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蒸汽压缩制冷
从欧洲小型热电联产运营看未来新节能模式

  现在全球如何积极调整能源结构是当前行业内正深入探讨的议题。据统计,建筑业占全球碳排放的近,随着我国城镇化进程加快,我国建筑业的碳排放量也将持续上升,节能减排迫在眉睫。小型热电联产具有能源利用率高、经济效益好、环境污染少的优点,近年来,已在欧洲多国的建筑业得到大量应用,如医院、商场、居民住宅群等。

  中国航发燃气轮机有限公司自主研发的小型热联产产品AGT-2、AGT-7(AGT-7A用于分布式能源;AGT-7B用于海上平台;AGT-7C用于应急备用电源)两种型号产品已经成功应用于各种低碳节能工业场景,截至2021年8月12日AGT-7B(海上平台)燃气轮机发电机组海上平台示范项目实现了并网运行5000小时,该款产品在建筑领域的发电中也是低碳类先锋产品。

  产品的成熟意味着距离多种场景的市场化更近一步,如何并网与联网是目前我国分布式能源产品真正实现低碳节能的又一新课题。

  为了更好地助力建筑业节能减排,中国航发燃机重点关注中小型燃气轮机热电联产技术发展方向,笔者对燃气轮机在中小型燃气轮机热电联产项目中的应用进行了深入研究,并编译了本文,以期引发行业更多有益的思考与探索。

  在欧洲欧洲小型热电联产系统发展较为成熟。该系统作为一种可控的分布式发电(Distributed Generation,DG)解决方案,通过使消费者能够自己生产电和热,控制其能源消费(即成为能源市场的积极参与者),从而赋予消费者权力。此外,由于碳捕捉和储存(CCS)脱碳目标解决方案的可行性仍存在疑问,因此小型热电联产项目可以在这方面发挥主导作用。

  据了解,小型热电联产机组能够达到90%以上的总效率,在满足建筑供暖、空间供暖和/或热水(以及潜在的制冷)需求的同时,还可以提供电力来替代或补充电网供应。根据当地监管要求,小型热电联产所产生的电力可以出售给当地电网,与间歇性的可再生能源耦合以平衡供需,为电网提供进一步服务。产生的热量可以就地使用(可能与燃气锅炉联合)和/或通过区域供热基础设施供应给附近的其他家庭。小型热电联产系统也可以通过使用吸收式制冷机来提供冷能,吸收式制冷机利用热能作为其能源(即冷热电三联供(CCHP))。通过这种方式,来自不同的行业(包括多户建筑、商业和工业应用)的终端用户成为了合作伙伴,共同为更加绿色和可持续的能源供应分担责任。

  目前,小型热电联产系统可以基于几种类型技术,包括发动机(斯特林发动机和内燃机),燃气轮机和蒸汽轮机以及燃料电池。支撑电网,帮助间歇性可再生能源融合。

  在欧洲热电联产应用中使用的小型燃气轮机(MGT)已被证明是一种可行的分布式热电联产技术解决方案,特别是由于其尺寸和体积、高效率、维护成本、可靠性、操作灵活性、可控性、噪音和振动,以及污染物排放和环境影响。由于换热器集成在小型燃气轮机技术解决方案中,通常不构成小型燃气轮机冷却系统的一部分,因此该装置对于较高的水温非常灵活。

  基于热电联产的小型燃气轮机燃用天然气发电和供热,总的能源利用率达到80~90%(换热器的电效率超过30%)。

  小型热电联产可在支撑可再生能源和应对新型电力系统挑战方面发挥重要作用。在欧洲,该技术能够在系统层面支撑可再生能源,并作为一种需求响应形式实现多种效益,使家庭和中小企业能够改变他们的电力生产和需求,以适应电网条件。还有证据表明,小型热电联产技术可以连接在一起,作为虚拟电厂的一部分进行远程控制,支持电网,进一步减少电网和基础设施的投资。

  小型热电联产项目的经济可行性,首先取决于效率和设备的大小是否适合该建筑。在这种应用场景下,有必要根据热电比来考虑能耗需求的时间分布。能源消耗的一个极其重要的特征是,不仅可以用它们的平均量来表示,还可以用它们在参考时间段(日、周等)中被需求的不规则程度来表示。事实上,能源消费的强烈不规则性会导致能源成本上升,从而更加难以查明能源浪费的原因。小型燃气轮机热电联产系统在热电比方面非常灵活,因此更能适应不同用户的需求。

  与其他技术相比,小型燃气轮机的总的能源利用率较高,原因是利用余热进行热电联产;此外,燃气轮机结构紧凑、功重比高,适用于安装在建筑和商业综合体。

  总体而言,与传统锅炉相比,小型热电联产系统具有减少二氧化碳排放和减少一次能源消耗的潜力。根据不同的情况,小型热电联产系统每年可节省约240~300PJ(1PJ=31.6×106m3天然气)一次能源(约占欧盟27国2010年总能源使用量的0.5~0.6%)。在此基础上,使用小型热电联产系统代替燃气锅炉可减少温室气体排放13~14万吨二氧化碳当量/年,这相当于2010年欧盟27国温室气体总排放量的0.3%左右。根据所使用的技术,小型热电联产系统电效率从20%(朗肯循环和斯特林发动机)到60%(固体氧化物燃料电池)不等。热效率方面,不同类型的技术可以达到40%~80%。

  Delta-ee最近的一项研究表明,建筑二氧化碳排放量占欧盟的36%。小型燃气轮机可燃用清洁燃料,如天然气,以及燃烧室特性,使得其污染物排放量达到很低的数值。与其他同类技术相比,在小型燃气轮机燃烧室中,燃料中的化学能转化成热能控制得更为严格;通过燃烧室的设计优化,小型燃气轮机NOx生成和排放量比其他内燃机低一个数量级。通过贫预混技术降低了燃烧室内火焰温度,抑制了NOx的生成,而过量的空气反而限制了未燃烧的CO。目前,小型燃气轮机本质上是清洁的,不需对废气进行特殊减排处理。