分布式燃气发电技术调研.ppt
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1、分 布 式 燃 气 发 电技 术 调 研目 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23456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1kW100MW。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,
2、包括石化燃料、太阳能、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。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
3、规模燃气分布式能源供电系统,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。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
4、布式能源系统,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。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、
5、风能、地源热泵等再生能源进行综合利用。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%。到
6、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。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23456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,是最主要、也是最清
7、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。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。它由燃气发动机、发电机和
8、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。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。此电池可以提供不间断的稳定电力,直至燃
9、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。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。此电池可以提供不间断的稳定电力,直至燃料耗尽。燃
10、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。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电源,减小了大电网的供电压力。发电、输电、
11、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。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,经济性还需详细计算。分布式燃气发电的联合供能分布式
12、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世纪最具经济潜力的组合方式。同时,天然气作为一种清洁、高效的能源,
13、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。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23456国内相关标准分布式燃气发电相关标准JB/T9583.11999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。JB/T10629-2006燃气机通用技术条件和试验方法该标准规
14、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/T1147.1-2007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。国内相关标准分布式燃气发电相关标准GB/T2820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)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
15、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/T15548-2008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。国内相关标准分布式燃气发电相关标准JB/T5884-1991燃气轮机控制与保护系统该标准规定了燃气
16、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/T7822-1995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。CJJ145-2010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、施工、验收和运行管理。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
17、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ANSIB133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ASMEPTC17往复式内燃机DIN4342燃气轮机-标准参考条件、标准功率、性能数据目 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23456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
18、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
19、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、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
20、特性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
21、。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。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。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
22、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年。微型燃气轮机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
23、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。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、冷却系统、点火系统、起动系统。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
24、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。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
25、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。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
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