李海爭

(神華國華(北京)分布式能源科技有限責任公司，北京 100025)

能源互聯(lián)網作為未來能源系統(tǒng)的重要形態(tài)，近年來在國內受到日益廣泛的關注[1-6]， 特別是在電力體制改革、互聯(lián)網+等國家戰(zhàn)略驅動下，帶動了一批新型能源技術的研究和應用熱潮[7-8]。

傳統(tǒng)分布式能源研究主要集中在以光伏、風能、生物質等可再生能源為主的發(fā)電側，以儲能調頻、調峰、儲熱、輔助服務等為主要內容的用戶側。結合電力能源發(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、全面實現(xiàn)能源梯度利用的目標，提出與微電網協(xié)調發(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

隨著國家大氣污染防治行動計劃的實施，傳統(tǒng)負荷中心常規(guī)煤電發(fā)展受限，清潔能源受地理環(huán)境約束轉入平穩(wěn)發(fā)展階段。為適應電力發(fā)展新局面，電網企業(yè)提出了建設樞紐型、平臺型、共享型能源互聯(lián)網的新要求。在建設運營以特高壓為骨干網架、各級電網協(xié)調發(fā)展的堅強智能電網的同時，將充分應用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術和通信技術，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互，打造狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活的泛在電力物聯(lián)網[9-13]。

在傳統(tǒng)電網轉型之際，增量配電改革工作快速發(fā)展。全國各地和相關企業(yè)全面落實《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》(中發(fā)〔2015〕9號)文件明確的重點改革任務，不斷探索增量配電業(yè)務新模式和新機制。近年來分布式能源項目取得較大進展，但仍受到市場化程度低、公共服務滯后、管理體系不健全等因素的制約。為加快推進分布式能源發(fā)展，國家相繼組織分布式發(fā)電市場化交易試點工作，明確了分布式發(fā)電交易的項目規(guī)模；鼓勵分布式項目可采取多能互補方式建設或安裝儲能設施，以提升供電靈活性和穩(wěn)定性；對參與市場化交易的分布式項目容量、就近消納接網電壓等級、市場化交易的機制、電力交易組織、“過網費”標準等有關政策進行了明確[9]。

根據“十三五”電力規(guī)劃要求，能源供應出現(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、微型電網與儲能、“互聯(lián)網+”智慧能源等技術創(chuàng)新，結合電力體制深化改革及市場體系建設要求[13-15]，將加快煤炭清潔發(fā)展，因地制宜建設熱電聯(lián)產，推進集中供熱替代散煤小鍋爐，鼓勵多元化能源梯級利用，有序推進分布式氣電建設，促進能源就近高效利用，分布式能源結合微電網的發(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)供等方式實現(xiàn)能源的梯級利用，綜合能源利用效率一般在80%以上，在負荷中心就近實現(xiàn)能源供應的現(xiàn)代能源供應方式，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)，實現(xiàn)了能源的梯級利用，相較于單一供能方式節(jié)能約25%。環(huán)保方面微型燃氣輪機氮氧化物(NOx)排放可達到9～25 mg/L。具備安裝建筑占地少，用能成本低，社會經濟效益較高的特點。天然氣分布式能源一般由燃氣輪機機組、余熱鍋爐及小型蒸汽輪機機組、溴化鋰機組等集成模塊構成。

3 煤基分布式能源

相對于傳統(tǒng)大電廠、大電網的集中式能源生產與供應模式，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?？拷脩舨捎贸墒臁⑾冗M的技術，進行系統(tǒng)集成優(yōu)化設計和設備選型，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，在負荷中心實現(xiàn)能源供應，通過熱電冷等多聯(lián)供的方式實現(xiàn)能源梯級利用，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、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為核心，配備爐內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)控制設備實現(xiàn)整個能源站的高度自控。

3.2 技術特點

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。生產過程通過煤粉集中制備密閉罐車配送，可實現(xiàn)生產現(xiàn)場不見煤、不見煙、不見灰，建筑布置達到去工業(yè)化的效果。應用智能設備與通信技術，通過遠程智能控制，實現(xiàn)“無人值守、一鍵啟動、多廠監(jiān)控”。建設過程中設備實現(xiàn)模塊化布置、工廠化生產，安裝工期短，在保證效率效能的同時降低了工程造價，實現(xiàn)煤基分布式能源“高效率、低排放、智能化、模塊化、低成本、可復制”的示范效果。

3.3 裝機方案

3.3.1 負荷確定

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

工業(yè)用戶負荷主要為工業(yè)用汽及制冷、采暖負荷。對于工業(yè)用汽負荷，應詳細確定實際用汽性質、參數(shù)、小時用汽量及用汽時間等，當用汽負荷為多個用戶或有多種不同工藝時，應根據實際情況選用合理的同時系數(shù)。在負荷調研時，充分考慮不同典型日用汽數(shù)據，按月份、季節(jié)等進行充分調研，繪制詳細的典型日負荷曲線，合成全年負荷曲線，為機組容量選型提供詳盡的數(shù)據基礎。

3.3.2 機組選擇

機組選擇以工業(yè)與民用綜合負荷為基礎，以滿足熱、汽、冷、水等需求來確定主機及輔機。主機設備宜選用較高的蒸汽初參數(shù)，以確保在相同熱冷負荷時的發(fā)電效能。煙氣處理系統(tǒng)的選型應達到超低排放標準，同時綜合考慮物料來源、副產品資源化處理、對周邊環(huán)境影響等情況；根據外部約束條件科學論證，在安全、可靠、環(huán)保的前提下?lián)綗龔U棄物或生物質原料、生物質氣體、煤泥等可再生能源。在優(yōu)化設計，安全可靠前提下，結合輔機單列布置，簡化工藝與控制方式，提高機組技術指標和調節(jié)性能，降低建設造價與運營成本。

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、對環(huán)境影響等因素進行選型。背壓式機組選擇應根據蒸汽負荷參數(shù)高效出力進行，以滿足調峰能力、降低汽耗等節(jié)能效果，同時需考慮機組發(fā)電能力、經濟性能等指標。

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，對于工業(yè)園區(qū)項目，可采用石灰石半干法、氨法、石灰石濕法、有機催化法等；對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。循環(huán)流化床鍋爐本身采用低溫燃燒技術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)脫硝和爐內噴鈣脫硫，可實現(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)化布局建設的一體化供能系統(tǒng)，實現(xiàn)煤基、天然氣、風、光、地熱、生物質等各類分布式能源互相補充、協(xié)同供應，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，產業(yè)全鏈推動節(jié)能減排，本質改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

4.1 構成

分布式綜合能源由能源站、原料輸送設施、產品管網等各功能單元構成，運用分布式能源技術，構建以電、熱、冷、氣、水等為核心產品，為用戶提供多能互補、“互聯(lián)網+”智慧能源服務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；縱向“原料網、能源站、輸配網、負荷網、儲能設施、控制系統(tǒng)”等能源供應環(huán)節(jié)協(xié)調發(fā)展、集成互補，實現(xiàn)能源的梯級利用、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，滿足多種用能需求。

“互聯(lián)網+”綜合能源網，以電力系統(tǒng)為核心和紐帶，多種類型能源網絡互聯(lián)互通和多能協(xié)同互補，深度融合能源網絡與互聯(lián)網、物聯(lián)網、大數(shù)據、云計算、人工智能和區(qū)塊鏈等技術的信息網絡，實現(xiàn)不同能源類型、不同信息系統(tǒng)的協(xié)同控制、管理和運營；以用戶為中心，創(chuàng)新能源運營的商業(yè)模式和服務業(yè)態(tài)，向用戶提供便捷的能源、信息綜合服務；同時依托電力等行業(yè)市場化改革，大力發(fā)展分布式供能與用戶進行市場交易，實現(xiàn)向用戶安全、可靠、經濟提供綜合能源。

4.2 分類

根據能源需求側的規(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。在經濟開發(fā)區(qū)、工業(yè)園區(qū)、產業(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、地熱能、風能、生物質能等)以及“網、荷、儲、控”能源互聯(lián)網等組成。

在工廠、學校、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、地熱能、風能等)以及部分互聯(lián)設施等組成。

4.3 發(fā)展

分布式綜合能源發(fā)展應根據能源變革與電力發(fā)展形勢，為實現(xiàn)規(guī)模效益，在發(fā)展經濟的同時切實改善環(huán)境質量，發(fā)展時應重點關注以下因素。

4.3.1 能源政策

隨著近年增量配電網試點的推進，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，各地推進的力度和側重點有所不同，發(fā)展分布式綜合能源應及時跟蹤國家、地方政策，了解各地實際情況，綜合統(tǒng)籌合理布局。

4.3.2 負荷需求

用戶實際用能需求，是分布式綜合能源發(fā)展的前提，應做好現(xiàn)狀與近遠期負荷調研，切實掌握用戶需求，量身定制精準進行資源匹配。

4.3.3 技術配置

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)技術研究，有針對性的發(fā)展多能聯(lián)合的綜合能源，結合聯(lián)合儲能、“虛擬電廠”等形式提高供能的可靠性。

4.3.4 市場導向

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

5 結語

基于微電網協(xié)調發(fā)展的分布式綜合能源，可使能源生產和消費就近實現(xiàn)，具有能源效率高、總體排放低、社會效益好等優(yōu)點，代表了能源發(fā)展新方向和新形式。結合我國當前能源利用的基本情況，綜合考慮經濟發(fā)展與社會效益，重點提出了煤基分布式綜合能源發(fā)展的新思路，為能源生產與消費革命做了有益探討。隨著科學技術與社會治理的進一步發(fā)展，分布式綜合能源將向網絡化、信息化、智慧化方向推進，將會在更大范圍、更高水平大力促進全社會能源消費模式的變革。