分布式供能系统

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1、第12章分布式供能系统1. 分布式能源的概念分布式能源是一个用户端的或靠近用户端的能源利用设施，它必须是一个能源梯级利用或可 再生能源综合利用的设施。分布式能源可以是绿色能源，也可以不是，它立足于现有的能源 -资源配置条件和成熟的技术组合，追求资源利用效率的最大化，以减少中间环节损耗，降 低对环境的负面影响。它是一个立足于用户现有条件和实际需求的综合化的能源转换设施。 因此，分布式能源不仅仅是指燃气轮机、燃气内燃机、微型燃气轮机、斯特林外燃机、余热 制冷机组等设备，也不仅包括太阳能、太阳热、风电、小水电、微型抽水蓄能电厂、燃料电 池等绿色能源设备，同时，也涵盖了传统方式的燃煤热电和资源综合利用

2、的小火电设施、小 型微型蒸汽轮机、热气机、压差发电机、柴油机等非常广泛应用的能源转换设备。分布式供能系统在欧美也称为分布式供电系统(DP)、分布式发电系统(DG)、分布式能源资源 (DER)。美国能源部把分布式能源定义为：DP是产生或储存电能的系统，通常位于用户附近， 包括生物能发电、燃气轮机、太阳能发电和光伏电池、燃料电池、风能发电、微型燃气轮机、 内燃机以及存储控制的技术；分布式能源可以连接电网，也可以独立工作；区别于大型集中 式电厂，分布式能源系统一般的容量从小于1kW到几十兆瓦不等。美国能源部把DER定义 为：DER指的是一系列小型的、模块化的、产生电能的技术，容量范围从几千瓦到50M

3、W， 包含许多供应侧的和用户侧的技术，一般位于需要能源的地点或附近。美国电力研究所(EPRI) 认为，DER是小型的能量产生及存储系统，一般在用户或配电厂附近，单个设备的容量在 20MW以下，总容量lkW 一 50MW，可采用供应侧及用户侧的管理技术。美国天然气协会 把DG定义为：DG是小型电能发生设备，建在用户附近或公共电网的变电厂附近，它包括 多种技术，诸如燃气轮机、内燃机、燃料电池、微型燃气轮机、风力发电和光伏电池。欧洲 热电联产促进组织认为:DG是由一切连接分布式电网、拥有用户侧管理的发电装置组成的， 主要是可再生能源系统和热电联产系统，一般单个装置发电量不超过10MW。国际能源组织

4、的定义为：DG是服务于当地用户或支持电网的发电厂，与公共电网以传输电压进行连接， 主要采用的技术是内燃机、小型或微型燃气轮机、燃料电池和光伏电池系统。由于风力发电 场一般不面向当地用户需要，因此不包括这项技术。DP是将DG加上能量储存技术，比如 飞轮、大型再生燃料电池和空气压缩存储。DER是DG加上需求侧管理。还有一种概念为DE(分散供能)技术。该(decentralized energy)技术是在用户当地或附近产生电 能和热能，无论容量的大小，采用什么燃料或技术，它可以与电网相连也可不连。可以分为 两个主要部分：第一部分是高效率的热电联产，容量从1kW到超过400MW不等，包括内 燃机、燃气

5、轮机、蒸汽轮机、斯特林机、燃料电池和微型燃气轮机。另一部分是可再生能源 系统。可再生能源系统，包括光伏发电和生物能发电技术，当地的风力或水力发电设备，以 及用气体压力降、工业过程废热或其他工业过程中产生的低热值可燃物驱动的发电系统。 现在全世界供电系统是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统。由于 大电网中任何一点的故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响，严重时可能引起大面 积停电甚至是全网崩溃，造成灾难性后果；而且这种大电网又极易受到战争或恐怖势力的破 坏，严重时将危害国家的安全；另外集中式大电网还不能跟踪电力负荷的变化。因此，当今 社会对能源与电力供应的质量、安全与可靠

6、性要求越来越高，而大电网由于自身的缺陷已经 不能满足相关要求。分布式供能主要指分布式供电及冷热电联供，是相对于传统的集中供电方式而言的，是指将 发电系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出电、热或(和)冷能的系统。 它能够有效降低电、热、冷等远距离能量输送损失和相应的输配系统投资，为用户提供高品 质、高可靠性和清洁的能源服务。典型的家庭用分布式能源系统如图12-l所示。该系统发出 的电可以直接用于家用电器，还可以与电力公司的供电系统联网，当家庭所需电力大于发电能力时，不足部分可以从电力公司购买。系统的余热可以加热厨房和浴室的热水，同时还可 用于热水式地板采暖系统。微型热电联产提供

7、的能源除电以外均是蒸汽、热水等热成品。略酬城市携气鲍板式采履E 12-1典型的家庭微型分布式能源系统能源技术的发展要求燃料的多元化，设备的小型、微型化，冷热电联产化和加强环保，因此 必须重视可再生能源的开发利用。分布式供能技术的建设与冷热电三联产系统的发展分布式 供能系统(Distributed Energy System，简称DES)是相对于集中式供能系统(Concentrated Energy System，简称CES)而言的。这个系统集合了分布式供电、制冷、采暖、生活卫生用水以及其 他形式的热能于一体，将329发电系统以小规模、分散式布置在用户附近，可独立地输出 电、热和冷能的系统。此系

8、统中的主要部分就是分布式供电和冷热电联产系统，见图12-2。 分布式能源是世界能源工业发展的重要趋势，是人类可持续发展的一个重要组成部分。它通 过减少能源中间环节损耗，以“按需供能”方式，在用户端实现能源的“温度对口，梯级利 用”，将能源利用效率提高到一个新的水平。此外，分布式能源是信息时代的能源系统， 它将电力生产、热力供应、制冷除湿、天然气合理利用和环境污染治理等因素，在信息化智 能控制和通信遥控技术支持下，进行跨行业的优化整合。以此建立一个因特网式的能源-信 息网络系统，将电力、燃气、热力和通信网络进行四维一体的整合，将“需求-生产-供应” 链置于信息化控制系统下，使资源效益最大化，资金

9、和环境代价最小化，寻求一种多元的损 益平衡。其他熟能R生用水供 电制 冷骋炉图12-2分布式能量系统2. 分布式热电联产的特点 分布式能源是相对于集中式能源来说的(目前，集中式能源 主要是指国家级的大型电网)，分布式能源的基本目标与功能是产生电能供用户使用。分布 式能源具有的一些特点能够弥补集中式能源的缺陷，如通过一次能源的综合利用和梯级利用 提高能源利用效率，减少能源消费和污染排放；提高能源供应的可靠性和稳定性；提供用户一种更经济的用能选择。因此，在相当长的一段时间内，分布式能源将作为集中式能源的有 益补充发挥作用。分布式能源的容量大小指的是系统额定发电功率的大小，系统如果同时 还产生热量或

10、冷量，那么需要另外指明。分布式能源的各种定义中，对于容量下限较为一致， 最小的分布式能源可以小于lkW。这是由于各种新型能源技术的应用，比如燃料电池、光伏 发电、风能发电的单个模块设备都接近这个下限。而对于分布式能源的容量上限的规定变化 较大，从10MW到50MW，甚至100MW。美国能源部将分布式能源的容量定义为从几千瓦 到50MW；美国电力研究所认为单个设备容量在20MW以下，总容量1kW50MW之间； 欧洲热电联产促进组织认为分布式能源的机组容量上限为10MW，总容量范围为1kW 50MW。 分布式能源产生的能源无论是电力或是热量、冷量都优先供应当地或附近的用户 使用。医院、校园、住宅区

11、域内的大型分布式能源有多个用户，虽然用户与系统通过自建网 络连接，但一般用户均在附近。这种能量传输模式，与集中式电厂将电力上网、用户接受电 厂统一调配电模式是截然不同的。此外，有不少分布式能源将自发电力出售给公共电网，供 给远程用户使用。比如在新西兰，一个分布式风力发电场白天产生的电力供当地居民和企业 使用，但在夜间几乎没有当地需求，因此将全部电力出售给公共电网。分布式能源的一个 典型特征就是，它是一种发电系统，以产生电能为最主要目标，作为集中式能源的补充发挥 作用。系统根据用户需要来调配负荷，调配负荷的一种方式就是在用户需求下降时，将多余 能量出售给公共网络，为用户获得最大的经济利益。容量大

12、小、采用何种技术、是否连接公 共电网及其所有者等，不是定义分布式能源的决定性因素。另外，分布式能源必须优先满足 当地用户需求和利益。分布式热电联产并不是简单地将传统的热电联产技术小型化，它区 别于传统的锅炉供热、电网供电模式，是一种全新的能源供应思路和技术，代表了未来区域 能源供应的方向。其优点为：（1）安全可靠。分布式供电系统中各电厂相互独立，用户由 于可以自行控制，不会发生大规模停电事故，安全可靠性比较高。而且分布式供电的输配电 损耗很低（甚至没有损耗），可降低或避免附加的输配电成本，同时土建和安装成本低。分布 式热电联产系统的存在，可以有效降低电力负荷波动对大电网的影响，减少严重事故发生

13、的 可能；电网一旦发生故障时，分布式热电联产系统可以保证用户的供电不受影响，避免一些 灾难性后果的发生。同时，多数分布式热电联产系统电力仍部分依靠大电网，在自身出现问 题，不能正常运行时，电网可以提供保障。因此，直接安置在用户近旁的分布式热电联产系 统与大电网配合，可大大地提高整个热电联产系统，尤其是电力系统的运行可靠性。分布式 供电可以弥补大电网安全稳定性的不足，已成为集中供电方式不可缺少的重要补充。直接安 置在用户近旁的分布式发电装置与大电网配合，可大大提高供电的可靠性，在电网崩溃或意 外灾害（如地震、暴风雪、人为破坏、战争笥发生时继续供电。（2）能源利用率高。分布式 热电联产系统通过能量

14、的梯级利用，特别是对中、低温余热的合理利用，可以使系统能源利 用率相对于分产系统有大幅度提高。在目前的技术基础上，系统总的能量利用效率可超过 80%；若系统在冷凝模式下运行，效率可达95%。系统将其中一部分能量转换为高价值的 电能，有效地节约了资源，同时由于设备现场安装，邻近用户，可以将热、电在输送中的损 耗降至最低，减少了能源的浪费。分布式供能方式为可再生能源的利用开辟了新的方向。 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，作为集中供电手段是不现实的。分布式供电方式为可再生能源 利用的发展提供了新的动力。分布式供能可以满足特殊

15、场合的需求。例如某些用户对供电安全稳定性要求较高，如医院、银行等；而能源需求较为多样化的用户，需要电力的同时 还需要热或冷能的供应。这种供能方式可按需要灵活地利用排气热量实现热电联产或热电冷 三联产，提高能源利用率。（3）可以减少污染排放。分布式热电联产系统一般采用清洁燃 料做能源，并采用高效的燃烧技术，可以确保SO2、NOx、CO2的排放量很低，因此其污染 排放相当小。按照美国能源部CCHP（冷热电联产Combined cooling heating power）2020纲领”的描述，部分新建建筑采用CCHP后，美国CO2可以减排19%。此外，分布式热电联产系 统适于与太阳能、地热、风能等系

16、统规模小、能量密度低的可再生能源相结合，为可再生能 源的利用提供了新的思路。分布式能源系统的发展将伴随着可再生能源系统的发展，符合 21世纪减少环境污染和温室气体排放、替代化石能源的要求。（4）运行安全平稳，无噪声污染。分布式热电联产系统不但可以提高电力供应的安全性，而且避免了常规供能系统运 行中所产生的振动和噪声。（5）可以实现完全智能化运行。通过先进的微电脑测控系统，分布式热电联产系统还可实现自动调整运行负荷，实现智能化的长期稳定运行。系统更容易 根据用户负荷灵活调节运行状态，维持系统部分负荷下的高效率。（6）良好的综合经济效 益。分布式热电联产系统具有较好的综合经济效益，除了减少各类能源

17、项目的投资外，由于 资源利用效率高，没有也无须承担电力的线损和热力的管损，减少了若干个经营环节，加上 自身的高自动化程度可以实现无人值守，极大地降低了设备的运行成本。（7）分布式供电 调峰性能好，操作简单，由于参与运行的系统少，启停快速，便于实现全自动，而且适合多 种热电比的变化。系统可根据热或电的需求进行调节，从而增加了年设备利用小时。当今 的分布式供电方式主要是用液体或气体燃料的微型燃气轮机、各种工程用燃料电池和内燃机。3. 分布式供能的分类 分布式发电方式多种多样，根据所使用一次能源的不同，分布式发 电可分为基于化石能源的分布式供电技术、基于可再生能源的分布式供电技术以及混合的分 布式供

18、电技术。根据用户需求不同，有电力单供方式、热电联产方式（CHP）或冷热电三联产 方式（CCHP）。根据循环方式不同，可分为燃气轮机发电方式、蒸汽轮机发电方式或柴油机发 电方式等。3.2基于可再生能源的分布式供电技术这类技术主要由以下几种技术构成：（1）太阳能光伏供电技术。太阳能光伏供电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电能。光伏供电具有不消耗燃料、不受地域 限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点，但是此种分布供电技术的成本非常 高，所以现阶段太阳能供电技术还需要进行技术改进，以降低成本而适合于广泛应用。（2） 风力供电技术。风力供电技术是将风能转化为电能的供电技术，可分

19、为独立与并网运行两类， 前者为微型或小型风力供电机组，容量为100Wl0kW，后者的容量通常超过150kW。近年 来，风力供电技术进步很快，单机容量在2MW以下的技术已很成熟。风力涡轮机的使用越 来越广泛，尤其是在一些欧洲国家，风力涡轮机的使用率达到了 10%。在叶片设计和发电机 方面（例如带有永久磁铁的同步型发电机）的技术改进仍在不断地进行，而且风力不会给环境 带来额外的热负荷。风能的不稳定性和对风的依赖性是影响风能使用的另一个问题，风 速太大或者太小的情况下都不能进行操作，而且没有任何一个地方的风速是常年稳定的。风 能装置的安装必须要考虑到保护环境和野生动物。因此，风能装置应该是以风力农场

20、的形式 有选择地安装，即安装在那些对电能需求高又远离大城市的地方。如果风力农场建造在这些 地方，有必要考虑加固传输线。3.3混合的分布式供电技术混合分布式供电技术通常是指两种或多种分布式供电技术及蓄能装置组合起来，形成复合式 供电系统。目前已有多种形式的复合式供电系统被提出，其中一个重要的方向是冷热电三联 产的多目标分布式供能系统，是分布式供能系统的一种形式。其在生产电力的同时，也能提 供热能或同时满足供热、制冷等方面的需求。4. 分布式供能系统的设计 分布式供能系统的设计步骤如图12-3所示。其中，步骤1到 步骤3由需要供能的建筑物特性决定，步骤4到步骤7随系统设计而变化，实际的整个设计 过

21、程中一般采用最低费用的方案。步骤1到步骤3以负荷的推算为主，设计初期只能确定建 筑用途、面积，确定用热的负荷和供电的负荷。步骤4到步骤7涉及实际系统的设计，其中，特别是排热利用优先原则的确定和发电容量的设定最为关键。排热利用优先与排热量 亦即发电容量密切相关，它对系统设计本身的特性具有很大的影响。在最终确定时得看究竟 是把全年运行费（包括初投资折旧费和利息），还是把投资回收期限放在第一位。一般来说， 如果要力求降低运行费用，那么，把发电容量定在最大电力负荷的30%50%为宜。这是 因为，如果按照最大负荷进行设计的话，初投资费会大大增加，而且随情况的不同，排热量 会有过剩用不掉的弊端。然而，当热

22、需用量很大时，发电比例越大，运行费用越低。所以， 在投资控制较松的情况下，应该按照热负荷来确定相应的发电容量。在排热利用优先情 况下，排热的用途主要有制冷、供暖、热水供应、加工工艺等。在用于供暖和热水供应用途 时，除了发电机和排热回收装置的费用外，其他所需费用不大。但用于制冷时，由于排热温 度低而使用单效吸收式制冷机，这与一般的冷热水机组相比，每制冷1t水费用是一般冷热 水机组的1.52倍，且初投资增加。因为夏季的热负荷主要是用于制冷，所以考虑全年热 利用时，制冷的利用是必不可少的。另一方面，从最少折旧年限方面考虑，即以节省的燃料 费来回收热电联产设备初投资的所需年限为评价基准时，发电机的容量

23、按最低用电负荷来确 定，而使发电机100%运行的系统是非常有利的。但是发电容量过小反而不能满足吸收式制 冷机所需排热量要求，所以发电量至少应为250-300kW。5.以氢为载体的基于可再生能源 的分布式多目标供能系统以氢为载体的基于可再生能源的分布式综合供能系统包括可再 生能源发电子系统、可再生能源直接制氢子系统和氢的储运与转化综合利用子系统等（见图 12-4）。依据各地自然条件的不同，可供分布式供能系统选择的可再生能源发电技术包括风 力发电、太阳能光伏发电、太阳能高温集热发电、小型水电、地热能发电以及海洋能发电技 术等,系统发出的电力除可直接满足人们的生产、生活需要外，剩余电能可采用水电解方

24、法 制氢储氢，进入氢能综合利用子系统。可再生能源直接制氢系统可将太阳能以及生物质能等 直接转变为氢能,之后一部分氢可以直接提供给用户，一部分可以通过氢的高效转化利用系统转变为电能、热能、冷能以及动力后输出给用户，剩余部分则可进入储氢系统，各部分比 例可根据需要随时调节。r-1 i r |地映诡中】嘛战投另一 I网艳%虱力发电t i I苏能卜牝才福示邃 :.:*. II布阳画巨明光伏拄电:* : fAPB觥!=1太矩能高店集罚卜斯卷林/布钮神环发配一电我.生流.忠流：-一麟功图12-4以氢为载体的基于可耳生能源的多目标分布式供能系统示意图这里提出两种以氢为能量载体的多联产综合供能系统组成方案的新

25、构想见图12-5）。第1种 方案的系统由太阳能的直接光化学分解水制氢反应器，高温燃料电池，微型燃气轮机以及后 续的供热、制冷、调湿子系统构成。第2种方案的系统由利用太阳热能（或高温燃料电池排 气余热）将生物质和水以热化学方法分解转化制氢的子系统，高温燃料电池与微型燃气轮机 或直接燃氢的微型燃气轮机及后续的供热、制冷、调湿子系统构成。两种系统均为可实现高 效无污染同时供氢、供电、供热、供冷、供轴功的多联产综合供能系统。显然，高效、低成 本的制氢理论与技术的发展进步是建立以氢为载体的基于可再生能源的多目标分布式供能 系统的基础。Id S ILS4 ； . at. i S . I i . L ,瓦

26、C3Y:旱1I .1 M I. I -n更in 炭决图12-5可再生髅润制氢2高温燃料亘油2微型燃气轮机联合循环系统图6.分布式能源的发展状况分布式能源在发达国家已经是一种比较成熟的技术。最早是在 20世纪70年代，西方国家曾经面临过一次空前的能源危机。危机过后，西方国家痛定思痛， 决定提高能源利用效率，扩大能源供应品种，特别是鼓励开发利用天然气资源。其中最具代 表性的是，美国国会于1978年修改了公共事业法，以法律的形式强迫电力公司接受用 户的高效能源系统，特别是热电项目的并网。从此，热电联产在美国逐渐兴起，甚至各大电 力公司也积极参与，现在该技术形式已经正式归类为分布式能源，又称为第二代能

27、源系统， 并被认为是美国能源技术发展的重要方向。在美国，容量为1kW-10MW分布式电源发电和储能单元正在成为未来分布式供能系统的有用单元。由于分布式电源的高可靠性、高质 量、高效率以及灵活性，故可满足工业、商业、居住和交通应用的一系列要求。预计未来几 年，新一代的微汽轮机(1-250kW )可以完全商业化，为调峰和小公司余热发电提供新机会。 由于新的能源需求与老的电厂的退役，在美国国内到2020年，估计要增加1.7X1012kWh 的用电量，几乎是近20年增量的2倍。为满足市场需要，美国将来的分布式供电市场装机 容量估计每年将达5000-6000MW，为解决这个巨大的缺口，美国能源部提出包括

28、燃料电池、 分布式供电涡轮技术、燃料电池和涡轮的混合装置等在内的分布式供电计划。可以预料，在 不久以后，分布式供电技术将在美国得到相当的发展。此后，各国都效法美国大力发展用户端的热电联产设施，并制定相关法律推动这些系统实现并网运行。因为这一技术可以大 幅度提高能源的综合利用效率，减少污染排放，并能够调动企业和民众的参与热情，所以成 为政府大力支持的技术方式，最终成为电力和其他能源行业改革的技术动力。在欧洲，尤其 是丹麦、荷兰、芬兰等国，分布式能源发展水平居世界领先水平，分布式能源发电量分别占 到国内总发电量的52%、38%和36%。在世界其他的地区，分布式能源也正在蓬勃发展， 而且各具特色。日

29、本主要发展以燃气空调为主的区域供热和供冷；在我国最普及的是工业企 业内的热电联产；在印度、东南亚以及南美等蔗糖产地，以生物残渣为原料的生物能发电技 术正在获得积极推广。 丹麦是当今世界上能源利用效率最高的国家。在过去的20年里， 丹麦GDP增加了 1倍，不但能源消耗没有增加，反而污染排放大大减少，原因就在于丹麦 所有的改革政策都是立足于技术的发展。丹麦政府通过征收能源环境税的方式，进行有效的 宏观调控，对于技术落后、能源效率低、污染大的发电技术征收相当于人民币0.1元/ (kWh) 的税，同时对技术先进、能源效率高、污染小的发电技术给予免税甚至补贴，在这一条件下 再竞价上网，采用真正的市场经济

30、手段推动能源工业的可持续发展。澳大利亚允许分布式能 源电厂并网，不仅增加了边远地区的电力供应，而且使煤矿抽放瓦斯和煤层气利用形成了热 潮，最终有效地利用了这些宝贵的资源，减少了环境污染，更有意义的是降低了矿井的瓦斯 爆炸，减少了矿工的伤亡事件。 美国和欧盟都决定在2010年以前将热电联产容量增加1 倍，并且主要依靠较小的分布式能源技术来实现这一目标。2003年，“世界热电联产联盟” 正式更名为“世界分布式能源联盟”，这就是说热电联产技术已经纳入分布式能源的大概 念之中。虽然分布式能源在发达国家已经是一种比较成熟的技术，并正在得到大力推广，但 在我国仅仅才是刚刚开始。目前我国正处在经济高速发展时期，提高资源综合利用效率，是 我国能源工业能否持续支撑国家现代化建设的关键所在。我国能源利用水平距世界发达国家 还有很大的差距，日益增长的电力需求远未能得到满足，“大机组、大电厂、大电网”的大 规模、集中式的电网供电方式，必须辅助于能效高的分布式供能系统。