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分布式供电和冷热电联产的前景

徐建中院士

  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。

1.分布式供电
1.1.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”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,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。

1.2.分布式供电发展趋势
1.2.1.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

1.2.2.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(ºC 出口温度(ºC 排气温度(ºC 排放(NOx) 功率范围(KW)
Allied
Signal
天然气 65000 75 28.5 3.7 930 650 240 <25ppm 75
Bowman 天然气 115000 45 22.5 4.3 - 650 305 - 35,45,50,60,80,200
Capstone 天然气 96000 30 - 3.2 840 - 270 - 24,30,60,125-250
GE/Elliott 天然气 116000 45 30 - - - 316 <9ppm 45,80,200
NREC(样机) 天然气
柴油
丙烷
50000 70 33 3.3 870 - 200 - 30-200

 

1.2.3.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。

1.2.4.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失。它充分体现了“绿色奥运”、“科技奥运”的宗旨,将有力推进北京和全国清洁能源利用的发展。该项目由于采用太阳能热水器,系统省去热水器装机负荷以及运行负荷;由于采用太阳能热水器作为冬季热泵供热的热源,实现了寒冷地区的热泵冬夏两季运行,省去了系统供热空调装机负荷。另外,该系统通过将太阳能和天然气或电能适当结合,克服了传统太阳能利用的不连续、不稳定的缺陷--夏季系统可以输出空调用冷和生活热水,冬季系统可以输出空调用热,仅太阳能环境能源的利用就使系统节电能20%-30%;年总能耗比传统技术方案降低了60%左右,节能效果非常明显。该项目设备总投资费用虽然比传统技术高20%多(其中太阳能热水器设备费约占总投资的60%),但运行费用降低50%左右,所追加投资仅需2年左右就可全部回收。
  目前,对以太阳能、地热能等为主的可再生能源的研究和利用受到世界范围的重视。随着对可再生能源的能量聚集、转化、储存和利用等方面研究的深入,无论是从环境保护的角度,还是从技术经济、社会发展的角度来看,以可再生能源为基础的分布式供电方式具有不可替代性,必将成为未来很有发展前景的供能手段之一。

1.3.我国需要分布式供电
  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、集中式的电网供电依然是我国目前能源工业的主要发展方向。
  但是,我国需要分布式供电。这是因为:
  (1)我国幅员辽阔,但物产资源相对贫乏,而且经济发展不平衡。对于西部等边远、落后地区而言,由于其远离经济发达地区,形成一定规模的、强大的集中式西北电网系统需要很长时间和巨额的投资,这无法满足目前西部经济快速发展的需要。而分布式供电系统可以借助西部天然气资源丰富、可再生能源多种多样的优势,在不长的时间内,以较小的投资为代价,为西部经济发展提供有力的支撑;对于东南沿海经济发达地区,由于生活水平的日益增加,已经出现了类似于西方发达国家的对于能源产品需求多样化的趋势。与集中式供电相比,分布式供电显现了突出的优点,为解决上述问题提供-个更加圆满的方案。
  (2)随着经济建设的飞速发展,我国集中式供电电网的规模迅速膨胀。这种发展所带来的安全性问题是不容忽视的,如纽约市、台湾岛二次大停电己为我们敲响了警钟。为了及时抑制这种趋势的蔓延,只有合理地调整供电结构、有效地将分布式供电和集中式供电结合在一起,构架更加安全稳定的电力系统。
  (3)纵观西方发达国家的能源产业的发展过程,可以发现:它经历了从分布式供电到集中式供电,又到分布式供电方式的演变。造成这种现象不仅仅是由于生活水平提高的需求,而且也是集中式供电方式自身所固有的缺陷造成的。毋庸置疑,随着社会的发展,我国能源产业也将面临类似的问题。因此,虽然从目前能源产业的发展情况来看,集中式供电是我国能源系统发展的主要方向,但从长远看,构造一个集中式供电与分布式供电相结合的合理能源系统,增加电网的质量和可靠性,将为我国能源产业的发展打下坚实的基础。
  所以,我国近期在发展大机组、大电厂的同时,应不失时机、因地制宜地兴建分布式供电设施。可以预见,随着西部大开发的深入进行,特别是“西气东输”工程的开展,我国沿线区域和边远地区的分布式供电将得到极大的发展。
  还应指出,对北京而言,这种分布式能源系统,不仅是保证2008年奥运会顺利进行所必须的,而且它将为首都经济提供一个有广阔前景的技术产业,为北京的发展做出贡献。

2.冷热电联产
2.1.冷热电联产系统概述及其特点
  传统动力系统的技术开发以及商业化的努力主要着眼于单独的设备,例如,集中供热、直燃式中央空调及发电设备。这些设备的共同问题在于单一目标下的能耗高,在忽视环境影响和不合理的能源价格情况下,具有-定的经济效益。但是,从科技技术角度出发,这些设备都尚未达到有限能源资源的高效和综合利用。
  冷热电联产(CCHP)是-种建立在能的梯级利用概念基础上,将制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程-体化的多联产总能系统,目的在于提高能源利用效率,减少碳化物及有害气体的排放。与集中式发电-远程送电比较,CCHP可以大大提高能源利用效率:大型发电厂的发电效率-般为35%-55%,扣除厂用电和线损率,终端的利用效率只能达到30-47%。而CCHP的能源利用率可达到90%,没有输电损耗;另外,CCHP在降低碳和污染空气的排放物方面具有很大的潜力:据有关专家估算,如果从2000年起每年有4%的现有建筑的供电、供暖和供冷采用CCHP,从2005年起25%的新建建筑及从2010年起50%的新建建筑均采用CCHP的话,到2020年的二氧化碳的排放量将减少19%。如果将现有建筑实施CCHP的比例从4%提高到8%,到2020年二氧化碳的排放量将减少30%。

2.2.冷热电联产系统方案选择
  典型冷热电三联产系统一般包括:动力系统和发电机(供电)、余热回收装置(供热)、制冷系统(供冷)等。针对不同的用户需求,冷热电联产系统方案的可选择范围很大:与热、电联产技术有关的选择有蒸汽轮机驱动的外燃烧式和燃气轮机驱动的内燃烧式方案;与制冷方式有关的选择有压缩式、吸收式或其它热驱动的制冷方式。另外,供热、供冷热源还有直接和间接方式之分。
  在外燃烧式的热电联产应用中,由于背压汽轮机常常受到区域供热负荷的限制不能按经济规模设置,多数是相当小的和低效率的;而对于内燃烧式方案,由于技术的不断进步,已经生产出了尺寸小、重量轻、污染排放低、燃料适应性广、具有机械效率和高排气温度的燃气轮机,同时燃气轮机的容量范围很宽:从几十到数百KW的微型燃气轮机到300MW以上的大型燃气轮机,它们用于热电联产时既发电又产汽,兼有高发电效率(30%-40%)和高的热效率(70%-80%)。现在,在有燃汽和燃油的地方,燃气轮机正日益取代汽轮机在热电联产中的地位。
  压缩式制冷是消耗外功并通过旋转轴传递给压缩机进行制冷的,通过机械能的分配,可以调节电量和冷量的比例;而吸收式制冷是耗费低温位热能来制冷(根据对热量和冷量的需求进行调节和优化),把来自热电联产的一部分或全部热能用于驱动吸收式制冷系统。
  目前最为常见的吸收式制冷系统为溴化锂吸收式制冷系统和氨吸收式制冷系统。前者制冷温度由于受制冷剂的限制,不能低于5℃,-殷仅用于家用空调;后者的制冷温度范围非常大(+10℃--50℃),不仅可用于空调,而且可用于0℃以下的制冷场所。同时,氨吸收式制冷系统可以利用低品位的余热,所需热源的温度只要达到80℃以上就能利用,从而使能源得到充分合理的利用;而月氨吸收式制冷系统还具有节电、设备易于制造和维修、对安装场所要求不高、系统运行平稳可靠、噪声小、便于调节、可以在同一系统内提供给用户不同温度的冷量、单个系统的制冷量很大等优点。

3.结论
  随着人民生活水平的提高,能源消费日益增长,能源动力系统愈来愈向大容量、高度集中的模式发展。然而,分布式供电是集中供电不可缺少的重要补充。它因灵活的变负荷性、低的初投资、很高的供电可靠性、很小的输电损失和适合可再生能源等特点在世界范围内越来越受到重视。
  本文通过对分布式供电特点及其发展趋势的阐述,强调分布式供电是集中供电不可缺少的重要补充;同时指出可再生能源为分布式供电提供了更广阔的发展前景。值得强调的是:简单的分布式供电是不合理的,而冷热电三联产系统(CCHP)热力过程更加符合能的梯级利用原则,通过吸收式制冷循环和供热循环的有机结合,使系统内的中低温热能得以合理利用,相对于分产系统能量利用率可提高30-50%。可以预见,随着天然气的广泛应用、电力垄断的逐步解体、环境保护要求提高和可再生能源利用技术水平的提高,不仅我国边远地区和西部地区的分布式供电将得到极大的发展,而且小型化的分布式供电(特别是具有能量-资源利用合理、环保性能优良、冷热电负荷分配灵活等优势的冷热电联产)将成为中国城市现代化的重要动力。毫无疑问,分布式供电将成为未来能源领域的-个重要的新方向。
  为了确保2008年奥运会电、冷和热水的供应,在集中供电的同时,很有必要建设分布式供能系统。建议立即着手开展以太阳能为主要能源的分布式供能系统方向的各项工作。

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