分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用研究分析

呂松濤

（黑河市熱電廠，黑龍江 黑河 164300）

0 引言

當(dāng)前，人類面臨“能源、環(huán)境、發(fā)展”三大主題，合理開發(fā)、利用能源已經(jīng)成為環(huán)境友好與社會(huì)健康持續(xù)發(fā)展的前提條件[1]?；剂系拇罅渴褂帽M管能夠促進(jìn)社會(huì)發(fā)展，然而同樣能夠?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。近期我國的霧霾天氣的出現(xiàn)，一方面是由于氣象原因所致，同時(shí)與汽車、工業(yè)污染物和冬季燃煤的污染物排放具有很大的關(guān)系。

分布式能源系統(tǒng)(英文簡(jiǎn)稱DES)主要是按照“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”的思想，把發(fā)電系統(tǒng)以分散式、模塊式構(gòu)建于用戶末端，同時(shí)或獨(dú)立為用戶提供能源的系統(tǒng)。其具有多種形式，較普及的發(fā)電技術(shù)有燃料電池、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)、冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)[2]。對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行探討，一方面可以推動(dòng)中國社會(huì)健康持續(xù)發(fā)展，降低能耗，還為設(shè)計(jì)該系統(tǒng)與設(shè)備選型等提供指導(dǎo)。

1 分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)研究進(jìn)展

1.1 國外研究進(jìn)展

1978年，分布式能源系統(tǒng)首次在美國公共事業(yè)管理政策法提出。目前為止，美國已經(jīng)建立起分布式能源站六千多座，其中包括在大學(xué)校園建立的二百多座。預(yù)計(jì)到2020年，會(huì)有15%的現(xiàn)有建筑引入該系統(tǒng)，一半的新建筑引入這一系統(tǒng)[3]。

日本于1981年在東京國立競(jìng)技場(chǎng)建起首個(gè)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，2000年為止，該國已經(jīng)建成1413 個(gè)分布式能源項(xiàng)目，總裝機(jī)容量2 212MW； 工業(yè)與民用項(xiàng)目容量分別是1 734MW 和478MW；相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2003年為止，日本民用項(xiàng)目數(shù)多達(dá)2 915個(gè)，其容量已經(jīng)超過1 400MW。飯店、辦公樓、醫(yī)院、商場(chǎng)等建筑紛紛引入該系統(tǒng)。

在英國，這一系統(tǒng)同樣具有非常快的發(fā)展速度，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在醫(yī)院、飯店、車站等建筑中已經(jīng)建成的分布式能源系統(tǒng)超過一千個(gè)。其中比較典型的是曼徹斯特機(jī)場(chǎng)：該系統(tǒng)包括往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)、常規(guī)雙燃料鍋爐（4MW）與余熱鍋爐（5.9MW）各兩臺(tái)。每年產(chǎn)值在一百八十萬英鎊左右，能夠節(jié)省電5 萬英鎊左右，降低排放SO2和CO2分別為1 000 噸、5 萬噸，具有非常明顯的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益[4]。

歐洲國家同樣利用各種手段推動(dòng)分布式能源系統(tǒng)，在荷蘭，由于政府政策的支持，這一系統(tǒng)容量在1987年到1998年這段時(shí)間中得到飛速發(fā)展，由2 700MW 迅速發(fā)展到7 000MW，與1989年相比來說，2000年底該國能源效率提高2.3%[5]。

1.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

近些年，隨著天然氣技術(shù)的逐漸完善以及管網(wǎng)范圍的日益增加，全國已經(jīng)開始建設(shè)分布式能源站，在北京、上海等一線城市已經(jīng)得到示范、應(yīng)用。如北京燃?xì)饧瘓F(tuán)大樓的分布式能源系統(tǒng)，2008年實(shí)現(xiàn)80%的冷熱負(fù)荷，相比常規(guī)能源，一次能源節(jié)約率在17%左右，每年降低消耗90 萬元人民幣[6]。2011年《國家能源局關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》 中確定“十二五”的任務(wù)：初期運(yùn)行冷熱電二聯(lián)供能源示范項(xiàng)目，“建布式能源站大約一千個(gè)，同時(shí)確定大約10 個(gè)為代表，將其作為能源示范點(diǎn)[7]。

2 分布式能源系統(tǒng)配置研究進(jìn)展

該系統(tǒng)由三部分組成，也就是制冷系統(tǒng)、余熱回收供熱、動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)。各個(gè)部分均包括諸多類型的設(shè)備，發(fā)電設(shè)備包括燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等[8]。以天然氣為燃料的系統(tǒng)，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)是發(fā)電設(shè)備的首選。

2.1 國外研究進(jìn)展

文獻(xiàn)[8]、[9]利用蟻群算法與遺傳算法優(yōu)化配置了分布式能能源系統(tǒng)，然而他們僅僅對(duì)固定的負(fù)荷比進(jìn)行考慮[8]，用戶所需負(fù)荷并非一成不變，是隨環(huán)境條件以及時(shí)間而不斷改變的，而動(dòng)力設(shè)備在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)才能達(dá)到最高效率。設(shè)計(jì)系統(tǒng)過程中，最為關(guān)鍵的是動(dòng)力設(shè)備的穩(wěn)定性和負(fù)荷需求的變化處于平衡，使其在穩(wěn)定運(yùn)行的前提下充分利用能量[9]。

文獻(xiàn)[10]、[11]通過兩種方法對(duì)排煙溫度和制冷效果、燃?xì)廨啓C(jī)容量和發(fā)電效率的相關(guān)性進(jìn)行研究。

2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

中國在《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》中明確“十二五”目標(biāo)：2015年前研制完主要裝備。利用示范應(yīng)用研究，使當(dāng)裝機(jī)規(guī)模達(dá)五百萬、一千萬kW，自主化率達(dá)60%、90%；到2020年，在一些城市推廣分布式能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝備產(chǎn)業(yè)化，總?cè)萘窟_(dá)五千萬kW。

基于能量梯級(jí)利用，與系統(tǒng)變工況性能、用戶負(fù)荷需求、經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行結(jié)合，在此基礎(chǔ)上，闡明分布式能源系統(tǒng)的集成原則。主要通過經(jīng)濟(jì)學(xué)與熱力學(xué)理論將多目標(biāo)優(yōu)化問題向單目標(biāo)規(guī)劃進(jìn)行轉(zhuǎn)變。通過層次分析法與灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行探討，為使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益實(shí)現(xiàn)最大化標(biāo)，對(duì)逐時(shí)能源價(jià)格與負(fù)荷需求變化過程中系統(tǒng)的運(yùn)行模式與優(yōu)化配置。

3 總結(jié)

綜上所述，許多發(fā)達(dá)國家在分布式能源系統(tǒng)方面已積累了非常豐富的經(jīng)驗(yàn)。日本、美國、歐洲在實(shí)踐過程中通過分布式供能在安全供電、節(jié)能減排等領(lǐng)域獲得很大的進(jìn)展。在發(fā)達(dá)國家，分布式能源系統(tǒng)己步入成熟階段，當(dāng)前的方向是運(yùn)行優(yōu)化與怎樣深入提升能源效率。相反的，中國對(duì)這一系統(tǒng)的理論探討以及實(shí)踐應(yīng)用仍然處在開始時(shí)期，仍然有很長的路要走。盡管一些地區(qū)已建成并運(yùn)行分布式能源站，但我國在理論方面明顯比工程應(yīng)用方面滯后，需要在今后加以解決。

[1] 林世平分布式能源系統(tǒng)中能源與環(huán)境耦合特性及優(yōu)化集成模型研究[D].武漢武漢理工大學(xué)，2011.

[2]金紅光.鄭丹星.徐建中分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)裝置及應(yīng)用[M].北京中國電力出版社，2009.

[3] Cheng zhang Z.CHP applications in US and Europe used for reference in China [J].Popular Utilization of Eleclricity，2003.2 79-86.

[4] 胡淞城基于吸收式制冷的冷熱電二聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué)，2009.

[5]周萍.分布式能源-:聯(lián)供系統(tǒng)燃?xì)庳?fù)荷分析[D].北京:北京建筑工程學(xué)院，2012.

[6]王振銘我國天然氣分布式能源站的發(fā)展與建議[J].熱電技術(shù)，2011.109(1):1-5.

[7] 孫志高.郭開華天然氣型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用分析[J]建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2006.25(2)70-73.

[8]Wang J J.JingY Y.Zhang C F Optimization of capacity and operation for CCHP system by genetic algorithm [J]Applied Energy.2010.87(4)1325-1335.

[9]馬悅，董舟.分布式能源系統(tǒng)的研究及配置方案分析[J]節(jié)能，2011(4:)15-19.

[10] A Zaltash.A Y Pctrov.D T Rizy etl.Laboratory R&D on integrated energy systems[J]Applied Thermal Engineering.2006.26(1)28-35.

[11]J C Ho.K J Chua.S K Chou Performance study of a micro turbine system for cogcneration.