第三章分布式發電系統的熱電聯產

§3-1概述

§3-2熱電聯產系統

§3-4熱電聯產系統的經濟性分析

§3-3CHP的典型應用§3-5熱電聯產系統的效益分析

§3-6熱電聯產系統的性能和燃料優化

6/25/2024§3-1概述

發電系統在將燃料轉化成電力的過程中產生大量熱能，對于電力系統中的常用電廠來說，輸入燃料三分之二以上的能量被轉換成熱能。當傳統電廠將燃料轉換為電能并送達一般電力用戶時，只使用了全部能源的30%。由于分布式發電(DG)具有與負荷相適應的規模和位置，能夠合理經濟地回收這些熱能。而終端用戶只需利用自身設備內或設備附近的一臺組合式熱電聯產(CombinedheatandPower，簡寫為CHP)系統就可同時獲得熱能和電能。CHP系統的總效率高達90%以上。

6/25/2024§3-1概述

CHP系統已在能源密集工業如紙漿、造紙和石油等行業應用了100多年，滿足了這些行業對于蒸汽和電力的需求。CHP具有各種規模和配置形式供各種工業、商業和居民用戶使用。CHP的發電系統甚至可與電力系統中大規模的發電設備配套使用，通常與地區發電系統互聯使用。CHP還包括非電力功率、機械功率、或者僅供內部使用的電力。多數CHP的應用是聯合發電，即采用中等規模的CHP系統同時生產電力和蒸汽。本章主要討論使用分布式發電原動機發電時CHP的應用。6/25/2024§3-1概述

熱電聯產系統從電力生產中獲得熱能，用于各種目的熱力需求，包括熱水，蒸汽以及生產過程中的加熱和冷卻。CHP與分離式熱電系統的效率對比示意圖如圖所示。一臺典型的CHP系統能將輸入燃料能量的80％轉換成有用的能量，其中30％轉換成電力，50％轉換成熱能。而傳統的分離式熱電生產設備提供同樣的熱能和電能則需要160％的輸入燃料。即利用現代的CHP技術能節省近40％的燃料。6/25/2024§3-2熱電聯產系統

用于分布式發電的商用CHP技術包括：柴油發動機、天然氣發動機、蒸汽渦輪發動機、燃氣渦輪發動機、微型渦輪發動機和磷酸燃料電池。各種商用CHP原動機的技術特點如表3-1所示。由表3-1可見，CHP的容量變化范圍很大——從1kW的斯特林CHP系統到250MW的燃氣渦輪發動機CHP。由于某些技術方面的進步，所有的CHP都將具有較低的成本、較小的能量損耗，及更高的發電效率。

6/25/2024§3-2熱電聯產系統

表3-1DG/CHP技術比較性能特點柴油發動機天然氣發動機燃氣渦輪發動機微型渦輪發動機燃料電池斯特林發動機電能效率30%~50%25%~45%25%~40%(簡單)40%~60%(組合式)20%~30%40%~70%25%~40%帶部分負荷能力最佳一般差差－一般容量/MW0.05~50.05~53~2000.025~0.250.2~20.001~0.1啟動時間10s10s10min~1h60s3~48h60s燃料壓力/kPa<34.57~310830-3450275~7003.5~310－制造費用/($/kW)800~1500800~1500700~90040~1000.5~45－燃料柴油天然氣、沼氣、丙烷天然氣、沼氣、丙烷、精煉油天然氣、沼氣、丙烷、精煉油H2、天然氣、丙烷各種燃料熱能利用熱水、低壓蒸汽、供暖熱水、低壓蒸汽、供暖加熱、熱水、低壓-高壓蒸汽、供暖加熱、熱水、低壓蒸汽熱水、低壓-高壓蒸汽直接加熱、熱水、低壓蒸汽CHP輸出/(kJ/kWh)34001000~50003400~120004000~15000500~37003000~6000CHP可用溫度/℃80~480150~260260~590200~34060~370260~5406/25/2024§3-2熱電聯產系統

一、往復式發動機

CHP主要應用兩種類型的內燃機四循環火花－點燃式（Ottocycle）發動機壓縮點燃式(內燃機循環)發動機使用往復式發動機的CHP系統的發電費用成本大約是800$~1500$/kW，其上限費用的產生主要是由于小容量CHP系統對所用設備的相關費用十分敏感，如燃料供應開支、發動機外殼的費用、工程造價及其他費用等。1.熱能的回收利用

燃料中的能量在燃燒過程中釋放出來，轉換成發動機轉軸的輸出功率和熱能。軸上輸出功率驅動發電機工作，而釋放的熱量則經由冷卻設備、或以廢氣和表面輻射的方式釋放出來。6/25/2024§3-2熱電聯產系統

回收途徑發動機的排氣裝置鍋爐套管中的冷卻箱潤滑油冷卻設備（少量）渦輪增壓器的中間冷熱器和二次冷卻器回收熱中生成的蒸汽和熱水主要用于房間的取暖、再加熱、家庭用熱水和吸收式制冷。通過從鍋爐套管的冷卻水和排氣裝置中回收熱能，大約有70％~80%的燃料能量可得到有效利用。發動機回收的排放熱能主要有兩種用途產生110℃左右的熱水生成約103kPa的低壓蒸汽

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2.閉環熱水冷卻系統從發動機中回收熱量的最常用方法是應用閉環冷卻系統，如圖所示。這些系統通過驅動冷卻劑在發動機通路和外部熱交換器中循環來實現冷卻。熱交換器將額外的發動機熱量傳送至冷卻塔或散熱器。閉環水冷卻系統工作時的冷卻劑溫度為90~120℃。6/25/2024§3-2熱電聯產系統

3.沸騰式冷卻系統沸騰式冷卻系統是利用沸騰冷卻劑的自然循環，使其流經發動機來實現冷卻。這種方法能夠保持整個冷卻劑回路的溫度一致，而這種一致的溫度則有助于延長發動機的壽命，提高燃燒過程的效率，降低電動機內的摩擦。這種冷卻方法通常還可通過廢熱回收裝置產生低壓蒸汽。將冷卻水引入到發動機的底部，在此處傳遞的熱能開始加熱冷卻劑，產生兩相流動。冷卻水產生的泡沫降低了冷卻水的密度，導致冷卻水自然循環到發動機的頂部。在發動機出口處的冷卻水處于飽和的蒸汽狀態，限制在120℃以內，最大氣壓為103kPa。入口冷卻水也接近飽和狀態，其溫度比出口溫度低2~3℃。

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二、蒸汽渦輪發動機蒸汽渦輪技術是用途最廣、最古老的原動機驅動技術之一，用于驅動發電機，或者是一些機械設備。目前在美國和歐洲，蒸汽渦輪發動機廣泛應用于CHP系統中，其中蘊含了一些特殊設計以實現最大效率地利用蒸汽。當前在美國的電力市場中，傳統的蒸汽渦輪發電廠提供的電能超過80％。蒸汽渦輪發動機的容量可以從幾馬力到大型發電廠應用的1300MW以上。蒸汽渦輪發動機并非直接將燃料資源轉換成電能，而是借助于高壓蒸汽。無論是在電力系統中應用的，還是工業上應用的蒸汽渦輪發動機，其設計方案都適合于CHP。

6/25/2024§3-2熱電聯產系統

1.工作原理

蒸汽渦輪發動機的熱動態循環系統為蘭金(Rankine)循環系統，此循環系統是傳統的發電廠的基礎。在這種循環中，熱源(鍋爐)將熱水轉換成高壓蒸汽，蒸汽在渦輪中膨脹而產生動力。渦輪發動機排出的蒸汽冷凝后，輸回鍋爐中重復上述過程。

蒸汽渦輪發動機包括一套固定的葉片(稱為噴嘴)和一套移動的相鄰葉片(稱為轉動葉片)，它們安裝在罩殼中。蒸汽推動葉片驅動渦輪發動機的軸和軸上連接的負載。當蒸汽經過葉片時，蒸汽渦輪發動機將壓力轉換成動能，鍋爐中產生的高壓蒸汽能量或其他能量使蒸汽渦輪旋轉，而渦輪推動發電機軸轉動。6/25/2024§3-2熱電聯產系統

2.熱能回收

蒸汽渦輪發動機利用燃氣渦輪發動機(組合循環系統)排出的余熱來生產電能即是一種回收熱能的方法。

從燃氣渦輪發動機回收熱能的方法是利用廢熱預熱器或空氣預熱器的排出廢氣或抽取的蒸汽?；厥諢崮艿臄盗亢唾|量是輸入蒸汽條件和蒸汽渦輪發動機相關設計參數的函數。渦輪排放的蒸汽可直接用于作功或區域供熱，或者將其轉換成其他的熱能形式，如熱水或者制冷水。6/25/2024§3-2熱電聯產系統

3.工業、商業和公共事業方面的應用

工業應用方面，蒸汽渦輪發動機主要用于驅動發電機或其他設備，如鍋爐給水泵、處理泵、空氣壓縮機或者制冷機等。就非冷凝式應用和負荷跟蹤方面的應用來說，從渦輪發動機中排出的蒸汽，其壓力和溫度足以供應CHP加熱使用。雖然后壓式渦輪發動機比冷凝式渦輪發動機效率低，但是它們價格也較低，而且不需要表面冷凝裝置。小型蒸汽渦輪發動機可用來替代減壓閥，將通常需廢棄的能量轉換成有用的電能，而且性價比較高。替換減壓閥的方式主要用于公共事業方面或者工業系統中，其中高壓蒸汽是可利用的，且加工過程或取暖需要低壓蒸汽。6/25/2024§3-2熱電聯產系統

三、燃氣渦輪發動機

燃氣渦輪發動機是一種物超所值的CHP替代產品，可作為商業和工業終端用戶使用，它們對于基本電力負荷的需求大于5MW。它們帶基本負荷供電并滿負荷運行時的運行效果最好。燃氣渦輪發動機經常用在蒸汽加熱系統中，緣于它們具備的高質量熱能輸出，在大部分中壓蒸汽系統廣泛應用。用于CHP的燃氣渦輪發動機可以是單循環或者復合循環配置形式。單循環的燃氣渦輪發動機不能回收排出氣體的熱能，因此其發電效率和電能/熱能比最低。具有蒸汽渦輪發動機的復合循環燃氣渦輪發動機對于大型系統的應用來說很經濟，最先進的用于電力系統的燃氣渦輪發動機的發電效率可高達60％6/25/2024§3-2熱電聯產系統

通過燃燒含氧氣豐富的排出燃體(輔助燃燒)，可從渦輪發動機中抽取出更多的能量。

吸收制冷系統則直接從燃氣渦輪發動機的排氣中獲得制冷水，如圖所示

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吸收制冷器通過工作流體在高溫燃氣渦輪發動機排氣和低溫水槽中流動產生制冷水，如圖所示6/25/2024§3-2熱電聯產系統

工業應用中，大多數普通的吸收制冷器采用溴化鋰和水溶液，來獲得溫度為7℃的制冷水。要獲得更低的水溫則需借助由氨氣和水系統組成的系統。

在溴化鋰吸收式制冷器中，制冷水通過水在蒸發區的蒸發而產生。2~4Pa的低壓蒸汽用在單級的溴化鋰吸收制冷機中，比率是7.7kg/制冷噸。而10Pa的中壓蒸汽用在兩級的吸收制冷機中，比率是4.5kg/制冷噸。6/25/2024§3-2熱電聯產系統

四、微型渦輪發動機

一般情況下，在任何位置建立的微型渦輪發動機CHP系統所生產電能的功率為25~200kW。它們通常采用天然氣燃料，但也可以采用柴油、汽油或其他類似的高能化石燃料，將沼氣作為燃料的微型渦輪發動機正處于研發過程中。由于微型渦輪發動機所用燃料的多樣性，因此可在邊遠地區使用。微型渦輪發動機排出的熱氣可用于CHP。盡管多數設計結合了一個回流換熱器，但實際上卻限制了用于CHP的熱能?；厥盏臒崮芸捎脕砑訜釤崴蚬┙o低壓蒸汽。6/25/2024§3-2熱電聯產系統

微型渦輪發動機的工作原理類似于燃氣渦輪發動機，不同之處在于微型渦輪發動機設計了一個回流換熱器，用于回收排出的部分熱能并預熱空氣，原理如圖所示

6/25/2024§3-2熱電聯產系統

微型渦輪發動機比常規的往復式發動機更小，比常規的同等容量的發電設備的轉動部件小得多，因此微型渦輪發動機的運行和維護費用將顯著下降。目前開發的微型渦輪發動機的熱效率可達30%，氧化氮排量小于10×10－4%。通過采用陶瓷元件、改進渦輪的空氣動力性能和回流換熱器的設計以及提高接觸反應燃燒的效率，可將其熱效率提高到35%~50%，氧化氮排量在2×10－4%~3×10－4%之間。6/25/2024§3-2熱電聯產系統

五、燃料電池磷酸電解質燃料電池(PAFC)是到目前為止唯一大量使用的商業用電池。PAFC可以利用來自燃料電池組的廢熱，直接將甲烷轉換成含氫豐富的氣體作為燃料電池的燃料PFAC可制造成200kW的模塊，這些模塊也很容易組合在一起。PFAC產生的熱能可用于供暖，或者直接作為熱水使用，但其含熱量不高，不能用于其他的聯合發電系統中。

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)有望應用于1~20MW的固定電力生產中，且非常適合用在工業用的CHP中?？晒ぷ髟诟邷叵拢湫矢哂赑AFC，估計效率可以達到55％的低燃燒值(LHV)

6/25/2024§3-2熱電聯產系統

固體氧化物燃料電池(SOFC)是最新型的燃料電池，目前仍處于實驗室測試階段。由固體氧化物燃料電池產生的高質量廢熱可用于燃料電池內部工作過程的改良，包括其產生的蒸汽可用在蒸汽渦輪發動機的復合循環中，生產出更多電力。質子交換膜燃料電池(PEM)工作在相對較低的溫度(80°C)，不適合于傳統的聯合發電，但其起動速度很快燃料電池的類型決定了整個工作過程中釋放熱量的溫度變化范圍，以及對于不同CHP應用的適應程度。

低溫的燃料電池產生的熱能適用于低壓蒸汽和熱水型的CHP高溫燃料電池產生高壓蒸汽，可用于復合循環及其他的CHP過程

6/25/2024§3-2熱電聯產系統

六、斯特林發動機

斯特林發動機是以斯特林熱動力循環命名的通過外部熱源——通常為連續燃燒的鍋爐產生動力可靠性仍是限制其在某些專門方面中應用的主要問題使用化石燃料和生物燃料時，連續燃燒加熱器避免了局部高溫，因此其排放非常低，而且容易控制斯特林發動機使用的燃料范圍很廣，包括化石燃料、生物燃料、太陽能、地熱能和核能。在歐洲，一些斯特林發動機在電力系統方面的應用實例說明了這項技術可用于居民用戶的小型CHP中。

斯特林發動機的容量很小，其發電效率很容易達到30％以上。6/25/2024§3-2熱電聯產系統

七、熱電聯產系統的性能參數研究CHP系統尋求獲得獲得較高的能量利用系數：

式中，Uu為使用或回收的熱能；W為生產電能；Ub為輸入熱能。常規發電廠的熱效率為

能量利用系數為

6/25/2024§3-2熱電聯產系統

將常規電廠轉換為熱電聯產系統，因此電廠的熱效率會下降，而能量利用系數將小于電網值。如果從渦輪發動機中提取的單位熱能為m，則新的效率為保持原電廠效率不變。而CHP系統的能量利用系數為

EUFcg小于1是由于在溫度Ta時還有部分熱能未經利用就排出了6/25/2024§3-2熱電聯產系統

由上述分析可知，將常規電廠轉換為CHP系統，實際上是犧牲了熱效率來獲取更高的能量利用率。以上是熱動力學方面的分析結論，是否值得作出這樣的轉換主要取決于經濟性方面的考慮。6/25/2024§3-3CHP的典型應用

一、電力和熱力負荷

在CHP可行性分析中，首要的和最重要的因素是得到電力和熱力負荷的精確表達，特別是當CHP系統不允許向電網輸送電能時。這樣的應用通常要求CHP能夠跟蹤電力負荷的變化，因此系統必須調整各自的輸出電功率，使其等于或小于電力負荷。30min或1h的負荷特性曲線特別適合用來對CHP系統做上述分析。熱負荷曲線由使用的熱水、低壓和高壓蒸汽的消耗以及制冷負荷等組成。電力負荷曲線的形狀以及最大、最小值之間的變化范圍在很大程度上決定了原動機的數量、容量和類型。

6/25/2024§3-3CHP的典型應用

對于承擔基于負荷的CHP，可向電網輸出電能，并且滿足最小的熱力負荷需要，CHP系統的容量設計規模在很大程度上取決于大規模能源市場的容量需求。

CHP的容量因數是一個關鍵指標，它表征了發電機的容量在運行中應該如何分配。

容量因數是表達CHP系統整體經濟性的一個有用方法，它表示了設備接近基本負荷運行的程度。容量因素定義如下：6/25/2024§3-3CHP的典型應用

對于大多數CHP應用來說，需要容量因數很高，目的是為了獲取最大的經濟效益。高容量因數有效地降低了系統的固定單元成本($/kW·h)，有助于保持CHP提供的電能與電網提供的電能相競爭的能力。若是相對恒定的電力負荷曲線，一般可選用燃氣渦輪發動機。多數的商業終端用戶具有變化的電力負荷曲線，天然氣往復式發動機廣泛應用于CHP，源于它具有很好的帶部分負荷運行、空氣質量符合環境要求以及容量多變的特點，使其適應許多商業和公共事業終端用戶的需要。

6/25/2024§3-3CHP的典型應用

二、可回收熱能

終端用戶的熱能需求決定了CHP系統的可行性，也用于選擇原動機。燃氣渦輪發動機提供的高質量的熱能，通常可用在蒸汽渦輪發動機系統中。某些正在開發的燃料電池技術，包括MCFC和SOFC，提供高品質的與燃氣渦輪發動機相比擬的熱能。往復式發動機在同樣的輸出功率范圍內，通常比大多數的燃氣渦輪發動機效率高，并能很好地適應熱力負荷比電力負荷低的場合。

6/25/2024§3-3CHP的典型應用

三、工業熱能的回收

工業生產中產生的額外的熱能或蒸汽，也可為CHP系統應用提供機會。如果這些多余的熱能可連續提供，或具有高負荷因數，并且具有足夠高的質量，則這些熱能就可以用于蒸汽渦輪發動機的基礎循環中，用于生產電能。除發電外，蒸汽渦輪發動機還經常用于驅動旋轉式設備，如空氣壓縮機或空調壓縮機等。若使用不同的渦輪設計方案，渦輪中排出的蒸汽可用于低級的加熱應用或者在CHP系統中用于制冷，多余的蒸汽也可以用在燃料電池中改良天然氣。6/25/2024§3-3CHP的典型應用

四、噪聲

盡管燃料電池在安裝時相對昂貴，但仍然在許多地方安裝并進行測試，特別是在停電造成的損失嚴重影響國家稅收或降低生成力，且按規定不能停電的場所。斯特林發動機應該也能在這樣的場合中得到很好的應用。它們相對安靜的運行狀態很有吸引力，因此通常安裝在擁擠的商業區。在居民區安裝渦輪發動機或發動機通常要求特殊的考慮和設計。發電機和渦輪發動機通常安裝在建筑物內，以削弱對周圍社區的噪聲影響，另外需要在其排氣口處安裝特殊的排氣消音器或者消聲器。燃氣渦輪發動機比往復式發動機更易安裝在工廠中封閉的環境內。由于需向外釋放熱能，因此需要更多的流通空氣，最可行的使用方案是將它們安裝在消音的建筑物中。6/25/2024§3-3CHP的典型應用

五、CHP系統的大小

三種CHP系統可提供緊湊型封裝形式：斯特林發動機最小，其次是燃料電池和微型渦輪發動機。較大型的蒸汽渦輪發動機、燃氣渦輪發動機和往復式的發動機可單獨的安裝于工廠封閉的區域內，或者處于一座有輔助設備的單獨的建筑物內。表3-2為不同類型的CHP的相對大小

6/25/2024§3-3CHP的典型應用

表3-2不同類型的CHP的相對大小CHP原動機類型CHP的相對大小/kW蒸汽渦輪發動機冷藏庫(100)/車庫(100000)燃氣渦輪發動機裝載車(3000)往復式發動機2個冰箱(30)微型渦輪發動機冰箱(30)燃料電池裝載車(200)斯特林發動機烤爐(3)6/25/2024§3-3CHP的典型應用

六、CHP系統的燃料

CHP系統燃料費用如表3-3所示。

表3-3CHP系統燃料費用燃料類型設備安裝費燃料費用運行和維護費用煤中(新)、非常低(舊)低中天然氣低低低石油中中高廢熱中零中沼氣中偏高低高6/25/2024§3-3CHP的典型應用

燃氣渦輪發動機潛在的系統問題是用戶的天然氣分配系統管道所能提供的壓力。如果不能提供高壓氣體，當地天然氣公司就必須專門建設高壓天然氣管道，或者由用戶購買專門的氣體壓縮機。

當天然氣無法提供或者非常貴的時候，CHP系統應當考慮采用柴油發動機。

6/25/2024§3-4熱電聯產系統的經濟性分析

熱電聯產系統的經濟競爭力在于它們可根據不同的負荷類型和大小選擇特定的工作場合和容量，并且當新的市場規則和新技術出現后，過去的指導方針及單憑經驗的作法將不再適用。本節將根據未來電能和燃料的價格、CHP的費用和性能以及用戶的規模和需求，得到可能的需求模式來評估CHP的競爭能力。預測一般只能提供平均價格。由于CHP極大地改變了用戶的負荷曲線，因此基于平均價格的分析將受到應用的限制。通常的做法是：分析人員將費用按基本負荷、中間負荷和峰值負荷三種形式來分配。6/25/2024§3-4熱電聯產系統的經濟性分析

一、CHP技術成本和性能特征表3-4為CHP系統的費用和性能比較，表中給出了小型50kW到大型的25MW實際應用規模的CHP特性。熱能比率和可回收熱能因數是從商業產品的技術規格得到的，但微型渦輪發動機例外，其性能因數是估計出來的。運行費用包括燃料和非燃料費用(如發動機火花塞和燃料電池組的更換等)。由上述分析可知，許多最有效的CHP技術只能采用非常純凈的，而且非常昂貴的燃料。最廉價的燃料是煤，但煤只能用于鍋爐/蒸汽渦輪發動機以及斯特林發動機中。6/25/2024§3-4熱電聯產系統的經濟性分析

表3-4CHP系統的費用和性能比較費用/性能特征微型渦輪發動機燃氣渦輪發動機性能容量/kW50100800500025000熱能/(kJ/kW·h)1330613127106051177910311排放熱能/(kJ/kW·h)44981786144351934522散熱劑/(kJ/kW·h)34042750費用封裝費用($/kW)500650350400300熱能回收($)150100757575排放物控制($)07029102100系統管理($)2533182015場地和建設($)3546252821工程($)2026141612市政($)5075381513勞工/安裝($)100130446045燃料壓縮機($)40003020連接/開關設備($加費用($)2533182015一般承包商加價($)1641971018164設備運輸($)8399518769基本監視費用($/kW)13751647842998789維護費用($/kWh)0.0100.0140.0110.0030.003電能費用($/kWh)無熱能回收0.0750.0850.0530.0510.040有熱能回收0.0670.0750.0420.0370.0276/25/2024§3-4熱電聯產系統的經濟性分析

CHP的最主要的經濟動力在于其生產的電能費用低于電力系統輸送的電能費用。CHP與傳統電力系統的中央發電、分散輸配電方式的發電成本比較如圖所示。6/25/2024§3-4熱電聯產系統的經濟性分析

多種CHP技術的原始費用變化軌跡如圖所示，圖中所有這些技術的費用都將平穩下降，而某些技術費用的降低速度遠大于其他的技術。

6/25/2024§3-4熱電聯產系統的經濟性分析

二、

CHP系統的融資

CHP項目通常由內部投資和債務投資共同來融資有時候，采用租借的方式可減少當地消費者為CHP項目提供原始資金的數額，使得擁有CHP系統的第三方獲得部分盈利。引入某種類型的折扣現金流分析方式

償還分析：償還分析是一種單憑經驗的方法，經常用于潛在能源開發項目的初步評估，主要分析需要多長時間才能從CHP系統的盈利中收回最初的投資，通常用年作為時間計算單位。折扣現金流分析決定一個項目在經濟上是否可行的方法是使用凈現值(NPV)，或者是內部收益率(IRR)。若凈現值為正，或者內部收益率大于決策者花費的成本，那么這一項目在經濟上就是可行的。

6/25/2024§3-5熱電聯產系統的效益分析

一、CHP的效率

將燃料轉換為電力的過程中，發電系統產生大量的熱能，三分之二以上輸入燃料的能量被轉換成熱能。作為一種可選方案，位于這些設施附近的對于熱能和電能有較大需求的用戶，利用簡單的熱電聯產系統就發出大量的熱能和電力。圖3-1顯示出正常的CHP系統優于傳統的遠距離供電和就地鍋爐熱能系統的組合。由圖3-1可知，CHP將輸入燃料的80%轉換為有用的能量輸出，其中30%轉換為電能，50%轉換為蒸汽或其他形式的有用的熱能。傳統的熱電分離生產模式要輸出同樣大小的能量，則需要163%的燃料輸入。與中央發電系統相比，CHP系統仍然能顯著地節約總的能源。就地使用的CHP也將輸配電系統的線損降至零，而典型的中央發電、輸配電送電的線損率一般為4%~7%。

6/25/2024§3-5熱電聯產系統的效益分析

二、CHP的排放

通過增加能量利用的效率，CHP極大地降低標準污染物如氧化氮、二氧化硫，以及非標準產生溫室效應的氣體如二氧化碳的排放量。圖3-8和圖3-9給出了采用不同的發電技術和燃料類型時，氧化氮和二氧化碳的排放量對比。由圖可知，從固體燃料、液體燃料到天然氣，采用CHP技術時，氧化氮和二氧化碳的排放量都將下降。CHP技術也能顯著地減少污染物的排放量，與先進的低污染排放的中央發電技術如氣體燃燒復合循環相比具有優越性6/25/2024§3-5熱電聯產系統的效益分析

圖3-8CHP系統和常規發電系統氧化氮排放對比6/25/2024§3-5熱電聯產系統的效益分析

圖3-9CHP系統和常規發電系統二氧化碳排放量比較6/25/2024§3-5熱電聯產系統的效益分析

三、輔助效益

在一個新建的電力系統中，CHP和其他分布式發電還能為電力系統提供配電方面的支持，它們也使得能源服務供應商或用戶具有了一定的為系統提供輔助服務的能力，主要包括：提供電壓和頻率支持，加強供電的可靠性和提高電能質量避免或延緩輸配電系統增容的高額投資承擔大規模電力系統的風險管理降低線損，提供無功功率控制減小停電造成的損失降低中央發電廠的備用發電容量緩解了輸電系統的容量限制6/25/2024§3-6熱電聯產系統的性能和燃料優化

一、概述

從經濟效益和環境保護方面考慮，監測熱電聯產(CHP)發電廠是必要的。發展更為成熟的發電和熱能生產技術將十分重要，而燃料選擇和能量轉換系統在能量生產中具有主要的地位。熱電聯產能量優化可通過優化其熱動力性能參數和合理的設計安排來達到目的。在技術上，熱電聯產可以做到既滿足能量供應，還具有低燃料消耗、低成本、高生產率和減少污染氣體排放等優點。本節討論的熱電聯產不僅僅指一種特定的技術，而是多種技術的綜合應用，既可滿足制冷或取暖的需求，也可以為用戶提供機械能或電能。新的熱電聯產系統還有待于繼續發展，必將具有很廣闊的應用前景。6/25/2024§3-6熱電聯產系統的性能和燃料優化

二、性能因數和指標

為了達到能量、經濟和環境方面的要求，熱電聯產發電廠運行效率應達到最優。然而，有時候這些目標是互相矛盾的，因此監測熱電聯產系統的性能及運行狀態是否處于最優化是非常重要的。1.性能因素(1)熱功比熱電聯產發電廠主要特性是熱和功率之比，即所利用的熱量和總電能之比。這個比值不是常數，而是壓力和發電廠負荷的函數。負荷減小時，熱功比增加。需求越穩定，應用效果越好。熱需求是隨季節變化的，冬季主要為熱力負荷，夏季為制冷負荷。

熱電聯產系統結構如圖3-10所示。熱功比的大小直接影響熱電聯產發電廠消耗的燃料量。6/25/2024§3-6熱電聯產系統的性能和燃料優化

圖3-10熱電聯產系統結構圖6/25/2024§3-6熱電聯產系統的性能和燃料優化

(2)燃料類型和有效性

理論上，任何燃料都適合于熱電聯產系統。而在實際應用中，化石燃料，特別是天然氣(既有經濟因素，也有環境因素)，占統治地位?？紤]環境因素，生物能源和其他形式的可再生能源將有可能取代天然氣的位置。例如，雙燃料(天然氣/燃料油)。天然氣具有比燃料油更低的價格，在油料緊張時可以取代燃料油。6/25/2024§3-6熱電聯產系統的性能和燃料優化

(3)環境的考慮和限制

關于污染限制的環境立法隨各地而異。如果立法較嚴，燃料的選擇和使用會受到環境性負荷限制的影響。減小常規化石燃料的消費可以減輕環境的壓力。廢氣的排放比率和類型取決于燃料類型。采用普通方法燃燒化石燃料，其廢氣直接向大氣排放。燃燒中排放的二氧化碳和二氧化硫與燃料中的碳和硫所占的含量直接相關。發電站每噸燃料燃燒所產生的氮氧化物大部分由發電廠的設計所決定，其余由燃料與空氣的混合方式及燃燒時所達到的溫度來決定。發電廠的改良會減小燃料消耗，廢氣排放量也會有相應的減小。

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2.性能指標燃料利用率基于熱力學第一定律給出的，是最直接的指標，僅僅考慮了能量的利用數值加權效率由于燃料利用效率同時考慮了熱能和功，通常和加權效率一起使用，即對熱能的利用引入加權因子放射本能效率隨著熱電聯產發電廠數量不斷增加，生產單位熱量所消耗的燃料將逐漸減少，在自由市場中將導致不同的熱功價格比。因此采用放射本能效率來精確描述燃料能量所產生的熱量能源節省率在評價或優化熱電聯產發電廠時，引入熱力學第二定律可得,表征發電廠燃料消耗情況6/25/2024§3-6熱電聯產系統的性能和燃料優化

3.燃料能量節約率(FESR)FESR是最好的標準，可用于熱電聯產發電廠的經濟評估。圖3-11說明了熱電聯產發電廠及熱電分離生產項目的基本框圖。

圖3-11熱電聯產和分離式電能、熱能生產示意圖6/25/2024§3-6熱電聯產系統的性能和燃料優化

總的燃料消耗可以表達為

如果熱電聯產發電廠不能提供所有負荷所需的熱能和電力，則還需要采用熱電分離的生產方式。上式中前兩項為熱電分開生產方式為滿足負荷需求時所需的燃料消耗量。CHP發電廠的燃料消耗可以表示為生產的熱能與熱效率的比值或生產的電功率與電效率的比值。

通過為CHP發電廠和熱電分開生產項目引入熱效率和電效率系數，并且引入CHP發電廠的熱功系數和需求側的熱功系數，則上式可表示為

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如果熱電聯產發電廠全部提供熱量，則有

如果熱電聯產發電廠產生的熱量與熱需求量之比為，則可以寫為總的燃料消耗可以與參考案例進行比較，要求熱量和發電分別進行比較。相對燃料消耗系數可以定義為6/25/2024§3-6熱電聯產系統的性能和燃料優化

如果將熱電聯產項目和參考熱電分離生產項目在生產同等熱量的條件下比較，則相對燃料消耗系數可用于評估任何熱電聯產項目和熱電分開生產項目或其組合，即

因此燃料消耗上的不同反應了熱電聯產發電廠節約燃料的能力。

第一項為參考鍋爐發電廠所消耗的燃料總和，在熱電聯產發電廠，此燃料可以產生出等額的功率。第二項為熱電聯產發電廠所消耗的燃料。比較燃料的不同消耗，則燃料節約為

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由于燃料節約為絕對值，燃料能量節約率(FESR)定義為熱電分開發電項目的燃料節約與消耗之比

，

本例中，熱需求與電力需求相等時，即FESR和Φ之間的關系很簡單當燃料節約為0時，可得考慮分開發電生產的效率為常數，熱電聯產發電廠的效率可以這樣得到：在熱電聯產發電廠的熱效率和電效率之間可以做出一條零節約線。6/25/2024§3-6熱電聯產系統的性能和燃料優化

三、燃料能量優化方法

1.設計優化熱電聯產發電廠是一個高效的系統，而不是若干組成部件的簡單疊加，這是其重要特點之一。要使設計的系統達到最大效率，最常用的方法是對熱力學系統進行放射本能分析，即分析從給定狀態到與周圍介質平衡的過程可做的最大功。

熱電聯產設備也有經濟使用壽命。在適合的環境下，熱電聯產設備的補償周期可以是3~5年，或更短一些。相對于燃料價格變動因素，熱電聯產發電廠的經濟效益對電價變動更為敏感。因此采取何種經濟分析方式進行分析時，敏感性分析都應作為可行性研究的一部分。

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2.運行優化系統運行和停止的時間可以由運行計劃簡單的加以控制。多數情況下熱電聯產發電廠采用一種以上的燃料，運行時可選擇最便宜的燃料。選擇燃料的關鍵因素取決于所提供的鼓勵政策及燃料的質量。有些國家鼓勵使用更好的燃料，例如天然氣、沼氣等。質量低的燃料有時價格較為便宜(隨國家不同而異)，但是處理和燃燒質量差的燃料，以及遵守環境保護法規時，需承擔一些額外的成本。優質燃料通常會更貴一些，而且是基于化石燃料的。選擇何種燃料會影響原動機的類型。6/25/2024§3-6熱電聯產系統的性能和燃料優化

3.環境優化

優化發電廠的效率在很多年前就已經被認識到。煤、油氣等燃料費用始終是燃燒發電廠運行總成本的一個主要部分。減少燃料消耗對于發電公司降低成本發電，提高市場競爭力是非常重要的。在目前的發電廠中，對于熱效率的優化還有小的改進余地。例如，如果將熱效率從37.0%提高到37.1%，對于容量為2000MW的發電廠而言，一年可以減少燃料消耗14500t，相當于每年減少上百萬美元的支出。根據發電廠的不同設計，能量效率在不同運行階段是不同的。對現有的發電廠設計上進行改進，能使系統效率更高，而在系統維護和成本效益方面也會有很大的好處。6/25/2024§3-6熱電聯產系統的性能和燃料優化

四、熱電聯產中先進的燃燒技術和循環技術

1.燃燒技術目前有很多采用燃燒技術來生產電能和熱能的方法，如以蒸汽和熱水的方式生產熱能、以蘭金蒸汽循環的方式生產電能、以熱電聯產的方式同時生產電能和熱能等。此處分析的先進的熱能和電能生產主要考慮兩個方面的目標：改善生產過程中轉換效率減少排放的廢氣，同時保持系統的高效性和較低的運行費用6/25/2024§3-6熱電聯產系統的性能和燃料優化

(1)燃料噴射燃燒燃料噴射燃燒是將煤研磨成精細的顆粒與空氣混合噴入燃燒室的底部進行燃燒，燃料顆粒在懸浮的狀態下燃燒并釋放出熱能。大多數燃料噴射燃燒用于發電廠，煤燃燒產生的熱能傳送到燃燒室墻壁中鋪設的管道內的水中，從而產生高溫、高壓的蒸汽，并將它們送到汽輪機-發動機組生產電能。現代實際應用中處于接近臨界狀態的發電廠，汽輪機-發電機組運行的蒸汽壓力約為180Pa，溫度約為570℃，發電效率可達39%；而精密設計的過臨界狀態的發電機組其蒸汽壓力可達約240Pa，發電效率可達