王 棟 上海海事大學商船學院

分布式能源系統(tǒng)現(xiàn)狀分析與探討

王 棟 上海海事大學商船學院

簡要敘述了天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與國內(nèi)外應用狀況，分析了分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)勢與發(fā)展的局限性，其適用的熱力循環(huán)以及適用的地區(qū)。得出結論：在我國此系統(tǒng)適用于經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)；天然氣品質(zhì)與價格制約著該技術的發(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；燃氣內(nèi)燃機

“能源、環(huán)境、發(fā)展”是當今人類面臨的三大主題，能源的合理開發(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利用概念基礎上，分布安置在需求側(cè)的能源梯級利用，以及資源綜合利用和可再生的能源設施。通過在需求現(xiàn)場根據(jù)用戶對能源的不同需求，實現(xiàn)溫度對口供應能源，將輸送環(huán)節(jié)的損耗降至最低，從而實現(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興起的利用小型設備向用戶提供能源供應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，分布式能源接近負荷，不需要建設大電網(wǎng)進行遠距離高壓或超高壓輸電，可以大大減少線損，節(jié)省配電建設投資和運行費用；由于兼具發(fā)電、供熱、供冷等多種能源服務功能，分布式能源可以有效的實現(xiàn)能量的階梯利用，達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、太陽能、水能、生物質(zhì)能、沼氣、風能等都可以實現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)，進行冷熱電三聯(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，在我國的分布式能源領域占有較大比例。采用天然氣為燃料的分布式能源系統(tǒng)，一般采用燃氣輪機或燃氣內(nèi)燃機作為發(fā)電設備，在發(fā)電的同時，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)基礎上發(fā)展起來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)集燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃氣輪機、蒸汽輪機、斯特林機、燃料電池、吸收式、吸附式余熱回收利用設備、壓縮式冷熱水機組和綜合控制體系統(tǒng)等高新技術和設備為一體，根據(jù)熱能品位的不同，高溫熱能通過動力機對外做功發(fā)電，中溫熱能通過余熱回收設備制取冷負荷，低溫煙氣供應低溫生活熱水，實現(xiàn)對輸入能量的綜合梯級利用，達到更高能源利用率（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)能源綜合梯級利用示意圖

2 分布式能源系統(tǒng)優(yōu)缺點

相對于傳統(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)缺點有利于理解分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)勢與發(fā)展局限性。

2.1 分布式能源系統(tǒng)優(yōu)點

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，無法長距離輸送，冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)在傳統(tǒng)電廠即便可以達到，但產(chǎn)能無法輸送到用戶端，分布式能源系統(tǒng)解決了這一問題，按需就近設置，與用戶用能需求匹配，冷、熱近距離輸送，并解決了長距離輸電損失難題；實現(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)與燃氣網(wǎng)峰谷差互調(diào)等；保障能源安全，實現(xiàn)天然氣發(fā)展戰(zhàn)略，體現(xiàn)為多元化的能源結構，可再生能源的開發(fā)利用，天然氣的高效利用等。

2.2 分布式能源系統(tǒng)缺點

分布式能源系統(tǒng)的主要不足在于，由于它是分散供能，單機功率很小，比起最大電廠單機功率GW 以上、單廠功率近10 GW而言，發(fā)電效率顯然比不上后者。這是因為現(xiàn)有動力設備都是機組越大，效率越高。400 MW的、以燃氣輪機為主的聯(lián)合循環(huán)裝置效率比回熱燃氣輪機的效率要高 1倍?！奥槿鸽m小，五臟俱全”，因此大機組單位功率的售價相比小機組要低得多，相差近幾倍。大機組集中在一起，有專門高級技工運行維護，安全性、工作壽命都應該更有保證。所以，要對純發(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)對當?shù)厥褂脝挝坏募夹g要求要比簡單使用大電網(wǎng)供電來得高，要有相應的技術人員與適合的文化環(huán)境。

圖2 典型分布式燃氣輪機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

3 分布式能源國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國際上研究分布式能源技術從20世紀70年代開始發(fā)展起來，但是真正快速發(fā)展起來卻是近十幾年的事情，特別是在北美大停電之后[3]。美國、日本和歐洲等先進國家在冷熱電聯(lián)供技術上有較為成熟的應用經(jīng)驗，近年來各國進一步加大了其發(fā)展力度。目前，美國政府主要的研究方向為內(nèi)燃機效率的提升，大功率的燃氣輪機（單機功率20 GW），微燃機的整體提升工作，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)”技術在測量、并網(wǎng)及安全性方面的出色表現(xiàn)將進一步促進三聯(lián)供技術的發(fā)展。截至2003年，日本全國冷熱電總裝機容量6 503 MW，其中建筑項目2 915個，總裝機容量1429 MW，其中52.8%的裝機容量以城市燃氣為燃料，主要應用類型為商場、酒店、醫(yī)院、辦公建筑、運動場所和區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)；工業(yè)聯(lián)產(chǎn)項目共計1 600個，總裝機容量5 074 MW，燃料以重油和燃氣為主，其中30.7%的容量以城市燃氣為燃料，主要應用類型為食品加工、化學加工、制藥、機械、電子設備和鋼鐵行業(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)電量約占丹麥全國發(fā)電總量的50%，而碳排放量比上世紀90年代的水平減少了約50%。2005年7月，丹麥政府宣布計劃鋪設全球最長的智能化電網(wǎng)基礎設施，這將使分布式能源系統(tǒng)成為丹麥主要的供電渠道。1988年，荷蘭啟動了一個冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)激勵計劃，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，英國新冷熱電聯(lián)供項目共1 536個，總裝機容量達到4.76 GW，到2010年可達10 GW。

我國應用分布式能源系統(tǒng)起步較晚，可以預見在今后幾十年內(nèi)，我國主要能源系統(tǒng)還依然會是集中式供能。近年來，隨著天然氣管網(wǎng)覆蓋率提高，天然氣利用技術的不斷完善，分布式能源站的建設已在各地發(fā)展起來，在北京、上海、廣州等發(fā)達地區(qū)已有很多應用和示范。北京燃氣集團大樓的分布式能源系統(tǒng)，在2008年即能滿足80%的冷熱負荷，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)省費用90萬元。成都深藍綠色能源中心的聯(lián)供系統(tǒng)已運行8年，年節(jié)省費用約410萬元。2011年10月國家能源局出臺的《關于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見》中提出“十二五”的主要任務:初期啟動一批天然氣冷熱電二聯(lián)供能源示范項目，期間“建設1000個左右分布式能源站，選擇其中10個左右作為典型的能源示范區(qū)域[4]。我國部分巳投入運行的分布式能源站的應用情況見表1。

表1 國內(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)保性能較好的特點等，因此它在我國比較適合應用的地區(qū)顯然是經(jīng)濟比較發(fā)達的地區(qū)，從地域分布來說，主要是珠江三角洲、長江三角洲、環(huán)渤海地區(qū)等我國現(xiàn)在經(jīng)濟高速發(fā)展的黃金寶地[5]，也是應該“先環(huán)保起來”的地區(qū)。另外，分布式能源系統(tǒng)既然是“分布”，也就是說與大電廠、大電網(wǎng)不一樣，不是由一小批經(jīng)驗豐富的技術人員集中運行管理，而是分散式運行管理，這就要求使用區(qū)域的總體科技文化水平和素養(yǎng)較高。

上述看法并不是說其它地方就不能裝配使用分布式能源系統(tǒng)，而只是對最先發(fā)展它的可能區(qū)域作了一個判斷。其它地方，例如在天然氣產(chǎn)地附近、天然氣價格特別便宜的地方，分布式能源系統(tǒng)的應用可能也會是適合的。就如同經(jīng)濟上“先富起來”，應該帶動其它地方“共同富裕”一樣，分布式能源系統(tǒng)在“先富起來”的地區(qū)發(fā)展了，也會以其取得的成效與經(jīng)驗帶動這種系統(tǒng)在其它地方發(fā)展起來。不過，以我們的看法，分布式能源系統(tǒng)是能源利用的一個新的發(fā)展方向，但在可預見的較長一段時間內(nèi)，大電廠與大電網(wǎng)仍是我國電力供應的主流。

天然氣以其清潔、環(huán)保、高品質(zhì)等優(yōu)勢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最有保障，上海、廣東等地都非常緊張，國內(nèi)氣價也存在長期上漲的趨勢[6]。燃料市場未來風險和不確定性使推廣應用分布式能源系統(tǒng)可能潛伏著危機。

因為分布式能源是新技術，有管理和維護經(jīng)驗的當?shù)毓こ處熂案呒壖脊ぽ^少，運行維護設備的人工成本不可小視，同時由于主機是進口設備，定期檢查、替換、維修系統(tǒng)部件及易耗品價格也不菲。當然，運行與維護成本只占整個分布式能源系統(tǒng)的電力成本很低的比例，如微型燃氣輪機一年通常只做1～2次保養(yǎng)，平均維護成本為0.5～1.6美分/kWh[7]。

綜上所述，我國最適宜發(fā)展應用分布式能源系統(tǒng)的地區(qū)是經(jīng)濟發(fā)展速度較快的地區(qū)；天然氣品質(zhì)與價格制約著該技術的發(fā)展；經(jīng)濟效益因素是用戶應用DER首要考慮的因素，卓越的經(jīng)濟性給用戶提供信心和驅(qū)動力。但經(jīng)濟性的分析一定要參考實際的運行環(huán)境并全面考慮細節(jié)。

5 結論

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

（2）我國分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展起步較晚，技術落后于西方發(fā)達國家，但是該系統(tǒng)的工程數(shù)量，尤其是總裝機量遠超了世界各國，說明國家高度重視分布式能源的發(fā)展，但距離超越西方發(fā)達國家的目標仍然任重道遠。

（3）我國最適宜發(fā)展應用分布式能源系統(tǒng)的地區(qū)是經(jīng)濟發(fā)展速度較快的地區(qū)；天然氣品質(zhì)與價格制約著該技術的發(fā)展；經(jīng)濟效益因素是用戶應用分布式能源系統(tǒng)首要考慮的因素，卓越的經(jīng)濟性給用戶提供信心和驅(qū)動力。但經(jīng)濟性的分析一定要參考實際的運行環(huán)境并全面考慮細節(jié)。

[1]中國科學院可持續(xù)發(fā)展研究組。2003 中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略報告[M]。北京：科學出版社，2003，1～2。

[2]韓曉平。未來 2O 年中國能源技術發(fā)展方向之一分布式能源及相關技術[J]。沈陽工程學院學報（自然科學版），2005，1（2、3）：13

[3]吳大為，王如竹。分布式能源定義及其與冷熱電聯(lián)產(chǎn)關系的探討[J]。制冷與空調(diào)，2005，5（5）：2～3。

[4]薛志峰。超低能耗建筑技術及應用[M]。北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005，176。

[5]劉麗紅，袁益超，劉聿拯。分布式供能的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]。熱力發(fā)電，2006，(7)：5～6。

[6]劉道平，馬博，李瑞陽，等。分布式供能技術的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]。能源研究與信息，2002，18（1）：7～8。

[7]徐建中?？茖W用能與分布式用能系統(tǒng)[J]。中國能源，2005，27（8）：10～13。

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：船舶動力裝置。