1.MTG与分布式供电

微型燃气轮机的发展源于分布式发电。分布式发电主要是由电力市场的放松控制所驱动的，同时还得益于天然气市场的放松控制。电力市场的放松控制是世界范围内的发展趋势，它使得用户可以选择向谁买电或允许用户自行发电，就地供电（现货电力）成为向用户提供最低廉用电的主要竞争武器之一。现在几乎所有的美国公用电网都建立了能源服务公司（ESCO），以充分利用电力市场放松控制的机会。一个公司如果能够做到在电价高涨时发电而电价降低时停机，则在供电竞争中将具有明显的优势。

分布式发电的发展为微型燃气轮机技术发展和市场扩展提供了极好的平台。目前，美国、英国等国家电力市场已从集中发电转向分布式发电。小型发电厂在分布式电网中的应用，已成为一种日益增长的可行选择。这种发电方式能够为用户减缓电网拥挤，增加电网机动性，降低送电损失和成本，改善电力质量。微型燃气轮机技术的发展及其商用推出，大大增加了分布式发电面向较小用户的可能性。微型燃气轮机发电装置的紧凑性、可靠性、遥控运行，以及环境友好等特点，意味着它们特别适合分布式发电的区域性应用，可以置于非常靠近用户运行。

显然，它不再需要常规电网长达数千米以上且价格昂贵的输电线路，而这一点在以往恰恰被忽视了。考虑到目前全球还有20亿人口还在完全没有电的条件下生活，微型燃气轮机的应用，可以加速实现这些地区人民生活和生产的电力化。可以想象，对于在无电区生活的人们，通过装备微型燃气轮机发电装置，简单地从电源插座获得可靠而高质量的电力，确实令人激动。在分布式发电应用领域，微型燃气轮机将直接与柴油机发电进行竞争。与内燃机发电相比，微型燃气轮机发电有明显的优越性，例如，一台45kW微型燃气轮机发电装置的成本约13500美元（包括换热器），而整套柴油发电装置约9000美元。但燃气轮机具有更低的循环寿命成本，第一代微型燃气轮机寿命为45000h，而同功率等级柴油机仅为4000h，不足燃气轮机的1/10。而且燃气轮机排放低于柴油机，有利于环境保护。可以相信，随着微型燃气轮机技术的进一步发展，其成本将接近于柴油机发电装置，而工作寿命更长。当然，目前微型燃气轮机的热效率还低于同等功率的柴油机，但在低负荷应用时，其热效率和燃料费用在整个发电成本中，相对维修费用并不重要；而在高负荷时，性能良好，在线维护仅需几个小时，费用可以大大节省，这也是微型燃气轮机驱动分布式发电市场进步的技术优势。由于微型燃气轮机相应于内燃发动机的这些优点，全球范围内，特别是具有大规模燃气轮机市场的美国，对微型燃气轮机有极大的兴趣，微型燃气轮机-ESCO的发展势头非常猛。由于某些地区电力不能满足峰时需求时，发电厂可调高峰时电价，因此随着大多数公司追求尖峰负荷的收入，预计放松控制市场后的发电量将比垄断市场更大。

与传统的高压远距离输电系统的大型电站相比，分布式发电的主要优点是：投资少、建设快、运行费用低、供电可靠。分布式电站的一个重要优点是靠近用户，并不需要高压输电系统，从而可使基础设施的投资大大减小。再者，安装小型发电机的场地不难找到，安装的工期很短，也有利于投资的回收。由于输电损耗远比传统的电力系统低，因而分布式发电的运行费用低。国外统计资料表明［1］，大型电厂的出厂电价为3.3美分/（kW·h），经过高压输电和配电环节后，电价分别上升到4.4美分/（kW·h）和7.7美分/（kW·h），到达用户时电价为9美分/（kW·h）。由表6-2可见，根据目前的技术水平，采用微型燃气轮机或燃料电池时，电价均为6～8美分/（kW·h），低于电网的电价；风力发电的电价只有3～4美分/（kW·h）；只有太阳能光伏发电，因设备投资过高而致使电价偏高。

表6-2 分布式发电技术比较①

注：运行维护费不包括燃料费用。

① Jones T，Petrie E.Distributed power generation and creating a‘virtual utility’to manage it［J］.EJ-I.ABB Review，2000，（3）：13-21.

在供电可靠性方面，分布式发电的优点也是很明显的。传统电力系统中，高压输配电设施常是影响供电可靠性的一个重要因素。例如，美国近12年来发生过41起因风暴、冰雪等自然灾害引起的高压线路及铁塔的严重破坏，损失达1800亿美元，并使有的用户供电中断长达10天之久^[2]。即使在没有自然灾害的夏季，也会出现输电线路故障引发的停电事故。例如，2003年8月14日，美国和加拿大的大停电，就是因为线路过热下垂触及树枝，导致短路而引发的。此外，因太阳黑子异常活动，引发电力系统的重大事故，在北美洲和北欧等高纬度地区也发生过。太阳黑子引起的磁暴，即大地磁场的剧烈变化，会产生地面电位差，若长输电线路两端变压器的星形接法绕组的中性点都接地，就会有直流电流流过绕组而致使变压器铁心出现磁饱和，产生严重的电压谐波，引起系统中电容器组过载、继电保护误动作，并使变压器损坏^[3]。战时高压输电线路更是系统供电可靠性的一个薄弱环节，长输电线路容易遭受碳纤维弹的袭击，使整个电力系统处于瘫痪状态。

从1978年开始，美国提倡发展小型热电联产。目前，正研究能源资源高效利用的小型热-电-冷三联产。美国能源部制定了详细的热电联产发展目标，宣布了一个在2010年使热-电联产容量翻一番的目标，即美国要在2010年前，再增加46000MW装机容量的热-电联产能力^［2］。

美国现有6000多座分布式供能站，仅大学校园就有200多座。政府计划在2010年有20％的新建商用或办公建筑的供能站使用热-电-冷联产，5％的现有商用写字楼供能改用热-电-冷联产，美国能源部25％的项目改用热-电-冷联产。到2020年，计划有一半以上的新建办公或商用建筑供能采用热-电-冷联产，同时将有15％的现有建筑供能改为热-电-冷联产。

日本是能源依赖进口的国家，因此非常重视节能工作。节能系统的研究程度很高，燃料以天然气为主的分布式热-电-冷联产项目发展最快，应用领域广泛。

1991年初，日本东京煤气公司投运了一座高效率、高性能的供热制冷中心，其制冷总容量达到182.8MW。在1993年，其制冷总容量扩充到207.4MW，成为世界最大的区域供热和制冷中心^［3］。截止2000年底，日本全国热电项目共1413个，总装机容量为2212MW；工业燃气热电项目共1002个，总装机容量为1734MW。其中，采用小型燃气轮机、燃气内燃机及微型燃气轮机为楼宇供能的热-电-冷联产项目逐年增长^［2］。

从1974年开始，欧洲大力发展热-电联产，热电发电量从1994年占发电总量的9％，增加到2010年的18％^［4］。

英国曼彻斯特机场的分布式三联产供能工程，包括选用两台内燃机（燃料为重油或天然气）、两台59MW的余热锅炉（供应140℃热水）、两台4MW的双燃料常规锅炉，每年发电约72000MW·h。英国实行热-电-冷三联产后，每年可减少CO₂排放50000t、SO₂排放1000t，因此，经济效益和环保效益都十分显著^［5］。(www.daowen.com)

从1999年开始，丹麦政府进行电力改革，在热供应法案中，明确提出尽可能提高热-电联产在集中供热中的应用比例。目前丹麦90％的区域供热由热-电联产提供^［6］。

1995年，德国拥有255台使用燃气轮机的分布式热-电联产机组，总装机容量为3152MW；拥有2700台基于柴油机驱动的热-电联产机组，总装机容量为1450MW。在2002年，德国通过了新的热电法，鼓励和支持发展热-电联产。热-电联产的发展在德国将有广阔的前景。

1999年，意大利能源工业热-电联产发电量达49.6kW·h，占全国发电量的18.7％，但是微型与小型热电机组发展欠缺，装机容量仅在238MW以内。目前意大利加强了对中小型分布式热-电联产的鼓励和支持。

2.MTG与热电联供

冷-热-电联产系统是将制冷、供热（采暖和供热水）及发电三者合而为一的能源设施，主要由燃气轮机发电机组、换热器、燃气锅炉、热水储存器、冷水储存器、吸收式制冷机组、离心式制冷机组、冷却塔、水泵等组成。锅炉产生的蒸气先在背压式或抽气式蒸汽轮机中发电，蒸汽轮机的排气除满足各种热负荷外，也用作吸收式制冷机的工作蒸汽。冷-热-电三联产实际是热-电联产与制冷生产两大技术的结合。其中，热-电联产分外部燃烧联产与内部燃烧联产，制冷的方式有压缩式与吸收式。冷-热-电联产系统有以下优点：

（1）高效节能 冷-热-电联产是将原来供电、采暖、制冷和热水等系统优化整合为一体化供给系统。它将资源利用效率提高到80％～90％，如果进一步与植物栽培大棚相结合，可使利用效率更加提高，几乎实现全能量的利用。冷-热-电联产减少了各能源系统综合投资和运行管理的费用。推广冷-热-电联产技术，根据需求情况使用燃气或电力进行供冷或供热，可以解决城市燃气与电力严重的季节性峰谷不平衡的问题，从而使燃气供应与电力企业彼此促进，提高效益。通过技术经济比较显示：联产系统的成本低，节能效果显著。在冷-热-电联产系统中，发电机组与空调机组共用发动机，增加发电功能只需要增加机组成本的10％～16％，既满足空调与应急发电需要，又可大幅度降低成本，提高运行的经济性。以一个400万m²的空调面积为例，采用燃气三联产系统，夏季每天增加110万m³的燃气需求，减少18万kW的电力峰值负荷，有效地起到夏季燃气填谷作用，经济效益与社会效益并举。另外，三联产的设备费用介于直燃机和电动空调之间，运行费用最低，设备费用回收期短，天然气系统的设备回收期小于三年。总而言之，投资冷-热-电联产化建设，可以达到节约能源，提高效益的目的。

（2）降低污染 冷-热-电联产系统在大幅度提高能源利用率及减少空气污染方面具有很大的潜力。有关专家做了这样的估算：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，以及从2010年起50％的新建建筑均采用CCHP，到2020年，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％。

（3）方便安全 冷-热-电联产系统将三种能源转换方式集中在一套设备。这样不仅大大减少了用户区域对大型电网的依赖，也带来了管理上的便利。往往一些自然灾害（如地震，洪灾等）的发生，会导致大范围的能源供应瘫痪。在一些重要部门或区域，需要减小对集中能源方式的依赖，冷-热-电联产系统便是一个非常有前景的选择。由于小区域的冷-热-电联产系统控制集中，其管理十分方便。另外，随着系统设备与技术的日渐成熟，其安全性也越来越高。

图6-4示出微型燃气轮机冷-热-电联供。这是一种设置在用户附近的小型分布式供能技术，以天然气、沼气、柴油等为燃料，通过微型燃气轮机发电机组（以下简称微型燃气轮机）向用户提供电力。发电产生的尾气可以用来加热热水，供取暖、洗浴或工艺过程使用；或将尾气直接通入溴化锂或氨吸收式制冷机，制取空调冷水，用于夏季供冷或冷藏。由于有效地利用了发电过程产生的余热资源，相比常规的内燃发电机组30％～40％的效率和大型联合循环发电机组40％多的能源利用率，热-电-冷联产的能源利用综合效率可达80％左右。微型燃气轮机的尾气洁净，排放很低，噪声和振动均小于柴油或燃气内燃机组，是目前最环保的发电技术之一，在发达国家获得了广泛的应用。

图6-4 微型燃气轮机的冷-热-电联供

微型燃气轮机热-电（冷）联产系统可以脱离电网独立运行，向用户提供电力、热水和冷暖空调；也可以与电网并网运行，此时微型燃气轮机承担基本用电负荷，发出的电力无法满足用户需求时，由电网补充，以确保机组运行于满负荷工况，此时具有最佳的经济性。微型燃气轮机热-电（冷）联产符合国家的能源和环境政策，是被大力提倡的一种先进的能源生产方式。图6-5示出微型燃气轮机热_-电联产与常规分产系统的比较。常规分产系统的综合效率为57％，NO_x排放为0.045kg/h。微型燃气轮机热-电联产的综合效率为86％，NO_x排放为0.0045kg/h。

图6-5 微型燃气轮机热-电联产与常规分产系统的比较

a）常规分产系统 b）微型燃气轮机热-电联产