新能源发电与控制技术第3版 惠晶第6章 分布式电源与微电网组网技术

第6章 分布式电源与微电网组网技术,机械工业出版社,2,机械工业出版社,3,机械工业出版社,主要内容,6.1 分布式能源的特征及其应用 6.2 分布式供电与储能技术 6.3 微电网与多单元混合组网技术 6.4 电能质量与控制技术 6.5 分布式能源的综合利用及经济技术评价,4,机械工业出版社,6.1 分布式能源的特征及其应用,6.1.1 分布式能源的特征 分布式能源也叫分布式资源（DER，Distributed Energy Resources），是一种能源的分布式应用系统，实现用户端的能源综合利用，相对于传统的集中供电方式而言，是指将冷-热-电系统以小规模、小容量（数kW20MW）、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出冷（Cooling）、热（Heating）、电能（Power）的系统。,5,机械工业出版社,1. 分布式能源的定义 国际分布式能源联盟（WADE，World Alliance for Decentralized Energy ）对“分布式能源”给出的 定义是：发电系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有： 高效的利用发电产生的废能生产热和电； 现场端的可再生能源系统； 包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循 环利用系统。 这些系统就称为分布式能源系统，而不考虑这些项目的规模、燃料或技术，及该系统是否联接电网等条件。,6,机械工业出版社,国际公认的发展前景良好、用途广泛、移动与固定供电兼具、能源转换高效、可热电综合利用的两种重要分布式能源利用形式： 微型燃气机发电机组，这是实现热电联产、高效利用能源和节能的主要形式； “燃料电池”技术，这也是未来主要的分布式能源利用技术之一。,7,机械工业出版社,微型燃气轮机发电机组,8,机械工业出版社,2.分布式能源主要特征： (1)高效性 (2)环保性 (3)能源利用的多样性 (4)调峰作用 (5)安全性和可靠性 (6)减少国家输配电投资 (7)解决边远地区供电,9,机械工业出版社,分布式能源的先进技术包括太阳能利用、风能利用、燃料电池和燃气内燃机冷-热-电三联供等多种形式； 主要技术有： 电能有效利用（EUEE，Efficient Utilization of Electrical Energy）、智能通信技术（ICT，Information and Communications Technology）、智能模块（Smart Box）、主动网络管理 （ANM，Active Network Management）以及微网（Micro-Grids）和智能电网（Smart-Grids），并实现整合预期能源发展的柔性电网（FENIX，Flexible Electricity Networks to Integrate the eXpected 'energy evolution）。,10,机械工业出版社,3. 分布式能源的综合利用： 燃气-蒸汽联合循环发电 燃料电池发电-余热利用技术 整体煤气化联合循环（IGCC） 煤炭气化多联产 热-电-冷三联产 风-光-燃气互补多联产发电等领域。,11,机械工业出版社,6.1.2 分布式能源的应用,1. 分布式能源转换设备及装置,（1） 小型燃气轮机 （2） 微型燃气轮机 （3） 燃料电池 （4） 微型蒸汽轮机-蒸汽轮机 （5） 微型水轮机和微型抽水蓄能电站 （6） 太阳能发电系统 （7） 风力发电系统,（8） 余热制冷系统 （9）热泵系统 （10）能量回收系统,12,机械工业出版社,2. 分布式能源中的系统优化技术,（1）多种能源系统整合优化 （2）将分布式能源与交通系统整合优化 （3）分布式能源系统电网接入研究 （4）储能技术 （5）地源储能技术 （6）网络式能源系统,13,机械工业出版社,3. 分布式能源中的资源利用技术,（1）天然气凝结水技术 （2）将分布式能源与大棚结合的技术 （3）利用发电制冷的冷却水生产生活热水的技术 （4）空调系统废热回收技术 （5）污水水源热泵系统 （6）小型生物质沼气生产技术,14,机械工业出版社,4. 分布式能源的主要应用形式,热-电-冷联产技术 燃气轮机发电系统 微燃气机发电系统 氢燃料电池发电系统 风力发电系统 小水电发电系统 太阳能光伏发电系统 地热能综合利用热-电联产系统 生物质能源发电系统,15,机械工业出版社,6.2 分布式供电与储能技术 6.2.1 天然气、燃气发电与控制技术,天然气是指地层内自然存在的以碳氢化合物为主体的可燃性气体。 组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，一般把甲烷分子含量超过99%的天然气水合物称为甲烷水合物（Methane Hydrate）。,16,机械工业出版社,天然气水合物样品,纯净的天然气水合物,17,机械工业出版社,夹杂着白色颗粒状“可燃冰”的海底沉积物,海洋天然气水合物的形成机理,18,机械工业出版社,1 天然气的特征与利用 天然气的特征：天然气，也称为天然气水合物，在自然界发现的天然气水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色等轴状、层状、小针状结晶体或分散状。它们可存在于零下，又可存在于零上温度环境。 存在方式： （1）占据大的岩石粒间孔隙； （2）以球粒状散布于细粒岩石中； （3）以固体形式填充在裂缝中； （4）大固态水合物伴随少量沉积物。,19,机械工业出版社,气水合物与冰、含气水合物层与冰层之间有明显的相似性： （1）相同的组合状态的变化流体转化为固体； （2）均属放热过程，并产生很大的热效应； （3）结冰或形成水合物时水体积均增大； （4）水中溶有盐时，二者相平衡温度降低，只有淡水才能转化为冰或 水合物； （5）冰与气水合物的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小 于同类的水层； （6）含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层； （7）含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。,20,机械工业出版社,分子结构,天然气水合物的结构: 结构 I 型 :立方晶体结构，仅能容纳甲烷（C1）、乙烷这两种小分子的烃以及N2、CO2、H2S等非烃分子，这种水合物中甲烷普遍存在的形式是构成CH4·5.75H2O的几何格架 结构 II 型 :菱形晶体结构 ,除包容C1、C2等小分子外，较大的“笼子”（水合物晶体中水分子间的空穴）还可容纳丙烷（C3）及异丁烷（iC4）等烃类 结构H型 :六方晶体结构，较大的“笼子”甚至可以容纳直径超过异丁烷（iC4）的分子,21,机械工业出版社,墨西哥巴什山三种气水合物伴生气体,ND：未检测到,22,机械工业出版社,天然气的综合利用,2010年世界各地发电用气占世界天然气消费比例,23,机械工业出版社,我国的能源消耗及能源结构趋势,24,机械工业出版社,我国天然气的使用构成(2006年),25,机械工业出版社,我国天然气的现状 （1）天然气在中国是一种稀缺资源 （2）中国能否创造一条高效利用天然气的独特道路 （3）电力与天然气应统筹安排合理利用 （4）分布式能源供给体系发展长期滞后,26,机械工业出版社,世界天然气的利用历程,世界天然气供给发展历程,27,机械工业出版社,世界天然气需求趋势,28,机械工业出版社,1985-2005世界天然气贸易量,29,机械工业出版社,世界天然气价格趋势,30,机械工业出版社,31,机械工业出版社,我国天然气的利用前景,西气东输,32,机械工业出版社,广东LNG项目,33,机械工业出版社,2 微型燃气轮机发电机组,燃气轮机按功率分为：大型燃机(100MW以上) 中型燃机(20100MW ) 小型燃机(20MW以下) 微型燃机(小于300kW),34,机械工业出版社,燃气轮机又可分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机 轻型燃气轮机为航空发动机的转型产品，如LM6000PC和FT8燃气轮机，其优势在于装机快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电力调峰、船舶动力。 重型燃气轮机为工业型燃机，如GT26和PG6561B等燃气轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电冷联产。,轻型燃气轮机,重型燃气轮机,35,机械工业出版社,燃气轮机的工作原理,燃气轮机工作原理,燃气轮机优点： 效率高、功率大、体积小、 投资省、运行成本低、寿命 周期较长等。 主要用于发电、交通和工业 动力。,燃气轮机由燃烧室、压气机、轮机装置组成,36,机械工业出版社,根据国际实际应用经验，发展热电联产特别是小型燃气轮机热电冷联 产，是合理利用天然气资源的最佳途径和最有效手段。 优势：提高能源利用效率，有效改善环境； 提高天然气的储采比； 降低开采、输送成本； 实现全系统优化； 降低气价、提高用户的市场竞争能力。,37,机械工业出版社,从我国西气东输沿线的能源设施布局看，主要是发展单机315MW、全厂总装机小于30MW、蒸汽供应能力200吨之内的小型燃气轮机热电冷联产项目，以现有区域、企业自备热电厂改造为主。 小型燃气轮机热电冷联产的方式极为多样，小型燃气轮机热电联产是全世界新能源开发与利用的趋势。,38,机械工业出版社,小型燃气轮机发电的特点,小型燃气轮机正在进行三大技术革命： 第一是回热利用技术提高发电效率； 第二是永磁发电机与大功率晶体管可控变频技术保障并网的安全可 靠，提高自动化控制能力，降低生产成本； 第三是直接与余热溴化锂空调联合循环技术省略了锅炉、化学水系统 等设备，大大方便了用户。,39,机械工业出版社,（1） 微型燃气轮机的工作原理,微型燃气轮机发电是把飞机发动机的燃气轮机小型化，使用天然气 等做燃料，产生高温、高压气体，推进发电机发电。 技术特征：发电容量小，一般在30至80kW； 占地面积少，设备大小犹如一台电冰箱； 可以使用各种油、气作燃料； 构成“热电并用系统”，从而提高能源综合利用效率； 废气排出少，对环境污染程度较轻； 适合于企业、医院、学校乃至家庭等分散使用。,40,机械工业出版社,美国的卡普斯顿(CAPSTONE)公司已经制造出65kW级微型燃气轮机 发电装置，发电效率达到26% ，年产量1万台。,卡普斯顿燃气轮机,41,机械工业出版社,英国宝曼（BOWMAN）公司生产的80KW的燃气轮机,BPS微型燃机的主要性能 单级径向压缩机 低排放环型燃烧器 单级径向透平 压比4：1 双润滑油系统轴承,42,机械工业出版社,微型燃气轮机发电机涉及5种关键技术： 液体或气体燃料； 用于发电的透平交流发电机； 产生高效热能的热交换器； 将电能转换成低压电能供给不同用户的功率调节器； 为天然气燃料提供合适压力的燃气涡轮增压机。,43,机械工业出版社,微型燃气轮机的发展现状 开发生产厂商主要集中在：北美、瑞典、英国和日本。 具有代表性的厂家：英国的宝曼（BOWMAN）公司、美国的卡普斯通 （CAPSTONE）和霍尼韦尔（HONEYWELL）公司。 已商业化的容量为25100kW，目前正在开发200400kW的微型燃气轮机。 我国的现状：我国已经具备一定的研究和生产能力，生产与制造水平有了长足的进步。,44,机械工业出版社,国产QD70燃气轮机,主要技术指标： 输出功率：7060KW/最大8000KW， 热效率31，空气流量29Kg/s， 动力涡轮转速：8300r/min。,45,机械工业出版社,微型燃气轮机是一种将气体或液体燃料（如天然气、燃油）燃烧产生的热能转化为机械能的旋转式叶轮动力机械装置。 主要结构有3部分：压气机（空气压缩机）、燃烧室、透平（动力涡轮）。微型燃气轮机的核心技术包括：利用空气轴承保持一个整体化的高速转子在615万r/min状态下运行，驱动小型永磁式中频发电机发电。,46,机械工业出版社,微燃机及其涡轮发电机结构,47,机械工业出版社,（2）微型燃气轮机发电机组的特点,1）与往复式燃机相比，微型燃机具有以下优点： 结构紧凑、体积小、重量轻