第7章 分布式能源的利用与控制技术

第7章分布式能源的利用与控制技术第7章分布式能源的利用与控制技术机械工业出版社第7章分布式能源的利用与控制技术2机械工业出版社主要内容7.1分布式能源的特征及其应用7.2天燃气、燃气发电与控制技术7.3氢能、氢燃料电池发电与控制技术7.4分布式能源的综合利用及经济技术评价第7章分布式能源的利用与控制技术3机械工业出版社7.1分布式能源的特征及其应用7.1.1分布式能源的特征分布式能源也叫分布式资源（DER，DistributedEnergyResources），是一种能源的分布式应用系统，实现用户端的能源综合利用，相对于传统的集中供电方式而言，是指将冷--热--电系统以小规模、小容量（数kW—50MW）、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出冷（Cooling）、热（Heating）、电能（Power）的系统。第7章分布式能源的利用与控制技术4机械工业出版社1.分布式能源的定义国际分布式能源联盟（WADE，WorldAllianceforDecentralizedEnergy）对“分布式能源”给出的定义是：发电系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有：①高效的利用发电产生的废能生产热和电；②现场端的可再生能源系统；③包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循环利用系统。这些系统就称为分布式能源系统，而不考虑这些项目的规模、燃料或技术，及该系统是否联接电网等条件。第7章分布式能源的利用与控制技术5机械工业出版社国际公认的两个具有发展前途、重要的分布式能源利用形式：•微型燃气机发电机组，这是实现热电联产、高效利用能源和节能的主要形式；•“燃料电池”技术，这也是未来主要的分布式能源利用技术之一。第7章分布式能源的利用与控制技术6机械工业出版社2.分布式能源主要特征：•(1)高效性•(2)环保性•(3)能源利用的多样性•(4)调峰作用•(5)安全性和可靠性•(6)减少国家输配电投资•(7)解决边远地区供电第7章分布式能源的利用与控制技术7机械工业出版社分布式能源的先进技术包括太阳能利用、风能利用、燃料电池和燃气内燃机冷-热-电三联供等多种形式；主要技术有：电能有效利用（EUEE，EfficientUtilizationofElectricalEnergy）、智能通信技术（ICT，InformationandCommunicationsTechnology）、智能模块（SmartBox）、主动网络管理（ANM，ActiveNetworkManagement）以及微网（Micro-Grids）和智能电网（Smart-Grids），并实现整合预期能源发展的柔性电网（FENIX，FlexibleElectricityNetworkstoIntegratetheeXpected'energyevolution）。第7章分布式能源的利用与控制技术8机械工业出版社3.分布式能源的综合利用：燃气-蒸汽联合循环发电燃料电池发电--余热利用技术整体煤气化联合循环（IGCC）煤炭气化多联产热--电--冷三联产风--光--燃气互补多联产发电等领域。第7章分布式能源的利用与控制技术9机械工业出版社7.1.2分布式能源的主要应用形式1.分布式能源转换设备及装置（1）小型燃气轮机（2）微型燃气轮机（3）燃料电池（4）微型蒸汽轮机--蒸汽轮机（5）微型水轮机和微型抽水蓄能电站（6）太阳能发电系统（7）风力发电系统（8）余热制冷系统（9）热泵系统（10）能量回收系统第7章分布式能源的利用与控制技术10机械工业出版社2.分布式能源中的系统优化技术（1）多种能源系统整合优化（2）将分布式能源与交通系统整合优化（3）分布式能源系统电网接入研究（4）储能技术（5）地源储能技术（6）网络式能源系统第7章分布式能源的利用与控制技术11机械工业出版社3.分布式能源中的资源利用技术（1）天然气凝结水技术（2）将分布式能源与大棚结合的技术（3）利用发电制冷的冷却水生产生活热水的技术（4）空调系统废热回收技术（5）污水水源热泵系统（6）小型生物质沼气生产技术第7章分布式能源的利用与控制技术12机械工业出版社4.分布式能源的主要应用形式热-电-冷联产技术燃气轮机发电系统微燃气机发电系统氢燃料电池发电系统风力发电系统小水电发电系统太阳能光伏发电系统地热能综合利用热-电联产系统生物质能源发电系统第7章分布式能源的利用与控制技术13机械工业出版社7.2天然气、燃气发电与控制技术天然气是指地层内自然存在的以碳氢化合物为主体的可燃性气体。组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，一般把甲烷分子含量超过99%的天然气水合物称为甲烷水合物（MethaneHydrate）。第7章分布式能源的利用与控制技术14机械工业出版社7.2.1天然气的特征与利用1.天然气的特征存在方式：（1）占据大的岩石粒间孔隙；（2）以球粒状散布于细粒岩石中；（3）以固体形式填充在裂缝中；（4）大固态水合物伴随少量沉积物。第7章分布式能源的利用与控制技术15机械工业出版社气水合物与冰、含气水合物层与冰层之间有明显的相似性：（1）相同的组合状态的变化——流体转化为固体；（2）均属放热过程，并产生很大的热效应；（3）结冰或形成水合物时水体积均增大；（4）水中溶有盐时，二者相平衡温度降低，只有淡水才能转化为冰或水合物；（5）冰与气水合物的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小于同类的水层；（6）含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层；（7）含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。第7章分布式能源的利用与控制技术16机械工业出版社我国天然气的现状（1）天然气在中国是一种稀缺资源（2）中国能否创造一条高效利用天然气的独特道路（3）电力与天然气应统筹安排合理利用（4）分布式能源供给体系发展长期滞后第7章分布式能源的利用与控制技术17机械工业出版社世界天然气的发展前景世界天然气供给前景第7章分布式能源的利用与控制技术18机械工业出版社世界天然气需求趋势第7章分布式能源的利用与控制技术19机械工业出版社世界天然气贸易前景第7章分布式能源的利用与控制技术20机械工业出版社世界天然气价格展望第7章分布式能源的利用与控制技术21机械工业出版社7.2.2小型燃气轮机发电机组燃气轮机按功率分为：大型燃机(100MW以上)中型燃机(20～100MW)小型燃机(20MW以下)微型燃机(小于300kW)第7章分布式能源的利用与控制技术22机械工业出版社燃气轮机又可分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机•轻型燃气轮机为航空发动机的转型产品，如LM6000PC和FT8燃气轮机，其优势在于装机快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电力调峰、船舶动力。•重型燃气轮机为工业型燃机，如GT26和PG6561B等燃气轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电冷联产。轻型燃气轮机重型燃气轮机第7章分布式能源的利用与控制技术23机械工业出版社1.燃气轮机的工作原理燃气轮机排气口燃烧室燃料入口空气入口燃气轮机工作原理燃气轮机优点：效率高、功率大、体积小、投资省、运行成本低、寿命周期较长等。主要用于发电、交通和工业动力。燃气轮机由燃烧室、压气机、轮机装置组成第7章分布式能源的利用与控制技术24机械工业出版社2.燃气轮机的发电方式（1）简单循环发电由燃气轮机和发电机独立组成的循环系统优点：装机快、起停灵活，多用于电网调峰和交通、工业动力系统。美国GE公司的LM6000PC轻型燃气轮机是目前效率较高的开式循环系统，其发电效率为43%。第7章分布式能源的利用与控制技术25机械工业出版社（2）前置循环热电联产或发电组成：由燃气轮机、发电机与余热锅炉共同组成的循环系统。工作原理：它将燃气轮机作功后排出的高温废烟气通过余热锅炉回收，转换为蒸汽或热水加以利用。应用：热电联产，也有将余热锅炉的蒸汽回注燃气轮机提高燃气轮机出力和效率。改进：为提高供热的灵活性，大多数前置循环热电联产机组采用余热锅炉回补燃烧技术，补燃时的总效率超过90%。第7章分布式能源的利用与控制技术26机械工业出版社（3）联合循环发电或热电联产组成：燃气轮机及发电机与余热锅炉、蒸汽轮机或供热式蒸汽轮机（抽汽式或背压式）共同组成的循环系统。工作原理：它将燃气轮机作功后排出的高温废烟气通过余热锅炉回收转换为蒸汽，再将蒸汽注入蒸汽轮机发电，或将部分发电作功后的废气用于供热。应用：主要用于发电和热电联产。ABB公司的GT26－1产品作为高效率发电的代表性联合循环系统，发电效率达到58.5%。第7章分布式能源的利用与控制技术27机械工业出版社（4）整体化循环组成：由煤气发生炉、燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机共同组成的循环系统，也称为IGCC。优点：主要解决使用低廉的固体化石燃料代替燃气轮机使用的气体、液体燃料，提高煤炭利用效率，降低污染物排放。作用：可作为城市煤气、电力、集中供热和集中制冷、以及建材、化工原料综合供应系统。目前，GE公司使用MS7001F技术组成的整体循环系统，发电效率可达到42%。第7章分布式能源的利用与控制技术28机械工业出版社（5）核燃联合循环组成：由燃气轮机、余热锅炉和核反应堆、蒸汽轮机共同组成的发电循环系统。工作原理：通过燃气轮机排出的烟气再为热核反应堆输出蒸汽。应用：主要是为了提高核反应堆蒸汽的温度、压力，提高蒸汽轮机效率，降低蒸汽轮机部分的工程造价。第7章分布式能源的利用与控制技术29机械工业出版社（6）燃机辅助循环工作原理:在以煤、油等为燃料的后置循环发电汽轮机组中，使用小型燃气轮机作为电站辅助循环系统，为锅炉预热、鼓风，改善燃烧，提高效率，并将动力直接用于驱动给水泵。1947年美国第一台工业用途的燃气轮机就是采用该种方式参与发电循环系统的。第7章分布式能源的利用与控制技术30机械工业出版社（7）燃气烟气联合循环组成：由燃气轮机和烟气轮机组成的循环系统。工作原理：利用燃气轮机排放烟气中的剩余压力和热力进一步推动烟气轮机发电。特点：该系统与燃气蒸汽联合循环系统比较可完全不用水，但烟气轮机造价较高，还未能广泛使用。第7章分布式能源的利用与控制技术31机械工业出版社（8）燃气热泵联合循环组成：由燃气轮机和烟气热泵，燃气轮机、烟气轮机和烟气热泵，或燃气轮机、余热锅炉、蒸汽热泵，以及燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机和蒸汽（烟气）热泵组成的能源利用系统。工作原理：该系统在燃气轮机、烟气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等设备完成能量利用循环后，进一步利用热泵对烟气、蒸汽、热水和冷却水中的余热进行深度回收利用，或用动力直接推动热泵。第7章分布式能源的利用与控制技术32机械工业出版社应用：这一工艺可用作热电联产、热电冷联产、热冷联产、电冷联产、直接供热或直接制冷利用。特点：该系统热效率极高，如果用于直接供热，热效率可达150%，是未来能源利用的主要趋势之一。第7章分布式能源的利用与控制技术33机械工业出版社（9）燃料电池――燃气轮机联合循环组成：由燃料电池和燃气涡轮机结合在一起的发电设备。工作原理：电池以天然气为燃料，能放出高温高压的废气流，燃气涡轮机则用燃料电池产生的热废气流产生电力。特点：污染少；只要有天然气和空气存在，燃料电池就能工作；发电效率高达55%，燃煤发电效率35%，燃气涡轮机发电效率50%。第7章分布式能源的利用与控制技术34机械工业出版社根据国际实际应用经验，发展热电联产特别是小型燃气轮机热电冷联产，是合理利用天然气资源的最佳途径和最有效手段。优势：提高能源利用效率，有效改善环境；提高天然气的储采比；降低开采、输送成本；实现全系统优化；降低气价、提高用户的市场竞争能力。第7章分布式能源的利用与控制技术35机械工业出版社从我国西气东输沿线的能源设施布局看，主要是发展单机3～15MW、全厂总装机小于30MW、蒸汽供应能力200吨之内的小型燃气轮机热电冷联产项目，以现有区域、企业自备热电厂改造为主。小型燃气轮机热电冷联产的方式极为多样，