十五献策

小型热电联产的选择

中国能源网 www.China5e.com   韩晓平

目录：

1、小型燃气热电联产的优势
2、燃气热电联产的方式
2.1、 小型燃气轮机热电联产--高品质热能的最佳选择
2.2、 微型燃机热电联产--21世纪的潮流
2.3、 气内燃机热电联产--传统技术的沿用
2.4、 燃气外燃机热电联产--老发明新用途
2.5、 燃气电池热电联产--人类理想的热电技术
2.6、 燃气锅炉-蒸汽轮机热电热电联产--特定燃料的选择
3、选择

2000年中国能源行业有一件具有历史意义的事件，这就是由国家发展计划委员会、国家经济贸易委员会、建设部和国家环保总局联合下发了《关于发展热电联产的规定》。这是执行《中华人民共和国节能法》等有关法律，实施可持续发展战略、贯彻环境保护基本国策和提高能源综合利用效率的重要行政规章。

       《规定》再次明确了国家鼓励发展热电联产的政策，特别支持发展以天然气为燃料的燃气轮机热电联产项目，同时强调了国家积极支持发展小型燃气机组组成的热电联产和热电冷联产系统。

目前，北京、天津等地正在积极利用陕甘宁天然气资源，上海、江苏和浙江等地正在安排落实"西气东数"工程的市场，为发展小型燃气轮机热电联产提供了机遇。世界各国的经验表明，发展小型热电联产是合理、高效利用天然气资源的最佳手段，对于改善环境、消化因燃料调整带来的成本增加，都是最好的解决方案。      

目前全世界都在推动第二代能源系统的建设，积极进行立法准备，抓紧开发相关设备。微燃机、燃料电池、燃气外燃机、各种循环流化床锅炉等先进设备的陆续投产与应用，以及小型燃气轮机、燃气内燃机等传统设备的不断改进和热电联产化，为第二代能源体系的建立，奠定了坚实的基础。一个由因特网和智能化计算机指挥调度的，由无数小型、微型热电冷系统组成的自下而上的能源系统，将在21世纪初改变传统的由大型火电厂，高压输电线路和多层电压网络系统构成的，以及各种供热采暖锅炉共同组成的城市传统能源体系。人类将从工业时代的"规模效益"，转向信息时代以效益定规模的生产方式。

如何选择小新燃气热电联产方式，已经成为人们关注的一个焦点问题。

1、小型燃气热电联产的优势

北京有一个房地产公司最近要开发建设一座高层公寓大楼。因为有电梯，劳动部门要求至少两路供电，消防部门也要求电源不能少于两路，否则需要安装自备发电机组。开发商从供电部门得到的信息是，其中一路电缆必须入地，需要建设费至少200万元。解决天然气采暖需要购置至少安装2台燃气锅炉，投资超过50万元，投资需75年才能回收，锅炉寿命只有20年。如果采用宝曼80kW微型燃机热电联产设备，两套总投资120万左右，可以不用建设第二路供电线路和燃气锅炉，投资节省130万元，设备能在4年之内回收。由此可见，发展小型热电联产是具有一些明显优势的。

1.1、 小型燃气热电联产可以更加有效配置资源，稳定、持续地利用天然气、煤层气等资源，减少燃气的调节，降低因燃气调峰导致的储采比下降，地下储气库损失等不必要的资源浪费，减少燃气管网的建设投资，提高设备运行效率，从而达到降低燃气利用成本，提高用气企业的竞争能力；

1.2、 在计划经济体制下，行业是以产品划分的，能源设施的产品和任务非常单一，电力、热力、燃气各自独立，能源设施的重复投资建设，增加了运行成本，降低了效率，直接造成能源代价的提高。小型热电联产打破了传统的界限，将采暖、热水、电、冷、燃气、水资源合理利用和环境污染治理统筹考虑，以最小的资金、资源和环境代价，换取最高的投资效益、能源转换效率和能源设施效能。减少了电网及配变电、热力管网及热交换站、燃气管网及调峰系统、自来水管网、制冷设备、热水供应设施和环境污染治理等多项投资，一石数鸟；

1.3、 燃气热电联产将燃气资源的用户端利用效率提高到80%，并将其中一部分能量转换为高价值的电能，有效节约了资源。同时小型的燃气热电装置，可以将热、电在输送中的损耗降至最低，减少了能源的浪费；

各类燃气热电联产设备的效率比较

1.4、 小型燃气热电联产体系实际是一种能源设施的互联网，它通过蜂窝状的小型、微行供能设施的互相连接，提高了城市的供能可靠性。此外，各厂家的设备都设计了自动调频并网系统，可以保证电网的运行安全；

1.5、 小型热电设备如果如直燃、蒸汽或热水空调系统结合，实现热电冷联产，可以大幅度削减因电空调造成的高峰负荷，优化用电结构，提高型发电大机组设备利用率，保证电网的安全运行；

1.6、 小型热电联产不仅自身污染小，对环境污染的治理效果也十分突出。由于用户端的能源利用效率高，真正减少二氧化碳等温室气体的排放；代取了大量电空调，可有效减少了臭氧层的破坏；一些小型热电设备氮氧化物排放极低，入宝曼微燃机的排放值为16ppm，索拉小燃机的排放25ppm，远低于燃气锅炉200-300ppm的水平；

各类燃气热电联产设备的氮氧化物排放比较

1.7、 小型燃气热电联产具有较好的综合经济效益，除了上述的各类能源项目的投资可以减少外，由于资源利用效率高，没有也无须承担电力的线损和热力的管损，减少了若干个经营环节，加上自身的高自动化程度可以实现无人职守，极大地降低了设备的运行成本。根据测算，宝曼微燃机如果用于北京的宾馆，燃气价格与其他形式热电联产同价，不到3年可以回收投资，用于居民楼不到5年可以收回投资，这是其他能源设施根本无法想象的。

热值/热价/热代价关系比较

注： 平均有效热能利用率--指燃料转换有效热能的平均百分比
热代价--指在利用某一燃料转化热能时所需支付的燃料费用
各种燃料热值均采用低热值，民用蒸汽压力0.5MPa 饱和，工业蒸汽压力1MPa过热

从上表可以看出，发展热电联产所提供的主要能源是蒸汽热水等热成品，对与热用户来说，热电蒸汽在各种能源产品中的热代价最低，使用最为便捷，能源利用设施的投资最节约，经济效益必然最为理想。这也说明了发展热电联产的必要性。

2、燃气热电联产的方式

2.1、 小型燃气轮机热电联产--高品质热能的最佳选择：

国际上通常将300kW-20000kW的燃气轮机规类为小型燃气轮机。燃气轮机的余热品质极佳，几乎全部是500℃左右的烟气流，非常便于回收利用，这是其他热电联产方式难以代取的。位于美国圣地亚哥的索拉透平公司的成品比较具有代表性的，该公司生产1-13MW小型燃气轮机，总产量超过1万余台，大量应用在热电联产项目上，中国也已引进近70台，其性能见（附件1）。此外，GE、罗?罗等公司也有小型燃气轮机产品，但多是从飞机发动机改造而成，维护要求较高，运行可靠性存在一定问题，其发电效率很高，但余热品质偏低，不适合于热电联产。

Solar 公司小型燃机热电联供系统功效比较分析

主要优点：

（1） 小型燃机热电联产设备比其他热电联产更加坚固耐用，一般何以连续运行30年，例如索拉燃机的大修周期超过3-4万小时；

（2） 适用于多种气体燃料和液体燃料，例如索拉燃气轮机既可以燃烧各类可燃气体，又能随时切换另一种液体燃料，如：柴油或液体的液化石油气，这一性能无论对燃气管道的安全运行，还是供电供热的用户的供能安全，都是非常有必要的；

（3） 由于余热回收的方式简单，热电联产的千瓦造价较低；

（4） 高品质的余热，可以用于各种工艺方式，可采用联合循环热电联产，通过生产的蒸汽采暖、制冷。也可采用燃气轮机-蒸汽轮机联合循环热电联产，这样发电效率更高，效益更好。可将小型燃气轮机直接与直燃机结合，进行热电冷联产。还可将小型燃气轮机发出的电能或直接利用其动力驱动热泵运行，并将余热用于提高或降低冷热水的温度，提高全系统的效率，降低系统造价；

（5） 运行费用低，热效率高，经济效益好。

主要缺点：

（1） 容量规模比较大，燃气轮机一般不小于1MW，供热量3.5t/h，使用范围受到一定局限，主要用于工业设施和大型公用建筑、社区、院校和医院等；

（2） 需要的燃气压力较高，在低压管道中运行需要对燃气增压。

小型燃气轮机热电联产工艺示意图

2.2、 微型燃机热电联产--21世纪的潮流：

美国的能源专家将微型燃气轮机称之为能源的PC机（个人电脑），它在未来第二代能源系统中的位置将处于与PC机在因特网中相同的位置，具有极大的发展前景。具有代表性的厂家主要是英国的宝曼公司，美国的卡伯斯通和刚刚被GE公司兼并的霍尼韦尔公司，产品从25kW-80kW，各公司都在开发200-300的微型燃气轮机，以满足较大的公用建筑使用。其核心技术是：a.高速转子--转速在每分钟12万-6万转；b.烟气回注--将燃烧后的高温烟气对进行燃料预热的提高能效的技术；c.小型永磁发电机；d.自动控制技术。

主要优点：

（1） 体积小，重量轻，随处可放。一台宝曼80kW微型燃气轮机热电联产装置，可供热420kW，满足一座建筑面积6000平米大楼的采暖、制冷与生活热水供应。其几何尺寸为：高 1.87m，长3.08m，宽0.85m，重量仅1.8吨；

（2） 可以多台组合运行，加上蓄热水柜，能够灵活、可靠地对不断变化中的热、电需求进行调节；

（3） 能够通过因特网和自身的计算机系统指挥其自动运行，无需人员职守、运行费用低；

（4） 燃气不用增压，可以直接从燃气高压管网取气，也可从低压管网抽气；

（5） 可与直燃机连接实现热电冷联产，也可通过生产热水，与热水空调组合运行；

（6） 综合投资低，用户端的能量利用效率高、设备运行效费比低，效益好。

Bowman 微燃机投资回收比较

主要缺点：

（1） 技术相对较新；

（2） 发电效率还是偏低，各厂家的设备发电效率均不超过28%；

（3） 必须与因特网技术共同发展，最好有网络提供远程支持。

宝曼微燃机 Bowman TG80 CHP 经济性比较分析

                             
微燃机工艺示意图                                   核心机剖面图  

2.3、 气内燃机热电联产--传统技术的沿用：

最早的燃气内燃机是美国卡特彼勒公司于1940年开发生产的，它主要是基于柴油发电机和汽油发电机的技术，以各种可气体为燃料。燃气内燃机将燃料与空气注入气缸混合压缩，点火引发其爆燃做功，推动活塞运行，通过气缸连杆和曲轴，驱动发电机发电。世界生产燃气内燃机产品的公司很多，如：美国的卡特彼勒、康明斯、荷兰的瓦西兰等，我国也有多家企业可以生产，主要是生产柴油机的公司。

卡特彼勒燃气内燃发电机热电联产技术参数

主要优点：

（1） 技术成熟，工艺稳定，已经被广泛采用。仅在我国各个油田，卡特公司就有超过200台燃气内燃机正在利用油井天然气运行，其中一些设备已经稳定运行超过15年；

（2） 发电效率高，通常在32-40%。这对于电力需求较大的用户十分合适；

电能转换比较

注：* 燃油锅炉有效热能转换效率90%，凝汽发电，进汽压力3.43MP，温度435℃，汽耗4.75kg/kWh。

（3） 可选择的机组容量范围大，从几十千瓦至近万千瓦的产品市场上都可以找到；

（4） 燃气可以利用燃气内燃机自身携带的空气压缩机增压，不用另配增压设备；

（5） 使用多种低热值燃气，应用范围大。

主要缺点：

（1） 体积大，重量大，热电联产不宜布置；

（2） 运行维护成本高，大修费用高；

（3） 由于内燃机作功需要震暴，导致噪音很大，通常超过100分贝；

（4） 余热回收复杂，需要对烟气、汽缸冷却水、中冷器三段热量进行回收；

（5） 供热量小；

（6） 一些厂家产品的运行稳定性还存在一定疑问，例如：安装美国X X X公司的燃气内燃机的公共汽车的抛锚现象，在北京街头时常可见。

2.4、 燃气外燃机热电联产--老发明新用途：

燃气外燃机是根据1816年苏格兰人Ro斯特林一项发明的原理设计改进而来的，又称斯特林发动机或热气机。外燃机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。

主要优点：

（1） 体积小，一个25kW的机组，体积仅有办公桌大小；

（2） 因为做功不发生震暴，噪音很小，可在65分贝以下；

（3） 发电效率高，可达到29%；

（4） 燃气不用增压；

（5） 外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。

主要缺点：

（1） 技术太新，应用经验不足；

（2） 余热品质低，仅有冷却水可以加以利用；

（3） 可选择机组仅有25kW机组。

                                    
STM外燃机外型                                核心机剖面图

2.5、 燃气电池热电联产--人类理想的热电技术：

尽管燃料电池技术达到广泛应用还需一段时日，但这一技术的进展极为迅速，世界各国都投入了大量资金、人力进行开发研究，因为燃料电池代表了未来的能源技术。

燃料电池有多种方式，一般都适合热电联产，主要分类为：1、质子膜交换燃料电池，将氢气和空气中的氧气通过作为固体电解质的质子交换膜反应，生成电能和60-80℃热水，发电效率为40%，造价较低，极具应用价值，特别是家庭热电设施和汽车上可以广泛使用；2、熔融碳酸盐燃料电池，通过多孔陶瓷材料和金属材料，将熔融状态的碳酸盐作为电解质，直接利用氢气、煤气、天然气或沼气等在高温下非燃烧反应，发电效率高达45%，并能产生600-700℃高温余热，可以代替燃气轮机的燃烧室，形成燃料电池--热气轮机--蒸汽轮机联合循环热电联产，热效率极高，可以在发电效率超过60%的情况下，取得接近95%的热电效率。是将来大型发电/热电设施的理想选择；3、固体氧化物燃料电池，以固体氧化物作为电解质量，在高温下进行非燃烧反映，工作温度可超过800℃可利用氢气、一氧化碳、天然气、煤汽化气、等多种燃料，最适合集中或分散发电和热电联产，使用燃料电池--热气轮机--蒸汽轮机联合循环发电时效率可提高到70%，热电效率接近95%。

主要优点：

（1） 除了产生纯净二氧化碳可一回收利用外，其他污染物的排放为零，几乎没有污染；

（2） 体积极小，8kW 质子交换膜机组只有一台20寸彩电大小；

（3） 发电效率极高45-70%；

（4） 燃料应用非常广泛，几乎所有含氢的物质；

（5） 运行无须人员职守，运行费用低；

主要缺点：

（1） 目前造价还是过高，最便宜的支子膜燃料电池如果成批生产，造价也需要15000元/kW。预计2010年，质子膜电池将可下降到400美元/kW；

（2） 通常需要制氢设备；

（3） 技术新，很多问题还需要解决；

2.6、 燃气锅炉-蒸汽轮机热电热电联产--特定燃料的选择：

不是所有气体燃料都适合上述各种先进或传统技术（不包括燃料电池），有时传统技术使用得当也能取得理想的效益。对于已经采用燃气锅炉的一些单位，如果利用蒸汽压差安装小型或微型背压汽轮发电机，通过生产一部分高价值的电能减少因更换燃料带来的成本攀升，也是有意义的。

主要优点：

（1） 燃料适应性强，目前的锅炉技术基本可以燃烧各种可燃气体，何以利用其他方式难以利用的燃料，如极低热值的高炉燃气等；

（2） 二手产品随处可见，造价可以控制到较低的水平；

（3） 发电效率虽低，但综合热效率不低，特别在使用背压机时。

主要缺点：

（1） 电效率低；

（2） 能与经济性相对较差。

3、选择

用户应根据自己对热量、电量的实际需求，对供热性质的要求，热产品的形式，供能安全标准和燃料资源的配置，合理选择装机技术方案。根据不同的燃料资源配置状况，合理选择一种或两种以上的混合燃料。实事求是地，适度规模选择自己的能源利用方案。应将自己的需求在更大、更广泛的系统中去权衡比较，切勿用小农经济的思想来考虑问题，不要追求能源供应的绝对独立。

以北京地区一座3万平方米综合建筑工程为范例，研究合理选择需要考虑的问题。因为燃气外燃机目前只有25kW机组可供选择，显然太小。燃料电池因成本太高，目前还不能作为选择的对象。燃气锅炉--蒸汽轮机的方案，在此不具代表性。所以只以小型燃气轮机、微型燃气轮机和燃气内燃机作为方案的主要选型设备，并同燃气锅炉进行对比。

燃气热电联产设备技术性能比较

就以上设备而言，燃气内燃机发电效率最高，分摊到每建筑平方米的电力也最大；热电总效率宝曼热电微燃机最高，分摊到每建筑平方米的电量最小；小型燃气轮机对3万平方米的建筑，有点大马拉小车，但分摊到每建筑平方米的电量居中。一般一座3万平方米的建筑，每平方米需要电力容量在30-50W之间，需报装电力在1000-1500kW。采用燃气微燃机--直燃机联合循环热电冷联产，可以不需要考虑电空调负荷，电力容量何以大幅度降低。根据用电规律，热电微燃机可以在基本负荷区间运行，而其他机组或多或少要进行调峰运行，这样设备利用小时将会有很大差别，直接影响到经济效益，蓄热设备的投资也将增加。如果电网电价高，选择发电量调节灵活的方案效益好，如果电价低，选择电量小的更实际。

3万平方米建筑热电联产配置比较

对于一座建筑物，电力可以依靠外部保障，但供热必须完全依靠自己，还要预留一定的备份容量才能保证供能的可靠。北京地区的热量、制冷能量为每建筑平方米40-60W之间。考虑到热水和天气变化因素，在一台设备出现故障时，供热量不应低于标准供热、制冷能量的70%。根据上述因素分析，微燃机和燃气内燃机都符合要求。

在评价设备选型方案时主要需要考虑的因素应该是：1、单位供能千瓦造价、单位发电千瓦造价和设备总造价之间的关系；2、发电、供热容量的有效利用率；3、设备千瓦运行费用和总运行费用，由于这些设备对于中国的热电联产行业都缺少经验，我们只能参考国外资料。

小型能源装置性能、造价和运行成本比较

援引：美国燃气研究院丹·金凯德《小型区域热电设施在能源市场竞争中的角色》

假定供热收入能够与燃气成本持平，根据设备所节约的电费来收回投资的周期，是对小型热电联产技术选型方案评价的最佳方法。

3万平方米建筑热电联产配置经济比较

根据上面的分析，基本可以得出以下结论：

1、 由上表的结果可以看到，微燃机投资最小，投资回收期最短，在电力供应能够满足和未采用峰谷差电价的情况下，应该是最佳选择。

2、 燃气内燃机发电效率高，调节能力强，如果自身是一个独立的能源系统，可以选择这一方案。若是要解决供热能力与发电量匹配的问题，可将燃气内燃机和微燃机配合使用。

3、 小型燃气轮机热电联产的供电和供热量都偏大，1MW的机组应该与5万平方米的建筑面积相匹配，如果能够扩大建筑面积和供热用户，采用小燃机也是具有相当优势的选择的。小型燃气轮机方案虽然没有备份容量，但自身的可靠大大高于燃气内燃机。

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