模块化阵列热电联产改变游戏规则的技术革命

【摘要】自计划经济在中国解体以后，热电联产行业长期以来一直无法摆脱因“规划——容量——实际需求”之间不协调所带来的种种困惑，不是热电厂建起来没有热需求，就是容量不足奔命于不断扩建的审批之中。往往这些不协调因素会导致极为严重的后果，使得一些由热电机组建起的项目，因为热负荷不落实而沦为“小火电”惨遭封杀；或者，因为热用户需求减少而无法落实“热电比”，而陷入政策限制和经济效益滑坡的双重困境之中。多少年来，无论是热电的经营者、规划和设计专家，以及政府主管机构，都希望能寻求到一种柔性的热电技术，容量能够根据需求负荷的变化而调整，可多可少，随需而变，同时又不损失效率和增加造价。

对于以煤为直接燃料的能源转换技术而言，“规模效益”已经是金科玉律，这个启盼当然是天方夜谭。但是当人类进入了天然气时代，信息和控制技术的不断发展，许多梦想将成为现实，一些技术甚至将改变人类数百年建立起来的基本游戏规则。目前世界上新近发展起来的模块化阵列热电联产技术，正是一次被专家称之为“改变游戏规则的技术革命”。<?XML:NAMESPACE PREFIX = O />

所谓“模块化阵列热电联产”就是将发电单元小型化、微型化，将每一个发电单元都集成为一个可以独立运行的模块，同时具备发电、余热回收、自动控制、并网和安全保护等基本功能，根据需要将适当的容量组合起来，向阵列一样布置在需求侧现场，满足市场需求。

由10台30kW微型燃气轮机组成发电阵列

采用阵列式组合发电的历史已经由来以久，澳大利亚由一家利用煤层气资源的公司，在20世纪80-90年代先后购买了94台1MW美国卡特彼勒燃气内燃机组，布置在各个项目的现场，多则几十台，少则几台，根据每一个项目产气量的规模和周期性变化灵活配置，形成一个个坐落在气源现场的机动发电系统。这一成功的经营理念，对能源技术的发展产生了深远影响。它对资源的和设备的利用效率都发挥的非常理想的境界，投资效益比比传统方式明显提高。

<?XML:NAMESPACE PREFIX = V /><?XML:NAMESPACE PREFIX = W />日本东京芝蒲地区的一组支持多楼宇能源供应的区域型热电冷联产项目中，东京瓦斯公司采用了4台1100kW小型燃气轮发电机分两组分别与余热回收锅炉和蒸汽溴化锂吸收式空调组合成为系统，满足东京瓦斯公司、东芝公司和靠海大厦N、S座等5座建筑的电力、采暖、制冷、生活热水和除湿需要。任何一台机组如果发生故障停机，仅损失1/4的供电能力，因此只需要申请1/4的备用容量就可以保证系统的供电的安全运行。

芝蒲系统示意图

　　美国新泽西州州立大学为解决该校纽布朗斯维克校园100%热和冷的供应，以及80%的供电，使用了3台容量为4MW的小型燃气轮机机组，每一个燃气轮机独立与一台余热锅炉组合，构成三个相对独立的热电联产单元，并进一步利用蒸汽带动多台蒸汽轮机压缩机组制冷实现制冷。通过多组系统组合提高了全系统运行的安全可靠性。

<?XML:NAMESPACE PREFIX = O />

<?XML:NAMESPACE PREFIX = V /><?XML:NAMESPACE PREFIX = W /> 参与北京“首都蓝天工程”项目的东方能源公司为保证该公司电力、热力供应的可靠性，在北京宜庄开发区天然气热电联产项目中，改变中国的普遍传统，采用了4台30MW的普惠FT8燃气轮机驱动两个锅炉，构成两组独立的6.9MW热电系统，实现总容量138MW联合循环热电联产。最近，国内一燃机热电厂因仅采用了单机联合循环热电联产，结果燃气轮机发生重大技术事故后致使整个热力电力系统全部陷入瘫痪。因此，在热电联产项目上，多机组系统是非常必要的，而模块化单元组合更是大大地进了一步。

　　　　 25台微燃机驱动1套200冷吨制冷系统 　　

近年来，世界分布式能源技术得到了快速发展，一些国家的电力公司为了遏止竞争对手，对于分布式能源用户的备用电力保障提出了种种极端苛刻的限制，例如：采用分布式能源的用户一旦发生设备故障而停电，若需要电网提供备用电力支持，就必须要按照可能需求的容量收取大量额外的“容量占用费用”，或者要求用户支付高额的“应急电费”等。为了提高经济效益，减少额外成本支出，采用分布式能源系统的用户必须加强自身系统可靠性，因而用户开始使用多台小机组组合设计方案，使备份容量降至最低，以应对电力公司的不合理要求。由此，模块化阵列组合发电技术得到更加广泛地应用发展。以至每一个分布式能源设备制造商都将机组并联技术作为重要的基础发展课题，不具备该功能几乎不能成为商品。

目前世界倍受重视的微型发电系统更加强调多机组合运行能力。美国STM公司将8台25kW外燃机模块组合成为一个200kW发电单元，应用在密西根州一个垃圾填埋厂代替一台燃气内燃机，收到了非常好的效果。英国BOWMAN公司已经供应可以由8台80kW GT80微型燃气轮机组合成构成1组640kW的供电单元，其发电效率27%，比同容量的小型燃气轮机发电机效率高30%，供热量从1200kW到2400kW自由无级调节，热电综合效率高达80%。任何一台机组发生问题，全系统仅减少1/8的出力，用户对用电量稍微加调节就可适应。另一美国微型燃气轮机制造公司与用户合作，已将40多台微燃机同时应用在一个沼气利用项目上，露天布置在同一个现场，阵容非常壮观。

系统露天布置需要设备具有污染排放低、噪音低、结实耐用和高度自动化等条件，而目前的分布式能源主要技术装备均可以满足这些要求。采用这一技术，既不需要厂房和烟囱，也不需要建设复杂的电力接入和控制系统，施工非常简单，建设周期十分短暂，仅为几周或几天。容量规模柔性变化，该技术不仅提高了电力供应可靠性，同时有效减少了其他辅助系统的投资，如：热力管网、换热站等系统的配套，而综合热电效率与传统技术几乎没有什么差异。

该技术已经广泛应用在分布式能源技术中的热电（冷）联产项目上，日本2002年安装了至少700套微型热电（冷）联产系统，其中有单台运行的，但更多的是多台运行的组合系统。多机组组合的系统的调节灵活性、能源供应可靠性都非常高。燃气轮机也好，内燃机也好，在满负荷时，发电效率最高，排放最低。如果运行负荷变化了发电效率就会大幅度下降。而模块化组合可以将所有机组都处于最佳状态运行，所以发电效率和污染排放更加理想，经济性更加显著。

微型燃气轮机的烟气可以通过余热回收锅炉转换成为蒸汽或高温热水，以驱动蒸汽或热水型溴化锂制冷机组，也可以直接驱动烟气余热型溴化锂制冷机组运行，以实现热电冷联产。左图为日本一采用微型燃气轮机产生蒸汽供应一塑料厂的微型燃气轮机阵列热电联产项目，由每10台微型燃气轮机驱动一个余热锅炉，分两组供20台28kW机组组成发电机群热电冷联产组合系统。

模块化阵列组合热电联产技术将随着中国能源结构的调整，扩大天然气等清洁能源的利用和电力改革的深入，正在逐步进入中国市场，必然对传统热电产业产生深刻的影响，彻底改变我们长期以来建立的基本游戏规则。中国的热电企业必须正视它的发展，积极适应技术的进步，转变观念，迅速掌握应用这一技术，保持企业，以至热电行业在新世纪的竞争力。