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可再生和高效的电力系统----分步发电
4.1 转型中的电力产业
传统的垂直整合的公共事业包括发电，输电，配电和客户能源服务，处于非常革命性的变化的开始阶段。中央发电站规模越来越大的时代似乎已经结束。向提供更便宜，更高效，规模更小的工厂的独立电力生产商开放输电和配电网正在顺利进行。试图重组公用事业的监管机制，以帮助创造发电商之间的竞争，并允许客户选择其电源，以在许多州启动，取得了不同程度的成功。而且由于加利福尼亚州2000 – 2001年的放松管制危机，客户对代表的重新发现，能源效率正在重新引起人们的关注。
在电表的客户方面，电力业务开始看起来更像二十一世纪早期，当时超过一半的美国电力是由工业企业直接使用的小型隔离系统自动生成的。这些系统中的许多都位于建筑物的地下室中，这些建筑物被来自发电厂的废热加热。那些用于热能和动力的旧式蒸汽动力发动机发电机具有微型燃气轮机，燃料电池，内燃机和小型燃气轮机等现代产品。利用这些技术，客户正在重新发现现场热电联产或三联产加热，电力和冷却的经济优势。
除了经济上的好处之外，其他激励住房转向小型分散能源系统的过渡包括更加关注发电对环境的影响, 特别是与气候变化有关的影响,对我们的中央能源系统容易受到恐怖袭击的关切, 以及数位经济对电力可靠性的要求增加。
表4.1典型电厂功率输出和終端电力需求（kW）
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电厂 kW |
终端 kW |
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大型水电或发电厂集群 10000000 核电站 1100000 燃煤电厂 600000 联合循环涡轮机 250000 简单循环燃气轮机 150000 航空改型燃气轮机 50000 熔融碳酸盐燃料电池 4000 风力涡轮机 1500 燃料电池汽车 60 微型燃气轮机 30 住宅PEM燃料电池 5 住宅光伏系统 3 |
便携式计算机 0.02 台式机算机 0.1 家庭平均电力（美国） 1 商业客户平均电力 10 超市 100 中型建筑物 1000 大型工厂 10000 最大建筑物峰值使用 100000 |
表4.1中提供了正在进行的规模急剧减小的感觉，其中列出了许多发电技术以及典型的功率输出。为了比较，还示出了典型最终用途的电力需求的一些示例。虽然一些分布式发电选项的额定功率可能看起来很小，但潜在的大量复制小型单元将使其贡献显著。例如，美国汽车工业每年生产约600万辆汽车。如果其中一半是60千瓦的燃料电池汽车，那么5年汽车产量的总发电量将大于所有美国发电厂的总装机容量。
4.2 用化石燃料分布式生成
分布式发电（DG）是用于描述小型发电的术语，通常大小约为50兆瓦，位于靠近消耗点的配电系统上。这样的发电机可以由公用设施拥有，或者更可能由客户拥有，该客户可以使用现场的所有电力或者可以将一部分或者可能全部出售给本地公用事业。如果发电机可以提供余热，客户可以将其用于过程加热，空间加热和空调等应用，从而提高从燃料到电力的总体效率和有用的热能。
在发电的同时捕获和使用废热的过程有时被称为热电联产，有时也称为热电联产（CHP）。这些术语之间存在细微差别。有人说热电联产仅适用于公用事业监管政策法案（PURPA）定义的合格设施（QF），有人说热电联产仅适用于用于空间供暖和制冷的低温热量，但在本文中，术语将互换使用。
4.21 HHV和LHV
在描述分散式发电的一些新兴技术之前, 我们需要理清与电厂效率通常呈现的方式有关的微妙区别。当燃料燃烧时, 释放的一些能量最终成为产生的水汽中的潜热 (每磅蒸汽约 1060 Btu, 即2465千焦公斤)。通常情况下, 水汽, 连同它所包含的潜热, 随着所有其他燃烧气体退出堆叠, 它的加热值, 在本质上是丢失的。然而, 在某些情况下, 情况并非如此。例如, 用于空间供暖住宅的最省油的现代熔炉实现了高效率 (90% 以上)使燃烧气体冷却到足以在水蒸气离开堆叠之前凝结。水汽中的潜热是否包括在内, 会导致燃料燃烧热量的两个不同值。较高的加热值 (HHV), 也称为燃烧的总热量, 包括潜热, 而较低的加热值 (LHV), 即燃烧的净热量, 则不包括潜热。
各种燃料的HHV和LHV的例子以及LHV / HHV比率列于表4.2中。由于天然气是甲烷的组合
表4.2各种燃料的较高热值（HHV）和较低热值（LHV）
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高加热值HHV |
低加热值LHV |
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燃料 Btu/lbm（磅） kJ/kg（千焦/千克） |
Btu/lbm（磅） kJ/kg HHV/LHV |
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甲烷 23875 55533 丙烷 21669 50402 天然气 22500 52355 汽油 19657 45722 4号油 18890 43938 |
21495 49997 0.9003 19937 16373 0.9201 20273 47153 0.9010 18434 42877 0.9378 17804 41421 0.9425 |
（a气体基于干燥，60°F，30英寸，汞条件，天然气是具有代表性的价值。资料来源：根据Babcock和Wilcox（1992）和Petchers（2002））
乙烷和其他气体，根据来源而变化，表中给出的HHV和LHV的值仅仅是代表性的或典型的值。对于天然气，HHV和LHV之间的差异约为10％。由于发电厂的效率是输出功率除以燃料能量输入，问题就变成了，应该使用哪种燃料值，HHV还是LHV？不幸的是，两者都会遇到。对于大型发电站，效率几乎总是基于HHV，但对于最常见的分布式发电技术，如微型涡轮机和往复式发动机，它通常基于LHV。当重新调和两者时，可以使用以下关系
热效率（HHV）=热效率（LHV）* （4.1）
其中LHV / HHV比率可以从表4.2中找到。
例4.1微型燃气轮机的效率。微型燃气轮机的天然气输入为每千瓦时发电量为13700 Btu（LHV）。找到其LHV效率及其HHV效率
解决 方案在3.5.2 节中, 效率和热率之间的关系 (以美国为单位) 是由 (3.16)
使用LHV作为燃料可以提高LHV的效率
在方程式中使用天然气的LHV / HHV比率为0.9010（表4.2）。 （4.1）给出了该涡轮机的HHV效率
（本章稍后将结合燃料电池的情况重新审视 lhv 和 hhv 的概念）
4.2.2微燃烧涡轮机
在第3章中介绍了在简单循环模式或联合循环发电厂中使用的燃气轮机。公用事业公司用于峰值发电厂的简单循环涡轮机通常产生从几兆瓦到几百兆瓦的任何地方。工业设施通常使用这些相同大型的涡轮机来产生一些自己的电力 - 特别是当它们可以利用废热时。
最近, 新一代非常小的燃气轮机进入了市场。这些装置通常被称为微型涡轮机, 其发电量从大约500瓦到几百千瓦不等。图4.1 说明了基本配置, 包括压缩机、涡轮机和永磁发电机, 在这种情况下, 所有这些都安装在一个轴上。进气被压缩到三、四个压力大气, 并通过称为换热器的热交换器输送, 在热废气中, 其温度升高。通过预热压缩的进气, 换热器有助于提高机组的效率。热压缩空气与燃烧室中的燃料混合燃烧。热气通过涡轮的膨胀使压缩机和发电机旋转。排气口在将大部分热量输送到换热器中的压缩空气后释放到大气中。
Compressor 压缩机 Permanent-magnet generator 永磁发电机 Turbine 涡轮 Inlet 进口 Combustion chamber 燃烧室 Recuperator (cool side) 换热器（冷面）Recuperator (hot side) 换热器（热面） Exhaust 排口
图4.1微型燃气轮机发电厂
（空气被压缩（1），在同流换热器（2）中预热，与天然气（3）一起燃烧，通过涡轮机（4）膨胀，在同流换热器（5）中冷却，并排出（ 6））（来自Cler和Shepard（1996））
表4.3给出了几种微型涡轮机的示例规格。例如，Capstone Turbine Corporation生产多种冰箱大型微型燃气轮机，可产生高达30 kW和60 kW的功率。这些涡轮机只有一个运动部件 - 带压缩机，涡轮机和发电机的共用轴，在无需润滑的空气轴承上以高达96000 rpm的速度旋转。没有可能需要维护的变速箱，润滑剂，冷却剂或泵。发电机产生可变频率的交流电，它被重新调整为直流电并反转回50或60赫兹交流电，随时可供使用。它们的设计使得2至20个单元可以轻松并联堆叠，以产生30 kW或60 kW的倍数。
表4.3示例微型燃烧器的规格
Rated power 热效率 fuel input 输入燃料 heat rate 热值比 efficiency （LHV）效率 exhaust gas temp 排气温度
NOx emissions 氮氧化物排放 CO emissions 一氧化碳排放
Turbine rotation 涡轮机转速 Dimensions H，W，D 尺寸
Weight 重量 Noise 噪声
（天然气燃料的排放量资料来源：Capstone www.microturbine.com和Elliott www.elliottmicroturbines.com网站 ）
表4.3中描述的Elliott 100 kW涡轮机是一种油冷式回收装置，专为热电联产而设计。它可以为水加热提供105千瓦的电力和172千瓦的热能，从燃料到电力的总热效率和超过 75％的有用热量。图4.2显示了热电联产模式下能量流动的一个例子。
例4.2热电联产.Elliott TA 100A的全功率为105千瓦，燃烧天然气为1.24times;106 Btu /小时。其废热用于补充用于公寓房内的水和空间供暖的锅炉。该设计要求锅炉在120 °F的温度下加热至140°F并返回锅炉。该系统每年在此模式下运行8000小时。
a如果47％的燃料能量转移到锅炉水中，那么水的流量应该是多少？
b如果锅炉的效率高达75％，并且天然气的价格为每百万英热单位6美元，那么微型燃气轮机将节省多少资金用于替代锅炉燃料？
c如果公用电力成本为0.08美元/千瓦时，微型燃气轮机将节省多少电力？
d如果O＆M是1500美元/年，那么微型燃气轮机的每年净节省量是多少？
e如果微型燃气轮机的成本为220000美元，那么每年的节省与初始投资的比率（称为初始回报率）是多少？
解
a通过温度差Delta;T来提升具有特定热量c和质量流量的物质所需的热量Q是
由于需要1 Btu才能将1磅水提高1°F，而1加仑水需要重8.34磅，我们可以写
b 不使用75％高效锅炉而取代燃料是值得的
C 公用事业节电是
d 微型燃气轮机的燃料成本是
因此，微型燃气轮机的每年净节省量，包括每年1500美元的Oamp;M，是
e 这笔投资的初始回报率是
（第5章介绍了更复杂的投资分析技术。）
4.2.3往复式内燃机 全文共9441字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[475]
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