燃?xì)廨啓C(jī)與可再生能源互補(bǔ)的分布式供能

燃?xì)廨啓C(jī)與可再生能源互補(bǔ)的分布式供能陳哲;田豐;呂小靜;翁一武【摘要】天然氣燃?xì)廨啓C(jī)與可再生能源互補(bǔ)組成的分布式供能，既有天然氣分布式供能系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、能源利用率高的特點(diǎn)，又有可再生能源就地消納、充分利用的優(yōu)勢(shì).首先介紹了天然氣燃?xì)廨啓C(jī)分布式熱點(diǎn)聯(lián)供的發(fā)展和使用情況，分析了多種能源互補(bǔ)的分布式供能技術(shù)特點(diǎn)，展望了燃?xì)廨啓C(jī)與可再生能源互補(bǔ)的分布式供能的發(fā)展前景.％Thedistributedenergysupplyiscomplementedgasturbinewithrenewableenergy.Itsfeaturesarethelargesupplyrangeadjustedbynaturalgasdistributedenergyandthehighenergyutilizationrate.Theadvantageisthefullconsumptionofrenewableenergyatlocal.Weintroducethedevelopmentofcombinedcooling,heatingandpower(CCHP)ofgasturbine,thenanalyzeavarietyofcomplementaryenergyfordistributedenergytechnology.Finally,theprospectofdistributedenergysupplycomplementedgasturbinewithrenewableenergyispresented.【期刊名稱】《自然雜志》【年(卷)，期】2017(039)001【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)(P48-53)【關(guān)鍵詞】分布式供能;燃?xì)廨啓C(jī);可再生能源;互補(bǔ)【作者】陳哲;田豐;呂小靜;翁一武【作者單位】廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院廣州510080；廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院廣州510080;上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240;上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240【正文語(yǔ)種】中文分布式供能系統(tǒng)安裝在用戶附近，就近利用燃料，就近為用戶供應(yīng)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(diǎn)。天然氣分布式供能的特點(diǎn)是〃溫度對(duì)口、能量梯級(jí)利用”，能量利用率通?？梢赃_(dá)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?？稍偕茉矗L(fēng)能和太陽(yáng)能等）的大力發(fā)展是必然趨勢(shì)，其不穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)安全產(chǎn)生巨大影響。既能實(shí)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(biāo)。調(diào)節(jié)靈活的天然氣分布式能源技術(shù)，將推動(dòng)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(yáng)能技術(shù)、微風(fēng)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)是以天然氣分布式能源為核心，結(jié)合太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源構(gòu)建〃小型化區(qū)域能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)”，形成多功能互補(bǔ)的智能電網(wǎng)（微電網(wǎng)）與智能冷、熱氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)?？梢院侠淼仡A(yù)見(jiàn)，世界電力工業(yè)將由傳統(tǒng)的〃大電廠、大機(jī)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(bǔ)充的〃多模式互補(bǔ)系統(tǒng)”轉(zhuǎn)變。分布式供能系統(tǒng)是相對(duì)于〃大電網(wǎng)、大容量、大電廠”的集中式能量供應(yīng)方式而言的。天然氣分布式供能節(jié)能減排的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)獲得廣泛共識(shí)，發(fā)達(dá)國(guó)家分布式供能系統(tǒng)的應(yīng)用也已經(jīng)較為普遍，而我國(guó)相對(duì)落后。由于前期國(guó)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(dǎo)致十多年來(lái)分布式供能在國(guó)內(nèi)的發(fā)展相對(duì)緩慢；但最近幾年開(kāi)始得到廣泛重視，國(guó)家、地方及有關(guān)部門(mén)制定了一系列政策法規(guī)推進(jìn)分布式供能系統(tǒng)的發(fā)展。1.1國(guó)家大力推動(dòng)發(fā)展分布式供能2011年10月，國(guó)家發(fā)改委、財(cái)政部、住建部、國(guó)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(dǎo)意見(jiàn)》，其中提出：〃十二五”期間我國(guó)將建設(shè)1000個(gè)左右天然氣分布式能源項(xiàng)目，擬建設(shè)10個(gè)左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域；未來(lái)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(yīng)用方面取得實(shí)質(zhì)性突破，初步形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分布式能源裝備產(chǎn)業(yè)體系。2013年國(guó)務(wù)院印發(fā)《大氣污染物防治行動(dòng)計(jì)劃》（國(guó)發(fā)[2013]37號(hào)），要求加快清潔能源替代利用，鼓勵(lì)發(fā)電分布式供能等高效利用項(xiàng)目；要求新建建筑要嚴(yán)格執(zhí)行強(qiáng)制性節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，推廣使用〃熱一電一冷”三聯(lián)供技術(shù)和裝備。2013年國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)制定了《分布式發(fā)電管理暫行辦法》（發(fā)改能源[2013]1381號(hào)），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(xiàng)目建設(shè)、電網(wǎng)接入和運(yùn)行等方面明確各部門(mén)的職責(zé)，同時(shí)制定了分布式發(fā)電的管理暫行辦法，有效推進(jìn)了分布式供能的發(fā)展。1.2分布式供能的發(fā)展?fàn)顩r在國(guó)外，分布式能源已成為一種較成熟的能源綜合開(kāi)發(fā)供應(yīng)技術(shù)。目前許多發(fā)達(dá)國(guó)家都十分重視分布式能源的應(yīng)用和研究，特別是美國(guó)、日本及歐盟各國(guó)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(jì)劃。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界主要國(guó)家及地區(qū)的熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）2006年裝機(jī)容量已達(dá)到32920萬(wàn)kW。全球分布式風(fēng)電2008年裝機(jī)容量達(dá)到0.4萬(wàn)kW。2010年底，全球光伏發(fā)電裝機(jī)總量高達(dá)3950萬(wàn)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(guó)分布式供能發(fā)展提升空間巨大，目前國(guó)內(nèi)已建成一批天然氣分布式發(fā)電項(xiàng)目，但裝機(jī)總?cè)萘坎坏饺珖?guó)總裝機(jī)容量的1%。分布式供能在我國(guó)大中城市發(fā)展較快。分布式供能原動(dòng)機(jī)主要以燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)為主。燃?xì)廨啓C(jī)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(diǎn)。作為分布式供能的關(guān)鍵設(shè)備，自主品牌的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品少，且競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。中國(guó)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(zhǎng)設(shè)備檢修周期，提高設(shè)備的自動(dòng)智能控制水平。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)技術(shù)中國(guó)已經(jīng)成熟，但是制造水平與國(guó)際先進(jìn)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(yùn)行可靠性等方面存在不足。目前分布式供能項(xiàng)目的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)基本上都是進(jìn)口。分布式供能系統(tǒng)的發(fā)展得益于天然氣的廣泛應(yīng)用。用天然氣為能源，以微小型燃?xì)廨啓C(jī)為原動(dòng)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(yùn)行可靠、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，適合布置在用戶端。全國(guó)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(duì)我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)、大氣環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的效益將不可估量。2.1天然氣燃?xì)廨啓C(jī)分布式供能系統(tǒng)的構(gòu)成天然氣燃?xì)廨啓C(jī)分布式電冷熱聯(lián)供系統(tǒng)按照溫度對(duì)口、能源梯級(jí)利用的原則配置。天然氣在燃?xì)廨啓C(jī)中膨脹做功輸出電能，排出約500°C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(dá)到80%以上。圖1是天然氣能量梯級(jí)利用原理圖。微燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)由微型燃?xì)廨啓C(jī)、漠化鋰吸收式制冷機(jī)、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?xì)廨啓C(jī)分布式供能系統(tǒng)構(gòu)成圖。2.2應(yīng)用實(shí)例以上海市申能能源中心的天然氣燃?xì)廨啓C(jī)分布式供能系統(tǒng)為例，介紹其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用情況。基本情況上海市申能能源中心大樓總建筑面積為49648m2，采用由分布式供能系統(tǒng)、太陽(yáng)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(jìn)，智能化程度高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)申能能源中心分布式系統(tǒng)由1臺(tái)額定功率為200kW的美國(guó)CapstoneC200低壓型(自帶燃?xì)庠鰤簷C(jī))微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、2臺(tái)日本YazakiCH-KE4040煙氣補(bǔ)燃型漠化鋰?yán)錅厮照{(diào)機(jī)組以及PLC自動(dòng)控制柜、并網(wǎng)柜、風(fēng)機(jī)、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(yùn)行時(shí)，相當(dāng)于可以替代244kW的電力供應(yīng)。分布式供能系統(tǒng)工作時(shí)，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組采用〃并網(wǎng)不上網(wǎng)”的模式運(yùn)行，所發(fā)出的電經(jīng)逆變后以400V的電壓等級(jí)并入能源中心的交流母排。微燃機(jī)尾部排出的高溫?zé)煔?280°C)將進(jìn)入空調(diào)機(jī)組被吸收利用，排煙溫度為110°C,仍有余熱利用價(jià)值。能源中心大樓的供冷系統(tǒng)為2臺(tái)容量為1361kW的雙工況螺桿式制冷機(jī)組，供熱系統(tǒng)為2臺(tái)容量為1400kW的天然氣熱水鍋爐。分布式供能系統(tǒng)的漠化鋰空調(diào)機(jī)組作為整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。系統(tǒng)運(yùn)行情況根據(jù)系統(tǒng)連續(xù)72h試運(yùn)行測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)發(fā)電效率為30.7%，制冷機(jī)余熱回收效率為42.3%，整個(gè)系統(tǒng)的一次能源利用率為73%。根據(jù)辦公樓能源供應(yīng)的需求和特征，以系統(tǒng)每年運(yùn)行2500h計(jì)，全年可替代電網(wǎng)供電610MWh。按照華東區(qū)域電網(wǎng)的碳排放因子0.853t/MWh(CO2)為參考，全年可以減排CO2154t,節(jié)能減排效果明顯。實(shí)際運(yùn)行中，冬季1月份系統(tǒng)效率為72.28%，過(guò)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%。3.1多能源互補(bǔ)供能系統(tǒng)技術(shù)分析對(duì)于間隙性、不穩(wěn)定性明顯的太陽(yáng)能和風(fēng)能，采用多種能源互補(bǔ)的分布式供能技術(shù)，將可再生能源（風(fēng)能、太陽(yáng)能光伏/光熱等）與天然氣形成互補(bǔ)，調(diào)節(jié)用戶負(fù)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(fù)荷（電負(fù)荷、冷負(fù)荷和熱負(fù)荷）變化很大，要有良好的范圍變化適應(yīng)性和完善的協(xié)調(diào)控制技術(shù)。圖4為多能源互補(bǔ)供能與冷熱電負(fù)荷變化適應(yīng)性示意圖?？稍偕茉矗L(fēng)能、太陽(yáng)能光伏/光熱等）充分利用，天然氣燃?xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行，兩者互補(bǔ)，調(diào)節(jié)用戶各種負(fù)荷，以滿足用戶需求。3.2基于微電網(wǎng)的多能源互補(bǔ)分布式供能系統(tǒng)采用微智能電網(wǎng)技術(shù)，可以進(jìn)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(shí)現(xiàn)區(qū)域用能平衡和電網(wǎng)穩(wěn)定。對(duì)于這種區(qū)域性的多能源互補(bǔ)分布式供能系統(tǒng)在國(guó)外已經(jīng)有一些示范，國(guó)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(fēng)能、太陽(yáng)能等；生物質(zhì)能氣化內(nèi)燃發(fā)電和天然氣燃?xì)廨啓C(jī)分布式供能；分布式供能和蓄能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的能源系統(tǒng)。（2） 多能源互補(bǔ)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(jí)利用；建立多能源互補(bǔ)的分布式供能系統(tǒng)示范和研究基地。（3） 實(shí)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。可再生能源就地消納，因地制宜地實(shí)現(xiàn)電、冷（熱）能量的供應(yīng)和平衡，能量調(diào)度中心智能化調(diào)配，實(shí)現(xiàn)能量穩(wěn)定供應(yīng)。⑷區(qū)域內(nèi)電、冷（熱）需求變化規(guī)律及數(shù)據(jù)庫(kù)。典型用戶在不同季節(jié)和時(shí)段的用能數(shù)據(jù)庫(kù)（包括熱、冷和電）；多能源互補(bǔ)的分布式供能系統(tǒng)配置模型庫(kù)；通過(guò)全工況動(dòng)態(tài)仿真研究，提出分布式供能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)配置?；谖㈦娋W(wǎng)的區(qū)域性多能源互補(bǔ)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(xué)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(yáng)能光伏發(fā)電、小型風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)和能源管理中心等。天然氣分布式供能系統(tǒng)是能源梯級(jí)利用的高效方式，能源利用率高，負(fù)荷調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，它與可再生能源（風(fēng)能和太陽(yáng)能等）互補(bǔ)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(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)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(fù)荷，從而減少調(diào)峰電站建設(shè)，又能均衡冬夏季燃?xì)馐褂?。⑶?duì)于太陽(yáng)能和風(fēng)能的間隙性，將可再生能源（風(fēng)能和太陽(yáng)能等）與天然氣燃?xì)廨啓C(jī)供能形成互補(bǔ)，可以有效地調(diào)節(jié)用戶負(fù)荷，保證穩(wěn)定供能。（4）采用基于微電網(wǎng)的多能源互補(bǔ)分布式供能技術(shù)，可以進(jìn)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(shí)現(xiàn)區(qū)域用能平衡和電網(wǎng)穩(wěn)定?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】TCHANCHEBF,PETRISSANSM,PAPADAKISG.HeatresourcesandorganicRankinecyclemachines[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2014,39:1185-1199.WENGYW,LUXJ,WANGYP,etal.Passivelowtemperatureheatsourcesorganicworkingfluidpowergenerationmethod[P].USA:US20160024974A1,2016.ZHAOZY,ZUOJ,FENGTT,etal.InternationalcooperationonrenewableenergydevelopmentinChina—acriticalanalysis[J].RenewableEnergy,2011,