基于微電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的分布式綜合能源研究

李海爭(zhēng)

(神華國(guó)華(北京)分布式能源科技有限責(zé)任公司，北京 100025)

能源互聯(lián)網(wǎng)作為未來能源系統(tǒng)的重要形態(tài)，近年來在國(guó)內(nèi)受到日益廣泛的關(guān)注[1-6]， 特別是在電力體制改革、互聯(lián)網(wǎng)+等國(guó)家戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)了一批新型能源技術(shù)的研究和應(yīng)用熱潮[7-8]。

傳統(tǒng)分布式能源研究主要集中在以光伏、風(fēng)能、生物質(zhì)等可再生能源為主的發(fā)電側(cè)，以儲(chǔ)能調(diào)頻、調(diào)峰、儲(chǔ)熱、輔助服務(wù)等為主要內(nèi)容的用戶側(cè)。結(jié)合電力能源發(fā)展新需求，本文提出煤基、天然氣分布式能源的概念，對(duì)發(fā)展分布式綜合能源需考慮的因素提出建議。在充分考慮用戶需求的情況下，本著提高能源利用效率、全面實(shí)現(xiàn)能源梯度利用的目標(biāo)，提出與微電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的分布式綜合能源發(fā)展新思路。

1 電力發(fā)展新特點(diǎn)

隨著國(guó)家大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施，傳統(tǒng)負(fù)荷中心常規(guī)煤電發(fā)展受限，清潔能源受地理環(huán)境約束轉(zhuǎn)入平穩(wěn)發(fā)展階段。為適應(yīng)電力發(fā)展新局面，電網(wǎng)企業(yè)提出了建設(shè)樞紐型、平臺(tái)型、共享型能源互聯(lián)網(wǎng)的新要求。在建設(shè)運(yùn)營(yíng)以特高壓為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的同時(shí)，將充分應(yīng)用移動(dòng)互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機(jī)交互，打造狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)[9-13]。

在傳統(tǒng)電網(wǎng)轉(zhuǎn)型之際，增量配電改革工作快速發(fā)展。全國(guó)各地和相關(guān)企業(yè)全面落實(shí)《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》(中發(fā)〔2015〕9號(hào))文件明確的重點(diǎn)改革任務(wù)，不斷探索增量配電業(yè)務(wù)新模式和新機(jī)制。近年來分布式能源項(xiàng)目取得較大進(jìn)展，但仍受到市場(chǎng)化程度低、公共服務(wù)滯后、管理體系不健全等因素的制約。為加快推進(jìn)分布式能源發(fā)展，國(guó)家相繼組織分布式發(fā)電市場(chǎng)化交易試點(diǎn)工作，明確了分布式發(fā)電交易的項(xiàng)目規(guī)模；鼓勵(lì)分布式項(xiàng)目可采取多能互補(bǔ)方式建設(shè)或安裝儲(chǔ)能設(shè)施，以提升供電靈活性和穩(wěn)定性；對(duì)參與市場(chǎng)化交易的分布式項(xiàng)目容量、就近消納接網(wǎng)電壓等級(jí)、市場(chǎng)化交易的機(jī)制、電力交易組織、“過網(wǎng)費(fèi)”標(biāo)準(zhǔn)等有關(guān)政策進(jìn)行了明確[9]。

根據(jù)“十三五”電力規(guī)劃要求，能源供應(yīng)出現(xiàn)了新形式，在冬季取暖環(huán)境壓力很大的北方地區(qū)，提出了“宜氣則氣，宜電則電，宜煤則煤”的新要求[10-12]。通過清潔高效發(fā)電、微型電網(wǎng)與儲(chǔ)能、“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源等技術(shù)創(chuàng)新，結(jié)合電力體制深化改革及市場(chǎng)體系建設(shè)要求[13-15]，將加快煤炭清潔發(fā)展，因地制宜建設(shè)熱電聯(lián)產(chǎn)，推進(jìn)集中供熱替代散煤小鍋爐，鼓勵(lì)多元化能源梯級(jí)利用，有序推進(jìn)分布式氣電建設(shè)，促進(jìn)能源就近高效利用，分布式能源結(jié)合微電網(wǎng)的發(fā)展將迎來新局面。

2 天然氣分布式能源

天然氣分布式能源是利用天然氣為燃料，通過熱電冷多聯(lián)供等方式實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，綜合能源利用效率一般在80%以上，在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，是天然氣高效利用的重要組成。

天然氣分布式能源作為中小型臨近用戶的熱電冷多聯(lián)供能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用，相較于單一供能方式節(jié)能約25%。環(huán)保方面微型燃?xì)廨啓C(jī)氮氧化物(NOx)排放可達(dá)到9～25 mg/L。具備安裝建筑占地少，用能成本低，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益較高的特點(diǎn)。天然氣分布式能源一般由燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組、余熱鍋爐及小型蒸汽輪機(jī)機(jī)組、溴化鋰機(jī)組等集成模塊構(gòu)成。

3 煤基分布式能源

相對(duì)于傳統(tǒng)大電廠、大電網(wǎng)的集中式能源生產(chǎn)與供應(yīng)模式，煤基分布式能源以煤炭為燃料，直接向用戶提供各種形式能量的中小型終端供能系統(tǒng)，具有“緊湊、模塊、集中、靈活”的特點(diǎn)?？拷脩舨捎贸墒臁⑾冗M(jìn)的技術(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)和設(shè)備選型，形成高效率、低排放的分布式能源。

3.1 基本特征

煤基分布式能源是以煤炭或耦合材料為燃料，在負(fù)荷中心實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)，通過熱電冷等多聯(lián)供的方式實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，綜合能源利用率高于70%，是煤炭高效清潔利用的重要方式；其主要設(shè)備包括煤粉工業(yè)鍋爐或循環(huán)流化床鍋爐(CFB)、背壓式汽輪發(fā)電機(jī)、蒸汽型吸收式熱泵等。

煤基分布式能源是以高效環(huán)保燃煤鍋爐和高效背壓機(jī)為核心，配備爐內(nèi)燃燒過程污染物處理和尾部煙氣凈化系統(tǒng)以及分散控制系統(tǒng)(DCS)控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)整個(gè)能源站的高度自控。

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

煤基分布式能源作為綜合能源系統(tǒng)，梯度利用率高于70%，鍋爐系統(tǒng)總熱效率一般高于91%；煙氣排放可達(dá)到煙塵濃度5 mg/Nm3、二氧化硫濃度35 mg/Nm3、氮氧化物濃度50 mg/Nm3及以下超低水平。生產(chǎn)過程通過煤粉集中制備密閉罐車配送，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不見煤、不見煙、不見灰，建筑布置達(dá)到去工業(yè)化的效果。應(yīng)用智能設(shè)備與通信技術(shù)，通過遠(yuǎn)程智能控制，實(shí)現(xiàn)“無人值守、一鍵啟動(dòng)、多廠監(jiān)控”。建設(shè)過程中設(shè)備實(shí)現(xiàn)模塊化布置、工廠化生產(chǎn)，安裝工期短，在保證效率效能的同時(shí)降低了工程造價(jià)，實(shí)現(xiàn)煤基分布式能源“高效率、低排放、智能化、模塊化、低成本、可復(fù)制”的示范效果。

3.3 裝機(jī)方案

3.3.1 負(fù)荷確定

民用供暖、供冷負(fù)荷隨著建筑功能不同，負(fù)荷指標(biāo)和動(dòng)態(tài)變化較大，確定負(fù)荷顯得極為重要。在計(jì)算建筑能耗時(shí)可采用指標(biāo)法，指標(biāo)法包括電力負(fù)荷指標(biāo)法和冷熱負(fù)荷指標(biāo)法。電力負(fù)荷指標(biāo)法有單位面積功率法和單位指標(biāo)法；冷熱負(fù)荷指標(biāo)法有單位面積指標(biāo)法和單位溫差指標(biāo)法。在選取數(shù)值時(shí)，應(yīng)考慮建筑使用新型節(jié)能材料、所在地氣溫變化程度、室內(nèi)人員密度等因素，合理取值；同時(shí)系數(shù)的選取要結(jié)合建筑群構(gòu)造、負(fù)荷性質(zhì)、峰谷時(shí)段等綜合考慮。

工業(yè)用戶負(fù)荷主要為工業(yè)用汽及制冷、采暖負(fù)荷。對(duì)于工業(yè)用汽負(fù)荷，應(yīng)詳細(xì)確定實(shí)際用汽性質(zhì)、參數(shù)、小時(shí)用汽量及用汽時(shí)間等，當(dāng)用汽負(fù)荷為多個(gè)用戶或有多種不同工藝時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用合理的同時(shí)系數(shù)。在負(fù)荷調(diào)研時(shí)，充分考慮不同典型日用汽數(shù)據(jù)，按月份、季節(jié)等進(jìn)行充分調(diào)研，繪制詳細(xì)的典型日負(fù)荷曲線，合成全年負(fù)荷曲線，為機(jī)組容量選型提供詳盡的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3.2 機(jī)組選擇

機(jī)組選擇以工業(yè)與民用綜合負(fù)荷為基礎(chǔ)，以滿足熱、汽、冷、水等需求來確定主機(jī)及輔機(jī)。主機(jī)設(shè)備宜選用較高的蒸汽初參數(shù)，以確保在相同熱冷負(fù)荷時(shí)的發(fā)電效能。煙氣處理系統(tǒng)的選型應(yīng)達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)綜合考慮物料來源、副產(chǎn)品資源化處理、對(duì)周邊環(huán)境影響等情況；根據(jù)外部約束條件科學(xué)論證，在安全、可靠、環(huán)保的前提下?lián)綗龔U棄物或生物質(zhì)原料、生物質(zhì)氣體、煤泥等可再生能源。在優(yōu)化設(shè)計(jì)，安全可靠前提下，結(jié)合輔機(jī)單列布置，簡(jiǎn)化工藝與控制方式，提高機(jī)組技術(shù)指標(biāo)和調(diào)節(jié)性能，降低建設(shè)造價(jià)與運(yùn)營(yíng)成本。

目前適用于煤基分布式能源的鍋爐主要有煤粉工業(yè)鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐(CFB)，充分考慮地方政策、煤源、煤質(zhì)、對(duì)環(huán)境影響等因素進(jìn)行選型。背壓式機(jī)組選擇應(yīng)根據(jù)蒸汽負(fù)荷參數(shù)高效出力進(jìn)行，以滿足調(diào)峰能力、降低汽耗等節(jié)能效果，同時(shí)需考慮機(jī)組發(fā)電能力、經(jīng)濟(jì)性能等指標(biāo)。

煤基分布式能源鍋爐燃燒中污染物處理，煤粉工業(yè)鍋爐采用低氮燃燒器和煙氣再循環(huán)技術(shù)以降低鍋爐出口氮氧化物排放。爐后煙氣處理系統(tǒng)以選擇性催化還原(SCR)脫硝為主，對(duì)于工業(yè)園區(qū)項(xiàng)目，可采用石灰石半干法、氨法、石灰石濕法、有機(jī)催化法等；對(duì)于廢水排放要求高的地區(qū)，可采用石灰石半干法或氨法技術(shù)。循環(huán)流化床鍋爐本身采用低溫燃燒技術(shù)可降低鍋爐出口氮氧化物排放，配套采取選擇性非催化還原(SNCR)脫硝和爐內(nèi)噴鈣脫硫，可實(shí)現(xiàn)鍋爐出口超低排放。

4 分布式綜合能源

分布式綜合能源是指因地制宜、統(tǒng)籌開發(fā)、集成利用傳統(tǒng)能源和新能源，靠近用戶優(yōu)化布局建設(shè)的一體化供能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤基、天然氣、風(fēng)、光、地?zé)?、生物質(zhì)等各類分布式能源互相補(bǔ)充、協(xié)同供應(yīng)，滿足用戶電、熱、冷、氣、水等多種用能需求，全面提高能源綜合利用效率，產(chǎn)業(yè)全鏈推動(dòng)節(jié)能減排，本質(zhì)改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

4.1 構(gòu)成

分布式綜合能源由能源站、原料輸送設(shè)施、產(chǎn)品管網(wǎng)等各功能單元構(gòu)成，運(yùn)用分布式能源技術(shù)，構(gòu)建以電、熱、冷、氣、水等為核心產(chǎn)品，為用戶提供多能互補(bǔ)、“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源服務(wù)的綜合能源一體化系統(tǒng)，形成橫向“電、熱、冷、氣、水”多能源品種之間的互聯(lián)互通、協(xié)同供應(yīng)；縱向“原料網(wǎng)、能源站、輸配網(wǎng)、負(fù)荷網(wǎng)、儲(chǔ)能設(shè)施、控制系統(tǒng)”等能源供應(yīng)環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)發(fā)展、集成互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用、循環(huán)利用和綜合利用，大幅提升能源綜合利用效率，提供清潔、高效、可靠的綜合能源供應(yīng)，滿足多種用能需求。

“互聯(lián)網(wǎng)+”綜合能源網(wǎng)，以電力系統(tǒng)為核心和紐帶，多種類型能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通和多能協(xié)同互補(bǔ)，深度融合能源網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能和區(qū)塊鏈等技術(shù)的信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同能源類型、不同信息系統(tǒng)的協(xié)同控制、管理和運(yùn)營(yíng)；以用戶為中心，創(chuàng)新能源運(yùn)營(yíng)的商業(yè)模式和服務(wù)業(yè)態(tài)，向用戶提供便捷的能源、信息綜合服務(wù)；同時(shí)依托電力等行業(yè)市場(chǎng)化改革，大力發(fā)展分布式供能與用戶進(jìn)行市場(chǎng)交易，實(shí)現(xiàn)向用戶安全、可靠、經(jīng)濟(jì)提供綜合能源。

4.2 分類

根據(jù)能源需求側(cè)的規(guī)模大小，分布式綜合能源一般分為區(qū)域式綜合能源和樓宇式綜合能源。在經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、工業(yè)園區(qū)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、大型社區(qū)等，分布式綜合能源主要由煤基或天然氣分布式能源站、新能源系統(tǒng)(太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、生物質(zhì)能等)以及“網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、控”能源互聯(lián)網(wǎng)等組成。

在工廠、學(xué)校、醫(yī)院、酒店、單一建筑物、城市綜合體等，分布式綜合能源主要由天然氣分布式能源、新能源系統(tǒng)(屋頂太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能等)以及部分互聯(lián)設(shè)施等組成。

4.3 發(fā)展

分布式綜合能源發(fā)展應(yīng)根據(jù)能源變革與電力發(fā)展形勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)切實(shí)改善環(huán)境質(zhì)量，發(fā)展時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下因素。

4.3.1 能源政策

隨著近年增量配電網(wǎng)試點(diǎn)的推進(jìn)，新一輪電改正引起發(fā)電、輸電、售電、用電等環(huán)節(jié)深刻的變化，各地推進(jìn)的力度和側(cè)重點(diǎn)有所不同，發(fā)展分布式綜合能源應(yīng)及時(shí)跟蹤國(guó)家、地方政策，了解各地實(shí)際情況，綜合統(tǒng)籌合理布局。

4.3.2 負(fù)荷需求

用戶實(shí)際用能需求，是分布式綜合能源發(fā)展的前提，應(yīng)做好現(xiàn)狀與近遠(yuǎn)期負(fù)荷調(diào)研，切實(shí)掌握用戶需求，量身定制精準(zhǔn)進(jìn)行資源匹配。

4.3.3 技術(shù)配置

加大分布式能源清潔發(fā)電、就近利用、智慧管控等全環(huán)節(jié)技術(shù)研究，有針對(duì)性的發(fā)展多能聯(lián)合的綜合能源，結(jié)合聯(lián)合儲(chǔ)能、“虛擬電廠”等形式提高供能的可靠性。

4.3.4 市場(chǎng)導(dǎo)向

結(jié)合新一輪市場(chǎng)化改革總體部署，按照確定的改革方向，電力能源市場(chǎng)中長(zhǎng)期交易、現(xiàn)貨交易、用戶直供交易以及配售電服務(wù)等領(lǐng)域改革成果顯著。2018年市場(chǎng)化交易電量突破1.6萬億kWh，完成“一般工商業(yè)電價(jià)平均降低10%”的總體目標(biāo)。因此，借助市場(chǎng)化改革要求，在新建分布式綜合能源時(shí)，結(jié)合智能電表、通信網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)，在能源配售領(lǐng)域開展用戶直供、市場(chǎng)交易等，全面提高分布式綜合能源經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

基于微電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的分布式綜合能源，可使能源生產(chǎn)和消費(fèi)就近實(shí)現(xiàn)，具有能源效率高、總體排放低、社會(huì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，代表了能源發(fā)展新方向和新形式。結(jié)合我國(guó)當(dāng)前能源利用的基本情況，綜合考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)效益，重點(diǎn)提出了煤基分布式綜合能源發(fā)展的新思路，為能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命做了有益探討。隨著科學(xué)技術(shù)與社會(huì)治理的進(jìn)一步發(fā)展，分布式綜合能源將向網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智慧化方向推進(jìn)，將會(huì)在更大范圍、更高水平大力促進(jìn)全社會(huì)能源消費(fèi)模式的變革。