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热电联产山东科技大学热能与动力工程专业冷热电联产课程总结课程框架以热电联产和冷热电联产为主线背景、意义(优点)及现状设备系统评价应用实例分析1冷热电联产定义一种先进的用能方式,根据能量品位进行梯级利用的综合产、用能分布式系统。系统安装于最终用户端附近,首先利用一次能源驱动各种发动机发电,再通过各种余热利用设备(吸收式制冷机、吸附式制冷机、余热锅炉、干燥除湿设备、换热器等)对余热进行回收利用,同时向用户提供电力、制冷、采暖、生活热水等。能量守恒性把不同形式的能量在数量上统一起来,却把其在质量上的差异掩盖了。数量相同而形式不同的能量,做功本领不同。数量相同的同种物系,若所处的状态不同,其所具有的能量做功的本领也不相同。任何自发过程都是由能量品位高的状态向能量品位低的状态的变化过程。体系熵的变化与能量品位的变化是紧密联系的。熵增大的程度可以作为能量品位贬值的量度,作为体系做功能力损失的量度,作为过程不可逆的量度。1.1.2能量的品位性1.1.5能量的科学分类比有效能•体系具有的总有效能与其具有的总能量之比0HHEE有(3)第三类型能量——非转换能:完全不具有转换能力、不能转化为技术功的能量如:处于环境状态下的热能,环境状态下物质具有的内能等(1)第一类型能量——无限转换能:具有完全转换能力、完全有序、可以转化为技术功的能量如:运动体系中的宏观动能、位能以及电能等(2)第二类型能量——有限转换能:具有部分转换能力、只有部分可以转化为技术功的能量如:内能、热能等(显热的有效能随热输出温度降低而降低)1.3该领域内常用的几个英文缩写DER:DistributedEnergyResources分布式能源DHC:DistrictHeatingandCooling区域冷热联供CHP:CombinedHeatandPower热电联供CCHP:CombinedCooling,HeatingandPower冷热电联供BCHP:BuildingCooling,HeatingandPower楼宇冷热电联供背景、意义(优点)及现状节能环保能源安全课程框架以热电联产和冷热电联产为主线背景、意义(优点)及现状设备系统评价应用实例分析冷热电联供系统组成示意图余热锅炉等换热设备动力设备热驱动制冷机组电驱动制冷机组燃料电控设备公共电网电负荷需求冷负荷需求热负荷需求余热回收系统用电设备2两个核心设备及其它热电转换装置:燃气轮机、微型燃气轮机、蒸汽轮机、内燃机、热气机、燃料电池热冷转换装置:吸收式制冷机、吸附式制冷机其它相关设备:余热锅炉、干燥除湿设备、换热器等2.1两个核心设备热电转换装置热冷转换装置热气机内燃机微燃机燃料电池吸附式制冷机蒸汽轮机燃气轮机吸收式制冷机双效单效三效燃气轮机、微型燃气轮机蒸汽轮机内燃机热气机燃料电池2.2热电转换装置2.2.1冷热电联供系统动力设备特点动力设备适用范围优点缺点发展趋势蒸汽轮机大型集中式电站,工业用热电联供理论上可采用任何燃料,技术成熟,使用寿命长,可靠性强发电效率低,启动速度慢,部分负荷性能差小型的即插即用型蒸汽轮机燃气轮机发电量在1MW以上的大型热电联供系统可靠性高、功率范围大,可以蒸汽轮机组成联合循环发电,具有有效的NOx排放控制技术需优质燃料,机组价格高,在高海拔或环境温度较高时,性能会大幅下降微型燃气轮机,已部分商业化内燃机发电量在1MW以下的发电场合启动速度快,部分负荷性能好,技术成熟,具有多种型号可供选择,初投资低震动严重,噪声大,运动部件多,维护周期短,维修费用高,NOx排量大具有更低排放的内燃机斯特林机小型热电联供,尤其适用于家用几乎可采用任何燃料,排放低、效率高,噪音低技术不成熟,成本高,回收余热的品位低降低成本,采用太阳能驱动燃料电池家用或小型联供系统发电效率高,污染物排放少,部分负荷性能好技术不成熟,成本高,商业化程度低,工程风险高降低成本,解决电解质腐蚀、燃料要求高等问题2.3.1燃气轮机的组成燃气轮机是以气体为工质,经压缩、加热后在透平中膨胀,将部分热能转换为机械能的旋转式动力机械。燃气轮机一般由压气机、燃烧室、透平、控制系统及必要的辅助设备组成。燃气轮机发电机燃烧室压气室空气废气燃料燃气透平压气机将空气压缩送入燃烧室,与燃料混合燃烧,形成高温高压燃气,然后进入透平膨胀作功,推动透平转子带着压气机转子一起旋转。同时,燃气的压力和温度逐渐降低,最后排向大气。燃气轮机通过上述过程,实现了把燃料中化学能部分地转变为机械功。燃气轮机结构及工作原理2.3.2.3压比和温比对效率的影响何谓压比?π:压气机中空气出口压力与进口压力之比何谓温比?τ:燃气初温与大气温度之比何谓燃气初温?T3:燃烧室出口至透平进口的燃气温度2.3.4燃气轮机特点:综述2.3.6主要的进气冷却技术蒸发式冷却表面式冷却电制冷冷却冰蓄冷冷却1-进气;2-低压压气机;3-水;4-中间冷却器;5-温降(106℃);6-高压压气机;7-温升(227℃);8-旁通阀;9-燃烧室;10-燃料;11-回热器;12-高压涡轮;13-低压涡轮;14-可变面积导叶;15-排气(343℃);16-动力涡轮2.3.7燃气轮机特点:12.3.7燃气轮机特点:22.4小型燃气轮机国际上通常将300kW~20000kW的燃气轮机归类为小型燃气轮机。燃气轮机的余热品质极佳,几乎全部是300~500℃左右的烟气流,非常便于回收利用,这是其他冷热电联供方式难以取代的。小型燃气轮机冷热电联供机组适用于厂矿企业、公寓楼宇、宾馆商场及医院、学校等。小型燃气轮机多采用涡流式技术,标志性产品有美国索拉(Solar)公司星座系列和加拿大普拉特·惠特尼(P&W)公司的ST系列,前者是专门为地面应用设计工业型燃气轮机,后者为小型航空涡轮发动机的地面改型产品,又称轻型燃气轮机。2.5微型燃气轮机微型燃气轮机(Micro-turbine)单机功率为25~300kW。基本技术特征是采用径流式叶轮机械(向心式透平和离心式压气机)以及回热循环。随着全球范围内能源与动力需求结构特别是电力系统放松控制以及环境保护等要求的变化,微型燃气轮机发展迅猛。2.5.1微型燃气轮机工作流程燃料空气压气机透平燃烧室回热器燃料压缩机发电机控制装置电力输出排气微型燃气轮机采用布雷顿循环,主要包括压气机、燃烧室、透平、回热器、发电机和控制装置等,主要燃料为天然气、甲烷、汽油、柴油等。(1)规格范围:目前市场上微型燃气轮机的占有率还不高,容量范围25~300kW。(2)热能输出:微型燃气轮机所产生的热一般从400°F到600°F,适合供应各种大楼的热需求。(3)燃料选择范围大:微型冷热电联产可以用许多不同的燃料:天然气,和液体燃料如汽油,煤油,柴油。(4)部分负荷运行:同燃气轮机一样,微型燃气轮机在部分负荷下的发电效率比满负荷时要低得多。2.5.3.1微型燃气轮机特点(1)(5)模块化:各个模块单位可以被平行连接起来提供更大的负荷,并且能提供稳定的电力。(6)可靠性和寿命:因为微型燃气轮机进入市场的时间还不够长,所以还不能给出确切的寿命数据,根据设计时的寿命,微型燃气轮机的运行总时间估计在4-8万小时。(7)排放:低进口温度和高燃料空气比使得以天然气为燃料时燃烧排放的NOx小于10ppm。2.5.3.2微型燃气轮机特点(2)热值(HeatValue):定义燃气热值:单位容积燃气完全燃烧所放出的热量,称为该燃气的热值。热值分为高热值和低热值。高热值:单位燃气完全燃烧后,其烟气被冷却到初始温度,其中的水蒸气以凝结水的状态排出时,所放出的全部热量。低热值:单位燃气完全燃烧后,其烟气被冷却到初始温度,其中的水蒸气以蒸气的状态排出时,所放出的全部热量。它等于从高位发热量中扣除蒸汽凝结热后的热量。2.6蒸汽轮机汽轮机装置在传统电厂中的地位2.6.3蒸汽轮机工作原理蒸汽轮机是由一个中央很厚的钢盘和钢盘外沿弧形叶片所组成,当蒸汽喷射到叶片上时,轮机就转动起来,而且蒸汽速度越大,轮机转动得越快。利用蒸汽使叶轮转动的机器叫“蒸汽轮机”。当气体从高压流向低压时,压强差越大,流动速度越大。因此蒸汽轮机利用喷嘴,使锅炉过热管送来的过热蒸汽,从喷嘴喷出时,体积开始急剧膨胀,同时压强降低,速度增大,具有很大动能。蒸汽内能在喷嘴中转变为蒸汽动能。当蒸汽喷射到叶片上时,动能又转变为机轴旋转的机械能。2.6.5蒸汽轮机种类(1)凝汽式机组背压式机组抽凝式机组2.6.5.1凝汽式机组火电厂中普遍采用的专为发电用汽轮机。凝汽设备主要由凝汽器、循环水泵、凝结水泵和抽气器组成。汽轮机的排汽在凝汽器内受冷凝结为水的过程中,体积骤然缩小,因而原来充满蒸汽的密闭空间形成真空,这降低了汽轮机的排汽压力,使蒸汽的理想焓降增大,从而提高了装置的热效率。汽轮机排汽中的非凝结气体(主要是空气)则由抽气器抽出,以维持必要的真空度。凝汽式汽轮机的排汽压力对运行经济性有明显影响。影响凝汽器真空度的主要因素是冷却水进口温度和冷却倍率。前者与电厂所在地区、季节及供水方式有关;后者表示冷却水设计流量与汽轮机排汽量之比。冷却倍率大,可获得较高真空度。但冷却倍率增大的同时增加了循环水泵的功耗和设备投资。一般表面式凝汽器的冷却倍率设计为60~120。2.6.5.2背压式机组排汽压力大于0.1MPa。排汽可用于供热。排汽在供热系统中被利用之后凝结为水,再由水泵送回锅炉作为给水。一般供热系统的凝结水不能全部回收,需要补充给水。背压式汽轮机发电机组发出的电功率由热负荷决定,因而不能同时满足热、电负荷的需要。一般不单独装置,而是和其他凝汽式汽轮机并列运行,由凝汽式汽轮机承担电负荷的变动,以满足外界对电负荷的需要。由于背压式机组的发电量决定于热负荷大小,宜用于热负荷相对稳定的场合。2.6.5.3抽凝式机组由汽轮机中间级抽出一部分蒸汽供给用户,即在发电的同时还供热的汽轮机。根据用户需要可以设计成一次调节抽汽式或二次调节抽汽式。一次调节抽汽式汽轮机(单抽汽式汽轮机)。由高压部和低压部组成,相当于背压式汽轮机与凝汽式汽轮机的组合。新汽进入高压部分作功,膨胀至一定压力后分为两部分,一部分抽出供给热用户,另一部分进入低压部分继续膨胀作功,最后排入凝汽器。二次调节抽汽式汽轮机(双抽汽式汽轮机)。可以同时满足不同参数热负荷。整个汽轮机分为高、中、低压3部分。新汽进入高压部分作功,膨胀到一定压力,抽出一部分蒸汽供给热用户;另一部分进入中压部分继续作功,再抽出一部分供暖;其余蒸汽经过低压部分作功,然后排入凝汽器。热化发电率Cogenerationlevel热电厂热电联产发电量与汽轮机中做过功的蒸汽供热量之比。蒸汽供热量包括汽轮机抽汽或尾端排汽向外部供热系统的供热量和抽汽向热电厂内部加热锅炉补水给水的回热装置的供热量。热化发电率是评价供热机组联产技术完善程度的指标。它将品位不等价的热电两种能量在热电联产的基础上统一起来,用以评价供热机组经济性。它能够表现供热机组回热效果、供热参数和回水状况对热电联产效果的影响。热化和热化系数热化:热电联产基础上的集中供热Heat-supplybaseduponCHP热化系数:热电联产的最大供热能力占供热区域最大热负荷的份额。Shareofcogeneratedheatinmaximumheatingload2.7内燃机2.7.2内燃机工作原理:柴油机(四行程)2.7.4内燃机工作原理:汽油机(四行程)(1)规格齐全,价格低廉:在市场上内燃机的规格从几kW到几百MW以上都有销售,对用户来说有很大的选择余地。同样规格的内燃机比燃气轮机和热气机投资低。(2)热能输出:内燃机能够根据需要同时输出热水和低压蒸汽。(3)启动快:快速启动的特性使得内燃机能够从停止状态很快地恢复工作,在用电高峰或紧急情况下,内燃机能够很快地根据需求来供电。(4)启动耗能小:在突然停电地情况下,启动内燃机只需要很少辅助电力,通常只要蓄电池就足够了。2.7.5内燃机部分优点(1)(5)部分负荷运行性能好:当内燃机在50%负荷
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