分布式能源系統(tǒng)現(xiàn)狀分析與探討

王 棟 上海海事大學(xué)商船學(xué)院

分布式能源系統(tǒng)現(xiàn)狀分析與探討

王 棟 上海海事大學(xué)商船學(xué)院

簡(jiǎn)要敘述了天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與國(guó)內(nèi)外應(yīng)用狀況，分析了分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展的局限性，其適用的熱力循環(huán)以及適用的地區(qū)。得出結(jié)論：在我國(guó)此系統(tǒng)適用于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)；天然氣品質(zhì)與價(jià)格制約著該技術(shù)的發(fā)展，需要因地制宜，合理使用。

冷熱電三聯(lián)供；熱泵；余熱利用；燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)

“能源、環(huán)境、發(fā)展”是當(dāng)今人類面臨的三大主題，能源的合理開(kāi)發(fā)與利用是環(huán)境友好和人類可持續(xù)發(fā)展的重要保證。分布式能源系統(tǒng)是一種建立在能量梯級(jí)利用概念基礎(chǔ)上，分布安置在需求側(cè)的能源梯級(jí)利用，以及資源綜合利用和可再生的能源設(shè)施。通過(guò)在需求現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)用戶對(duì)能源的不同需求，實(shí)現(xiàn)溫度對(duì)口供應(yīng)能源，將輸送環(huán)節(jié)的損耗降至最低，從而實(shí)現(xiàn)能源利用效能的最大化。

1 分布式能源概念

分布式能源是近年來(lái)興起的利用小型設(shè)備向用戶提供能源供應(yīng)的新的能源利用方式[1]。與傳統(tǒng)的集中式能源系統(tǒng)相比，分布式能源接近負(fù)荷，不需要建設(shè)大電網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離高壓或超高壓輸電，可以大大減少線損，節(jié)省配電建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用；由于兼具發(fā)電、供熱、供冷等多種能源服務(wù)功能，分布式能源可以有效的實(shí)現(xiàn)能量的階梯利用，達(dá)到更高效率的能源利用效率。

分布式能源系統(tǒng)具有燃料多樣化特性，化石能源、太陽(yáng)能、水能、生物質(zhì)能、沼氣、風(fēng)能等都可以實(shí)現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)，進(jìn)行冷熱電三聯(lián)供。其中以天然氣為燃料的熱電冷三聯(lián)供方式發(fā)展最快，在我國(guó)的分布式能源領(lǐng)域占有較大比例。采用天然氣為燃料的分布式能源系統(tǒng)，一般采用燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為發(fā)電設(shè)備，在發(fā)電的同時(shí)，利用發(fā)電產(chǎn)生的煙氣余熱生產(chǎn)冷熱產(chǎn)品就近滿足用戶電冷熱需求。

分布式能源系統(tǒng)是能量綜合梯級(jí)利用的典型代表[2]。如圖1所示。分布式能源系統(tǒng)的主要形式是冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（Combined Cooling， Heating and Power， CCHP）是在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種分布式能源系統(tǒng)，也常被稱作三聯(lián)供系統(tǒng)（Trigeneration）或者建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（Building Cooling Heating and Power，BCHP）。分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)集燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、斯特林機(jī)、燃料電池、吸收式、吸附式余熱回收利用設(shè)備、壓縮式冷熱水機(jī)組和綜合控制體系統(tǒng)等高新技術(shù)和設(shè)備為一體，根據(jù)熱能品位的不同，高溫?zé)崮芡ㄟ^(guò)動(dòng)力機(jī)對(duì)外做功發(fā)電，中溫?zé)崮芡ㄟ^(guò)余熱回收設(shè)備制取冷負(fù)荷，低溫?zé)煔夤?yīng)低溫生活熱水，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入能量的綜合梯級(jí)利用，達(dá)到更高能源利用率（一般可以到70%～90%），典型的分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 分布式能源系統(tǒng)能源綜合梯級(jí)利用示意圖

2 分布式能源系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)電網(wǎng)集中供電而言，分布式能源是一種新型的、分布于用戶端的供能系統(tǒng)，分析其優(yōu)缺點(diǎn)有利于理解分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展局限性。

2.1 分布式能源系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

由于分布式能源是分布于用戶端的供能系統(tǒng)，所以較大程度的改善了傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)的脆弱性，避免了大規(guī)模停電現(xiàn)象；能源的階梯利用，極大地提高了能源的利用效率；冷、熱區(qū)別于電能，無(wú)法長(zhǎng)距離輸送，冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)在傳統(tǒng)電廠即便可以達(dá)到，但產(chǎn)能無(wú)法輸送到用戶端，分布式能源系統(tǒng)解決了這一問(wèn)題，按需就近設(shè)置，與用戶用能需求匹配，冷、熱近距離輸送，并解決了長(zhǎng)距離輸電損失難題；實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)峰，提供電網(wǎng)支持，在高峰期使用可有效改善電網(wǎng)質(zhì)量，在低谷使用可有效降低用氣峰谷比，電網(wǎng)與燃?xì)饩W(wǎng)峰谷差互調(diào)等；保障能源安全，實(shí)現(xiàn)天然氣發(fā)展戰(zhàn)略，體現(xiàn)為多元化的能源結(jié)構(gòu)，可再生能源的開(kāi)發(fā)利用，天然氣的高效利用等。

2.2 分布式能源系統(tǒng)缺點(diǎn)

分布式能源系統(tǒng)的主要不足在于，由于它是分散供能，單機(jī)功率很小，比起最大電廠單機(jī)功率GW 以上、單廠功率近10 GW而言，發(fā)電效率顯然比不上后者。這是因?yàn)楝F(xiàn)有動(dòng)力設(shè)備都是機(jī)組越大，效率越高。400 MW的、以燃?xì)廨啓C(jī)為主的聯(lián)合循環(huán)裝置效率比回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)的效率要高 1倍?！奥槿鸽m小，五臟俱全”，因此大機(jī)組單位功率的售價(jià)相比小機(jī)組要低得多，相差近幾倍。大機(jī)組集中在一起，有專門高級(jí)技工運(yùn)行維護(hù)，安全性、工作壽命都應(yīng)該更有保證。所以，要對(duì)純發(fā)電成本和單位容量初投資作比較，分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)費(fèi)投入肯定要大大高于現(xiàn)在的大電力系統(tǒng)。另外，分布式能源系統(tǒng)對(duì)當(dāng)?shù)厥褂脝挝坏募夹g(shù)要求要比簡(jiǎn)單使用大電網(wǎng)供電來(lái)得高，要有相應(yīng)的技術(shù)人員與適合的文化環(huán)境。

圖2 典型分布式燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

3 分布式能源國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)際上研究分布式能源技術(shù)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，但是真正快速發(fā)展起來(lái)卻是近十幾年的事情，特別是在北美大停電之后[3]。美國(guó)、日本和歐洲等先進(jìn)國(guó)家在冷熱電聯(lián)供技術(shù)上有較為成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，近年來(lái)各國(guó)進(jìn)一步加大了其發(fā)展力度。目前，美國(guó)政府主要的研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)效率的提升，大功率的燃?xì)廨啓C(jī)（單機(jī)功率20 GW），微燃機(jī)的整體提升工作，燃料電池，地源熱泵以及沼氣、生物質(zhì)能源等替代能源的研究等。全新的“智能電網(wǎng)”技術(shù)在測(cè)量、并網(wǎng)及安全性方面的出色表現(xiàn)將進(jìn)一步促進(jìn)三聯(lián)供技術(shù)的發(fā)展。截至2003年，日本全國(guó)冷熱電總裝機(jī)容量6 503 MW，其中建筑項(xiàng)目2 915個(gè)，總裝機(jī)容量1429 MW，其中52.8%的裝機(jī)容量以城市燃?xì)鉃槿剂?，主要?yīng)用類型為商場(chǎng)、酒店、醫(yī)院、辦公建筑、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所和區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)；工業(yè)聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目共計(jì)1 600個(gè)，總裝機(jī)容量5 074 MW，燃料以重油和燃?xì)鉃橹?，其?0.7%的容量以城市燃?xì)鉃槿剂?，主要?yīng)用類型為食品加工、化學(xué)加工、制藥、機(jī)械、電子設(shè)備和鋼鐵行業(yè)。歐洲一直重視分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展，在2005年，分布式能源系統(tǒng)發(fā)電量約占丹麥全國(guó)發(fā)電總量的50%，而碳排放量比上世紀(jì)90年代的水平減少了約50%。2005年7月，丹麥政府宣布計(jì)劃鋪設(shè)全球最長(zhǎng)的智能化電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，這將使分布式能源系統(tǒng)成為丹麥主要的供電渠道。1988年，荷蘭啟動(dòng)了一個(gè)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)激勵(lì)計(jì)劃，到1998年聯(lián)供系統(tǒng)就有2.7GW猛增到7 GW，占總發(fā)電量的48.2%。2000年，英國(guó)新冷熱電聯(lián)供項(xiàng)目共1 536個(gè)，總裝機(jī)容量達(dá)到4.76 GW，到2010年可達(dá)10 GW。

我國(guó)應(yīng)用分布式能源系統(tǒng)起步較晚，可以預(yù)見(jiàn)在今后幾十年內(nèi)，我國(guó)主要能源系統(tǒng)還依然會(huì)是集中式供能。近年來(lái)，隨著天然氣管網(wǎng)覆蓋率提高，天然氣利用技術(shù)的不斷完善，分布式能源站的建設(shè)已在各地發(fā)展起來(lái)，在北京、上海、廣州等發(fā)達(dá)地區(qū)已有很多應(yīng)用和示范。北京燃?xì)饧瘓F(tuán)大樓的分布式能源系統(tǒng)，在2008年即能滿足80%的冷熱負(fù)荷，與常規(guī)能源利用方式相比一次能源節(jié)約率大概為17%，年節(jié)省費(fèi)用90萬(wàn)元。成都深藍(lán)綠色能源中心的聯(lián)供系統(tǒng)已運(yùn)行8年，年節(jié)省費(fèi)用約410萬(wàn)元。2011年10月國(guó)家能源局出臺(tái)的《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見(jiàn)》中提出“十二五”的主要任務(wù):初期啟動(dòng)一批天然氣冷熱電二聯(lián)供能源示范項(xiàng)目，期間“建設(shè)1000個(gè)左右分布式能源站，選擇其中10個(gè)左右作為典型的能源示范區(qū)域[4]。我國(guó)部分巳投入運(yùn)行的分布式能源站的應(yīng)用情況見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)典型分布式能源站配置概況

4 分布式能源系統(tǒng)發(fā)展前景與制約因素

由于分布式能源系統(tǒng)的初投資大，要用好燃料；同時(shí)要有比較穩(wěn)定的冷、熱、電用戶（主要是第三產(chǎn)業(yè)和住宅用戶）；要求具有環(huán)保性能較好的特點(diǎn)等，因此它在我國(guó)比較適合應(yīng)用的地區(qū)顯然是經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的地區(qū)，從地域分布來(lái)說(shuō)，主要是珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲、環(huán)渤海地區(qū)等我國(guó)現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的黃金寶地[5]，也是應(yīng)該“先環(huán)保起來(lái)”的地區(qū)。另外，分布式能源系統(tǒng)既然是“分布”，也就是說(shuō)與大電廠、大電網(wǎng)不一樣，不是由一小批經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員集中運(yùn)行管理，而是分散式運(yùn)行管理，這就要求使用區(qū)域的總體科技文化水平和素養(yǎng)較高。

上述看法并不是說(shuō)其它地方就不能裝配使用分布式能源系統(tǒng)，而只是對(duì)最先發(fā)展它的可能區(qū)域作了一個(gè)判斷。其它地方，例如在天然氣產(chǎn)地附近、天然氣價(jià)格特別便宜的地方，分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用可能也會(huì)是適合的。就如同經(jīng)濟(jì)上“先富起來(lái)”，應(yīng)該帶動(dòng)其它地方“共同富?！币粯?，分布式能源系統(tǒng)在“先富起來(lái)”的地區(qū)發(fā)展了，也會(huì)以其取得的成效與經(jīng)驗(yàn)帶動(dòng)這種系統(tǒng)在其它地方發(fā)展起來(lái)。不過(guò)，以我們的看法，分布式能源系統(tǒng)是能源利用的一個(gè)新的發(fā)展方向，但在可預(yù)見(jiàn)的較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，大電廠與大電網(wǎng)仍是我國(guó)電力供應(yīng)的主流。

天然氣以其清潔、環(huán)保、高品質(zhì)等優(yōu)勢(shì)成為分布式能源系統(tǒng)燃料源的首選。但只有北京市天然氣的供應(yīng)最有保障，上海、廣東等地都非常緊張，國(guó)內(nèi)氣價(jià)也存在長(zhǎng)期上漲的趨勢(shì)[6]。燃料市場(chǎng)未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)和不確定性使推廣應(yīng)用分布式能源系統(tǒng)可能潛伏著危機(jī)。

因?yàn)榉植际侥茉词切录夹g(shù)，有管理和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的當(dāng)?shù)毓こ處熂案呒?jí)技工較少，運(yùn)行維護(hù)設(shè)備的人工成本不可小視，同時(shí)由于主機(jī)是進(jìn)口設(shè)備，定期檢查、替換、維修系統(tǒng)部件及易耗品價(jià)格也不菲。當(dāng)然，運(yùn)行與維護(hù)成本只占整個(gè)分布式能源系統(tǒng)的電力成本很低的比例，如微型燃?xì)廨啓C(jī)一年通常只做1～2次保養(yǎng)，平均維護(hù)成本為0.5～1.6美分/kWh[7]。

綜上所述，我國(guó)最適宜發(fā)展應(yīng)用分布式能源系統(tǒng)的地區(qū)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快的地區(qū)；天然氣品質(zhì)與價(jià)格制約著該技術(shù)的發(fā)展；經(jīng)濟(jì)效益因素是用戶應(yīng)用DER首要考慮的因素，卓越的經(jīng)濟(jì)性給用戶提供信心和驅(qū)動(dòng)力。但經(jīng)濟(jì)性的分析一定要參考實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境并全面考慮細(xì)節(jié)。

5 結(jié)論

（1）分布式能源系統(tǒng)使某個(gè)具體用戶受益的同時(shí)，更使整個(gè)國(guó)家與社會(huì)受益，其能量階梯利用，極大的提高了能源利用效率，也是對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的有益補(bǔ)充和保障，還可以有力的推動(dòng)節(jié)能減排工作。符合國(guó)家節(jié)能減排的政策，有良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會(huì)效益。

（2）我國(guó)分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展起步較晚，技術(shù)落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，但是該系統(tǒng)的工程數(shù)量，尤其是總裝機(jī)量遠(yuǎn)超了世界各國(guó)，說(shuō)明國(guó)家高度重視分布式能源的發(fā)展，但距離超越西方發(fā)達(dá)國(guó)家的目標(biāo)仍然任重道遠(yuǎn)。

（3）我國(guó)最適宜發(fā)展應(yīng)用分布式能源系統(tǒng)的地區(qū)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快的地區(qū)；天然氣品質(zhì)與價(jià)格制約著該技術(shù)的發(fā)展；經(jīng)濟(jì)效益因素是用戶應(yīng)用分布式能源系統(tǒng)首要考慮的因素，卓越的經(jīng)濟(jì)性給用戶提供信心和驅(qū)動(dòng)力。但經(jīng)濟(jì)性的分析一定要參考實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境并全面考慮細(xì)節(jié)。

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Analysis and Discussion on Current Situation of Distributed Energy System

Wang Dong Shanghai Maritime University Merchant Marine College

The article introduces development situation and application conditions of natural gas cooling heating and power generation system in domestic and foreign countries. It analyzes advantages and development limitations distributed energy system and its applicable thermodynamic cycle and suitable areas. It concludes that distributed energy system is suitable for economically developed areas where natural gas quality and price restrict cchp technology development. Adjusting measures to local conditions for reasonable use.

Combined Cooling Heating and Power Generation, Heat Pump, Waste Heat Recovery, Gas-Fired Internal Combustion Engine

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.12.003

王棟：（1991-），男，研究生；研究方向：船舶動(dòng)力裝置。