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冷热电联产(Combined cooling, heating and power,简称CCHP),基本原理是能量的梯级利用,燃料和压缩空气同时被送入燃烧室进行混合燃烧,燃烧形成的高温烟气推动往复式内燃机做功,从而带动发电机励磁转动发电。高温烟气在燃气机内做功后温度和压力降低,其排气温度约为500~600℃,在压力的作用下进入余热锅炉;余热锅炉产生的高温蒸汽进入吸收式制冷机组进行制冷;从余热锅炉出来的蒸汽温度降到200℃左右,然后再进入热网水换热器中加热采暖用水;最后,低温烟气经防污染处理后排入大气。
(1)能源综合利用率高,损耗小
由于冷能、热能的损耗随传输距离的增大而加大,在目前技术下集中供电方式发电效率虽然最高可以达到40%-50%,但是由于距离终端用户过远,其余50%-60%的能量很难充分利用。而冷热电三联产由于建设在用户附近,不但可获得40%左右的发电效率,还能将中温废热回收利用供冷、供热,其综合能源利用率可达80%~90%。另外,与传统长距离输电相比,它还能减少6-7%的线损。
(2)对燃气和电力有双重削峰填谷作用
我国大部分地区冬季需要采暖,夏季需要制冷。在“三北地区”,冬季采暖时间约为4-5个月,夏季制冷时间约为2-3个月,全年在较高负荷运行约为6-8个月;在长江中下游地区,冬季采暖约为3个月,夏季制冷时间约为5-6个月,全年在高负荷运行时间达8-9个月。大量的空调用电使得夏季电负荷远远超过冬季,一方面给电网带来巨大的压力,另一方面造成冬季发电设施大量闲置,发电设备和输配电设施利用率降低。以北京为例,目前50%以上的天然气消费量用于冬季采暖,而夏季天然气最大日使用量仅为冬季的1/9,造成夏季天然气管网的利用率极低,还需要设法储存。采用燃气冷热电三联产系统,夏季燃烧天然气制冷,增加夏季的燃气使用量,减少夏季电空调的电负荷,同时系统的自发电也可以降低大电网的供电压力。
(3)具有良好的经济
据调查,采用冷热电三联产分布式能源,写字楼类建筑可减少运营成本12%,商场类建筑可减少运营成本11%,医院类建筑可减少运营成本21%,体育场馆类建筑可减少运营成本32%,酒店类建筑可减少运营成本23%。 (4)具有良好的环保效益
天然气是清洁能源,燃气发电机均采用先进的燃烧技术,冷热电三联产系统的排放指标均能达到相关的环境标准。根据相关研究,与煤电相比,天然气发电的环境价值为8.964分/kWh。考虑了环境价值后,冷热电联产分布式功能系统将具有较好的经济型。
(5) 增强能源供应的安全性
冷热电三联产系统安装、运行相对比较简单,便捷,可以大幅度提高电力供应安全性。冷热电三联产对燃气和电力有双重的削峰填谷作用,增强了电网和燃气供应管网的安全性。尤其对于学校,医院等本身需要备用电源,采用联供系统可以兼做备用电源。
生物质气化发电就是将各种低热值固体生物质资源(如稻壳、木片、生活有机垃圾等)通过气化转换为生物质气,经净化、降温后进入生物质发电机组发电。
生物质气化发电可通过三种途径实现:1)生物质气作为燃料直接进入燃气锅炉生产蒸汽,再驱动蒸汽轮机发电;2)生物质气驱动燃气轮机燃烧发电;3)生物质气驱动内燃机直接发电。生物质气化内燃机发电,由于具有装机容量灵活、布置方便、投资少、技术可靠、运行费用低、经济效益好、操作维护简单等特点,而得到广泛的推广与应用。
生物质气内燃机发电系统主要由气化炉、燃气净化系统和内燃发电机等组成。
气化炉是将生物质能由固态转化为燃气的装置。生物质在气化炉内通过控制空气供应量,而进行不完全燃烧,实现低值生物质能由固体向气态的转化,生成包含氢气(H2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、多碳烃(CnHm)等可燃成分的燃气。
燃气净化系统:燃气中含有未完全裂解的焦油、硫化物及灰尘等杂质,为满足内燃机长期可靠工作的要求,需要对燃气进行冷却、净化、脱硫处理,使燃气温度降到40℃以下、焦油灰尘含量控制在50mg/Nm3以内。
生物质气发电机组:机组容量有300kW、400kW、500kW、600kW、800kW、1000kW等规格。
1、分布式能源系统的特征
作为新一代供能模式,分布式能源系统是集中式供能系统的有力补充。它有以下四个主要特征:
①作为服务于当地的能量供应中心,它直接面向当地用户的需求,布置在用户的附近,可以简化系统提供用户能量的输送环节,进而减少能量输送过程的能量损失与输送成本,同时增加用户能量供应的安全性。
②由于它不采用大规模、远距离输出能量的模式,而主要针对局部用户的能量需求,系统的规模将受用户需求的制约,相对目前传统的集中式供能系统而言均为中、小容量。
③随着经济、技术的发展,特别是可再生能源的积极推广应用,用户的能量需求开始多元化;同时伴随不同能源技术的发展和成熟,可供选择的技术也日益增多。分布式能源系统作为一种开放性的能源系统,开始呈现出多功能的趋势,既包含多种能源输入,又可同时满足用户的多种能量需求。
④人们的观念在不断转变,对能源系统不断提出新的要求(高效、可靠、经济、环保、可持续性发展等),新型的分布式能源系统通过选用合适的技术,经过系统优化和整合,可以更好地同时满足这些要求,实现多个功能目标。
2、分布式能源系统的优缺点
①分布式能源系统的优点
分布式能源系统的最主要优点是用在冷热电联产中。联产符合总能系统的“梯级利用”的准则,会得到很好的能源利用率,具有很大的发展前景。大型(热)电厂虽然电可远距离输送,但需建设电网、变电站和配电站并有输电损耗,而对于热,尤其是冷,就不像电能那样可以较长距离有效地输送。所以,除非事先特殊设计、安排好,否则,难以达到输送冷、热能的目的。因为大电厂选址有其自身的要求,一般来说,附近难以有足够大量的、合适的冷、热能用户,无法进行有效的联产。分布式能源系统却正好相反,按需就近设置,可以尽可能与用户配合好,也没有远距离输送冷、热能的问题,大电网的输电损失问题也不存在了。所以,虽然分布式能源系统纯动力装置本身效率低、价钱贵,但可以充分发挥其联产的优点,体现出它的优越之处。
分布式能源系统还可以让使用单位本身有较大的调节、控制与保证能力,保证使用单位的各种二次能源能够充分供应,非常适合对发展中区域及商业区和居民区、乡村、牧区及山区提供电力、供热及供冷,大量减少环保压力。总之,分布式能源系统可满足特殊场合的需求,为能源的综合梯级利用提供了可能,为可再生能源的利用开辟了新的方向,并可为提高能源利用率、改善安全性与解决环境污染方面做出突出贡献。这也是一个很重要的优点。
②分布式能源系统的缺点
分布式能源系统的主要不足在于,由于它是分散供能,单机功率很小,比起最大电厂单机功率有百万千瓦以上、单厂功率近千万千瓦而言,发电效率显然比不上后者。这是因为现有动力设备都是机组越大,效率越高。40万千瓦的、以燃气轮机为主的联合循环装置效率比40kW回热燃气轮机的效率要高1倍。“麻雀虽小,五脏俱全”,因此大机组单位功率的售价相比小机组要低得多,相差近几倍。大机组集中在一起,有专门高级技工运行维护,安全性、工作寿命都应该更有保证。所以,要对纯发电成本和单位千瓦初投资作比较,分布式能源系统的经费投入肯定要大大高于现在的大电力系统。另外,分布式能源系统对当地使用单位的技术要求要比简单使用大电网供电高,要有相应的技术人员与适合的文化环境。