小規模熱電聯產的提出與研究*

魏蘇麒，蔣召玉

(1.潞安新疆煤化工集團有限公司露天分公司，新疆 哈密839003;2.西安科技大學機械工程學院，陜西西安710054)

1 引言

世界經濟的快速增長以及全球人口數量迅速增加，致使能源大幅度的消耗，伴隨的是環境問題的日趨嚴重。大氣中二氧化碳含量的不斷增加給我們的生存和發展提出了嚴重的挑戰。我國各地區霧霾現象的出現更是讓民心不安，整治環境問題已經是迫在眉睫。《京都協議書》的簽訂和哥本哈根會議上的承諾，迫使我國必須走節能減排和低碳經濟的道路。

低碳經濟是以低能耗、低排放、低污染為基礎的經濟模式，是在將環境問題推向一定高度提出的繼工業文明后的又一次改革。是以技術創新為核心的改革方案，旨在提高能源利用率、建立清潔的能源結構。2012年我國發電設備總產量1.27億千瓦，其中非化石能源發電設備產量4 567.91萬千瓦，僅占比36.02%，主要還是靠煤炭能源，此外利用煤炭發電利用率僅三成，效率十分低下。

熱電聯產對不同品質的能量梯度利用，高品位熱能用于發電，低品位熱能用于供暖，不僅提高了能源的利用率，而且減少了碳化物和有害氣體的排放，具有良好的經濟效益和社會效益，是發展低碳經濟的一大舉措。

2 熱電聯產的發展現狀

本世紀早期，各國注重經濟的發展，且純發電規模能產生顯著的效益，熱電聯產沒有得到很好的發展，直到環境問題越來越顯著和資源問題越來越緊張，熱電聯產開始得到政府和學者的強烈關注。美國將區域供熱列入政府節能計劃，英國國會將熱電聯產區域供熱作為減少國家能耗的重要手段，而法國更是以立法的形式推動熱電聯產的發展，日本以熱電聯產系統為熱源的區域供熱系統，是僅次于燃氣、電力的第三大公益事業，歐洲的熱電聯產發電量也已占其總發電量的20%。發達國家幾乎均對熱電聯產有一定的扶持政策，主要包括:給予熱電項目減免稅的待遇、縮短熱電資產的折舊年限、給熱電項目給予低息貸款年利率和一定的額度補貼。基于政策上的各項支持，國外熱電聯產已經比較普及，根據Petre BLAGA學者在他的論文說提到，熱電聯產已經應用到很多企業中，并用一系列統計數字和圖表分析出了熱電聯產給企業帶來的效益[3]。此外，國外還一直在用仿真技術分析了熱電聯產的可行性。

隨著我國電力體制的不斷改革，電力市場的逐步開放，政府對熱電聯產政策的滯后都給熱電聯產的發展帶來很大的影響，總體趨勢上我國熱電聯產發展是十分迅速的，但也存在一些問題，總結目前國內熱電聯產存在的問題，主要有以下幾點:

1)資金不足:熱電聯產的改造費或建設費比較昂貴，因此短時間內不會普及熱電聯產;

2)總體規劃不夠健全:熱電聯產需要根據各個省市的特點制定一套符合實際的分期建設規劃;

3)政策支持度不足:由于熱能價格相對低廉，且熱網損失偏大而投資熱電聯產需要的代價較大，政府需要針對熱電聯產有一定的財稅優惠政策，并且目前的熱電聯產缺乏有效的監督和鼓勵，致使現在很多地方政府為了上項目，假借熱電之名，許諾的供熱負荷不給予落實;

4)季節對熱的需求度不同:冬季熱負荷需求大能取締污染重、分散的小鍋爐，改善環境，但沒有一套熱、電、冷三聯的系統建設。

3 小規模熱電聯產的提出與建立

根據上面出現的問題，提出建立小規模熱電聯產系統，針對企業、小區、學校、醫院、村莊等小范圍內部實際需求，構建相對應的熱電聯產機組。這就解決了上面提出的幾種問題，小規模熱電聯產需要的資金少，便于管理，而且避免了長距離運輸減少了能源損失。

3.1 需求分析

以農村村莊為例，可以結合農村特點，采用自制天然氣為燃料，建立小規模熱電聯產機組，其中主要的能源網分析如下:

1)熱能供應網，主要包括暖氣用熱水(約80度)、洗浴及廚房用水(約40度)、飲用水(100度)等;

2)電能供應網:暖通空調設備用電、室內外照明設備、電腦網絡設備等等。

3.2 方案設計

小規模熱電聯產方案總體設計如圖1所示，由農村家禽糞便、秸稈、污水等資源建立沼氣池生產沼氣，沼氣經凈化后進入貯氣柜，經穩壓后輸送至內燃發動機，進而驅動發電機發電。沼氣內燃機排出的廢氣溫度可達300℃，回收這部分熱能以及冷卻水的熱能，用于生活用熱，以及沼氣池溫度控制。

圖1 小規模熱電聯產方案總體設計

3.3 能源效率技術分析

熱電聯產實施的經濟和技術分析是基于能力平衡，包括質量守恒定律、能量守恒定律和動力守恒。

發動機的機械效率等于電動機軸所做的機械功與輸入功率之比，即

終端發電效率等于電動機發電量Qel與機械能之比，即

則電能生產量為:

熱能效率應該等于從冷卻系統與發動機廢氣回收的熱能之和Qt與起初能量的比值，即

式中 Qp代表損失的能量。

綜合以上關系，整個熱電聯產的效率可以表示為:

根據這些數據計算出能源效率如圖2所示。

這里Qu代表有用的輸出功率。

根據以上關系，繪出公司電能與熱能產出值見表1。根據這些數據計算出能源效率如圖2所示。

采用式子(5)發現，小規模熱電聯產能源利用率能達到70% －80%，遠遠高出熱電廠的能源效率;另一方面，熱電聯產解決了供暖和環境問題。天熱氣在一些場所，尤其是在農村，很容易制取，農村的秸稈、家禽糞便等等都可以作為天然氣的原料，這樣便可進一步提高能源利用率。

表1 電能熱能產出表

圖2 電能熱能比例圖

4 結語

低碳經濟和國際對環境的重視給熱電聯產帶來很好的發展機遇，同時，熱電聯產也有助于節約能源、改善環境質量、增加電力供應等。未來熱電聯產將結合各地區熱能電能需求，結合當地的能源類型，

以發展小規模聯合熱電聯產為主要趨勢，提高熱電聯產各個機組性能，最大限度地提高能源利用率，降低環境污染。

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