小型热电联产的选择（下）

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，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，由于这些设备对于的热电联产行业都缺少经验，我们只能国外资料。

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。