小规模热电联产的提出与研究*

魏苏麒，蒋召玉

(1.潞安新疆煤化工集团有限公司露天分公司，新疆 哈密839003;2.西安科技大学机械工程学院，陕西西安710054)

1 引言

世界经济的快速增长以及全球人口数量迅速增加，致使能源大幅度的消耗，伴随的是环境问题的日趋严重。大气中二氧化碳含量的不断增加给我们的生存和发展提出了严重的挑战。我国各地区雾霾现象的出现更是让民心不安，整治环境问题已经是迫在眉睫。《京都协议书》的签订和哥本哈根会议上的承诺，迫使我国必须走节能减排和低碳经济的道路。

低碳经济是以低能耗、低排放、低污染为基础的经济模式，是在将环境问题推向一定高度提出的继工业文明后的又一次改革。是以技术创新为核心的改革方案，旨在提高能源利用率、建立清洁的能源结构。2012年我国发电设备总产量1.27亿千瓦，其中非化石能源发电设备产量4 567.91万千瓦，仅占比36.02%，主要还是靠煤炭能源，此外利用煤炭发电利用率仅三成，效率十分低下。

热电联产对不同品质的能量梯度利用，高品位热能用于发电，低品位热能用于供暖，不仅提高了能源的利用率，而且减少了碳化物和有害气体的排放，具有良好的经济效益和社会效益，是发展低碳经济的一大举措。

2 热电联产的发展现状

本世纪早期，各国注重经济的发展，且纯发电规模能产生显著的效益，热电联产没有得到很好的发展，直到环境问题越来越显著和资源问题越来越紧张，热电联产开始得到政府和学者的强烈关注。美国将区域供热列入政府节能计划，英国国会将热电联产区域供热作为减少国家能耗的重要手段，而法国更是以立法的形式推动热电联产的发展，日本以热电联产系统为热源的区域供热系统，是仅次于燃气、电力的第三大公益事业，欧洲的热电联产发电量也已占其总发电量的20%。发达国家几乎均对热电联产有一定的扶持政策，主要包括:给予热电项目减免税的待遇、缩短热电资产的折旧年限、给热电项目给予低息贷款年利率和一定的额度补贴。基于政策上的各项支持，国外热电联产已经比较普及，根据Petre BLAGA学者在他的论文说提到，热电联产已经应用到很多企业中，并用一系列统计数字和图表分析出了热电联产给企业带来的效益[3]。此外，国外还一直在用仿真技术分析了热电联产的可行性。

随着我国电力体制的不断改革，电力市场的逐步开放，政府对热电联产政策的滞后都给热电联产的发展带来很大的影响，总体趋势上我国热电联产发展是十分迅速的，但也存在一些问题，总结目前国内热电联产存在的问题，主要有以下几点:

1)资金不足:热电联产的改造费或建设费比较昂贵，因此短时间内不会普及热电联产;

2)总体规划不够健全:热电联产需要根据各个省市的特点制定一套符合实际的分期建设规划;

3)政策支持度不足:由于热能价格相对低廉，且热网损失偏大而投资热电联产需要的代价较大，政府需要针对热电联产有一定的财税优惠政策，并且目前的热电联产缺乏有效的监督和鼓励，致使现在很多地方政府为了上项目，假借热电之名，许诺的供热负荷不给予落实;

4)季节对热的需求度不同:冬季热负荷需求大能取缔污染重、分散的小锅炉，改善环境，但没有一套热、电、冷三联的系统建设。

3 小规模热电联产的提出与建立

根据上面出现的问题，提出建立小规模热电联产系统，针对企业、小区、学校、医院、村庄等小范围内部实际需求，构建相对应的热电联产机组。这就解决了上面提出的几种问题，小规模热电联产需要的资金少，便于管理，而且避免了长距离运输减少了能源损失。

3.1 需求分析

以农村村庄为例，可以结合农村特点，采用自制天然气为燃料，建立小规模热电联产机组，其中主要的能源网分析如下:

1)热能供应网，主要包括暖气用热水(约80度)、洗浴及厨房用水(约40度)、饮用水(100度)等;

2)电能供应网:暖通空调设备用电、室内外照明设备、电脑网络设备等等。

3.2 方案设计

小规模热电联产方案总体设计如图1所示，由农村家禽粪便、秸秆、污水等资源建立沼气池生产沼气，沼气经净化后进入贮气柜，经稳压后输送至内燃发动机，进而驱动发电机发电。沼气内燃机排出的废气温度可达300℃，回收这部分热能以及冷却水的热能，用于生活用热，以及沼气池温度控制。

图1 小规模热电联产方案总体设计

3.3 能源效率技术分析

热电联产实施的经济和技术分析是基于能力平衡，包括质量守恒定律、能量守恒定律和动力守恒。

发动机的机械效率等于电动机轴所做的机械功与输入功率之比，即

终端发电效率等于电动机发电量Qel与机械能之比，即

则电能生产量为:

热能效率应该等于从冷却系统与发动机废气回收的热能之和Qt与起初能量的比值，即

式中 Qp代表损失的能量。

综合以上关系，整个热电联产的效率可以表示为:

根据这些数据计算出能源效率如图2所示。

这里Qu代表有用的输出功率。

根据以上关系，绘出公司电能与热能产出值见表1。根据这些数据计算出能源效率如图2所示。

采用式子(5)发现，小规模热电联产能源利用率能达到70% －80%，远远高出热电厂的能源效率;另一方面，热电联产解决了供暖和环境问题。天热气在一些场所，尤其是在农村，很容易制取，农村的秸秆、家禽粪便等等都可以作为天然气的原料，这样便可进一步提高能源利用率。

表1 电能热能产出表

图2 电能热能比例图

4 结语

低碳经济和国际对环境的重视给热电联产带来很好的发展机遇，同时，热电联产也有助于节约能源、改善环境质量、增加电力供应等。未来热电联产将结合各地区热能电能需求，结合当地的能源类型，

以发展小规模联合热电联产为主要趋势，提高热电联产各个机组性能，最大限度地提高能源利用率，降低环境污染。

[1]吴 刚.城市热电联产集中供热区域锅炉房常见问题探讨[J].中国新技术新产品，2013(18):98.

[2]高慧云，肖 宁.我国热电联产产业的发展趋势[J].发电设备，2010，24(6):467 －469.

[3]Blaga P，Necula H，Ionescu C.The increase of energy efficiency through the conversion of a thermal power plant into a cogeneration plant[J].Energy Sources，2001(2):3.

[4]Rosen M A，Leong W H，Le M N.Modelling and analysis of building systems that integrate cogeneration and district heating and cooling[C]//Proceedings of the Canadian Conference on Building Energy Simulation，2001.

[5]胡玉清，马先才.我国热电联产领域现状及发展方向[J].黑龙江电力，2008，30(1):79 －80.

[6]王汝武.低碳经济与热电联产[J].热电技术，2010(3):1－3.

[7]Aussant C D.The feasibility of internal combustion engine based cogeneration in residential applications[C]//Masters Abstracts International，2007.

[8]孙 飞.热电联产机组节能措施及效益[J].中国设备工程，2010(8):45.

[9]姬全胜，巨 江，姬书宁.中小规模养殖场沼气热电联产工程应用与设计[J].甘肃科技，2013，29(8):49－51.

[10]陈 郁，张树深，刘素玲，等.中小城市热电联产企业的循环经济研究[J].现代化工，2009，29(5):83 －85.