分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

近年來，分散能源系統(tǒng)在國際上被廣泛使用，研究也有很多。在中國也有這樣的趨勢。越來越多的廣告和具體項目準備好了。在此對分布式能源系統(tǒng)進行一些思索，以供領(lǐng)導(dǎo)、工程師、動力與經(jīng)濟學方面的學者、廠家們參考。1分布式能源系統(tǒng)的協(xié)同性分布式能源系統(tǒng)，是相對于能源集中生產(chǎn)（主要代表形式是大電廠加大電網(wǎng)）而言的。電在已知的二次能源中最為有用，且占有絕對優(yōu)勢。如果沒有電，就沒有了絕大多數(shù)的先進生產(chǎn)力。一切高新技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用都要在電力運行的基礎(chǔ)上進行。所以，保證充足、安全、有效的電力供應(yīng)是非常重要的事情。然而，在目前，我國只有大電廠加大電網(wǎng)才能夠比較好地完成此任務(wù)。估計這種狀態(tài)在較長一段時間內(nèi)不會改變。分布式能源與上述比較集中的大電廠加大電網(wǎng)正好相反，它是把二次能源供能點分散到很多企業(yè)、社區(qū)、大廈、醫(yī)院、學校、寫字樓……，甚至到個別家庭住宅中去。由于分散，所以每個系統(tǒng)的出力都不會太大，需根據(jù)用戶的具體要求而定，一般在成百上千kW以下。正如上述，電是最主要的二次能源，所以目前通稱的分布式能源系統(tǒng)都至少有電力輸出；而只出熱、出冷的簡單小型供能系統(tǒng)，如僅供熱的小鍋爐裝置、僅供冷的獨立空調(diào)設(shè)備，是極少有人稱之為分布式能源系統(tǒng)的。但是，最大多數(shù)的分布式能源系統(tǒng)，是除了供電之外，還同時供熱及/或供冷，是多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。當然，也許還可能是多功能系統(tǒng)（意指除多聯(lián)產(chǎn)輸出外，輸入的能源也是多種的，例如可以同時有化石能源與可再生能源輸入）。2與分布式能源系統(tǒng)的比較由于大電廠加大電網(wǎng)將會長期存在，因此有必要將其與分布式能源系統(tǒng)作一比較；而對分布式能源系統(tǒng)優(yōu)缺點的分析，可以幫助我們更好地理解集中與分散式能源系統(tǒng)各自的優(yōu)劣勢和適用范圍。2.1兩種能源系統(tǒng)的比較我們認為，分布式能源系統(tǒng)的最主要的優(yōu)點是用在冷熱電聯(lián)產(chǎn)中。聯(lián)產(chǎn)符合吳仲華先生提出的總能系統(tǒng)的“溫度對口、梯級利用”的準則，會得到很好的能源利用率，具有很大的發(fā)展前景。但是熱，尤其是冷，不像電能那樣可以較長距離有效地輸送。所以，除非事先特殊設(shè)計、安排好，否則，難以達到輸送冷、熱能的目的。因為大電廠設(shè)址有其自身的要求，一般來說，附近難以有足夠大量的、合適的冷、熱能用戶，無法進行有效的聯(lián)產(chǎn)。分布式能源系統(tǒng)卻正好相反，按需就近設(shè)置，可以盡可能與用戶配合好，也沒有遠距離輸送冷、熱能的問題，大電網(wǎng)的輸電損失問題也不存在了。所以，雖然分布式能源系統(tǒng)純動力裝置本身效率低、價錢貴，但可以充分發(fā)揮其聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)點，體現(xiàn)出它的優(yōu)越之處。為了保證使用單位的各種二次能源能夠充分供應(yīng)，分布式能源系統(tǒng)還可以讓使用單位本身有較大的調(diào)節(jié)、控制與保證能力。這也是一個很重要的優(yōu)點。2.2大機組和小機組的效率是提升經(jīng)分布式能源系統(tǒng)的主要不足在于，由于它是分散供能，單機功率很小，比起最大電廠單機功率有百萬kW以上、單廠功率近千萬kW而言，發(fā)電效率顯然比不上后者。這是因為現(xiàn)有動力設(shè)備都是機組越大，效率越高。40萬kW的、以燃氣輪機為主的聯(lián)合循環(huán)裝置效率比40kW回熱燃氣輪機的效率要高1倍?！奥槿鸽m小，五臟俱全”，因此大機組單位功率的售價相比小機組要低得多，相差近幾倍。大機組集中在一起，有專門高級技工運行維護，安全性、工作壽命都應(yīng)該更有保證。所以，要對純發(fā)電成本和單位kW初投資作比較，分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)費投入肯定要大大高于現(xiàn)在的大電力系統(tǒng)。另外，分布式能源系統(tǒng)對當?shù)厥褂脝挝坏募夹g(shù)要求要比簡單使用大電網(wǎng)供電來得高，要有相應(yīng)的技術(shù)人員與適合的文化環(huán)境。3．以ddk為代表的分布式能源系統(tǒng)正如前述，分布式能源系統(tǒng)首先得有一臺動力設(shè)備。經(jīng)典蒸汽動力裝置不適合用于出力較小的情況，所以一般不用?，F(xiàn)在文獻上提到的有燃氣輪機、活塞式內(nèi)燃機、燃料電池與斯特林發(fā)動機等。其中燃料電池與斯特林發(fā)動機在工程應(yīng)用上嚴格說都還不夠成熟，未達到廣泛商業(yè)實用的程度，只可作為示范中試裝置。燃料電池適合用于小機組，且變工況性能也好。但比較成熟的技術(shù)對燃料要求較高，正在研制中的高溫燃料電池則要與熱機聯(lián)合才能獲得較高效率。目前，實際廣泛應(yīng)用的是廣義的內(nèi)燃機-葉輪機械式（燃氣輪機）與活塞式的，尤其是回熱燃氣輪機。應(yīng)該說，燃氣輪機與活塞式內(nèi)燃機相比，前者較適宜于功率較大的情況，后者則正相反。在適用于分布式能源系統(tǒng)的功率范圍內(nèi)，目前二者能達到的發(fā)電效率均在30%以上。從價格上來看，活塞式內(nèi)燃機造價會便宜一些。但實際應(yīng)用還是以燃氣輪機為多，原因可能是使用分布式能源的地方都是經(jīng)濟比較發(fā)達的地區(qū)，能夠承受昂貴的費用。而燃氣輪機在減振、消音、降低排放污染、重量輕、占地小等方面都有潛在的優(yōu)勢。另外，它的供熱能力也比活塞式內(nèi)燃機大。分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)勢在于冷熱電聯(lián)產(chǎn)，所以除了動力設(shè)備外，還得有一個系統(tǒng)。例如，最常規(guī)的辦法是利用廣義的內(nèi)燃機的排氣余熱通過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽供熱，同時通過吸收式制冷設(shè)備供冷。通常是簡單或回熱循環(huán)燃氣輪機的冷熱電聯(lián)產(chǎn)。但要保證聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能滿足很大范圍變工況下的任意冷、熱、電輸出需求（這是聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵科技課題之一），上述系統(tǒng)是難以做到的。這時可用程循環(huán)（回注蒸汽循環(huán)，有時也稱STIG循環(huán)）加上補燃，就可以使熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能夠在電為設(shè)計點的5/3倍到0、熱為設(shè)計點的近3倍到0的任意熱、電數(shù)值的匹配要求下，高效安全運行。對冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)的情況，為達到廣闊范圍的冷、熱、電輸出，上述程循環(huán)加補燃在原則上也是合適的，但可用范圍的具體數(shù)字尚待研究。我國目前已有人正在進行此項工作。對以燃氣輪機為核心的各種循環(huán)，實際上以聯(lián)合循環(huán)最為成功。但是它只適合用在較大功率等級機組中。如前所述，分布式能源系統(tǒng)功率不會大，因此不宜用聯(lián)合循環(huán)。近期被認為較有前途的HAT循環(huán)（濕空氣透平循環(huán)），它的追求目標主要在以濕化空氣來盡量利用未充分利用的低溫熱，也不適合同時供熱、供冷的目標。而且它的冷、熱、電變工況可控性也比不上程循環(huán)。所以，按目前所了解的情況，現(xiàn)有HAT循環(huán)也不宜用在分布式能源系統(tǒng)，除非將其加以改動，例如再與程循環(huán)結(jié)合起來。程循環(huán)與HAT循環(huán)中都要消耗不少清潔的給水，會浪費水資源，原則上可以采取冷卻排氣回收。這項技術(shù)并不難，我國不少用戶也已采用；但用戶附近最好還是有可用的普通冷卻用水。對活塞式內(nèi)燃機，還很少聽到有關(guān)它在分布式能源系統(tǒng)中使用不同循環(huán)形式的研究報道，也許因為在分布式能源系統(tǒng)中用活塞式內(nèi)燃機較少之故。不過活塞式內(nèi)燃機可利用余熱相對較少，采用補燃可能對它更為適用。與燃氣輪機不同，對活塞式內(nèi)燃機補燃一般還要補空氣。由于分布式的能源系統(tǒng)用廣義的內(nèi)燃機，所以一般只能燃用氣、液燃料，而另一方面也使得它比較易于達到環(huán)保要求。4分布式能源系統(tǒng)的未來研究方向由于分布式能源系統(tǒng)的初投資大，要用好燃料；同時要有比較穩(wěn)定的冷、熱、電用戶，主要是第三產(chǎn)業(yè)和住宅用戶；要求具有環(huán)保性能較好的特點等等，所以，它在我國比較適合應(yīng)用的地區(qū)顯然是經(jīng)濟比較發(fā)達的地區(qū)。從地域分布來說，主要是珠江三角洲、長江三角洲、環(huán)渤海地區(qū)等等。這些地方是我國現(xiàn)在經(jīng)濟高速發(fā)展的黃金寶地，也是應(yīng)該“先環(huán)保起來”的地區(qū)，而且經(jīng)濟上也確是有可能適宜使用分布式能源系統(tǒng)的地方。另外，分布式能源系統(tǒng)既然是“分布”，也就是說與大電廠、大電網(wǎng)不一樣，不是由一小批經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員集中運行管理，而是分散式運行管理，這就要求使用區(qū)域的總體科技文化水平和素養(yǎng)較高。上述看法并不是說其它地方就不能裝配使用分布式能源系統(tǒng)，而只是對最先發(fā)展它的可能區(qū)域作了一個判斷。其它地方，例如在天然氣產(chǎn)地附近、天然氣價格特別便宜的地方，分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用可能也會是適合的。就如同經(jīng)濟上“先富起來”，應(yīng)該帶動其它地方“共同富裕”一樣，分布式能源系統(tǒng)在“先富起來”的地區(qū)發(fā)展了，也會以其取得的成效與經(jīng)驗帶動這種系統(tǒng)在其它地方發(fā)展起來。不過，以我們的看法，分布式能源系統(tǒng)是能源利用的一個新的發(fā)展方向，但在可預(yù)見的較長一段時間內(nèi)，大電廠與大電網(wǎng)仍是我國電力供應(yīng)的主流。5分布式能源系統(tǒng)的組成及發(fā)展1）分布式能