分布式能源應用初探

王棟

所謂“分布式能源”（distributed energy resources）是指分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)。一次能源以氣體燃料（主要為天然氣）為主，可再生能源為輔，利用一切可以利用的資源；二次能源以分布在用戶端的熱電冷（值）聯(lián)產(chǎn)為主，其他中央能源供應系統(tǒng)為輔，實現(xiàn)以直接滿足用戶多種需求的能源梯級利用，并通過中央能源供應系統(tǒng)提供支持和補充；在環(huán)境保護上，將部分污染分散化、資源化，爭取實現(xiàn)適度排放的目標；在能源的輸送和利用上分片布置，減少長距離輸送能源的損失，有效地提高了能源利用的安全性和靈活性。

我國的資源稟賦是以煤炭為主，但長期的以煤炭，尤其是劣質(zhì)煤，為主的能源應用產(chǎn)生了巨大的環(huán)境問題，中國85%的煤炭是通過直接燃燒使用的，高耗低效燃燒煤炭向空氣中排放出大量SO2、CO2和煙塵，造成中國以煤煙型為主的大氣污染。

而天然氣是一種潔凈環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源，幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質(zhì)，燃燒時產(chǎn)生二氧化碳少于其他化石燃料，造成溫室效應較低，因而能從根本上改善環(huán)境質(zhì)量。

一、概要介紹

分布式能源應用廣泛，包括：獨立電源和自備電站，供應電網(wǎng)難以到達和不能可靠、經(jīng)濟供電的用戶；區(qū)域或樓宇冷熱電聯(lián)供；電力調(diào)峰，部分替代蓄能電站。應用場合包括：城市商業(yè)中心和辦公樓；機場、醫(yī)院、學校、文體場館、機關等公用設施；工業(yè)園區(qū)；村鎮(zhèn)和居民小區(qū)。應用場合的特點是：電熱冷負荷集中，單位面積負荷大，負荷與工藝過程相關因而穩(wěn)定，年利用時間長。

分布式能源的優(yōu)勢是：合理利用中低溫余熱，實現(xiàn)“能量梯級利用”，熱效率高達70-90%；靠近用戶側，減少能量輸送損失，減少能量輸配管、網(wǎng)投資；安全可靠供能，彌補電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的不足，有利于電力調(diào)峰，提高供電質(zhì)量；清潔環(huán)保；占地和初投資少，建設周期短；容易遠程控制和網(wǎng)絡控制，與現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)相結合。

分布式能源為終端用戶提供清潔、便利、經(jīng)濟的綜合能源服務，全方位滿足用戶需求，是21世紀能源和電力產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。在美國、歐洲和日本，分布式能源經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為進入商業(yè)運行的重要能源供應方式，是大規(guī)模集集中式熱電生產(chǎn)的必要補充，關于分布式能源的政策法規(guī)基本完善。發(fā)達國家政府通過規(guī)劃引領、技術支持、優(yōu)惠政策以及建立合理的價格機制和統(tǒng)一的并網(wǎng)標準，有效地推動分布式能源的發(fā)展，分布式能源系統(tǒng)在整個能源系統(tǒng)中占比不斷提高，其中歐盟分布式能源占比約達10%。

二十一世紀初，我國分布式能源開始發(fā)展，現(xiàn)以試驗和示范為主，國家科技計劃支持了分布式能源示范工程，各單位也自行建設了多座分布式能源工程，如上海浦東機場、北京天然氣公司辦公樓、北京次渠天然氣門戶站、上海理工大學、中國科學院工程熱物理研究所綜合樓等。但目前，我國分布式能源尚未進入大規(guī)模商業(yè)運行，主要障礙是能源價格、能源產(chǎn)品接入公共網(wǎng)、環(huán)保收益等方面的政策法規(guī)尚未完善；燃氣輪機等主機設備國產(chǎn)化程度低，建設和運行成本高；系統(tǒng)設計技術和標準處于發(fā)展階段。而且由于技術、標準、利益、法規(guī)等方面的問題，主要采用“不并網(wǎng)”或“并網(wǎng)不上網(wǎng)”的方式運行。

近幾年，我國環(huán)保法規(guī)日益嚴格，特大城市和沿海發(fā)達城市已將PM2.5列入環(huán)保監(jiān)測，對天然氣清潔能源的需求日益增長。經(jīng)過不斷建設和開拓，我國天然氣供應已呈多元化，包括西氣東輸、進口管道天然氣、海運LNG、非常規(guī)天然氣開發(fā)等，對天然氣清潔發(fā)電和分布式能源形成有力支撐。國家部位發(fā)布多項政策和指導性意見，推動分布式能源發(fā)展；國家決定設立燃氣輪機重大專項以實現(xiàn)燃氣輪機國產(chǎn)化。根據(jù)發(fā)改委規(guī)劃，在“十三五”期間將建成1000個分布式能源項目，并擬建設10個左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域，至2020年將在全國規(guī)模以上城市推廣使用分布式能源系統(tǒng)，裝機容量達到5000萬KW，十年將產(chǎn)生4000億的市場，我國天然氣發(fā)電和分布式能源產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化的時代已經(jīng)來臨。

二、實施意義

小型燃機耦合余熱鍋爐以及制冷機，構成冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)，主要優(yōu)勢在于：（1）能源利用率高，經(jīng)濟效益大；（2）安全可靠，提高地區(qū)電力供應安全性；（3）低碳環(huán)保；（4）運行方便等。分布式能源系統(tǒng)適用場所廣泛，可對一定區(qū)域內(nèi)有電、熱、冷不同能源混合需求的用戶提供服務，且供電安全穩(wěn)定，可按需求快速啟動，可滿足工業(yè)園區(qū)、綜合商業(yè)區(qū)或商務區(qū)、單體或建筑群如醫(yī)院、酒店、學校、辦公樓、居民小區(qū)等。

因此，天然氣分布式能源系統(tǒng)作為經(jīng)濟可靠的能源供應方案，是我國有天然氣地區(qū)發(fā)展分布式清潔能源的首選，也是國家重點發(fā)展方向，對企業(yè)、城市、我國清潔能源和裝備制造業(yè)的發(fā)展都有重要意義。

三、項目舉例——醫(yī)院分布式能源項目

醫(yī)院三聯(lián)供能源站應建設成為安全、高效、節(jié)能、低污染的現(xiàn)代化供能中心，為醫(yī)院提供可靠的冷、熱、電能源供應。原則包括：1.系統(tǒng)工藝可靠，保障穩(wěn)定運行，考慮到醫(yī)院的特殊性，在其中采用的供能系統(tǒng)應將運行的安全穩(wěn)定作為第一應遵循的原則。2.能源綜合利用，發(fā)揮節(jié)能潛力。3.維護管理方便，滿足各方要求。

燃氣冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)基本原理是溫度對口、梯級利用，其原理如下：

首先潔凈的天然氣在燃氣發(fā)電設備內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫高壓的氣體用于發(fā)電做功，產(chǎn)出高品位的電能；發(fā)電做功后的中溫段氣體通過余熱回收裝置地（驅(qū)動熱泵、驅(qū)動吸收式制冷機）回收利用，用來制冷、供暖；其后低溫段的煙氣可以通過再次換熱供生活熱水后排放。通過對能源的梯級利用，充分利用了一次能源，提高了系統(tǒng)綜合能源利用率。

燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)采用梯級利用的方式，是天然氣高效利用的技術之一。大型公建項目應充分采用節(jié)能、高效、環(huán)保的能源利用方式，而三聯(lián)供項目的實施一方面可以較好地解決建筑的供熱、制冷問題，另一方面提高自身冷、熱、電供應的安全性。

醫(yī)院類建筑具有穩(wěn)定的冷、熱、電和生活熱水負荷需求，并對于能源供應的可靠性要求較高，因此采用燃氣冷熱電三聯(lián)供來代替常規(guī)的供能方案，一方面可以較好地解決醫(yī)院的供熱制冷問題、降低運行成本，另一方面增加了自發(fā)電系統(tǒng)，在節(jié)能的同時也保障了醫(yī)院的電力需求，提高了供電可靠性和安全性。

在項目操作方面，燃氣集團與業(yè)主方商定投資模式，可采用燃氣集團獨立投資或與業(yè)主方共同投資的模式，雙方簽訂投資建設與合同能源管理合同，能源站初投資（含能源站內(nèi)所有主輔設備及其安裝工程、自發(fā)電并網(wǎng)及切換系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)至集分水器處）費用由商定的投資主體承擔。項目施工完成后，由投資主體委托專業(yè)的管理公司負責能源站的運行管理，三聯(lián)供系統(tǒng)所發(fā)出的電力接入醫(yī)院的變配電站，電氣系統(tǒng)設計應考慮可實現(xiàn)并網(wǎng)運行和切網(wǎng)運行兩種運行模式。

四、經(jīng)營風險

經(jīng)營風險的主要影響因素是：燃氣輪機發(fā)電接入電網(wǎng)的可能性；是否能享受到潔凈能源發(fā)電技術的政府補貼電價，這一點至關重要，決定小型分布式能源系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性；

采用三聯(lián)供系統(tǒng)投入運行以后產(chǎn)生的污染源主要是煙氣（廢氣）、廢水、噪聲等。

三聯(lián)供系統(tǒng)的主要設備為燃氣內(nèi)燃機和燃氣直燃機，燃料均使用天然氣。天然氣燃燒產(chǎn)生的煙氣中基本無煙塵及二氧化硫，不污染環(huán)境，因此是潔凈燃料。其排放中主要有害氣體為氮氧化物。

能源站排出的廢水主要是空調(diào)系統(tǒng)，需補充軟化水的水處理排水，以及設備檢修排水。水處理排出的廢水含鹽量稍高但無毒無害，其余排水無有害物質(zhì)且溫度不高，可直接排入城市污水管道。

能源站噪聲源主要為燃氣發(fā)電機組、冷溫水機、水泵。通過采取措施治理，可使能源中心外環(huán)境達到《大氣環(huán)境質(zhì)量標準》中規(guī)定的二類混合區(qū)：白天60分貝，夜間50分貝的標準。經(jīng)此處理后的噪音指標距離二類區(qū)域的噪聲標準仍有差距，因此還應在建筑圍護結構中考慮適當?shù)慕翟氪胧?，保證對周圍環(huán)境的影響達到此標準要求。