熱電聯產汽輪機原理

背壓式背壓式汽輪機將高于大氣壓的排汽用于供熱的一種汽輪機，它無凝汽流量，也就無冷源損失，因而可 獲得很高的經濟性。其熱能利用率可達80%左右。背壓式汽輪機的排汽參數和供熱量是根據熱用戶的需要確定的，因而進汽量只隨熱負荷變化。因此，背壓式汽 輪機發(fā)出的電功率決定于熱負荷的大小，不能滿足熱、 電負荷的各自需要。背壓式汽輪機適用于熱負荷穩(wěn)定 的場合。

抽汽凝氣式汽輪機從汽輪機中間某級后抽出部分具有一定壓力和溫度的蒸汽供給熱用戶，其余蒸汽在以后的級中繼續(xù)膨脹做功，最終排入凝汽器。一般可分為可調節(jié)的單抽汽和雙抽汽兩種，其調節(jié)抽汽機構主要由調節(jié)閥或旋轉隔板來實現(見抽汽調節(jié))。由于一部分蒸汽用作供熱，因而汽輪機發(fā)出的功率和進入凝汽器的流量是隨著抽汽量的大小而變的，所以熱電比也隨汽輪機的工況變化而變化。當調節(jié)抽汽量很大 時，排人凝汽器的流量很小，這時汽輪機的工作就接近于背壓式汽輪機。相反，當調節(jié)抽汽量為零時，汽輪機的工作就與純凝汽式汽輪機一樣。 2100433B

特點是熱、電負荷適應性好，但在無熱負荷或熱負荷很小時，機組的經濟性下降。這種機組的造價較高，適用于熱負荷變化頻繁的場合， 最大輸出功率隨熱負荷變化。機組按選定的額定電功率運行時與常規(guī)的凝汽式汽輪機一樣設計，在無熱負荷時，機組發(fā)出的電功率最大，在有熱負荷時，在小范圍內熱、電負荷可分別調整，隨著熱負荷增大，機組輸出電功率下降，當熱負荷達到最大時，機組輸出電功率最小。

在當代技術水平下，熱電聯產是燃料最經濟的利用方式之一。它是能源“梯級利用”的一種方式，基本做到了“能質匹配”，符合按質利用熱能的原則，能有效提高電廠的能源轉換效率和經濟效益。

CHP是熱電聯產技術的簡稱。

中文名

熱電聯產技術

外文名

CHP

CHP全稱combined heat and power

技術概況

電廠鍋爐產生的蒸汽驅動汽輪發(fā)電機組發(fā)電以后，排出的蒸汽仍含有大部分熱量被冷卻水帶走，因而火電廠的熱效率只有30－40%。如果蒸汽驅動汽輪機的過程或之后的抽汽或排汽的熱量能加以利用，可以既發(fā)電又供熱。這種生產方式稱為熱電聯產。這個過程既有電能生產又有熱能生產，是一種熱、電同時生產、高效的能源利用形式。其熱效率可達80－90%，能源利用效率比單純發(fā)電約提高一倍以上。它將不同品位的熱能分級利用(即高品位的熱能用于發(fā)電，低品位的熱能用于集中供熱)，提高了能源的利用效率，減少了環(huán)境污染，具有節(jié)約能源、改善環(huán)境、提高供熱質量、增加電力供應等綜合效益。

技術特點

熱電聯產的技術有多種，其中供熱機組的類型有背壓、抽汽背壓、單抽汽、雙抽汽、凝汽機打孔抽汽、凝汽機低真空運行循環(huán)水供熱等。另外還有如熱、電、冷聯產，以熱電廠為熱源，采用溴化鋰吸收式制冷技術提供冷水進行空調制冷，可以節(jié)省電制冷的空調用電量。熱、電、氣聯產，則是以循環(huán)流化床分離出來的800－900°C熱灰作為干餾爐中的熱源，干餾新煤中揮發(fā)份生產煤氣，正在進行的有35t/h循環(huán)流化床鍋爐聯產煤氣的示范項目。

熱電聯產有多種應用類型，其中包括：

(1)大型熱電廠

(2)區(qū)域性熱電廠，一個熱電廠向幾十戶以上的企業(yè)供熱。

(3)企業(yè)建設的自備熱電廠，為本企業(yè)或同時向周圍其他企業(yè)供熱。

(4)多功能熱電廠，即熱電廠供熱、供電、供煤氣、供冷的同時，還利用爐渣生產建筑材料和化肥，用循環(huán)水的余熱養(yǎng)魚、養(yǎng)鱉等，進一步提高熱電廠的綜合經濟效益，讓熱電廠變得更清潔。

技術的利用現狀和市場潛力

熱電聯產熱效率高達70%以上，而一般單機容量200MW以上的冷凝電廠的熱效率僅為35－40%；200MW凝汽機組的發(fā)電煤耗為350gce/kWh，而容量相同的供熱機組的發(fā)電煤耗一般均在300gce/kWh以下，供電煤耗約低60gce/kWh；熱電聯產由于采用了容量較大、參數較高的鍋爐，因此熱效率較高，鍋爐熱效率可達85－90%(一般工業(yè)小鍋爐熱效率只有50－60%)，供熱煤耗低13－22kgce/106kJ。

由于熱電聯產選用容量較大的鍋爐，鍋爐熱效率可達到85%以上。據環(huán)保部門測算，節(jié)約一噸標準煤可減少排放CO2440kg、SO220kg、煙塵15kg、灰渣260kg。同樣的發(fā)電量，熱電廠CO2排放量只有常規(guī)電廠的50%。熱電聯產可節(jié)省大量燃料，除塵效果好，能高空排放，有效地改善了環(huán)境質量。

中國熱電裝機總容量為2494萬千瓦，僅占火電裝機總容量的12.24%。而歐洲特別是部分北歐國家的熱電裝機超過了總裝機容量的30~40%。與之相比中國的熱電聯產還有較大的發(fā)展空間。集中供熱取代分散的低效鍋爐，具有良好的節(jié)能和環(huán)保效果。但是，中國集中供熱面積僅為9.68億平方米(其中熱電聯產供熱面積為5.9億平方米)，熱化率僅為12.24%。特別是采暖期3000～4000小時的北方城市還有近16億平方米的供熱面積仍依靠小鍋爐。因此，在三北地區(qū)中等以上工業(yè)城市需要建設100～200兆瓦規(guī)模的抽汽發(fā)電機組的熱電廠供應800萬平米以上的大熱網；而大量中小城市需要建設中小型熱電廠供應100～200萬平米的熱網。若以三北地區(qū)熱化率從29.8%提高到50%來計算，將有10億M2的供熱市場，若選擇熱電廠供熱，熱電裝機可達22000MW。三北地區(qū)現每年新增住宅面積約2億M2，若60%采用熱電聯產供熱，每年新增熱電機組容量2600MW。中國長江流域及以南地區(qū)工業(yè)開發(fā)區(qū)的熱電聯產市場每年約500～1000MW以上。

倘若各界限指標，例如熱級別，冷凝溫度和熱負荷曲線都符合各自的標準，那么廢熱發(fā)電技術在總效率方面{（發(fā)電量 所用熱量）/燃料用量}，可以達到90%或以上。下表顯示了一系列CHP技術及其特點：

從表中可看出CHP技術并沒有好壞之分，所有技術在燃料，規(guī)模和熱級別上都只包含其中的某一方面。在環(huán)境效益方面的一項主要區(qū)別就是熱電比。這一指標描述了一個發(fā)電廠所能生產的熱輸出量與其電量的比率。下表列出，三種應用不同技術的CHP工廠的輸出量。假設每個工廠的燃料輸入都是100MW。2100433B

鍋爐加供熱汽輪機由于煤燃燒形成的高溫煙氣不能直接做功，需要經鍋爐將熱量傳給蒸汽，由高溫高壓蒸汽帶動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，做功后的低品位的汽輪機抽汽或背壓排汽用于供熱。鍋爐加供熱機熱電聯產系統(tǒng)適應于以煤為燃料。這也是我國的熱電聯產系統(tǒng)普遍采用的形式。這種系統(tǒng)的技術已非常成熟，主要設備也早已國產化。由于這種系統(tǒng)占地大，負荷調節(jié)能力差，發(fā)電效率低，一般在煤改氣的熱電聯產中得以應用，新建燃氣熱電聯產系統(tǒng)很少采用這種形式。 燃氣輪機熱電聯產系統(tǒng)分為單循環(huán)和聯合循環(huán)兩種形式。單循環(huán)的工作原理是：空氣經壓氣機與燃氣在燃燒室燃燒后溫度達1000℃以上、壓力在1－1.6MPa的范圍內而進入燃氣輪機推動葉輪，將燃料的熱能轉變?yōu)闄C械能，并拖動發(fā)電機發(fā)電。從燃氣輪機排出的煙氣溫度一般為450℃～600℃，通過余熱鍋爐將熱量回收用于供熱。大型的燃氣輪機效率可達30%以上，當機組負荷低于50%時，熱效率下降顯著?？紤]到熱和電兩種輸出的總效率一般能夠保持在80%以上。燃氣輪機組啟停調節(jié)靈活，因而對于變動幅度較大的負荷較適應。工業(yè)燃氣輪機的生產基本上來自西方國家，如GE、ALSTOM、SIEMENS、SOLAR、ABB等。 上述單循環(huán)中余熱鍋爐可以產生的參數很高的蒸汽，如果增設供熱汽輪機，使余熱鍋爐產生的較高參數的蒸汽在供熱汽輪機中繼續(xù)做功發(fā)電，其抽汽或背壓排汽用于供熱，可以形成燃氣－蒸汽聯合循環(huán)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的發(fā)電效率進一步得到提高，可達到50%以上。 內燃機熱電聯產系統(tǒng)當規(guī)模較小時，它的發(fā)電效率明顯比燃氣輪機高，一般在30%以上，因而在一些小型的燃氣熱電聯產系統(tǒng)中往往采用這種內燃機形式。但是，由于內燃機的潤滑油和氣缸冷卻放出的熱量溫度較低（一般不超過90℃），而且該熱量份額很大，幾乎與煙氣回收的熱量相當，因而這種采暖形式在供熱溫度要求高的情況下受到了限制。內燃機的生產廠家有總部這在瑞士的WARTSILA NSD公司、德國的MANB&W公司以及美國的CATERPILLAR公司等。 燃料電池它是把氫和氧反應生成水放出的化學能轉換成電能的裝置。其基本原理相當于電解反應的逆向反應。燃料（H2和CO等）及氧化劑（O2）在電池的陰極和陽極上借助氧化劑作用，電離成離子，由于離子能通過在二電極中間的電介質在電極間遷移，在陰電極、陽電極間形成電壓。在電極同外部負載構成回路時就可向外供電。燃料電池種類不少，根據使用的電解質不同，主要有磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）、固體氧氣物燃料電池（SOFC）和質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。 燃料電池具有無污染、高效率、適用廣、無噪聲和能連續(xù)運轉等優(yōu)點。它的發(fā)電效率可達40%以上，熱電聯產的效率也達到80%以上。多數燃料電池正處于開發(fā)研制中，雖然磷酸燃料電池（PAFC）等技術成熟并已經推向市場，但仍較昂貴。鑒于燃料電池的獨到優(yōu)點，隨著該項技術商業(yè)化進程的推進，必將在未來燃氣采暖行業(yè)起到越來越重要的作用。從事燃料電池研究和開發(fā)的單位主要有美國的國際燃料電池、聯信、Plug Power、Analytic Power、Onsi和西屋等公司，加拿大Ballard公司，日本的三菱、松下、三洋、東芝、宣士電機和富士電機等公司，德國MTU公司和西門子公司等。我國也有大連化物所等多家單位從事燃料電池的研究。 與熱電聯產技術有關的選擇主要有蒸汽輪機驅動的外燃燒式方案和燃氣輪機驅動的內燃燒式方案。此外，現代科學技術的發(fā)展，特別是微型燃氣輪機、燃氣外燃機和燃料電池以及其他新能源技術的發(fā)展，也賦予了冷熱電聯產新的內涵。

發(fā)電廠既生產電能，又利用汽輪發(fā)電機作過功的蒸汽對用戶供熱的生產方式，稱為熱電聯產機組。

發(fā)電廠既生產電能，又利用汽輪發(fā)電機作過功的蒸汽對用戶供熱的生產方式，是指同時生產電、熱能的工藝過程，較之分別生產電、熱能方式節(jié)約燃料。以熱電聯產方式運行的火電廠稱為熱電廠，同樣該機組稱為熱電聯產機組。

熱電聯產機組和高耗能、高污染的小機組是有區(qū)別的。國家實施關掉高污染、高耗能的小機組，熱電聯產項目在日常居民生活當中有很大作用。所以，對待熱電聯產機組和高耗能、高污染的小機組是有區(qū)別的。 2100433B