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1、上海交通大学硕士学位论文生物质燃气分布式供能系统的控制研究姓名：池里杰申请学位级别：硕士专业：指导教师：翁一武20080201上海交通大学硕士学位论文 摘要 第 I 页 生物质燃气分布式供能系统的控制研究 摘生物质燃气分布式供能系统的控制研究 摘 要 要 分布式供能系统（DES）是相对于传统的集中式供电方式而言的，它是指以小规模、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出电、热或(和)冷量的系统。目前,分布式供能方式主要是指以液体或气体为燃料的内燃机、燃气轮机、各种工程用的燃料电池、余热锅炉、蒸汽轮机、溴化锂冷热水机组等有机组合起来的高效率的环保型冷热电联供的系统（CCHP）。生物质燃气分布式供
2、能系统是是以生物质气为燃料，以燃气轮机或内燃机为动力的新型分布式供能系统。该系统是诸多分布式供能系统中非常具发展潜力的一种，这是因为生物质资源的总储量巨大，但分布较为分散，不适宜远距离运输，分散利用较为合理。随着新型生物质能技术的研究开发和国内相关优惠政策的完善,生物质燃气分布式供能系统的商业化进程会逐步加快,技术的可靠性和经济性会不断加强,因此在我国推广生物质能技术有着很好的市场前景和社会综合效益。本文主要介绍了一种以生物质气为燃料，内燃机为原动力的分布式冷热电联供系统，并就它的控制进行了细致的研究，设计了由单片机（SCM），可编程控制器（PLC）和现场工控机（IPC）组成的控制结构和系统，
3、充分利用 SCM、PLC 和 IPC 各自优点，由 SCM 和 PLC 负责系统各组成部件的控制运行、安全联锁保护与现场数据采集等，IPC 负责系统运行的实时监控、运行状态显示和实时数据的分析、存储，实上海交通大学硕士学位论文 摘要 第 II 页 现整个系统安全、稳定、便捷的现代化操作和管理。该分布式供能系统已于 2007 年 08 月初步完成，并成功于上海四方锅炉厂试运行。基于 SCM、PLC 和 IPC 的控制系统的成功应用，将会提高系统的自动化程度，提高了系统维护效率，同时可以促进生物质燃气分布式供能系统在我国的推广，提高我国资源综合利用效率，对我国环境、经济的高速、良性、协调发展和建立
4、环保、节约型社会发挥重要促进作用。关键词：关键词：分布式供能，生物质，内燃机，单片机，可编程控制器 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT 第 III 页 RESEARCH OF THE CONTROL OF DISTRIBUTED ENERGY SYSTEM USING BIO-GAS ABSTRACT Distributed Energy System(DES)is different from traditional power supply system.It can independently produce power,cool and(or)heat,which is set
5、 just besides the building.Now,the most popular DESs are those high-efficient,environment-friendly Combined Cooling,Heating and Power(CCHP)systems,which will be properly composed of different power devices consumed liquid fuel or gas,such as internal-combustion engine,gas turbine,fuel cells,heat rec
6、over boiler,steam turbine or lithium bromide chiller/heater.Bio-gas using DES is a new system that is fueled with biomass and with internal-combustion engine or gas turbine as the prime motor.This system has great potential in development,because the whole reserves of the biomass resource is large a
7、nd the distribution is dispersive which is not suitable for long distance transportation and thus it is in reason to use biomass for the DES.With the research and development of the new type technology of the biomass energy and completion of relevant favourable policies,the commercialization process
8、 of the bio-gas using DES will speed step by step and the reliability and economy of the technology will strengthen constantly,so it has good market prospect and well social comprehensive benefit.This paper has introduced a kind of CCHP system fueled biomass gas,with internal-combustion engine as pr
9、ime motor.After some research in its working process of CCHP system,the control system has been designed including Single Chip Microcomputer(SCM),Programmable Logic 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT 第 IV 页 Controller(PLC)and Industrial Personal Computer(IPC).In the control system,PLC or SCM is responsible for t
10、he lowest layer control,such as collecting data,and executing control commands.IPC is in charge of real-time monitor and control,to achieve security,stability,ease of management and modernization.The whole system has been established preliminary and the test of the running in Shanghai Sifang Boiler
11、factory.The successful application of the control system based on the SCM,PLC and IPC will enhance the automation level of the system and also improve the maintenance efficiency of the system.At the same time,it can speed the generalization of the bio-gas using DES in our country,enhance the compreh
12、ensive using efficiency of the resource in our country and thus play a important role in prompting the high-speed,good and harmonious development of the economy and environment and also in establishing a environment-protecting and economical society.Keywords:Distributed Energy Supply，Biomass，Interna
13、l Combustion Engine，Single Chip Machine，Programmable Logical Controller 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：池里杰 日期：2008 年 2 月 4 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论
14、文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：池里杰 指导教师签名：翁一武 日期：2008 年 2 月 4 日 日期：2008 年 2 月 4 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题来源课题来源
15、 本学位论文是上海市重点科研项目“崇明岛生物质能循环型应用技术的研究与示范”的重要组成部分，项目编号：05dz12010。1.2 引言引言 能源是人类生存的基本条件和人类社会发展的原动力，随着人类文明的进步，能源问题日益成为人们关注的焦点问题。目前全世界都在推动第二代能源系统的建设，积极试点，认真进行立法准备，抓紧开发配套相关设备。第二代能源系统具有六个方面的主要特征：一是燃料的多元化；二是设备的小型、微型化；三是冷热电联产化；四是网络化；五是智能化控制和信息化管理；六是高标准的环保水平。而其中燃料的多元化，设备的小型、微型化，冷热电联产化和环保要求则代表着能源技术发展的几个重要方向：可再生能
16、源的开发利用、分布式供电技术的兴起、热电联产及冷热电三联产系统等的发展1。1.3 分布式供能系统的介绍分布式供能系统的介绍 1.3.1 分布式供能系统分布式供能系统 分布式供能（DES）方式是相对于传统的集中供电方式而言的，是指将发电系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近，可同时输出电、热或（和）冷能的系统。分布式供能系统是一种建立在能源梯级利用概念基础上，将制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程一体化的多联产总能系统，目的在于提高能源利用效率，减少碳化物及有害气体的排放。它的主要形式是分布式冷热电联供(Combined Cooling Heating Power 简称 CCHP)，它的特点是
17、可靠性好、能量利用率高、对环上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 境影响小、具有良好的经济效益和社会效益2 3 4 5 6。二十世纪初以来电力行业流行的观点是，发电机组容量越大，则效率越高，单位 KW 投资越低，发电成本也越低，因而随着能源产业的发展，电力工业发展方向是“大机组、大电厂和大电网”。但是，这种模式缺乏灵活性，而且一旦出现故障之类，对社会经济的发展将是巨大的，所以在许多情况下，灵活方便的分布式供电是集中供电是目前模式不可缺少的重要补充。分布式供电可以满足特殊场合的需求。例如，1）不适宜铺设电网的西部偏远地区或分散的用户；2）对供电安全稳定性要求较高的特殊用户，如医院、
18、银行等；3）能源需求较为多样化的用户，需要电力的同时还需要热或冷能的供应。这种供电方式最大的优点是不需远距离输配电设备，输电损失显著减少，运行安全可靠，并可按需要方便、灵活地利用排气热量实现热电联产（CHP）或热电冷三联产（CCHP），提高能源利用率7 11 12。分布式供电方式可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足。在世界上大型火电厂建设的趋势有增无减之时，电网的急速膨胀对供电安全与稳定性带来很大威胁，而各种形式的小型分布式供电系统，使国民经济、国家安全至关重要而又极为脆弱的纽带大电网不再孤立和笨拙。直接安置在用户近旁的分布式发电装置与大电网配合，可大大地提高供电可靠性，在电网崩溃和意外灾害(
19、例如地震、暴风雪、人为破坏、战争)情况下，可维持重要用户的供电。分布式供能为能源的综合梯级利用提供了可能。在常规的集中供电方式中，能量形式相对单。当用户不仅仅需要电力，而且需要其它能量形式如冷能和热能的供应时，仅通过电力来满足上述需要时难以实现能量的综合梯级利用：而分布式供电方式以其规模小、灵活性强等特点，通过不同循环的有机整合可以在满足用户需求的同时实现能量的综合梯级利用，并且克服了冷能和热能无法远距离传输的困难。分布式供电方式为可再生能源的利用开辟了新的方向。相对于化石能源而言，可再生能源能流密度较低、分散性强，而且目前的可再生能源利用系统规模小、能源利用率较低，作为集中供电手段是不现实的
20、。分布式供电方式为可再生能源利用的发展提供了新的动力。我国的可再生能源资源丰富，发展可再生能源是二十一世纪减少环境污染和温室气体排放以及替代化石能源的必然要求，因此为充分利用量多面广的可再生能源发电，方便安全地向偏僻、少能源地区供电，建设可再生能源分布式供电应受到高度重视。还应指出，对目前世界能源产业面临亟待解决的四大问题：1）合理调整能源上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 3 页 结构；2）进一步提高能源利用效率；3）改善能源产业的安全性；4）解决环境污染。单的大电网集中供电解决上述问题存在困难，而分布式供电系统恰好可以在提高能源利用率、改善安全性与解决环境污染方面做出突出的贡献。因
21、此，大电网与分散的小型分布式供电方式的合理结合，被全球能源、电力专家认为是投资省、能耗低、可靠性高的灵活能源系统，成为二十世纪电力工业的发展方向。这就是说，世界电力工业已经开始向传统电力工业的模式告别，走向依靠大型发电站和小型分布式供电广泛结合的过渡的“分布式”电力系统，从而大大改善供电效率、供电品质和减轻当今电力行业对环境影响形成的负担、减少兴建和改善输配电线路。分布式发电方式多种多样，根据燃料不同，可分为利用化石能源与可再生能源；根据用户需求不同，有电力单供方式与热电联产方式(CHP)，或冷热电三联产方式(CCHP)；根据发电方式不同，可分为燃气轮机发电方式，蒸汽轮机发电方式或柴油机发电方
22、式等。在产业革命后的 200 年中，煤炭一直是世界范围内的主要能源，而随着科技、经济的发展，石油在一次能源结构中的比例不断增加，于 20 世纪 60 年代超过煤炭。此后，石油、煤炭所占比例缓慢下降，天然气比例上升；同时，新能源、可再生能源逐步发展，形成了当前的以化石燃料为主和新能源、可再生能源并存的格局。表 1.1 主要的分布式供电方式 发电技术 能源种类 内燃机发电技术 燃气轮机发电技术 微型燃气轮机发电技术 常规的燃油发电机发电技术 燃料电池发电技术 化石能源 太阳能发电技术 风力发电技术 水利发电技术 生物质发电技术 可再生能源 氢能发电技术 二次能源 垃圾发电技术 一般废弃物 上海交通
23、大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 4 页 以化石能源为能源动力的分布式供电方式多种多样（见表 1.1）。下面主要介绍一下具有代表性的燃气内燃机分布式供电以及微型燃气轮机分布式供电。燃气内燃机的工作原理是将燃料与空气注入气缸混合压缩,点火引发其爆燃作功,推动活塞运行,通过气缸连杆和曲轴驱动发电机发电。内燃机燃烧后的排烟温度可达到500,汽缸套冷却水可以达到110,再加上空气压缩机和润滑油冷却水中的热量,可以回收用于热电联产。内燃机的润滑油和气缸冷却放出的热量温度较低(一般不超过90),而且该热量份额很大,几乎与烟气回收的热量相当,回收后完全可以满足住宅的供暖需求。燃气内燃机的主要优点包括:（1
24、）技术成熟、工艺稳定,已经被广泛采用；（2）发电效率高,通常在32%40%,对于电力需求较大的用户十分合适；（3）燃气可以利用内燃机自身携带的空气压缩机增压,不用另配增压设备；（4）使用多种低热值燃气,应用范围大。微型燃气轮机大都采用回热循环。通常它由透平、压气机、燃烧室、回热器、发电机及电子控 制部分组成，从压气机出来的高压空气先在回热器内接受透平排气的预热，然后进入燃烧室与燃料 混合、燃烧。大多数微型燃气轮机由燃气轮机直接驱动内置式高速发电机，发电机与压气机、透平同轴，转速在50000120000 r/min之间。一些单轴微型燃气轮机设计，发电机发出高频交流电，转换成高压直流电后，再转换为
25、60Hz380V的交流电。目前，开发微型透平的厂商主要集中在北美，欧洲有瑞典和英国。与柴油机发电机组相比，微型燃机具有以下一系列先进技术特征：（1）运动部件少，结构简单紧凑，重量轻，是传统燃机的 1/4；（2）可用多种燃料，燃料消耗率低、排放低，尤其是使用天然气；（3）低振动、低噪音、寿命长、运行成本低；（4）设计简单、备用件少、生产成本低；（5）通过调节转速，即使不是满负荷运转，效率也非常高；（6）可遥控和诊断；（7）可多台集成扩容。正如常规的集中供电电站可以通过功热并供提高能源利用率一样，分布式供电系统在用户需要的情况下，同样可以在生产电力的同时提供热能或同时满足供热、制冷两方面的需求。而
26、后者则成为一种先进的能源利用系统冷热电三联产系统。与简单的供电系统相比，冷热电三联产系统可以在大幅度提高系统能源利上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 5 页 用率的同时，降低环境污染，明显改善系统的热经济性。因此，三联产技术是目前分布式供电发展的主要方向之一。1.3.2 传统供电方式和分布式供电方式的比较传统供电方式和分布式供电方式的比较 传统建筑物供能系统的主要方式包括燃煤供暖、天然气或电直接供热（冷）和集中热电并供，这些供能系统可以满足建筑物对能量的需求，但也存在明显的弊端，例如燃煤锅炉供暖会产生大量烟气粉尘，严重恶化环境；天然气直接供热（冷）：成本过高，能源利用率低下；大型集中冷
27、热电并供受到距离限制，损耗大，成本高；电直接供热（冷）引起电力峰谷差加大(季节、时段)，发电设备年运行时间下降，大量固定资产闲置。而 CCHP 系统可以大大提高能源利用效率：大型发电厂的发电效率般为35%-55，扣除厂用电和线损率，终端的利用效率只能达到 30-47%。而 CCHP 的能源利用率可达到 80%，没有输电损耗和输热（或）冷损失；CCHP 在降低碳和污染空气的排放物方面具有很大的潜力，发达国家早已采用“污染物排放量购买法”来控制有害气体的排放，我国也是势在必行7。燃气热电冷联产系统工作的基本原理是：首先利用燃气高品位热能在原动机中做功发电，再利用原动机发电所产生的废热进行供热、除湿
28、或驱动吸收机制冷，从而实现能源的高效梯级利用。燃气热电冷联产系统采用的原动机主要有：微燃机、燃气内燃机、燃气轮机、燃料电池及斯特林机等。由于燃气热电冷联产系统从原理上实现了对能源的梯级利用，因而，科学合理的联产系统配置与利用方式，相对传统的燃煤分产系统而言，可望具有较大的节能潜力。同时，系统能源利用效率的提高、以及天然气清洁能源的应用，对于降低二氧化碳及其它空气污染物（SOx、NOx 和烟尘等）的排放，也将有着积极的作用。另一方面，由于燃气热电冷联产系统利用燃气在用户侧发电，减少了用户对市电需求的压力，增强用户电力供应的安全性，削减了夏季电网的电力峰值，填补夏季燃气利用的谷值。同时，由于燃气热
29、电冷联产系统利用余热制冷，减少了夏季电力空调的需求，对消减夏季电力峰值可进一步起到积极作用。因而，燃气热电冷联产系统科学合理的利用，对于提高能源利用效率、降低污染排放、改善电力峰谷差及燃气冬夏季峰谷差、提高供电安全性等方面，可望具有非常积极的意义。燃气热电冷联产系统具有改善目前我国在环境、天然气及上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 6 页 电力发展中存在问题的潜力。在燃气热电冷联产系统的几种应用类型中，燃气内燃机热电冷联产系统以其成熟的工艺及技术、相对较高的发电效率、较好的部分负荷性能、较低的市场价格等有利因素而受到人们的关注。燃气内燃发电机机组发电功率从数千瓦至数兆瓦不等，其构成的热
30、电冷联产系统已成为建筑面积小至几千、大至数万甚至数十万平米规模的热电冷联产项目主要的考虑类型之一。910 1.3.3 分布式供能的主要发展方向冷热电三联产系统分布式供能的主要发展方向冷热电三联产系统 传统动力系统的技术开发以及商业化的努力主要着眼于单独的设备，例如，集中供热、直燃式中央空调及发电设备。这些设备的共同问题在于单一目标下的能耗高，在忽视环境影响和不合理的能源价格情况下，具有定的经济效益。但是，从科技技术角度出发，这些设备都尚未达到有限能源资源的高效和综合利用。CCHP 是一种建立在能的梯级利用概念基础上，将制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程一体化的多联产总能系统（如图 1.1 和
31、图 1.2 所示），目的在于提高能源利用效率，减少碳化物及有害气体的排放。据有关专家估算，如果从 2000 年起每年有 4%的现有建筑的供电、供暖和供冷采用 CCHP，从 2005 年起 25的新建建筑及从 2010 年起 50的新建建筑均采用 CCHP 的话，到 2020 年的二氧化碳的排放量将减少 19%。如果将现有建筑实施 CCHP 的比例从 4%提高到 8%，到 2020 年二氧化碳的排放量将减少 30%。典型 CCHP 系统一般包括：动力系统和发电机(供电)、余热回收装置(供热)、制冷系统(供冷)等。针对不同的用户需求，CCHP 系统方案的可选择范围很大：与热、电联产技术有关的选择有
32、蒸汽轮机驱动的外燃烧式和燃气轮机驱动的内燃烧式方案；与制冷方式有关的选择有压缩式、吸收式或其它热驱动的制冷方式。另外，供热、供冷热源还有直接和间接方式之分。在外燃烧式的热电联产应用中，由于背压汽轮机常常受到区域供热负荷的限制不能按经济规模设置，多数是相当小的和低效率的；而对于内燃烧式方案，由于技术的不断进步，已经生产出了尺寸小、重量轻、污染排放低、燃料适应性广、具有机械效率和高排气温度的燃气轮机，同时燃气轮机的容量范围很宽：从几十到数百 KW 的微型燃气轮机到 300MW 以上的大型燃气轮机，它们用于热电联产时既发电又产汽，兼有高发电效率（30%-40%）和高的热效率（70%-80%）。现在，
33、在有燃汽和燃油的地方，燃气轮机正日益取代汽轮机在热电联产中的地位。上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 7 页 压缩式制冷是消耗外功并通过旋转轴传递给压缩机进行制冷的，通过机械能的分配，可以调节电量和冷量的比例；而吸收式制冷是耗费低温位热能来制冷(根据对热量和冷量的需求进行调节和优化)，把来自热电联产的一部分或全部热能用于驱动吸收式制冷系统。图 1.1 燃气内燃机/燃气轮机余热/直燃溴机组联合循环 Fig.1.1 Gas Engine/Gas TurbineGas Stack Lithium Bromide Chiller with burner Combined Cooling,Hea
34、ting and Power system 图 1.2 燃气蒸汽联合循环冷热电联产 Fig.1.2 Fuel Gas Steam Combined Cooling,Heating and Power system 目前最为常见的吸收式制冷系统为溴化锂吸收式制冷系统和氨吸收式制冷系统。前者制冷温度由于受制冷剂的限制，不能低于 5，般仅用于家用空调；上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 8 页 后者的制冷温度范围非常大(+10-50)，不仅可用于空调，而且可用于 0以下的制冷场所。同时，氨吸收式制冷系统可以利用低品位的余热，所需热源的温度只要达到 80以上就能利用，从而使能源得到充分合理的利
35、用；而月氨吸收式制冷系统还具有节电、设备易于制造和维修、对安装场所要求不高、系统运行平稳可靠、噪声小、便于调节、可以在同一系统内提供给用户不同温度的冷量、单个系统的制冷量很大等优点 1.4 冷热电联供系统在国内外的发展情况冷热电联供系统在国内外的发展情况 国外发展冷热电分布式供能系统比我们要起步早、技术先进，目前国外已在医院、学校、超市等用能结构较复杂地方成功运行了分布式的系统，如比较成功的典型冷热电联供系统有1516：（1）美国从20世纪70年代开始发展冷热电联产技术,建筑冷热电联产系统是其重要的应用领域。根据1999年的统计资料,美国在商业、公共建筑中已运行的分布式冷热电系统980座,总装
36、机容量4926MW,其中内燃机系统770座,平均装机容量0.7MW；燃气轮机简单循环系统104座,平均装机容量9.0MW；燃气轮机联合循环系统27座,平均装机容量78.1MW。（2）新泽西洲大学 Busch 热电站该校供热站原有 3 台集中供热锅炉，每台5000BTU/h 供热水，供应 25000 学生生活用热与空调制冷。1995 年改造燃机热电联产，安装了 3 台索拉 Cemaur4500kw 燃机,燃机排气入余热锅炉，供热(制冷)发电。原 3 台单供热水锅炉作备用。可供应 80%的电负荷和 100%全校冷热负荷需求，改造后，较以前相比，每日可盈利 1 万美元。这种联产叫“CHP”,无汽轮发
37、电机组。（3）普林斯顿大学热电站 Princeton co-generation plant 建于 1990 年,为热电冷联产机组。供应全校电力、热能和冷量。属自备热电站，但电力不足仍需电网供约 2000kw/h 的电力。燃机为航空轻型改型 LM1600,额定功率 1500kw，GE公司生产，燃机简单循环效率为 30，汽轮机发电供热、制冷。联产能源利用率达 75%80%。燃机装有注水装置,喷注纯水。设有两台备用天然气锅炉，当燃机检修或停用时启用。该热电站总投资为 6500 万美元。1996 年 2 月上海市提出了鼓励发展单幢或数幢建筑物的小型热电(冷)联产和小联片供热供冷站。2000 年 8
38、月 22 日国家计委、国家经贸委、建设部、国家环保总局联合发出关于发展热电联产的规定中增加了第十四条“积极支持发上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 9 页 展燃气蒸汽联合循环热电联产”，在这一条第四款提出“以小型燃气发电机组和余热锅炉等设备组成小型热电联产系统，适用于厂矿企业、写字楼、宾馆、商场、医院、银行、学校等较分散的公用建筑。它具有效率高，占地小，保护环境、减少供电线损和应急突发事件等综合功能，在有条件地区应逐步推广。”如目前，我国成功运行的冷热电联产系统有16：（1）金桥体育休闲中心的以内燃机为原动力的冷热电分布式供能系统，发电机组与甲线母线并联，采用并网不上网的运行方式。冬夏
39、时节供甲线总电力需求的 4050；春秋时节调峰运行或带基本负荷运行。发电的同时，将回收的余热（70 度6 吨/小时）提供给美格菲游泳池加热,和其它用户生活用热。机组在电负荷高峰及平时段运行，每天 13 小时，早起晚停。产生的热能基本被用户利用，总体能源利用率高达到 83.4%。（2）浦东国际机场热电(冷)联产系统浦东国际机场能源中心,采用“大集中、小分散”供冷供热方案中最为关键的“集中”供冷供热主站。为航站楼、机场当局办公楼，海关边防联检楼、餐饮娱乐中心、机场配餐、机场送货、宾馆、医疗急救中心、金融中心等用户服务。采用燃机发电余热锅炉供热制冷，实现热、电、冷“三联供”。其中燃机采用美国索拉公司
40、生产的 4000KW 机组，3 台余热锅炉 0.9 MPa 饱和蒸汽，9.7 t/h。燃机单循环效率 28.5%，能源利用率 77%,余热锅炉加补燃,能源利用率可达 80%90%。1.5 生物质气化发电技术的介绍生物质气化发电技术的介绍 1.5.1 生物质能的背景生物质能的背景 随着人类对能源需求的不断扩大,主要为人类提供能量的化石燃料资源正在迅速地减少,化石能源的过度开发利用带来环境污染和全球气候异常的问题也日益突出。因此,寻找和开发新型可再生能源迫在眉睫。生物质能恰恰能满足这些要求,因为它具有不断的可再生性、对环境的友好性和能够抑制全球气候异常。广义的生物质能包括一切由植物光合作用转化和固
41、定下来的太阳能,生物质作为生物质能的载体,美国能源部(DOE)把生物质定义为:生物质是来源于植物和动物的有机物质。生物质资源十分丰富,据估计,全球每年水、陆生物质产量约为目前全球总能耗量的 610 倍左右。目前生物质已成为仅次于煤炭、石油、天然气的第四上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 10 页 大能源,约占全球总能耗的 14%。在发展中国家则更为突出,生物质能占总能耗的35%。据预测,到 2050 年,生物质能用量将占全球燃料直接用量的 38%,发电量占全球总电量的 17%。因此,许多发达国家和一些发展中国家将生物质看作是对环境和社会有益的能源资源,加快了生物质能源的产品化进程。在我
42、国,1999 年生物质能的消耗量占农村总能耗的 39%,占全国总能耗的 17.4%。但是,目前我国在生物质的利用方面存在着很大的弊端:一方面是在经济落后的边远地区,为了获得生活用能,对森林资源进行掠夺性地采伐,自然生态日趋恶化；一方面农民开始转向使用化石燃料,大部分农业废弃物就地焚烧,导致资源浪费和环境污染。因此,改变生物质的传统利用方式,寻求合理的能量转化技术,对我国有着特别重要的意义17。1.5.2 生物质的各种发电技术生物质的各种发电技术 生物质转化为电能的技术包括:直接燃烧(包括与煤及其它燃料共燃)、气化和热解。气化和直接燃烧是利用生物质原料发电的主要方法。直接燃烧发电的过程是:生物质
43、与过量空气在锅炉中燃烧,产生的热烟气和锅炉的热交换部件换热,产生出的高温高压蒸汽在蒸汽轮机中膨胀做功发出电能。气化发电的过程是:生物质通过热化学转化为气体燃料,净化后的气体燃料直接被送入锅炉、内燃发电机、燃气机的燃烧室中燃烧来发电。美国能源部(DOE)在1997年归纳了生物质燃料发电技术的特点,对比直接燃烧与生物质整体气化联合循环(BIGCC)发电参数。直接燃烧的电站容量是50MWe、效率是23.0%、投资成本是1965/kWh,总运行费用5.50C/kWh；BIGCC 的电站容量是75MWe、效率是36.0%、投资成本是2102/KWh,总运行费用3.98C/kWh。显然,生物质气化发电技术
44、比直接燃烧的效率要高很多,而且运行费用也低。所以,我们要大力发展生物质气化发电技术,使生物质发电更具有竞争力17。1.6 生物质气化发电技术在国内外的发展生物质气化发电技术在国内外的发展 目前，生物质能技术的研究与开发已成为世界重大热门课题之一，受到世界各国政府与科学家的关注。许多国家都制定了相应的开发研究计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等，其中生物质能源的开发利用占有相当的比重。目前，国外的生物质能技术和装置多已达到商业化应用程度，实现了规模化产业经营，以美国、瑞典和奥地利三国为例，上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 11 页 生物质转化
45、为高品位能源利用已具有相当可观的规模，分别占该国一次能源消耗量的 4、16和 l0。在美国，生物质能发电的总装机容量已超过 10000 兆瓦，单机容量达 1025 兆瓦；美国纽约的斯塔藤垃圾处理站投资 2OOO 万美元，采用湿法处理垃圾，回收沼气，用于发电，同时生产肥料。巴西是乙醇燃料开发应用最有特色的国家，实施了世界上规模最大的乙醇开发计划，目前乙醇燃料已占该国汽车燃料消费量的 50以上。美国开发出利用纤维素废料生产酒精的技术，建立了 l 兆瓦的稻壳发电示范工程，年产酒精 2500 吨。我国大力发展可再生能源产业，不仅可以弥补传统能源的不足，还能大量减少污染，创造新的就业机会。随着国家对能源
46、利用的重视和对环保意识的加强，利用生物质气进行发电，既节约了能源，又利用了废弃物，降低了污染，市场前景看好。2006 年 1 月 1 日，我国可再生能源法正式实施，其第二条内容：本法所称可再生能源，是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。我国近年来可再生能源的利用取得了长足发展，年均增速超过 25。2004 年，新型可再生能源利用量约 1.43 亿吨标准煤，占能源消费总量的 7左右。但与国外相比，我国可再生能源发展仍比较缓慢。据国家发改委有关负责同志介绍，我国可再生能源发展水平不仅远低于大多数发达国家，甚至落后于印度、巴西等发展中国家。欧盟要求，各成员在 2010 年之前
47、要把电力的 22和所有能源的 12改为可再生能源。在美国，2001 年可再生能源消费约占能源消费总量的 6，到 2010 年再生能源发电比例提高 10，达到 20左右。农作物秸秆是农业生产的副产品，也是我国农村的传统燃料。秸秆资源与农业主要是种植业生产关系十分密切。根据 1995 年的统计数据计算，我国农作物秸秆年产出量为 6.04 亿吨，其中造肥还田及其收集损失约占 15，剩余 5.134 亿吨。可获得的农作物秸秆 5.134 亿吨除了作为饲料、工业原料之外，其余大部分还可作为农户炊事、取暖燃料，目前全国农村作为能源的秸秆消费量约 2.862 亿吨，但大多处于低效利用方式即直接在柴灶上燃烧，
48、其转换效率仅为 10-20左右。随着农村经济的发展，农民收入的增加，地区差异正在逐步扩大，农村生活用能中商品能源的比例正以较快的速度增加。事实上，农民收入的增加与商品能源获得的难易程度都能成为他们转向使用商品能源的契机与动力。在较为接近商品能源产区的农村地区或富裕的农村地区，商品能源(如煤、液化石油气等)已成为其主要的炊事用能。以传统方式利用的秸秆首先成为被替代的对象，致使被弃于地头田间直接燃烧的秸秆量逐年增大，许多地区废弃秸秆量已占总秸秆量的60以上，既危害环境，又浪费资源。因此，加快秸秆的优质化转换利用势在必上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 12 页 行。生物质能热电项目是国家政
49、策扶植的一种能源项目，它的实施有利于改善环境、节约能源、富裕农民、发展循环经济、实现可持续发展。生物质气化发电技术的研发与应用，可解决国内农村大量生物质浪费并造成污染环境的问题，即高效利用了农村的可再生能源资源，也缓解了一次能源需求所带来的社会和生态环境矛盾，还迎合建设社会主义新农村的国策。实现农村可持续发展、生态良好、生活富裕文明的进程。生物质气化发电技术可作为建设社会主义新农村的重要内容加大力度推广。江苏如东二十五万千瓦生物质发电（燃气轮机）示范项目采用高温高压锅炉和先进秸秆前处理系统，解决了由于盲目焚烧小麦、玉米秸秆而带来的资源浪费和环境污染的双向问题。汤原生物发电厂三十万千瓦生物发电（
50、燃气轮机）示范项目。目前大功率生物质发电设备都采用燃气轮机，小功率的生物发电设备采用内燃机发电的国内外研究得很少，内燃机一般都采用柴油内燃机改制，没有专门的针对生物质气（秸秆气）而研发专用的内燃机。1.7 本章小结本章小结 本章就目前世界上能源供应现状和未来能源供应的发展情况进行了分析，并主要介绍了我国的能源结构和目前电力供应的特点，从长远看，分布式供能系统有巨大的经济优势，但目前分布式能源利用率的优势未必能转化为经济上的优势。在目前的市场价格环境下，分布式供能实现利润的关键在于正确的选点和正确的设计。冷热负荷要求高的楼宇或小区，采取以热定电，发电就地消化并网不上网的设计和运行控制模式，不足的