-1 3-1 概述概述 热电联产系统从电力生产中获得热能，用于各种目的热力需热电联产系统从电力生产中获得热能，用于各种目的热力需求，包括热水，蒸汽以及生产过程中的加热和冷却。求，包括热水，蒸汽以及生产过程中的加热和冷却。CHPCHP与分离式热电系统的效率对比示意图如图所示。一台典型与分离式热电系统的效率对比示意图如图所示。一台典型的的CHPCHP系统能将输入燃料能量的系统能将输入燃料能量的8080转换成有用的能量，其中转换成有用的能量，其中3030转换成电力，转换成电力，5050转换成热能。而传统的分离式热电
5、生转换成热能。而传统的分离式热电生产设备提供同样的热能和电能则需要产设备提供同样的热能和电能则需要160160的输入燃料。即利的输入燃料。即利用现代的用现代的CHPCHP技术能节省近技术能节省近4040的燃料。的燃料。2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 用于分布式发电的商用用于分布式发电的商用CHPCHP技术包括：柴油发动机、天然气发技术包括：柴油发动机、天然气发动机、蒸汽涡轮发动机、燃气涡轮发动机、微型涡轮发动机动机、蒸汽涡轮发动机、燃气涡轮发动机、微型涡轮发动机和磷酸燃料电池。和磷酸燃料电池。各种商用各种商用CHPCHP原动机的技术特点如表原动机的技术特点如
6、表3-13-1所示。由表所示。由表3-13-1可见，可见，CHPCHP的容量变化范围很大的容量变化范围很大从从1kW1kW的斯特林的斯特林CHPCHP系统到系统到250MW250MW的燃气涡轮发动机的燃气涡轮发动机CHPCHP。由于某些技术方面的进步，所有的。由于某些技术方面的进步，所有的CHPCHP都将具有较低的成本、较小的能量损耗，及更高的发电效都将具有较低的成本、较小的能量损耗，及更高的发电效率。率。2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 表3-1 DG/CHP技术比较性能特点柴油发动机天然气发动机燃气涡轮发动机微型涡轮发动机燃料电池斯特林发动机电能效率30%
7、50%25%45%25%40%(简单)40%60%(组合式)20%30%40%70%25%40%带部分负荷能力最佳一般差差一般容量/MW0.0550.05532000.0250.250.220.0010.1启动时间10s10s10min1h60s348h60s燃料压力/kPa34.57310830-34502757003.5310制造费用/($/kW)80015008001500700900401000.545燃料柴油天然气、沼气、丙烷天然气、沼气、丙烷、精炼油天然气、沼气、丙烷、精炼油H2、天然气、丙烷各种燃料热能利用热水、低压蒸汽、供暖热水、低压蒸汽、供暖加热、热水、低压-高压蒸汽、供暖加
8、热、热水、低压蒸汽热水、低压-高压蒸汽直接加热、热水、低压蒸汽CHP输出/(kJ/kWh)340010005000340012000400015000500370030006000CHP可用温度/80480150260260590200340603702605402022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 一、往复式发动机一、往复式发动机 CHPCHP主要应用两种类型的内燃机主要应用两种类型的内燃机 四循环火花点燃式（四循环火花点燃式（Otto cycleOtto cycle）发动机）发动机 压缩点燃式压缩点燃式(内燃机循环内燃机循环)发动机发动机 使用往复式发动机的使
9、用往复式发动机的CHPCHP系统的发电费用成本大约是系统的发电费用成本大约是800$1500$/kW800$1500$/kW，其上限费用的产生主要是由于小容量，其上限费用的产生主要是由于小容量CHPCHP系系统对所用设备的相关费用十分敏感，如燃料供应开支、发动统对所用设备的相关费用十分敏感，如燃料供应开支、发动机外壳的费用、工程造价及其他费用等。机外壳的费用、工程造价及其他费用等。1.1.热能的回收利用热能的回收利用 燃料中的能量在燃烧过程中释放出来，转换成发动机转轴的燃料中的能量在燃烧过程中释放出来，转换成发动机转轴的输出功率和热能。输出功率和热能。轴上输出功率驱动发电机工作，而释放的热量则
10、经由冷却设轴上输出功率驱动发电机工作，而释放的热量则经由冷却设备、或以废气和表面辐射的方式释放出来。备、或以废气和表面辐射的方式释放出来。2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 回收途径回收途径 发动机的排气装置发动机的排气装置 锅炉套管中的冷却箱锅炉套管中的冷却箱 润滑油冷却设备（少量）润滑油冷却设备（少量）涡轮增压器的中间冷热器和二次冷却器涡轮增压器的中间冷热器和二次冷却器 回收热中生成的蒸汽和热水主要用于房间的取暖、再加热、回收热中生成的蒸汽和热水主要用于房间的取暖、再加热、家庭用热水和吸收式制冷。家庭用热水和吸收式制冷。通过从锅炉套管的冷却水和排气装置中回收
11、热能，大约有通过从锅炉套管的冷却水和排气装置中回收热能，大约有707080%80%的燃料能量可得到有效利用。的燃料能量可得到有效利用。发动机回收的排放热能主要有两种用途发动机回收的排放热能主要有两种用途 产生产生110110左右的热水左右的热水 生成约生成约103kPa103kPa的低压蒸汽的低压蒸汽 2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 2.闭环热水冷却系统闭环热水冷却系统 从发动机中回收热量的最常用方法是应用闭环冷却系统，如从发动机中回收热量的最常用方法是应用闭环冷却系统，如图所示。图所示。这些系统通过驱动冷却剂在发动机通路和外部热交换器中循这些系统通过驱动冷
12、却剂在发动机通路和外部热交换器中循环来实现冷却。热交换器将额外的发动机热量传送至冷却塔环来实现冷却。热交换器将额外的发动机热量传送至冷却塔或散热器。闭环水冷却系统工作时的冷却剂温度为或散热器。闭环水冷却系统工作时的冷却剂温度为90120。2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 3.3.沸腾式冷却系统沸腾式冷却系统 沸腾式冷却系统是利用沸腾冷却剂的自然循环，使其流经发沸腾式冷却系统是利用沸腾冷却剂的自然循环，使其流经发动机来实现冷却。动机来实现冷却。这种方法能够保持整个冷却剂回路的温度一致，而这种一致这种方法能够保持整个冷却剂回路的温度一致，而这种一致的温度则有助于延
13、长发动机的寿命，提高燃烧过程的效率，的温度则有助于延长发动机的寿命，提高燃烧过程的效率，降低电动机内的摩擦。降低电动机内的摩擦。这种冷却方法通常还可通过废热回收装置产生低压蒸汽。将这种冷却方法通常还可通过废热回收装置产生低压蒸汽。将冷却水引入到发动机的底部，在此处传递的热能开始加热冷冷却水引入到发动机的底部，在此处传递的热能开始加热冷却剂，产生两相流动。冷却水产生的泡沫降低了冷却水的密却剂，产生两相流动。冷却水产生的泡沫降低了冷却水的密度，导致冷却水自然循环到发动机的顶部。在发动机出口处度，导致冷却水自然循环到发动机的顶部。在发动机出口处的冷却水处于饱和的蒸汽状态，限制在的冷却水处于饱和的蒸汽
14、状态，限制在120120以内，最大气压以内，最大气压为为103kPa103kPa。入口冷却水也接近饱和状态，其温度比出口温度。入口冷却水也接近饱和状态，其温度比出口温度低低2323。2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 二二、蒸汽涡轮发动机、蒸汽涡轮发动机 蒸汽涡轮技术是用途最广、最古老的原动机驱动技术之一，蒸汽涡轮技术是用途最广、最古老的原动机驱动技术之一，用于驱动发电机，或者是一些机械设备。用于驱动发电机，或者是一些机械设备。目前在美国和欧洲，蒸汽涡轮发动机广泛应用于目前在美国和欧洲，蒸汽涡轮发动机广泛应用于CHP系统中，系统中，其中蕴含了一些特殊设计以实现最
15、大效率地利用蒸汽。当前其中蕴含了一些特殊设计以实现最大效率地利用蒸汽。当前在美国的电力市场中，传统的蒸汽涡轮发电厂提供的电能超在美国的电力市场中，传统的蒸汽涡轮发电厂提供的电能超过过80。蒸汽涡轮发动机的容量可以从几马力到大型发电厂。蒸汽涡轮发动机的容量可以从几马力到大型发电厂应用的应用的1300MW以上。以上。蒸汽涡轮发动机并非直接将燃料资源转换成电能，而是借助蒸汽涡轮发动机并非直接将燃料资源转换成电能，而是借助于高压蒸汽。于高压蒸汽。无论是在电力系统中应用的，还是工业上应用的蒸汽涡轮发无论是在电力系统中应用的，还是工业上应用的蒸汽涡轮发动机，其设计方案都适合于动机，其设计方案都适合于CHP
16、。2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 1.1.工作原理工作原理 蒸汽涡轮发动机的热动态循环系统为兰金蒸汽涡轮发动机的热动态循环系统为兰金(Rankine(Rankine)循环系循环系统，此循环系统是传统的发电厂的基础。在这种循环中，热统，此循环系统是传统的发电厂的基础。在这种循环中，热源源(锅炉锅炉)将热水转换成高压蒸汽，蒸汽在涡轮中膨胀而产生将热水转换成高压蒸汽，蒸汽在涡轮中膨胀而产生动力。涡轮发动机排出的蒸汽冷凝后，输回锅炉中重复上述动力。涡轮发动机排出的蒸汽冷凝后，输回锅炉中重复上述过程。过程。蒸汽涡轮发动机包括一套固定的叶片蒸汽涡轮发动机包括一套固定的叶
17、片(称为喷嘴称为喷嘴)和一套移动和一套移动的相邻叶片的相邻叶片(称为转动叶片称为转动叶片)，它们安装在罩壳中。蒸汽推动，它们安装在罩壳中。蒸汽推动叶片驱动涡轮发动机的轴和轴上连接的负载。当蒸汽经过叶叶片驱动涡轮发动机的轴和轴上连接的负载。当蒸汽经过叶片时，蒸汽涡轮发动机将压力转换成动能，锅炉中产生的高片时，蒸汽涡轮发动机将压力转换成动能，锅炉中产生的高压蒸汽能量或其他能量使蒸汽涡轮旋转，而涡轮推动发电机压蒸汽能量或其他能量使蒸汽涡轮旋转，而涡轮推动发电机轴转动。轴转动。2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 2.2.热能回收热能回收 蒸汽涡轮发动机利用燃气涡轮发动机
18、蒸汽涡轮发动机利用燃气涡轮发动机(组合循环系统组合循环系统)排出的排出的余热来生产电能即是一种回收热能的方法。余热来生产电能即是一种回收热能的方法。从燃气涡轮发动机回收热能的方法是利用废热预热器或空气从燃气涡轮发动机回收热能的方法是利用废热预热器或空气预热器的排出废气或抽取的蒸汽。预热器的排出废气或抽取的蒸汽。回收热能的数量和质量是输入蒸汽条件和蒸汽涡轮发动机相回收热能的数量和质量是输入蒸汽条件和蒸汽涡轮发动机相关设计参数的函数。关设计参数的函数。涡轮排放的蒸汽可直接用于作功或区域供热，或者将其转换涡轮排放的蒸汽可直接用于作功或区域供热，或者将其转换成其他的热能形式，如热水或者制冷水。成其他的
19、热能形式，如热水或者制冷水。2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 3.3.工业、商业和公共事业方面的应用工业、商业和公共事业方面的应用 工业应用方面，蒸汽涡轮发动机主要用于驱动发电机或其他工业应用方面，蒸汽涡轮发动机主要用于驱动发电机或其他设备，如锅炉给水泵、处理泵、空气压缩机或者制冷机等。设备，如锅炉给水泵、处理泵、空气压缩机或者制冷机等。就非冷凝式应用和负荷跟踪方面的应用来说，从涡轮发动机就非冷凝式应用和负荷跟踪方面的应用来说，从涡轮发动机中排出的蒸汽，其压力和温度足以供应中排出的蒸汽，其压力和温度足以供应CHPCHP加热使用。虽然后加热使用。虽然后压式涡轮发
20、动机比冷凝式涡轮发动机效率低，但是它们价格压式涡轮发动机比冷凝式涡轮发动机效率低，但是它们价格也较低，而且不需要表面冷凝装置。也较低，而且不需要表面冷凝装置。小型蒸汽涡轮发动机可用来替代减压阀，将通常需废弃的能小型蒸汽涡轮发动机可用来替代减压阀，将通常需废弃的能量转换成有用的电能，而且性价比较高。替换减压阀的方式量转换成有用的电能，而且性价比较高。替换减压阀的方式主要用于公共事业方面或者工业系统中，其中高压蒸汽是可主要用于公共事业方面或者工业系统中，其中高压蒸汽是可利用的，且加工过程或取暖需要低压蒸汽。利用的，且加工过程或取暖需要低压蒸汽。2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统
21、热电联产系统 三、燃气涡轮发动机三、燃气涡轮发动机 燃气涡轮发动机是一种物超所值的燃气涡轮发动机是一种物超所值的CHPCHP替代产品，可作为商业替代产品，可作为商业和工业终端用户使用，它们对于基本电力负荷的需求大于和工业终端用户使用，它们对于基本电力负荷的需求大于5MW5MW。它们带基本负荷供电并满负荷运行时的运行效果最好。它们带基本负荷供电并满负荷运行时的运行效果最好。燃气涡轮发动机经常用在蒸汽加热系统中，缘于它们具备的燃气涡轮发动机经常用在蒸汽加热系统中，缘于它们具备的高质量热能输出，在大部分中压蒸汽系统广泛应用。高质量热能输出，在大部分中压蒸汽系统广泛应用。用于用于CHPCHP的燃气涡轮
22、发动机可以是单循环或者复合循环配置形的燃气涡轮发动机可以是单循环或者复合循环配置形式。式。单循环的燃气涡轮发动机不能回收排出气体的热能，因此其单循环的燃气涡轮发动机不能回收排出气体的热能，因此其发电效率和电能发电效率和电能/热能比最低。热能比最低。具有蒸汽涡轮发动机的复合循环燃气涡轮发动机对于大型系具有蒸汽涡轮发动机的复合循环燃气涡轮发动机对于大型系统的应用来说很经济，最先进的用于电力系统的燃气涡轮发统的应用来说很经济，最先进的用于电力系统的燃气涡轮发动机的发电效率可高达动机的发电效率可高达60602022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 通过燃烧含氧气丰富的排出燃体
23、通过燃烧含氧气丰富的排出燃体(辅助燃烧辅助燃烧)，可从涡轮发动，可从涡轮发动机中抽取出更多的能量。机中抽取出更多的能量。吸收制冷系统则直接从燃气涡轮发动机的排气中获得制冷水，吸收制冷系统则直接从燃气涡轮发动机的排气中获得制冷水，如图所示如图所示 2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 吸收制冷器通过工作流体在高温燃气涡轮发动机排气和低温吸收制冷器通过工作流体在高温燃气涡轮发动机排气和低温水槽中流动产生制冷水，如图所示水槽中流动产生制冷水，如图所示2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 工业应用中，大多数普通的吸收制冷器采用溴化锂和水溶液，
24、工业应用中，大多数普通的吸收制冷器采用溴化锂和水溶液，来获得温度为来获得温度为77的制冷水。要获得更低的水温则需借助由氨的制冷水。要获得更低的水温则需借助由氨气和水系统组成的系统。气和水系统组成的系统。在溴化锂吸收式制冷器中，制冷水通过水在蒸发区的蒸发而在溴化锂吸收式制冷器中，制冷水通过水在蒸发区的蒸发而产生。产生。24Pa24Pa的低压蒸汽用在单级的溴化锂吸收制冷机中，比率是的低压蒸汽用在单级的溴化锂吸收制冷机中，比率是7.7kg/7.7kg/制冷吨。而制冷吨。而10Pa10Pa的中压蒸汽用在两级的吸收制冷机中，的中压蒸汽用在两级的吸收制冷机中，比率是比率是4.5kg/4.5kg/制冷吨。制
25、冷吨。2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 四、微型涡轮发动机四、微型涡轮发动机 一般情况下，在任何位置建立的微型涡轮发动机一般情况下，在任何位置建立的微型涡轮发动机CHPCHP系统所生系统所生产电能的功率为产电能的功率为25200kW25200kW。它们通常采用天然气燃料，但也可以采用柴油、汽油或其他它们通常采用天然气燃料，但也可以采用柴油、汽油或其他类似的高能化石燃料，将沼气作为燃料的微型涡轮发动机正类似的高能化石燃料，将沼气作为燃料的微型涡轮发动机正处于研发过程中。由于微型涡轮发动机所用燃料的多样性，处于研发过程中。由于微型涡轮发动机所用燃料的多样性，因此可
26、在边远地区使用。因此可在边远地区使用。微型涡轮发动机排出的热气可用于微型涡轮发动机排出的热气可用于CHPCHP。尽管多数设计结合了。尽管多数设计结合了一个回流换热器，但实际上却限制了用于一个回流换热器，但实际上却限制了用于CHPCHP的热能。回收的的热能。回收的热能可用来加热热水，或供给低压蒸汽。热能可用来加热热水，或供给低压蒸汽。2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 微型涡轮发动机的工作原理类似于燃气涡轮发动机，不同之微型涡轮发动机的工作原理类似于燃气涡轮发动机，不同之处在于微型涡轮发动机设计了一个回流换热器，用于回收排处在于微型涡轮发动机设计了一个回流换热器，
27、用于回收排出的部分热能并预热空气，原理如图所示出的部分热能并预热空气，原理如图所示 2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 微型涡轮发动机比常规的往复式发动机更小，比常规的同等微型涡轮发动机比常规的往复式发动机更小，比常规的同等容量的发电设备的转动部件小得多，因此微型涡轮发动机的容量的发电设备的转动部件小得多，因此微型涡轮发动机的运行和维护费用将显著下降。运行和维护费用将显著下降。目前开发的微型涡轮发动机的热效率可达目前开发的微型涡轮发动机的热效率可达30%30%，氧化氮排量小，氧化氮排量小于于101010104%4%。通过采用陶瓷元件、改进涡轮的空气动力性。通过采
28、用陶瓷元件、改进涡轮的空气动力性能和回流换热器的设计以及提高接触反应燃烧的效率，可将能和回流换热器的设计以及提高接触反应燃烧的效率，可将其热效率提高到其热效率提高到35%50%35%50%，氧化氮排量在，氧化氮排量在2 210104%34%310104%4%之间。之间。2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 五、燃料电池五、燃料电池 磷酸电解质燃料电池磷酸电解质燃料电池(PAFC)(PAFC)是到目前为止唯一大量使用的商是到目前为止唯一大量使用的商业用电池。业用电池。PAFCPAFC可以利用来自燃料电池组的废热，直接将甲烷转换成含可以利用来自燃料电池组的废热，直接将
29、甲烷转换成含氢丰富的气体作为燃料电池的燃料氢丰富的气体作为燃料电池的燃料 PFACPFAC可制造成可制造成200kW200kW的模块，这些模块也很容易组合在一起。的模块，这些模块也很容易组合在一起。PFACPFAC产生的热能可用于供暖，或者直接作为热水使用，但其产生的热能可用于供暖，或者直接作为热水使用，但其含热量不高，不能用于其他的联合发电系统中。含热量不高，不能用于其他的联合发电系统中。熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)(MCFC)有望应用于有望应用于120MW120MW的固定电力生的固定电力生产中，且非常适合用在工业用的产中，且非常适合用在工业用的CHPCHP中。中。可工作
30、在高温下，其效率高于可工作在高温下，其效率高于PAFCPAFC，估计效率可以达到，估计效率可以达到5555的低燃烧值的低燃烧值(LHV)(LHV)2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池(SOFC)(SOFC)是最新型的燃料电池，目前仍处是最新型的燃料电池，目前仍处于实验室测试阶段。于实验室测试阶段。由固体氧化物燃料电池产生的高质量废热可用于燃料电池内由固体氧化物燃料电池产生的高质量废热可用于燃料电池内部工作过程的改良，包括其产生的蒸汽可用在蒸汽涡轮发动部工作过程的改良，包括其产生的蒸汽可用在蒸汽涡轮发动机的复合循环中，生产出更多
31、电力。机的复合循环中，生产出更多电力。质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池(PEM)(PEM)工作在相对较低的温度工作在相对较低的温度(80(80C)C)，不适合于传统的联合发电，但其起动速度很快不适合于传统的联合发电，但其起动速度很快 燃料电池的类型决定了整个工作过程中释放热量的温度变化燃料电池的类型决定了整个工作过程中释放热量的温度变化范围，以及对于不同范围，以及对于不同CHPCHP应用的适应程度。应用的适应程度。低温的燃料电池产生的热能适用于低压蒸汽和热水型的低温的燃料电池产生的热能适用于低压蒸汽和热水型的CHP CHP 高温燃料电池产生高压蒸汽，可用于复合循环及其他的高温燃料电池产生高
32、压蒸汽，可用于复合循环及其他的CHPCHP过过程程 2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 六、斯特林发动机六、斯特林发动机 斯特林发动机是以斯特林热动力循环命名的斯特林发动机是以斯特林热动力循环命名的 通过外部热源通过外部热源通常为连续燃烧的锅炉产生动力通常为连续燃烧的锅炉产生动力 可靠性仍是限制其在某些专门方面中应用的主要问题可靠性仍是限制其在某些专门方面中应用的主要问题 使用化石燃料和生物燃料时，连续燃烧加热器避免了局部高使用化石燃料和生物燃料时，连续燃烧加热器避免了局部高温，因此其排放非常低，而且容易控制温，因此其排放非常低，而且容易控制 斯特林发动机使用的
33、燃料范围很广，包括化石燃料、生物燃斯特林发动机使用的燃料范围很广，包括化石燃料、生物燃料、太阳能、地热能和核能。料、太阳能、地热能和核能。在欧洲，一些斯特林发动机在电力系统方面的应用实例说明在欧洲，一些斯特林发动机在电力系统方面的应用实例说明了这项技术可用于居民用户的小型了这项技术可用于居民用户的小型CHPCHP中。中。斯特林发动机的容量很小，其发电效率很容易达到斯特林发动机的容量很小，其发电效率很容易达到3030以上。以上。2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 七、热电联产系统的性能参数七、热电联产系统的性能参数 研究研究CHPCHP系统寻求获得获得较高的能量利
34、用系数：系统寻求获得获得较高的能量利用系数：buUWUEUF式中，式中，U Uu u为使用或回收的热能；为使用或回收的热能；W W为生产电能；为生产电能；U Ub b为输入热能。为输入热能。常规发电厂的热效率为常规发电厂的热效率为bab thc,TTT 能量利用系数为能量利用系数为 cc,thEUF2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 将常规电厂转换为热电联产系统，因此电厂的热效率会下降，将常规电厂转换为热电联产系统，因此电厂的热效率会下降，而能量利用系数将小于电网值。如果从涡轮发动机中提取的而能量利用系数将小于电网值。如果从涡轮发动机中提取的单位热能为单位热能为
35、m m，则新的效率为，则新的效率为bauuac,thbb1TTmmTTTmTT保持原电厂效率不变。而保持原电厂效率不变。而CHPCHP系统的能量利用系数为系统的能量利用系数为 ba thc,bauabubucgTmTTTTmTTmTUWUEUF EUFEUFcgcg小于小于1 1是由于在温度是由于在温度T Ta a时还有部分热能未经利用就排出了时还有部分热能未经利用就排出了 2022年7月26日星期二3-2 3-2 热电联产系统热电联产系统 由上述分析可知，将常规电厂转换为由上述分析可知，将常规电厂转换为CHPCHP系统，实际上是牺牲系统，实际上是牺牲了热效率来获取更高的能量利用率。以上是热动
36、力学方面的了热效率来获取更高的能量利用率。以上是热动力学方面的分析结论，是否值得作出这样的转换主要取决于经济性方面分析结论，是否值得作出这样的转换主要取决于经济性方面的考虑。的考虑。2022年7月26日星期二3-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 一、电力和热力负荷一、电力和热力负荷 在在CHPCHP可行性分析中，首要的和最重要的因素是得到电力和热可行性分析中，首要的和最重要的因素是得到电力和热力负荷的精确表达，特别是当力负荷的精确表达，特别是当CHPCHP系统不允许向电网输送电能系统不允许向电网输送电能时。时。这样的应用通常要求这样的应用通常要求CHPCHP能够跟踪电力负荷的变化，因此系
37、统能够跟踪电力负荷的变化，因此系统必须调整各自的输出电功率，使其等于或小于电力负荷。必须调整各自的输出电功率，使其等于或小于电力负荷。30min30min或或1h1h的负荷特性曲线特别适合用来对的负荷特性曲线特别适合用来对CHPCHP系统做上述分系统做上述分析。析。热负荷曲线由使用的热水、低压和高压蒸汽的消耗以及制冷热负荷曲线由使用的热水、低压和高压蒸汽的消耗以及制冷负荷等组成。电力负荷曲线的形状以及最大、最小值之间的负荷等组成。电力负荷曲线的形状以及最大、最小值之间的变化范围在很大程度上决定了原动机的数量、容量和类型。变化范围在很大程度上决定了原动机的数量、容量和类型。2022年7月26日星
38、期二3-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 对于承担基于负荷的对于承担基于负荷的CHPCHP，可向电网输出电能，并且满足最小，可向电网输出电能，并且满足最小的热力负荷需要，的热力负荷需要，CHPCHP系统的容量设计规模在很大程度上取决系统的容量设计规模在很大程度上取决于大规模能源市场的容量需求。于大规模能源市场的容量需求。h8760原动机峰值容量实际能量消耗容量因数 CHPCHP的容量因数是一个关键指标，它表征了发电机的容量在运的容量因数是一个关键指标，它表征了发电机的容量在运行中应该如何分配。行中应该如何分配。容量因数是表达容量因数是表达CHPCHP系统整体经济性的一个有用方法，它表示系
39、统整体经济性的一个有用方法，它表示了设备接近基本负荷运行的程度。了设备接近基本负荷运行的程度。容量因素定义如下：容量因素定义如下：2022年7月26日星期二3-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 对于大多数对于大多数CHPCHP应用来说，需要容量因数很高，目的是为了获应用来说，需要容量因数很高，目的是为了获取最大的经济效益。高容量因数有效地降低了系统的固定单取最大的经济效益。高容量因数有效地降低了系统的固定单元成本元成本($/kWh($/kWh)，有助于保持，有助于保持CHPCHP提供的电能与电网提供的提供的电能与电网提供的电能相竞争的能力。电能相竞争的能力。若是相对恒定的电力负荷曲线，一
40、般可选用燃气涡轮发动机。若是相对恒定的电力负荷曲线，一般可选用燃气涡轮发动机。多数的商业终端用户具有变化的电力负荷曲线多数的商业终端用户具有变化的电力负荷曲线 ，天然气往复，天然气往复式发动机广泛应用于式发动机广泛应用于CHPCHP，源于它具有很好的带部分负荷运行、，源于它具有很好的带部分负荷运行、空气质量符合环境要求以及容量多变的特点，使其适应许多空气质量符合环境要求以及容量多变的特点，使其适应许多商业和公共事业终端用户的需要。商业和公共事业终端用户的需要。2022年7月26日星期二3-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 二、可回收热能二、可回收热能 终端用户的热能需求决定了终端用户的热
41、能需求决定了CHPCHP系统的可行性，也用于选择原系统的可行性，也用于选择原动机。动机。燃气涡轮发动机提供的高质量的热能，通常可用在蒸汽涡轮燃气涡轮发动机提供的高质量的热能，通常可用在蒸汽涡轮发动机系统中。发动机系统中。某些正在开发的燃料电池技术，包括某些正在开发的燃料电池技术，包括MCFCMCFC和和SOFCSOFC，提供高品，提供高品质的与燃气涡轮发动机相比拟的热能。质的与燃气涡轮发动机相比拟的热能。往复式发动机在同样的输出功率范围内，通常比大多数的燃往复式发动机在同样的输出功率范围内，通常比大多数的燃气涡轮发动机效率高，并能很好地适应热力负荷比电力负荷气涡轮发动机效率高，并能很好地适应热
42、力负荷比电力负荷低的场合。低的场合。2022年7月26日星期二3-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 三、工业热能的回收三、工业热能的回收 工业生产中产生的额外的热能或蒸汽，也可为工业生产中产生的额外的热能或蒸汽，也可为CHPCHP系统应用提系统应用提供机会。供机会。如果这些多余的热能可连续提供，或具有高负荷因数，并且如果这些多余的热能可连续提供，或具有高负荷因数，并且具有足够高的质量，则这些热能就可以用于蒸汽涡轮发动机具有足够高的质量，则这些热能就可以用于蒸汽涡轮发动机的基础循环中，用于生产电能。的基础循环中，用于生产电能。除发电外，蒸汽涡轮发动机还经常用于驱动旋转式设备，如除发电外，蒸
43、汽涡轮发动机还经常用于驱动旋转式设备，如空气压缩机或空调压缩机等。若使用不同的涡轮设计方案，空气压缩机或空调压缩机等。若使用不同的涡轮设计方案，涡轮中排出的蒸汽可用于低级的加热应用或者在涡轮中排出的蒸汽可用于低级的加热应用或者在CHPCHP系统中用系统中用于制冷，多余的蒸汽也可以用在燃料电池中改良天然气。于制冷，多余的蒸汽也可以用在燃料电池中改良天然气。2022年7月26日星期二3-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 四、噪声四、噪声 尽管燃料电池在安装时相对昂贵，但仍然在许多地方安装并尽管燃料电池在安装时相对昂贵，但仍然在许多地方安装并进行测试，特别是在停电造成的损失严重影响国家税收或降
44、进行测试，特别是在停电造成的损失严重影响国家税收或降低生成力，且按规定不能停电的场所。低生成力，且按规定不能停电的场所。斯特林发动机应该也能在这样的场合中得到很好的应用。它斯特林发动机应该也能在这样的场合中得到很好的应用。它们相对安静的运行状态很有吸引力，因此通常安装在拥挤的们相对安静的运行状态很有吸引力，因此通常安装在拥挤的商业区。商业区。在居民区安装涡轮发动机或发动机通常要求特殊的考虑和设在居民区安装涡轮发动机或发动机通常要求特殊的考虑和设计。发电机和涡轮发动机通常安装在建筑物内，以削弱对周计。发电机和涡轮发动机通常安装在建筑物内，以削弱对周围社区的噪声影响，另外需要在其排气口处安装特殊的
45、排气围社区的噪声影响，另外需要在其排气口处安装特殊的排气消音器或者消声器。消音器或者消声器。燃气涡轮发动机比往复式发动机更易安装在工厂中封闭的环燃气涡轮发动机比往复式发动机更易安装在工厂中封闭的环境内。由于需向外释放热能，因此需要更多的流通空气，最境内。由于需向外释放热能，因此需要更多的流通空气，最可行的使用方案是将它们安装在消音的建筑物中。可行的使用方案是将它们安装在消音的建筑物中。2022年7月26日星期二3-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 五、五、CHPCHP系统的大小系统的大小 三种三种CHPCHP系统可提供紧凑型封装形式：斯特林发动机最小，其系统可提供紧凑型封装形式：斯特林发
46、动机最小，其次是燃料电池和微型涡轮发动机。次是燃料电池和微型涡轮发动机。较大型的蒸汽涡轮发动机、燃气涡轮发动机和往复式的发动较大型的蒸汽涡轮发动机、燃气涡轮发动机和往复式的发动机可单独的安装于工厂封闭的区域内，或者处于一座有辅助机可单独的安装于工厂封闭的区域内，或者处于一座有辅助设备的单独的建筑物内。设备的单独的建筑物内。表表3-23-2为不同类型的为不同类型的CHPCHP的相对大小的相对大小 2022年7月26日星期二3-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 表表3-2 3-2 不同类型的不同类型的CHPCHP的相对大小的相对大小CHPCHP原动机类型原动机类型CHPCHP的相对大小的相对
47、大小 /kW/kW蒸汽涡轮发动机蒸汽涡轮发动机冷藏库冷藏库(100)/(100)/车库车库(100 000)(100 000)燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机装载车装载车(3000)(3000)往复式发动机往复式发动机2 2个冰箱个冰箱(30)(30)微型涡轮发动机微型涡轮发动机冰箱冰箱(30)(30)燃料电池燃料电池装载车装载车(200)(200)斯特林发动机斯特林发动机烤炉烤炉(3)(3)2022年7月26日星期二3-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 六、六、CHPCHP系统的燃料系统的燃料 CHPCHP系统燃料费用如表系统燃料费用如表3-33-3所示。所示。表表3-3 CHP3-3 C
48、HP系统燃料费用系统燃料费用燃料类型燃料类型设备安装费设备安装费燃料费用燃料费用运行和维护费用运行和维护费用煤煤中中(新新)、非常低、非常低(旧旧)低低中中天然气天然气低低低低低低石油石油中中中中高高废热废热中中零零中中沼气沼气中偏高中偏高低低高高2022年7月26日星期二3-3 3-3 CHP的典型应用的典型应用 燃气涡轮发动机潜在的系统问题是用户的天然气分配系统管燃气涡轮发动机潜在的系统问题是用户的天然气分配系统管道所能提供的压力。如果不能提供高压气体，当地天然气公道所能提供的压力。如果不能提供高压气体，当地天然气公司就必须专门建设高压天然气管道，或者由用户购买专门的司就必须专门建设高压天
49、然气管道，或者由用户购买专门的气体压缩机。气体压缩机。当天然气无法提供或者非常贵的时候，当天然气无法提供或者非常贵的时候，CHPCHP系统应当考虑采用系统应当考虑采用柴油发动机。柴油发动机。2022年7月26日星期二3-4 3-4 热电联产系统的经济性分析热电联产系统的经济性分析 热电联产系统的经济竞争力在于它们可根据不同的负荷类型热电联产系统的经济竞争力在于它们可根据不同的负荷类型和大小选择特定的工作场合和容量，并且当新的市场规则和和大小选择特定的工作场合和容量，并且当新的市场规则和新技术出现后，过去的指导方针及单凭经验的作法将不再适新技术出现后，过去的指导方针及单凭经验的作法将不再适用。用
50、。本节将根据未来电能和燃料的价格、本节将根据未来电能和燃料的价格、CHPCHP的费用和性能以及用的费用和性能以及用户的规模和需求，得到可能的需求模式来评估户的规模和需求，得到可能的需求模式来评估CHPCHP的竞争能力。的竞争能力。预测一般只能提供平均价格。由于预测一般只能提供平均价格。由于CHPCHP极大地改变了用户的负极大地改变了用户的负荷曲线，因此基于平均价格的分析将受到应用的限制。通常荷曲线，因此基于平均价格的分析将受到应用的限制。通常的做法是：分析人员将费用按基本负荷、中间负荷和峰值负的做法是：分析人员将费用按基本负荷、中间负荷和峰值负荷三种形式来分配。荷三种形式来分配。2022年7月
