陳哲，田豐，呂小靜，翁一武?

①廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣州 510080；②上海交通大學動力機械與工程教育部重點實驗室，上海 200240

燃氣輪機與可再生能源互補的分布式供能*

陳哲①，田豐①，呂小靜②，翁一武②?

①廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣州 510080；②上海交通大學動力機械與工程教育部重點實驗室，上海 200240

天然氣燃氣輪機與可再生能源互補組成的分布式供能，既有天然氣分布式供能系統(tǒng)負荷調(diào)節(jié)范圍大、能源利用率高的特點，又有可再生能源就地消納、充分利用的優(yōu)勢。首先介紹了天然氣燃氣輪機分布式熱點聯(lián)供的發(fā)展和使用情況，分析了多種能源互補的分布式供能技術(shù)特點，展望了燃氣輪機與可再生能源互補的分布式供能的發(fā)展前景。

分布式供能；燃氣輪機；可再生能源；互補

分布式供能系統(tǒng)安裝在用戶附近，就近利用燃料，就近為用戶供應冷、熱、電和生活熱水，具有能源綜合利用率高、安全可靠、環(huán)保等特點。天然氣分布式供能的特點是“溫度對口、能量梯級利用”，能量利用率通?？梢赃_到75%以上。分布式供能系統(tǒng)的形式主要有分布式熱電聯(lián)供或分布式冷熱電聯(lián)供。

可再生能源(風能和太陽能等)的大力發(fā)展是必然趨勢，其不穩(wěn)定性對電網(wǎng)安全產(chǎn)生巨大影響。既能實現(xiàn)區(qū)域性的能量平衡，又能最大限度地利用可再生能源，是分布式供能技術(shù)發(fā)展追求的目標。

調(diào)節(jié)靈活的天然氣分布式能源技術(shù)，將推動智能電網(wǎng)技術(shù)、區(qū)域能源建筑一體化技術(shù)以及太陽能技術(shù)、微風發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，可以滿足用戶不同冷熱電及環(huán)保性能的具體需求。其未來發(fā)展趨勢是以天然氣分布式能源為核心，結(jié)合太陽能、風能等可再生能源構(gòu)建“小型化區(qū)域能源供應網(wǎng)絡(luò)”，形成多功能互補的智能電網(wǎng)(微電網(wǎng))與智能冷、熱氣供應網(wǎng)絡(luò)。

可以合理地預見，世界電力工業(yè)將由傳統(tǒng)的“大電廠、大機組、大電網(wǎng)、城市熱網(wǎng)”組合的集中供能系統(tǒng)，向以依靠大型發(fā)電為主、天然氣分布式供能和可再生能源為補充的“多模式互補系統(tǒng)”轉(zhuǎn)變。

1 分布式供能的發(fā)展

分布式供能系統(tǒng)是相對于“大電網(wǎng)、大容量、大電廠”的集中式能量供應方式而言的。天然氣分布式供能節(jié)能減排的優(yōu)點已經(jīng)獲得廣泛共識，發(fā)達國家分布式供能系統(tǒng)的應用也已經(jīng)較為普遍，而我國相對落后。由于前期國家相關(guān)政策、法規(guī)不完善，現(xiàn)有電力體制并網(wǎng)手續(xù)繁瑣和分布式供能技術(shù)低下等原因，導致十多年來分布式供能在國內(nèi)的發(fā)展相對緩慢；但最近幾年開始得到廣泛重視，國家、地方及有關(guān)部門制定了一系列政策法規(guī)推進分布式供能系統(tǒng)的發(fā)展。

1.1 國家大力推動發(fā)展分布式供能

2011年10月，國家發(fā)改委、財政部、住建部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見》，其中提出：“十二五”期間我國將建設(shè)1 000個左右天然氣分布式能源項目，擬建設(shè)10個左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域；未來5～10年內(nèi)要在分布式能源裝備核心能力和產(chǎn)品研制應用方面取得實質(zhì)性突破，初步形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的分布式能源裝備產(chǎn)業(yè)體系。

2013年國務院印發(fā)《大氣污染物防治行動計劃》(國發(fā)[2013] 37號)，要求加快清潔能源替代利用，鼓勵發(fā)電分布式供能等高效利用項目；要求新建建筑要嚴格執(zhí)行強制性節(jié)能標準，推廣使用“熱—電—冷”三聯(lián)供技術(shù)和裝備。

2013年國家發(fā)展和改革委員會制定了《分布式發(fā)電管理暫行辦法》(發(fā)改能源[2013] 1381號)，明確綜合能源利用效率高于70%且電力就地消納的天然氣熱電冷聯(lián)供等屬于分布式發(fā)電的一種方式，并從項目建設(shè)、電網(wǎng)接入和運行等方面明確各部門的職責，同時制定了分布式發(fā)電的管理暫行辦法，有效推進了分布式供能的發(fā)展。

1.2 分布式供能的發(fā)展狀況

在國外，分布式能源已成為一種較成熟的能源綜合開發(fā)供應技術(shù)。目前許多發(fā)達國家都十分重視分布式能源的應用和研究，特別是美國、日本及歐盟各國都已經(jīng)制定出了十分宏偉的有關(guān)分布式能源系統(tǒng)的研究發(fā)展計劃。

根據(jù)統(tǒng)計，世界主要國家及地區(qū)的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)2006年裝機容量已達到32 920萬kW。全球分布式風電2008年裝機容量達到0.4萬kW。2010年底，全球光伏發(fā)電裝機總量高達3 950萬kW，其中日本、歐洲等地分布式光伏發(fā)電位居世界前列。

我國分布式供能發(fā)展提升空間巨大，目前國內(nèi)已建成一批天然氣分布式發(fā)電項目，但裝機總?cè)萘坎坏饺珖傃b機容量的1%。分布式供能在我國大中城市發(fā)展較快。分布式供能原動機主要以燃氣輪機和內(nèi)燃機為主。燃氣輪機是分布式供能發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，具有高效、穩(wěn)定、靈活、低排放等優(yōu)點。作為分布式供能的關(guān)鍵設(shè)備，自主品牌的燃氣輪機產(chǎn)品少，且競爭力不強。中國在產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)上需要的是提高設(shè)備的能源轉(zhuǎn)換效率，提高可靠性，延長設(shè)備檢修周期，提高設(shè)備的自動智能控制水平。燃氣內(nèi)燃機技術(shù)中國已經(jīng)成熟，但是制造水平與國際先進設(shè)備存在比較大的差距，主要是轉(zhuǎn)換效率、排放控制、設(shè)備運行可靠性等方面存在不足。目前分布式供能項目的燃氣內(nèi)燃機和燃氣輪機基本上都是進口。

2 天然氣燃氣輪機分布式供能技術(shù)及應用

分布式供能系統(tǒng)的發(fā)展得益于天然氣的廣泛應用。用天然氣為能源，以微小型燃氣輪機為原動力的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，具有體積小、效率高、技術(shù)成熟、運行可靠、自動化程度高的優(yōu)點，適合布置在用戶端。全國范圍內(nèi)已經(jīng)建立了天然氣輸配官網(wǎng)，西氣東輸為分布式供能的發(fā)展創(chuàng)造了條件，天然氣能源島的示范和迅速推廣對我國的能源結(jié)構(gòu)、大氣環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展帶來的效益將不可估量。

2.1 天然氣燃氣輪機分布式供能系統(tǒng)的構(gòu)成

天然氣燃氣輪機分布式電冷熱聯(lián)供系統(tǒng)按照溫度對口、能源梯級利用的原則配置。天然氣在燃氣輪機中膨脹做功輸出電能，排出約500℃的煙氣用于制冷或供熱，再排出的余熱可以用于生活熱水，整體的能量綜合利用率可以達到80%以上。圖1是天然氣能量梯級利用原理圖。

微燃機分布式供能系統(tǒng)由微型燃氣輪機、溴化鋰吸收式制冷機、換熱器以及相關(guān)的輔助設(shè)備組成，還包括天然氣調(diào)壓/增壓系統(tǒng)、冷卻水/冷媒水系統(tǒng)、煙氣管路系統(tǒng)以及電氣輸配控制系統(tǒng)。圖2是天然氣燃氣輪機分布式供能系統(tǒng)構(gòu)成圖。

2.2 應用實例

以上海市申能能源中心的天然氣燃氣輪機分布式供能系統(tǒng)為例，介紹其技術(shù)特點和應用情況。

(1)基本情況

圖1 天然氣能量梯級利用原理圖

圖2 天然氣燃氣輪機分布式供能系統(tǒng)構(gòu)成圖

上海市申能能源中心大樓總建筑面積為49 648m2，采用由分布式供能系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)以及傳統(tǒng)的電空調(diào)和采暖鍋爐組成的綜合性供能系統(tǒng)供能，技術(shù)先進，智能化程度高。

(2)系統(tǒng)設(shè)計

申能能源中心分布式系統(tǒng)由1臺額定功率為200 kW的美國Capstone C200低壓型(自帶燃氣增壓機)微型燃氣輪機發(fā)電機組、2臺日本Yazaki CH-KE4040煙氣補燃型溴化鋰冷溫水空調(diào)機組以及PLC自動控制柜、并網(wǎng)柜、風機、水泵、冷卻塔(循環(huán)冷卻水系統(tǒng))等輔助設(shè)備組成(圖3)。該系統(tǒng)在發(fā)電制冷模式下運行時，相當于可以替代244 kW 的電力供應。

圖3 申能能源中心分布式供能系統(tǒng)(左圖：微燃機發(fā)電機組；右圖：制冷機組)

分布式供能系統(tǒng)工作時，微型燃氣輪機發(fā)電機組采用“并網(wǎng)不上網(wǎng)”的模式運行，所發(fā)出的電經(jīng)逆變后以400 V的電壓等級并入能源中心的交流母排。微燃機尾部排出的高溫煙氣(280 ℃)將進入空調(diào)機組被吸收利用，排煙溫度為110 ℃，仍有余熱利用價值。

能源中心大樓的供冷系統(tǒng)為2臺容量為1 361 kW的雙工況螺桿式制冷機組，供熱系統(tǒng)為2臺容量為1 400 kW的天然氣熱水鍋爐。分布式供能系統(tǒng)的溴化鋰空調(diào)機組作為整個空調(diào)系統(tǒng)的有效補充。

(3)系統(tǒng)運行情況

根據(jù)系統(tǒng)連續(xù)72 h試運行測試結(jié)果進行計算，系統(tǒng)發(fā)電效率為30.7%，制冷機余熱回收效率為42.3%，整個系統(tǒng)的一次能源利用率為73%。

根據(jù)辦公樓能源供應的需求和特征，以系統(tǒng)每年運行2 500 h計，全年可替代電網(wǎng)供電610 MWh。按照華東區(qū)域電網(wǎng)的碳排放因子0.853 t/MWh(CO2)為參考，全年可以減排CO2154 t，節(jié)能減排效果明顯。

實際運行中，冬季1月份系統(tǒng)效率為72.28%，過渡季節(jié)5、6月份系統(tǒng)效率為70.42%，夏季7、8月份系統(tǒng)效率為74.96%。

3 多能源互補的分布式供能系統(tǒng)分析

3.1 多能源互補供能系統(tǒng)技術(shù)分析

對于間隙性、不穩(wěn)定性明顯的太陽能和風能，采用多種能源互補的分布式供能技術(shù)，將可再生能源(風能、太陽能光伏/光熱等)與天然氣形成互補，調(diào)節(jié)用戶負荷，保證穩(wěn)定供能。

由于晝夜和春、夏、秋、冬四季用戶的用能負荷(電負荷、冷負荷和熱負荷)變化很大，要有良好的范圍變化適應性和完善的協(xié)調(diào)控制技術(shù)。

圖4為多能源互補供能與冷熱電負荷變化適應性示意圖?？稍偕茉?風能、太陽能光伏/光熱等)充分利用，天然氣燃氣輪機變工況運行，兩者互補，調(diào)節(jié)用戶各種負荷，以滿足用戶需求。

3.2 基于微電網(wǎng)的多能源互補分布式供能系統(tǒng)

采用微智能電網(wǎng)技術(shù)，可以進一步保障分布式供能接入電網(wǎng)，產(chǎn)生的可再生能源就地消納，實現(xiàn)區(qū)域用能平衡和電網(wǎng)穩(wěn)定。

對于這種區(qū)域性的多能源互補分布式供能系統(tǒng)在國外已經(jīng)有一些示范，國內(nèi)也有一些研究，其內(nèi)容包括：

(1)研究區(qū)域內(nèi)可再生能源充分利用技術(shù)。多種可再生能源，包括生物質(zhì)能、風能、太陽能等；生物質(zhì)能氣化內(nèi)燃發(fā)電和天然氣燃氣輪機分布式供能；分布式供能和蓄能動態(tài)調(diào)節(jié)的能源系統(tǒng)。

(2)多能源互補的分布式供能系統(tǒng)集成技術(shù)。能量系統(tǒng)可模塊化組合，根據(jù)不同用戶、不同需要可以靈活組合集成；能源梯級利用；建立多能源互補的分布式供能系統(tǒng)示范和研究基地。

(3)實現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)和微熱(冷)網(wǎng)內(nèi)供能與用能的智能化?？稍偕茉淳偷叵{，因地制宜地實現(xiàn)電、冷(熱)能量的供應和平衡，能量調(diào)度中心智能化調(diào)配，實現(xiàn)能量穩(wěn)定供應。

(4)區(qū)域內(nèi)電、冷(熱)需求變化規(guī)律及數(shù)據(jù)庫。典型用戶在不同季節(jié)和時段的用能數(shù)據(jù)庫(包括熱、冷和電)；多能源互補的分布式供能系統(tǒng)配置模型庫；通過全工況動態(tài)仿真研究，提出分布式供能系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)配置。

基于微電網(wǎng)的區(qū)域性多能源互補分布式供能系統(tǒng)(圖5)適用于住宅小區(qū)、高新工業(yè)園區(qū)、學校園區(qū)和鄉(xiāng)村等。它由區(qū)域微電網(wǎng)、區(qū)域供熱(冷)網(wǎng)和信息網(wǎng)組成，包括天然氣分布式供能、太陽能光伏發(fā)電、小型風力發(fā)電、儲能系統(tǒng)和能源管理中心等。

圖4 多能源互補供能與冷熱電負荷變化適應性示意圖

圖5 基于微電網(wǎng)的區(qū)域性多能源互補分布式供能系統(tǒng)

4 結(jié)論與展望

天然氣分布式供能系統(tǒng)是能源梯級利用的高效方式，能源利用率高，負荷調(diào)節(jié)能力強，它與可再生能源(風能和太陽能等)互補組成的分布式供能系統(tǒng)，是能源利用的發(fā)展方向。具體體現(xiàn)在：

(1)天然氣分布式供能可以使得供電結(jié)構(gòu)更合理，改善單一大電網(wǎng)供電，提高用電的安全性；天然氣實現(xiàn)能源梯級利用，能源利用率更高，可以節(jié)約大量的能源。

(2)天然氣分布式供能具有調(diào)峰作用，既能減少季節(jié)性的電力高峰負荷，從而減少調(diào)峰電站建設(shè)，又能均衡冬夏季燃氣使用。

(3)對于太陽能和風能的間隙性，將可再生能源(風能和太陽能等)與天然氣燃氣輪機供能形成互補，可以有效地調(diào)節(jié)用戶負荷，保證穩(wěn)定供能。

(4)采用基于微電網(wǎng)的多能源互補分布式供能技術(shù)，可以進一步保障分布式供能接入電網(wǎng)，產(chǎn)生的可再生能源就地消納，實現(xiàn)區(qū)域用能平衡和電網(wǎng)穩(wěn)定。

(2016年11月14日收稿)

[1] TCHANCHE B F, PéTRISSANS M, PAPADAKIS G. Heat resources and organic Rankine cycle machines [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 39: 1185-1199．

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[7] 楊勇平. 分布式能量系統(tǒng)[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2011.

(編輯：沈美芳)

Distributed energy supply complemented gas turbine with renewable energy

CHEN Zhe①, TIAN Feng①, Lü Xiaojing②, WENG Yiwu②
①Electric Power Research Institute, Guangdong Power Grid Co. Ltd., Guangzhou 510080, China; ②Power Machinery and Engineering Key Laboratory of Ministry of Education, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

The distributed energy supply is complemented gas turbine with renewable energy. Its features are the large supply range adjusted by natural gas distributed energy and the high energy utilization rate. The advantage is the full consumption of renewable energy at local. We introduce the development of combined cooling, heating and power (CCHP) of gas turbine, then analyze a variety of complementary energy for distributed energy technology. Finally, the prospect of distributed energy supply complemented gas turbine with renewable energy is presented.

distributed energy supply, gas turbine, renewable energy, complementary

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.01.009

*國家自然科學基金(51376123)和國家863高技術(shù)項目(2014AA052803)資助

?通信作者，E-mail: ywweng@sjtu.edu.cn