分布式能源系统现状分析与探讨

王 栋 上海海事大学商船学院

分布式能源系统现状分析与探讨

王 栋 上海海事大学商船学院

简要叙述了天然气冷热电三联供系统的发展现状与国内外应用状况，分析了分布式能源系统的优势与发展的局限性，其适用的热力循环以及适用的地区。得出结论：在我国此系统适用于经济发达地区；天然气品质与价格制约着该技术的发展，需要因地制宜，合理使用。

冷热电三联供；热泵；余热利用；燃气内燃机

“能源、环境、发展”是当今人类面临的三大主题，能源的合理开发与利用是环境友好和人类可持续发展的重要保证。分布式能源系统是一种建立在能量梯级利用概念基础上，分布安置在需求侧的能源梯级利用，以及资源综合利用和可再生的能源设施。通过在需求现场根据用户对能源的不同需求，实现温度对口供应能源，将输送环节的损耗降至最低，从而实现能源利用效能的最大化。

1 分布式能源概念

分布式能源是近年来兴起的利用小型设备向用户提供能源供应的新的能源利用方式[1]。与传统的集中式能源系统相比，分布式能源接近负荷，不需要建设大电网进行远距离高压或超高压输电，可以大大减少线损，节省配电建设投资和运行费用；由于兼具发电、供热、供冷等多种能源服务功能，分布式能源可以有效的实现能量的阶梯利用，达到更高效率的能源利用效率。

分布式能源系统具有燃料多样化特性，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。采用天然气为燃料的分布式能源系统，一般采用燃气轮机或燃气内燃机作为发电设备，在发电的同时，利用发电产生的烟气余热生产冷热产品就近满足用户电冷热需求。

分布式能源系统是能量综合梯级利用的典型代表[2]。如图1所示。分布式能源系统的主要形式是冷热电联供系统，冷热电联供系统（Combined Cooling， Heating and Power， CCHP）是在热电联产系统基础上发展起来的一种分布式能源系统，也常被称作三联供系统（Trigeneration）或者建筑冷热电联供系统（Building Cooling Heating and Power，BCHP）。分布式冷热电联供系统集燃气轮机、燃气内燃气轮机、蒸汽轮机、斯特林机、燃料电池、吸收式、吸附式余热回收利用设备、压缩式冷热水机组和综合控制体系统等高新技术和设备为一体，根据热能品位的不同，高温热能通过动力机对外做功发电，中温热能通过余热回收设备制取冷负荷，低温烟气供应低温生活热水，实现对输入能量的综合梯级利用，达到更高能源利用率（一般可以到70%～90%），典型的分布式冷热电联供系统如图2所示。

图1 分布式能源系统能源综合梯级利用示意图

2 分布式能源系统优缺点

相对于传统电网集中供电而言，分布式能源是一种新型的、分布于用户端的供能系统，分析其优缺点有利于理解分布式能源系统的优势与发展局限性。

2.1 分布式能源系统优点

由于分布式能源是分布于用户端的供能系统，所以较大程度的改善了传统电网系统的脆弱性，避免了大规模停电现象；能源的阶梯利用，极大地提高了能源的利用效率；冷、热区别于电能，无法长距离输送，冷、热、电联产在传统电厂即便可以达到，但产能无法输送到用户端，分布式能源系统解决了这一问题，按需就近设置，与用户用能需求匹配，冷、热近距离输送，并解决了长距离输电损失难题；实现电网调峰，提供电网支持，在高峰期使用可有效改善电网质量，在低谷使用可有效降低用气峰谷比，电网与燃气网峰谷差互调等；保障能源安全，实现天然气发展战略，体现为多元化的能源结构，可再生能源的开发利用，天然气的高效利用等。

2.2 分布式能源系统缺点

分布式能源系统的主要不足在于，由于它是分散供能，单机功率很小，比起最大电厂单机功率GW 以上、单厂功率近10 GW而言，发电效率显然比不上后者。这是因为现有动力设备都是机组越大，效率越高。400 MW的、以燃气轮机为主的联合循环装置效率比回热燃气轮机的效率要高 1倍。“麻雀虽小，五脏俱全”，因此大机组单位功率的售价相比小机组要低得多，相差近几倍。大机组集中在一起，有专门高级技工运行维护，安全性、工作寿命都应该更有保证。所以，要对纯发电成本和单位容量初投资作比较，分布式能源系统的经费投入肯定要大大高于现在的大电力系统。另外，分布式能源系统对当地使用单位的技术要求要比简单使用大电网供电来得高，要有相应的技术人员与适合的文化环境。

图2 典型分布式燃气轮机冷热电联供系统

3 分布式能源国内外发展现状

国际上研究分布式能源技术从20世纪70年代开始发展起来，但是真正快速发展起来却是近十几年的事情，特别是在北美大停电之后[3]。美国、日本和欧洲等先进国家在冷热电联供技术上有较为成熟的应用经验，近年来各国进一步加大了其发展力度。目前，美国政府主要的研究方向为内燃机效率的提升，大功率的燃气轮机（单机功率20 GW），微燃机的整体提升工作，燃料电池，地源热泵以及沼气、生物质能源等替代能源的研究等。全新的“智能电网”技术在测量、并网及安全性方面的出色表现将进一步促进三联供技术的发展。截至2003年，日本全国冷热电总装机容量6 503 MW，其中建筑项目2 915个，总装机容量1429 MW，其中52.8%的装机容量以城市燃气为燃料，主要应用类型为商场、酒店、医院、办公建筑、运动场所和区域供冷供热系统；工业联产项目共计1 600个，总装机容量5 074 MW，燃料以重油和燃气为主，其中30.7%的容量以城市燃气为燃料，主要应用类型为食品加工、化学加工、制药、机械、电子设备和钢铁行业。欧洲一直重视分布式冷热电联供系统的发展，在2005年，分布式能源系统发电量约占丹麦全国发电总量的50%，而碳排放量比上世纪90年代的水平减少了约50%。2005年7月，丹麦政府宣布计划铺设全球最长的智能化电网基础设施，这将使分布式能源系统成为丹麦主要的供电渠道。1988年，荷兰启动了一个冷热电联供系统激励计划，到1998年联供系统就有2.7GW猛增到7 GW，占总发电量的48.2%。2000年，英国新冷热电联供项目共1 536个，总装机容量达到4.76 GW，到2010年可达10 GW。

我国应用分布式能源系统起步较晚，可以预见在今后几十年内，我国主要能源系统还依然会是集中式供能。近年来，随着天然气管网覆盖率提高，天然气利用技术的不断完善，分布式能源站的建设已在各地发展起来，在北京、上海、广州等发达地区已有很多应用和示范。北京燃气集团大楼的分布式能源系统，在2008年即能满足80%的冷热负荷，与常规能源利用方式相比一次能源节约率大概为17%，年节省费用90万元。成都深蓝绿色能源中心的联供系统已运行8年，年节省费用约410万元。2011年10月国家能源局出台的《关于发展天然气分布式能源的指导意见》中提出“十二五”的主要任务:初期启动一批天然气冷热电二联供能源示范项目，期间“建设1000个左右分布式能源站，选择其中10个左右作为典型的能源示范区域[4]。我国部分巳投入运行的分布式能源站的应用情况见表1。

表1 国内典型分布式能源站配置概况

4 分布式能源系统发展前景与制约因素

由于分布式能源系统的初投资大，要用好燃料；同时要有比较稳定的冷、热、电用户（主要是第三产业和住宅用户）；要求具有环保性能较好的特点等，因此它在我国比较适合应用的地区显然是经济比较发达的地区，从地域分布来说，主要是珠江三角洲、长江三角洲、环渤海地区等我国现在经济高速发展的黄金宝地[5]，也是应该“先环保起来”的地区。另外，分布式能源系统既然是“分布”，也就是说与大电厂、大电网不一样，不是由一小批经验丰富的技术人员集中运行管理，而是分散式运行管理，这就要求使用区域的总体科技文化水平和素养较高。

上述看法并不是说其它地方就不能装配使用分布式能源系统，而只是对最先发展它的可能区域作了一个判断。其它地方，例如在天然气产地附近、天然气价格特别便宜的地方，分布式能源系统的应用可能也会是适合的。就如同经济上“先富起来”，应该带动其它地方“共同富裕”一样，分布式能源系统在“先富起来”的地区发展了，也会以其取得的成效与经验带动这种系统在其它地方发展起来。不过，以我们的看法，分布式能源系统是能源利用的一个新的发展方向，但在可预见的较长一段时间内，大电厂与大电网仍是我国电力供应的主流。

天然气以其清洁、环保、高品质等优势成为分布式能源系统燃料源的首选。但只有北京市天然气的供应最有保障，上海、广东等地都非常紧张，国内气价也存在长期上涨的趋势[6]。燃料市场未来风险和不确定性使推广应用分布式能源系统可能潜伏着危机。

因为分布式能源是新技术，有管理和维护经验的当地工程师及高级技工较少，运行维护设备的人工成本不可小视，同时由于主机是进口设备，定期检查、替换、维修系统部件及易耗品价格也不菲。当然，运行与维护成本只占整个分布式能源系统的电力成本很低的比例，如微型燃气轮机一年通常只做1～2次保养，平均维护成本为0.5～1.6美分/kWh[7]。

综上所述，我国最适宜发展应用分布式能源系统的地区是经济发展速度较快的地区；天然气品质与价格制约着该技术的发展；经济效益因素是用户应用DER首要考虑的因素，卓越的经济性给用户提供信心和驱动力。但经济性的分析一定要参考实际的运行环境并全面考虑细节。

5 结论

（1）分布式能源系统使某个具体用户受益的同时，更使整个国家与社会受益，其能量阶梯利用，极大的提高了能源利用效率，也是对区域电网的有益补充和保障，还可以有力的推动节能减排工作。符合国家节能减排的政策，有良好的经济效益、环保效益和社会效益。

（2）我国分布式能源系统的发展起步较晚，技术落后于西方发达国家，但是该系统的工程数量，尤其是总装机量远超了世界各国，说明国家高度重视分布式能源的发展，但距离超越西方发达国家的目标仍然任重道远。

（3）我国最适宜发展应用分布式能源系统的地区是经济发展速度较快的地区；天然气品质与价格制约着该技术的发展；经济效益因素是用户应用分布式能源系统首要考虑的因素，卓越的经济性给用户提供信心和驱动力。但经济性的分析一定要参考实际的运行环境并全面考虑细节。

[1]中国科学院可持续发展研究组。2003 中国可持续发展战略报告[M]。北京：科学出版社，2003，1～2。

[2]韩晓平。未来 2O 年中国能源技术发展方向之一分布式能源及相关技术[J]。沈阳工程学院学报（自然科学版），2005，1（2、3）：13

[3]吴大为，王如竹。分布式能源定义及其与冷热电联产关系的探讨[J]。制冷与空调，2005，5（5）：2～3。

[4]薛志峰。超低能耗建筑技术及应用[M]。北京:中国建筑工业出版社，2005，176。

[5]刘丽红，袁益超，刘聿拯。分布式供能的现状与发展[J]。热力发电，2006，(7)：5～6。

[6]刘道平，马博，李瑞阳，等。分布式供能技术的发展现状与展望[J]。能源研究与信息，2002，18（1）：7～8。

[7]徐建中。科学用能与分布式用能系统[J]。中国能源，2005，27（8）：10～13。

Analysis and Discussion on Current Situation of Distributed Energy System

Wang Dong Shanghai Maritime University Merchant Marine College

The article introduces development situation and application conditions of natural gas cooling heating and power generation system in domestic and foreign countries. It analyzes advantages and development limitations distributed energy system and its applicable thermodynamic cycle and suitable areas. It concludes that distributed energy system is suitable for economically developed areas where natural gas quality and price restrict cchp technology development. Adjusting measures to local conditions for reasonable use.

Combined Cooling Heating and Power Generation, Heat Pump, Waste Heat Recovery, Gas-Fired Internal Combustion Engine

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.12.003

王栋：（1991-），男，研究生；研究方向：船舶动力装置。