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1、分布式供电和冷热电联产的前景 1 前言 能源是人类生存的基本条件和人类社会发展的原动力。随着人类文明的进步，能源问题成为人们日益关注的焦点问题。目前全世界都在推动第二代能源系统的建设，积极试点，认真进行立法准备，抓紧开发配套相关设备。第二代能源系统具有六个方面的主要特征，一是燃料的多元化；二是设备的小型、微型化；三是冷热电联产化；四是网络化：五是智能化控制和信息化管理；六是高标准的环保水平。而其中燃料的多元化，设备的小型、微型化，冷热电联产化和环保要求则代表着能源技术发展的几个重要方向：可再生能源的开发利用、分布式供电技术的兴起与冷热电三联产系统的发展。 本文通过对分布式供电特点及其发展趋势的
2、阐述，强调分布式供电对电力工业的重要作用，指出可再生能源为分布式供电提供了更广阔的发展前景；分布式供电技术发展的主要方向之一为冷热电三联产技术。2 分布式供电2.1 分布式供电概述及其特点 顾名思义，分布式供电是相对于传统的集中式供电方式而言的，是指将发电系统以小规模(数千瓦至50MW的小型模块式)、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。这个概念是从1978年美国公共事业管理政策法公布后正式先在美国推广，然后被其它先进国家接受的。当今的分布式供电方式主要是指用液体或气体燃料的内燃机、微型燃气轮机和各种工程用的燃料电池。因其具有良好的环保性能，分布式供电电源与“小机组
3、”己不是同一概念。与常规的集中供电电站相比，分布式供电具有以下优势：没有或很低输配电损耗；无需建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本；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年设备利用小时；土建和安装成本低；各电站相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模供电事故，供电的可靠性高；可进行遥控和监测区域电力质量和性能：非常适合对乡村、牧区、山区、发展中区域及商业区和居民区提供电力；大量减少了环保压力。 二十世纪初以来电力行业流行的观点是，发电机组容量越大，则效率越高，单位kw投资越低，发明成本也越低，因而随着能源产业的发展，电力工业发展方向是“大机组、大电厂和大电网”。但是，
4、在许多特殊情况下，分布式供电是集中供电不可缺少的重要补充： 分布式供电可以满足特殊场合的需求 例如，而印瞒设电网的西部熟顷地区或散布的用户：对供电安全稳定性要求较高瞅糊昭户，如医院、银行等；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。这种供电方式最大的优点是不需远距离输配电设备，输电损失显著减少，运行安全可靠，并可按需要方便、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。 分布式供电方式可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足 在世界上大型火电厂建设的趋势有增无减之时，电网的急速膨胀对供电安全与稳定性带来很大威胁，而各种形式的小型分布式供电系统，使国民经济、国家安
5、全至关重要而又极为脆弱的纽带-大电网不再孤立和笨拙。直接安置在用户近旁的分布式发电装置与大电网配合，可大大地提高供电可靠性，在电网崩溃和意外灾害(例如地震、暴风雪、人为破坏、战争)情况下，可维持重要用户的供电。 分布式供电方式为能源的综合梯级利用提供了可能 在常规的集中供电方式中，能量形式相对单-。当用户不仅仅需要电力，而且需要其它能量形式如冷能和热能的供应时，仅通过电力来满足上述需要时难以实现能量的综合梯级利用：而分布式供电方式以其规模小、灵活性强等特点，通过不同循环的有机整合可以在满足用户需求的同时实现能量的综合梯级利用，并且克服了冷能和热能无法远距离传输的困难。 分布式供电方式为可再生能
6、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。我国的可再生能源资源丰富，发展可再生能源是二十一世纪减少环境污染和温室气体排放以及替代化石能源的必然要求，因此为充分利用量多面广的可再生能源发电，方便安全地向偏僻、少能源地区供电，建设可再生能源分布式供电应受到高度重视。 还应指出，对目前世界能源产业面临亟待解决的四大问题：合理调整能源结构、进一步提高能源利用效率、改善能源产业的安全性、解决环境污染，单-的大电网集中供电解决上述问题存在困
7、难，而分布式供电系统恰好可以在提高能源利用率、改善安全性与解决环境污染方面做出突出的贡献。因此，大电网与分散的小型分布式供电方式的合理结合，被全球能源、电力专家认为是投资省、能耗低、可靠性高的灵活能源系统，成为二十-世纪电力工业的发展方向。这就是说，世界电力工业已经开始向传统电力工业的模式告别，走向依靠大型发电站和小型分布式供电广泛结合的过渡的“分散式”电力系统，从而大大改善供电效率、供电品质和减轻当今电力行业对环境影响形成的负担、减少兴建和改善输配电线路。而且，由于近来美国加州供电危机的影响，国外有的观点甚至认为今后在大力发展分布式供电的情况下，大型中心电站将走向衰落。2.2 分布式供电发展
8、趋势2.2.1分布式供电的主要方式 分布式发电方式多种多样，根据燃料不同，可分为化石能源与可再生能源；根据用户需求不同，有电力单供方式与热电联产方式(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。表1列出了主要的分布式供电方式。 在产业革命后的200年中，煤炭一直是世界范围内的主要能源，而随着科技、经济的发展，石油在一次能源结构中的比例不断增加，于20世纪60年代超过煤炭。此后，石油、煤炭所占比例缓慢下降，天然气比例上升；同时，新能源、可再生能源逐步发展，形成了当前的以化石燃料为主和新能源、可再生能源并存的格局。然而，虽
9、然可再生能源是取之无尽的洁净能源，但其能源密度低，稳定性较差，需要蓄能调节，长期稳定运行困难，且由于技术不够成熟，可再生能源一次投资较大，经济性差；而化石能源的发电技术不仅更加成熟，而且效率更高。因此，作为分布式供电的发电技术，化石能源目前仍是国际上的主要方向。 表1 主要的分布式供电方式 发电技术能源种类内燃机发电技术燃气轮机发电技术微型燃气轮机发电技术常规的燃油发电机发电技术燃料电池发电技术化石能源太阳能发电技术风力发电技术小水利发电技术生物质发电技术可再生能源氢能发电技术二次能源垃圾发电技术一般废弃物2.2.2 分布式供电的主要动力-微型燃气轮机 以化石能源为能源动力的分布式供电方式多种
10、多样(见表1)。随着微型燃机技术的不断完善，微型燃机发电机组已成为分布式供电的主力。 微型燃气轮机是功率为数百KW以下的、以天然气、甲烷、汽油、柴油等为燃料的超小型燃气轮机。它的雏形可追溯到60年代，但作为-种新型的小型分布式供电系统和电源装置的发展历史则较短。 微型燃气轮机大都采用回热循环。通常它由透平、压气机、燃烧室、回热器、发电机及电子控制部分组成，从压气机出来的高压空气先在回热器内接受透平排气的预热，然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧。大多数微型气轮机由燃气轮机直接驱动内置式高速发电机，发电机与压气机、透平同轴，转速在50000-120000rpm之间。一些单轴微型燃气轮机设计，发电机发出
11、高频交流电，转换成高压直流电后，再转换为60Hz480v的交流电。 目前，开发微型透平的厂商主要集中在北美，欧洲有瑞典和英国。表2为部分新一代微型燃气轮机的主要技术参数。 与柴油机发电机组相比，微型燃机具有以下一系列先进技术特征：(1)运动部件少，结构简单紧凑。重量轻，是传统燃机的1/4；(2)可用多种燃料，燃料消耗率低，排放低，尤其是使用天然气；(3)低振动，低噪音，寿命长，运行成本低；(4)设计简单，备用件少，生产成本低；(5)通过调节转速，即使不是满负荷运转，效率也非常高；(6)可遥控和诊断：(7)可多台集成扩容。因此，先进的微型燃气轮机是提供清洁、可靠、高质量、多用途的小型分布式供电的
12、最佳方式，使电站更靠近用户，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。有理由相信，一旦达到适当的批量，微型燃机轮机有能力与中心发电厂相匹敌。对终端用户来说，与其它小型发电装置相比，微型燃气轮机是一种更好的环保型发电装置。 表2 新一代微型燃气轮机的主要技术参数 供应商燃料转速电功率（KW）效率（%）压比进口温度（C）出口温度（C）排气温度（C）排放（NOx）功率范围（KW）AlliedSignal天然气650007528.53.793065024025ppm75Bowman天然气1150004522.54.3-650305-35，45，50，60，80，200Capstone天然气960
13、0030-3.2840-270-24，30，60，125-250GE/Elliott天然气1160004530-3169ppm45，80，200NREC(样机)天然气柴油丙烷5000070333.3870-200-30-200 2.2.3 分布式供电发展方向-冷热电三联产系统虽然回热等有效提高微型燃气轮机系统热转功效率的手段得到应用，微型燃机发电效率己从17%-20%上升到当前的26%-30%，但以微型燃气轮机作为动力的简单的分布式供电系统的热转功效率依然远小于大型集中供电电站。如何有效提高分布式供电系统的能量利用效率是当前分布式供电技术发展所面临的主要障碍之一。正如常规的集中供电电站可以通过
14、功热并供提高能源利用率一样，分布式供电系统在用户需要的情况下，同样可以在生产电力的同时，提供热能或同时满足供热、制冷两方面的需求。而后者则成为一种先进的能源利用系统-冷热电三联产系统。与简单的供电系统相比，冷热电三联产系统可以在大幅度提高系统能源利用率的同时，降低环境污染，明显改善系统的热经济性。因此，三联产技术是目前分布式供电发展的主要方向之一。2.2.4 以可再生能源为基础的分布式供电方式的发展前景由于矿物能源的有限性和污染性，可再生能源的利用与研究已引起广泛的重视。20世纪70年代以来，可再生能源已经引起了科学家的关注，研究和开发工作取得了重大进展和成就。进入21世界，可再生能源问题明确
15、地摆到了政府决策者、科学家和社会各界面前，成为重点发展的热门研究课题。根据国家“863”专家委员会提供的文件，在全球资源与环境问题的强大驱动下，预计在未来10年左右的时间内，可再生能源研究将取得突破性进展。据国际能源机构预测，到2060年全球可再生能源的比例将发展到世界能源构成的50以上。我国可再生能源资源丰富、量多面广。例如，太阳能在我国2/3国土上的年辐射量超过600MJ/cm2，每年地表吸收的太阳能大约相当于17万亿吨标准煤的能量；而地热资源的远景储量为1353.5亿吨标准媒，探明储量为31.6亿吨标准煤。效率差、密度低、不稳定等缺陷成为以往可再生能源利用的主要障碍，很难将其与集中供电相
16、结合。通过与分布式供电方式相结合，新型可再生能源分布式发电系统可以在能的梯级利用的基础上实现效率的大幅度提高；同时，分布式发电系统对能源密度的要求也远低子集中供电方式；而且，通过与现代蓄能技术相结合，可以在很大程度上克服可再生能源不稳定的缺陷。如今，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，在供能效率和经济性的提高以及能源供给安全性方面具有不可替代的作用；而可再生能源也为分布式供电提供了更加广阔的发展前景。可再生能源系统具有运行费用低、环保性能好等突出优势。比如，为适应北京2008年举办奥运会的要求，以及北京日趋严格的环境排放标准，我们建议在奥运村建设示范项目“太阳能与热泵高效复合能源系统”：将性能好、技术含量高的热泵技术和太阳能利用技术相结合。此项目利用太阳能等环境能源作为辅助能源，可确保奥运村对电、冷和热的供应万无一
