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分布式能源

分布式能源研究概述

TheResearchOverviewOfDistributedEnergySystem

摘要

分布式能源系统是采集包括清洁能源、化学能源和辐射能源等在内的一系列能源资源，并加以利用的分布式供能装置。

分布式能源系统主要体现在对用户需求侧热电冷能量的供应，以实现对能量的梯级利用和对资源的综合利用的能量供应系统，该系统的发展和利用模式集节能、环保、经济和供能安全可靠性于一体，并根据本地资源情况，选择适当技术与设备，并经过周密设计以满足客户的具体要求。

分布式能源系统在我国有着十分广阔的发展前景，对实现我国经济可持续发展具有十分重大的意义。

本文阐述了分布式能源系统的研究背景及国内外研究现状，介绍了分布式能源的概念、技术特点以及分布式能源系统区别于传统集中式供能系统的优点，着重介绍了燃气轮机冷热电联产供能系统。

关键词：

分布式能源；热电冷联产；燃气轮机

Abstract

Distributedenergysystemisakindofdistributedpowerdevicewhichtakesadvantageofaseriesofcollectedenergyresourcesincludingcleanenergy,chemicalenergyandradiationenergyandakindofenergysupplysystemwhichmainlysuppliesfortheheating,electricityandrefrigerationoftheuser,inordertorealizethecascadeutilizationofenergyandthecomprehensiveutilizationofresources.Thedevelopmentandutilizationmodelofthiskindofsystemisaperfectcombinationofenergysaving,environmentalprotection,economicandtheutilizationofenergysafetyandreliability.Besides,thesystemselectstheappropriatetechnologyandequipment,andmeetsthespecificrequirementsoftheclientswiththoroughdesign.Distributedenergysystemhasaverybroaddevelopmentprospectinourcountryanditplaysasignificentroleintheprocessofsustainabledevelopmentofourcountry.

Theresearchbackgroundandstatusbothathomeandabroadofdistributedenergysystemisexpoundedandtheconcept,technicalfeaturesandtheadvantagesdifferingfromtraditionalcentralizedpowersystemofdistributedenergysystemisintroduced.Thispaperfocusesonthecombinativesystemofheating,electricityandrefrigerationofgasturbine.

Keywords:

DistributedEnergySystem,TheProductionOfHeating,ElectricityAndRefrigeration,GasTurbine

一、研究背景

为应对化石、煤炭等能源日益枯竭以及缓解全球气候变化对人类生存的影响，世界各国都将提高能效、减少污染排放、发展绿色环保经济作为能源发展的重点，努力将促进新能源发展上升为国家战略，为此，各种清洁能源、新能源、可替代能源应运而生。

当前，我国面临的最大挑战是人口、资源和环境问题，我国实现可持续发展的唯一选择就是全力提高资源的利用效率，最大限度地减少环境污染。

分布式能源系统正是在此背景下产生的一种能源开发能量梯级利用模式，分布式能源作为一种先进的能源技术，作为打破电网垄断的科学供给模式，是全球能源产业发展的潮流，是大势所趋，所以也成为任何电力系统都无法回避和拒绝的“烫手山芋”，这就为我国电力改革提供了一个良好的契机。

分布式能源的发展可有效推动法律和政策的制定和出台，从而推进区域性分布式电力改革，形成多层次、多领域的电力市场，鼓励用户直购电和分布式上网的试点，为区域电网智能化改造创造条件。

在我国，随着电力供应的日趋紧张、以及由于对降低污染排放、减少温室气体等环保要求的不断提高，以天然气为主要燃料辅助以各种可再生能源分布式能源供应系统正逐步得到积极的推广和应用，特别是金融危机之后，从国家到地方，更以崭新姿态和速度加大了推动分布式能源发展的力度，并上升为国家能源发展战略。

当前，我国已经在发展分布式能源上进入实质性快速起步阶段，即将迈向规模化实施进程，产业前景十分广阔。

分布式能源作为二十一世纪兴起的最科学的能量利用方式，已得到世界各国的广泛重视和应用，并为中国实现可持续发展与科学发展提供了一个良好的选择方向。

分布式能源系统是集节能、环保、经济、供能可靠性于一体的最科学能源供应方式，是到2020年实现全民“全面小康社会”的最佳选择。

二、国内外研究现状

1、国外研究现状

在国外，分布式能源已成为一种较为成熟的能源综合开发供应技术，目前许多发达国家都非常重视分布式能源的应用和研究，其应用和研究均得到了快速发展，特别是美国、日本及欧盟等各国已经制定出了十分庞大宏伟的有关分布式能源系统研究发展计划，开展了多方面的相关研究，值得我们思考和借鉴。

美国是最早发展分布式能源的国家之一，并将分布式能源视为一种电力安全保障的有效手段，最早起源于用户应急发电机并网供电。

1978年，在美国公共事业管理政策法公布后，“分布式能源系统”这一概念被正式提出，并在美国开始推广，继而被其他发达国家所接受。

美国能源部近几年执行的分布式能源计划，通过在工业、商业和民用各领域，合作研发一系列先进的、能够进行就地生产的、小规模、模块化设计的发电技术（包括可再生能源发电、燃气轮机、微型燃气轮机、内燃机、燃料电池、热驱动技术）、储能技术、材料技术、电力电子技术、通信技术、以及控制技术等，发展新一代洁净、高效、可靠、用户能够买得起的分布式能源系统，并提出2020年目标：

通过最大限度地使用具有良好成本效益的分布式能源系统，使美国的电能生产和输送系统成为世界上最洁净、最有效、最可靠的系统。

与此同时，美国可再生能源的发展也取得了令人瞩目的成就，其风电装机量在2008年高居世界第一。

2008年年底的金融危机，更促使美国将“绿色能源”和“智能电网”的开发推到了国家发展的战略层面，其发展的基础便是可再生能源和分布式体系。

日本是可再生能源利用方向的代表国家。

由于日本能源资源有限，进口成本昂贵，故较早地开始应用以可再生能源为主的分布式能源系统，尤其重视分布式电源与大电网的相互关系，制定了《分布式电源并网技术导则》。

日本是亚洲能源利用效率最高的国家，在全世界也位居前列。

包括太阳能在内的分布式能源能够日本快速发展，关键是政府的积极引导。

日本1974年启动了针对分布式光伏的“阳光计划”；1986年发布了《并网技术要求指导方针》；1995年又更改了《电力法》，并进一步修改了《并网技术要求指导方针》，使拥有分布式能源装置的业主，可以将多余的电能反卖给供给公司，并要求供电公司为分布式能源业主提供备用电力保障。

此外，分布式能源业主不仅能够得到融资、政府补贴等优惠政策，还能享受减免税等鼓励。

日本根据本国的自然资源情况，积极发展可再生能源为主体分布式发电系统。

欧洲也是分布式能源的发源地之一，但与日本开发可再生能源不同，欧洲分布式能源发展是从“热电联产”开始的。

自1973年全球能源危机之后，欧洲的企业就积极为自己的传统工业产品在节能领域寻找新的市场，这种努力推动了“热电联产”在欧洲的诞生与发展。

21世纪后，欧洲各国开始关注并发展以可再生能源为主体的分布式能源。

2004年，德国出台光伏发电并网补贴电价政策之后，迅速超过日本，成为全球最大的光伏装机国和并网发电市场；而大量采用天然气作为分布式发电燃料的英国，也开始转向可再生能源，当今欧盟最大的陆上和海上风电场都在英国；丹麦则是利用生物质能较好的国家。

欧洲委员会正在进行一个SAVEⅡ的能效行动计划，包含许多不同的能效措施，来推动分布式能源系统的发展。

欧洲分布式能源系统的目标是：

1）2020年将可再生能源在总体能耗中的比例提高到20%。

2）2050年使能源效率提高35%，可再生能源占总能耗的60%。

2、国内研究现状

在我国，早在1994年就对分布式能源系统已经开始启动研究，有关机构早期投入了一定的人力、物力、财力开展分布式能源系统的研究。

中科院热物理研究所开展了有关许多分布式能源系统相关评价方面的及先进系统方式的分析研究。

西安交通大学探讨建立的分布式能源系统充分考虑以酒店作为研究对象的100MW规模等级的微型燃气轮机，取得了一定的研究成果。

上海理工大学以Stone公司生产的C80微型燃气轮机为重点，通过建设示范型“能源岛”方案，来对分布式能源系统加以研究。

华北电力大学能源的重点利用与清洁利用实验室，提出了建立双源可逆型供暖（空调）系统实验平台。

在过去20余年的经济快速发展中，以煤为主的能源结构造成的环境污染和生态问题，已经威胁到我国的可持续发展。

我国现有80%以上来自火力发电，火电的能量转化效率约30%，也就是说大概70%的能源在转化过程中被损耗和浪费。

我国70%左右的电力是通过燃烧煤炭产生的，火电燃煤的排渣、排气又是很大的环境污染源。

理论上，基于国内能源结构和能源效率特点，技术更为成熟的冷热电三联产联供系统应用于发电工业上，较采用天然气分布式能源技术可以更大限度地解决电力系统能源浪费、能效低和环境污染等问题。

与此同时，逐步推动可再生能源分布式系统的应用，则可以有效地减少煤炭在我国能源结构中的比例，而丰富的可再生能源资源，将有助于我国构建绿色能源体系。

实践上，目前我国分布式能源更多地借鉴并采用了20世纪70年代在国外发展起来的，以天然气分布式能源为主，普遍采用洁净高效、小型分散为主要特征的“冷热电联产技术”。

该技术主要以天然气为燃料，驱动燃气轮机或内燃机首先做功，然后收集并逐级利用400℃～600℃的排出烟气，最终实现80%以上的能源利用效率，并向一定区域内的用户同时提供电力、蒸汽、热水和空调冷水等能源服务系统。

三、分布式能源概述

分布式能源是立足本地资源，平衡终端需求，区域性能源（电、冷、热）的产、储、配、供、控一体化服务体系，包括太阳能、风能、海洋能、水能、热能、煤、石油、天然气、生物质能和氢。

分布式能源和智能电网是人类工业文明和自然文明的集大成，将推动人类文明迈向一个全新的阶段—“生态文明”。

分布式能源与我国传统能源集约化发展模式存在着较大差异，既是我国解决能源诸多难题、化解能源供需矛盾的一把“金钥匙”，也是我国能源产业发展和体制改革的“必由之路”。

“分布式能源”是一个笼统的概念。

严格来讲，“分布式能源”至少包含着三层含义：

1）分布式“能源”本身，包括分散分布的、分布式系统可利用和转化的所有能源资源，俗称“分布式能源”；

2）分布式能源“转化系统”，以1）为原料输入，由不同的能源利用设备集成的生产系统，可称为“分布式能源系统”；

3）分布式能源“供给体系”，以2）为基本单位，在一定区域内建设的能源供给网络体系，可称为“分布式能源体系”。

分布式能源是指分布在用户侧的能源梯级利用和可再生能源及资源综合利用设施，如以太阳能发电、太阳能热水器、热电联产、沼气利用等。

分布式能源直接安装在用户端，通过在现场对能源实现温度对口梯级利用，尽量减少中间输送环节的损耗，实现对资源利用的最大化。

在分布式能源系统中，一次能源以气体燃料为主，可再生能源为辅，利用一切可以利用的资源；二次能源以分布在用户端的热电冷（植）联产为主，其他中央能源供应系统为辅，实现以直接满足用户多种需求的能源梯级利用，并通过中央能源供应系统提供支持和补充；在环境保护上，将部分污染分散化、资源化，实现适度排放的目标；在管理体系上，依托智能信息化技术实现现场无人值守，通过社会化服务体系提供设计、安装、运行、维修一体化保障；各系统在低压电网和冷、热水管道上进行就近支援，互保能源供应的可靠。

分布式能源实现多系统优化，将电力、热力、制冷与蓄能技术结合，实现多系统能源容错，将每一系统的冗余限制在最低状态，利用效率发挥到最大状态，以达到节约资金的目的。

分布式能源技术是未来世界能源技术的重要发展方向，它具有能源利用效率高，环境负面影响小，提高能源供应可靠性和经济效益好等特点。

（1）能源利用效率高。

由于分布式能源可用发电后工质的余热来制热、制冷，因此能源得以合理的梯级利用，用户可根据自己所需来向电网输电和购电，能源的利用效率达到80％以上。

（2）投资小，损耗低。

由于其投资回报的周期较短，因此投资回报率高，可降低一次性的投资和成本的费用；靠近用户侧的安装可就近供电，因此可降低网损（包括输电和配电网的网损）。

（3）污染小。

分布式能源系统采用天然气做燃料或以氢气、太阳能、风能为能源，可减少有害物的排放总量，减轻环保的压力；大量的就近供电减少了大容量远距离高电压输电线的建设，由此减少了高压输电线的电磁污染。

另外，由于实现了优质能源梯级合理利用，SO2和固体废弃物排放几乎为零，温室气体（CO2）减少50％以上，NOx减少80％，TsP减少95％。

（4）为可再生能源的利用开辟了新的途径。

相对于化石能源而言，可再生能源能流密度较低、分散性强，而且目前的可再生能源利用系统规模小、能源利用率较低，用于集中供能是不现实的，而分布式能源系统为可再生能源利用的发展创造了条件。

（5）安全性和可靠性高。

分布式能源系统发电方式灵活，在公用电网故障时，可自动与公用电网断开，独立向用户供电，提高了用户自身的用电可靠性；当所在地的用户出现故障时，可主动与公用电网断开，减小了对其他用户的影响。

（6）解决了边远地区的供电问题。

由于我国许多边远及农村地区远离大电网，因此难以从大电网向其供电，采用太阳能光伏发电、小型风力发电和生物质能发电的独立发电系统，可以解决我国边远地区或未连接电网的农村地区的用电问题。

四、分布式能源系统举例—冷热电联产系统

随着社会的发展，能源在整个社会的作用越来越大，能源问题日益突出，成为制约人类经济发展的重大瓶颈，节能和环保是能源领域中研究的重要科学问题。

分布式能源系统兼顾节能和环保两个因素，提高能源利用率，减少污染物排放,打破传统单一供电、供热或供冷的方式，提高能源系统经济性,具有广阔市场应用前景。

1、分布式冷热电联产供能系统

分布式冷热电联产供能系统是指在用户附近，以小规模、分散式的方式布置，可独立输出电、冷或热量的系统，同时，分布式能源系统是能量综合梯级利用技术的一个典型例子（见图1）。

目前,分布式供能冷热电联产系统主要是由以液体或气体为燃料的内燃机、燃气轮机、各种工程用的燃料电池、余热锅炉、蒸汽轮机、溴化锂冷热水机组等有机组合起来的高效率的环保型冷热电联供系统。

图1分布式能源系统能源综合阶级利用示意图

分布式冷热电联产供能系统的燃料多样化。

化石能源、太阳能、水能、生物质能、沼气、风能等都可以实现分布式能源系统，进行冷热电三联供。

其中以天然气为燃料的热电冷三联供方式发展最快，在我国的分布式能源领域占有较大比例。

下面我们主要对燃气轮机冷热电联产系统进行介绍。

2、燃气轮机冷热电联产系统构成

燃气轮机冷热电联产系统由三大部分组成动力系统,供热系统,供冷系统。

燃气轮机冷热电联产系统中的动力系统的原动机为燃气轮机。

燃气轮机的型号多种多样,功率范围也是从1Kw-300MW以上。

而应用于联产系统的主要是以下的中小型机组和微型机组。

燃气轮机通常由三部分组成，压气机、燃烧室和透平。

压气机是利用机械动力使空气的压力升高燃烧室是燃料与空气混合并燃烧，提高工质温度透平是利用烟气膨胀而做功。

这三部分有机整合，实现预定的热功转换。

燃气轮机按工质所经历的热力过程及组合的不同，燃气轮机热力循环可以分为：

（1）简单循环。

依次由压缩、燃烧、膨胀过程组成的热力循环。

在工质运动的主要流程中，只有压气机、燃烧室和透平三大部件组成的燃气轮机循环；

（2）回热循环。

利用回收排气余热的热力循环。

依次包含工质压缩、回热加热、燃烧、膨胀和回热放热排气的热量传递给压气机出口的工质；（3）再热循环。

在相继的膨胀段之间对工质进行再加热的热力循环；（4）中间冷却循环（或称间冷循环）。

在相继压缩段之间对工质进行冷却的热力循环；

在燃气轮机冷热电联产系统中，通常采用简单循环或者回热循环。

当采用采用简单循环时，如图2，小型汽轮机出口的燃气温度通常高达450-570℃；可以采用余热锅炉或型溴化锂机组回收燃气中的热量，回收的热量被用于制冷或供热。

450℃的燃气对于生产建筑所需的低品位冷量、热量温度仍然偏高，为了有效的利用输入能量，可在透平后布置一个回热器，构成燃气轮机回热循环，如图3。

回热器将透平排气中的部分热量进一步回收用于发电，于是燃气轮机出口燃气温度可降到300-400℃左右。

回热器平均传热温差越小，回热器就可以回收越多的能量用于发电，但相应的回热器的设计和制造就更加困难。

燃气轮机的压比较低，回热器的传热温差较大，从而燃气轮机的生产、制造较容易。

因此,为了满足冷电比需要，建议采用回热器传热温差可调的方式。

而为了满足制冷、供热的热量比，可以采用调节经过回热器燃气的方式。

由于微型燃气轮机透平进口燃气温度较低，一般都配备回热器。

图2典型简单循环联产系统的流程图

图3典型回热循环联产系统的流程图

3、燃气轮机冷热电联产系统的优点

（1）燃气轮机冷热电联产系统具有较高的供电效率。

大型火力发电厂发电效率一般为30%-40%左右，采用燃气-蒸汽联合循环的电厂厂可达55%，扣除厂用电与输电线损，最终用户端的利用效率只有30%-47%左右；对于大型热电联产电厂，理论上可以达到80%-90%的能源利用率，但是由于冷、热负荷难以进行远距离传输，电厂附近又难以有大量的冷、热负荷用户，无法进行有效的联产，所以大型热电联产电厂实际运行中往往能源利用率较低；而燃气轮机冷热电联产系统能源综合利用率可达80%～90%。

（2）燃气轮机冷热电联产系统避免了输配成本。

传统的集中发电供能方式，必须通过输配电网，才能将生产的电能供给用户。

随着电网规模扩大，电能输配成本在总成本中占的比例越来越大。

分布式能源系统由于在用户附近，几乎不需要或只需要很短的输送线路。

因此，分布式能源系统不仅避免了输配线路的线损，而且避免了输配线路的建造成本。

（3）燃气轮机冷热电联产系统建设周期短。

大型电厂和大电网需要大量的资金和较长的建设周期，建设周期长容易出现需求和供应脱节、不同步问题，而小型化、模块化的分布式能源系统可以在短期内实现，需求和供应脱节不同步的问题可以得到较好的解决。

（4）燃气轮机冷热电联产系统可增加电网运行稳定性，提高供电安全性。

直供用户的分布式能源相互独立，用户可自行控制，与大电网配合，可大大提高供电可靠性，在电网崩溃和意外灾害情况下（如2008年我国浙江、江苏、安徽、江西、河南、湖北、湖南等多个省均受到低温、雨雪、冰冻灾害影响，大雪、冻雨压断电缆、电塔，而且寒冷天气造成用电量猛增，电力供不应求，同时造成部分地区大面积停电事故，经济损失惨重），可维持重要用户的供电及供电的可靠性。

（5）燃气轮机冷热电联产系统具有良好的环保性能。

天然气是高效清洁能源，燃用天然气不会产生粉尘和灰渣，几乎没有SO2排放。

此外，天然气成分中主要是CH4，烟气中CO2的排放也大大减少。

如果采用低NOx燃烧器，NOx的排放也降到极低的程度。

（6）燃气轮机冷热电联产系统调峰性能好，操作简单。

分布式能源系统工作流程简单，与运行的系统少，因而升降负荷和启停速度较快，与电网配合使用时具有良好的调峰性能。

4、对于我国分布式供能冷热电联产系统存在的问题

（1）与国外相比，我国生产的优质小功率燃气轮机和为燃气机比较少，影响分布式供能冷热电联产系统的发展。

（2）在使用天然气及售热（冷）能、电能时，缺乏政策的支持。

（3）我国分布式供能冷热电联产系统的集成技术还不成熟，经验不足，设备运行还不够稳定。

（4）分布式供能冷热电联产系统在与公共电网并网是还存在许多问题，有待进一步研究解决。

（5）由于分布式供能冷热电联产系统分散供能，单机功率小，发电效率低。

（6）分布式供能冷热电联产刺痛对使用单位的要求较高，运行维护技术人员也要达到相应的技术水平。

存在的这些问题都在一定程度上抑制了我国的分布式供能冷热电联产系统的发展。

五、总结

首先，本文对分布式能源的定义及其研究现状进行了说明、介绍，并且对于分布式能源的涵盖的几部分进行了简单的概述。

另外，对现有的分布式能源系统进行了论述，而后，对常见的分布式能源系统中的燃气轮机冷热电联产系统进行了介绍，对其构成、热力循环分类及流程、其优点与不足进行了详细的说明。

最后，通过本文可说明，分布式供能冷热电联产系统节能效果明显，可取得良好的社会和经济效益，符合国家的有关政策规定，具有良好的发展前景和应用价值，值得大力推广。

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