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2.2 小型燃气轮机
小型燃气轮机相对微型燃气轮机而言技术比较成熟,与大中型燃气轮机几乎完全相同:采用轴流式压气机和轴流式透平,叶片的冷却模式与大中型机组相同。由于技术成熟,目前的价格相对较低,为350~600$/kW;此外,小型燃气轮机的发电效率与大中型机组相比也相差无几,ISO 工况电效率目前多为27.0~39.0%【6】。小型燃气轮机的发电效率较高,为了便于尾部烟气的综合利用,同时使系统比较简单,在实际应用中小型燃气轮机大多采用简单循环的布置形式;只有少量对发电效率有特殊要求的场合使用回热循环或注蒸汽循环。由于采用了干低NOx 燃烧技术、采用注水、注蒸汽技术或是在烟气中使用选择性还原技术,小型燃气轮机的NOx 排放可以被严格控制。预计到2010 年,小型燃气轮机的性能将进一步提高,NOx 排放将低于5ppm,而连续运行时间将超过8000h,而增加的成本将不会超过10%。
2.3 燃气轮机与内燃机的对比
燃气轮机与内燃机是在分布式能源中使用最多的两种动力系统,而且都是使用气体或液体燃料,但由于各自的性质有着不同的适用范围:
燃气轮机的发电效率与内燃机相比略低,小型/微型燃气轮机ISO 工况的发电效率为27.0~39.0%,而(柴油)内燃机发电效率为30.0~45.0%左右【7】。在冷热电联产系统中,内燃机构成的系统的冷(热)电比将小于燃气轮机构成的联产系统。在建筑领域,用户对电力的需求通常小于对冷热的要求,因此燃气轮机系统更容易满足用户的需求。
小型燃气轮机的排烟温度通常为450~550℃;而内燃机排气的温度通常为400~450℃左右,包含的能量为输入能量的15~35%,另外冷却用的缸套水带走了25~45%的输入能量,出口温度一般在55~90℃。内燃机系统中缸套水热量占有较大的比重,这部分热量由于温度太低,比较适合于供热,用于制冷时效果较差。与内燃机系统相比,燃气轮机系统烟气中所包含的热量更多,而且温度较高,因此更利于冷热电联产系统中供热、制冷子系统的回收利用。
燃气轮机中燃料的燃烧为扩散或预混火焰,燃烧区温度场相对比较均匀,;而内燃机为爆燃式设备,燃烧温度可达到很高的水平,因此热力型NOx 的生成量显然较高。因此燃气轮机与内燃机相比在污染物的排放上有一定的优势。
燃气轮机为高速旋转设备,所产生的噪音为高频噪音,很容易被吸收屏蔽,传播距离很近;而内燃机为往复式机械,产生的低频噪音很难消除。燃气轮机的装置轻小,重量和所占体积通常只有内燃机的几分之一,因此消耗材料也较少。但目前燃气轮机的制造成本略高于内燃机。内燃机为往复式机械,有更多的活动部件,维修成本较高。根据内燃机的技术特点,其主要适用于对排放、噪音、场地要求不是很高的场合。
3. 小型燃气轮机在分布式能源领域中的应用
由于可再生能源技术发展尚不够完善,目前的分布式能源还是以化石能源为主。根据循环方式不同,可分为燃气轮机方式、内燃机方式、蒸汽轮机方式和燃料电池方式等。蒸汽轮机的效率与规模有着直接的关系,而分布式能源又限制了蒸汽轮机的规模,此外蒸汽轮机系统复杂,因此在分布式能源中很少得到应用。燃料电池目前还没有进入大规模的商业应用。燃气轮机和内燃机是在分布式能源中使用最广泛的两种形式,其中燃气轮机由于便于能量综合利用、环保、安装方便、起停快捷,在市场中占有较大优势。
根据用户需求的不同,分布式能源可分为电力单供、热电联产和冷热电联产方式。目前用户只需要电力的情况比较罕见,很多情况下还需要制冷、供暖、通风、热水、除湿等其他相关负荷。电力单供系统中,输入能量的大部分未被利用就被排向环境,因此能源利用率很低。将动力系统排向环境的热量部分回收用于供热,即构成传统的热电联产系统。传统的热电联产系统有一个严重的制约因素:其热能的实际利用不够充分,特别是在夏季对热的需求很少甚至没有热需求,因此它的经济性和使用效率受到很大的影响,使用受到很大的限制。利用吸收式制冷技术和除湿技术,用热为驱动力获得制冷量和除湿能力,从而大大扩展了热电联产的适用范围,即构成了冷热电联产系统。冷热电联产系统与热电联产系统相比,因为增加了热的用途,系统的能源利用率和利用时间都大幅度增加,经济性和性能都明显改善。以下为几种采用小型燃气轮机的冷热电联产系统布置形式【8-10】。把小型燃气轮机换为微型燃气轮机,以下系统同样可以很好的运行,只是由于微型燃气轮机的排烟温度较低,为了较好的工作,可能需要对燃气轮机的烟气进行补燃以增加一些热量。
3.1 燃气轮机-蒸汽型溴化锂吸收式联合循环冷热电联产
该方案燃料在燃气轮机燃烧室中燃烧,高温烟气先进入透平膨胀作功;透平排气进入余热锅炉,回收余热生成蒸汽或高温热水;余热锅炉的输出,在冬季直接供暖,在夏季驱动蒸汽双效式吸收式机组制冷。在燃气轮机停运或所需供热、制冷热量不足的情况下,在余热锅炉中补燃提供所需额外的热量。因存在独立的锅炉系统,需要水处理设备,投资成本也相对较大;但蒸汽的利用相对比较容易,蓄热也比较方便,这种形式目前使用比较广泛。制冷系统和供热系统是串联回路,由于制冷系统所需的热量通常高于供热所需,因此这种布置形式可以较多的回收烟气中的热量。
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