分布式能源技術(shù)研究及應(yīng)用

（研究單位：中國華電集團公司）

一、研究方向與主要成果

本項目以供能發(fā)電行業(yè)中節(jié)能減排的重大需求為研究背景，研究分布式能源系統(tǒng)余熱利用關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)集成。研究成果在廣州大學(xué)城分布式能源站項目中得到充分應(yīng)用，為分布式能源系統(tǒng)在我國有條件的地區(qū)大規(guī)模推廣應(yīng)用有著重大的推動作用，為降低大中城市能源消耗和實現(xiàn)節(jié)能減排提供重要依據(jù)，為分布式能源的規(guī)劃設(shè)計、施工建設(shè)、運營管理和分布式能源的標準化、模塊化、系列化方面提供重要的參考依據(jù)和典型示范。項目研究所提出的分布式能源集成系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)一次能源70~80%的利用效率，為替代高能耗、高污染、高運行成本的傳統(tǒng)供能方式提供支撐，是大中城市降低能源消耗，實現(xiàn)節(jié)能減排，推進智能電網(wǎng)建設(shè)的首選方案。

上世紀80年代前后開始，國際上就提出了總能系統(tǒng)與冷熱電聯(lián)產(chǎn)為主要特征的分布式供能系統(tǒng)雛形概念。近10年來，由于分布式供能技術(shù)在能源利用效率、環(huán)境保護等方面的優(yōu)勢，逐漸被發(fā)達國家所接受，在面向21世紀的能源戰(zhàn)略規(guī)劃中，許多國家將分布式供能技術(shù)作為本國科技優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。分布式供能系統(tǒng)以冷熱電聯(lián)供為主要形式，具有高效、環(huán)保、經(jīng)濟、可靠、和靈活等特點，是一種先進的供能系統(tǒng)，能夠大幅度節(jié)能減排，我國已將分布式供能技術(shù)定位為能源領(lǐng)域前沿技術(shù)。由于分布式供能系統(tǒng)實現(xiàn)了能源的梯級利用，與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)相比，每100萬kW的裝機容量，每年可以節(jié)能78萬噸標煤以上。我國5年內(nèi)新增電力裝機容量預(yù)期超過4億kW，如果其中的15％～20％采用分布式供能系統(tǒng)，則每年節(jié)能6000萬噸標煤以上，CO2減排約1.6億噸。

分布式能源系統(tǒng)是靠近用戶端的供能方式，而用戶側(cè)的電、熱、冷需求是隨時間變動的，而常規(guī)動力系統(tǒng)往往以穩(wěn)定運行作為設(shè)計要求。采用關(guān)鍵設(shè)備來調(diào)整電、熱、冷的匹配來適應(yīng)用戶需求是分布式能源系統(tǒng)研究的一個重點，系統(tǒng)集成技術(shù)是發(fā)揮冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢的關(guān)鍵和難點。本項目在綜合考慮包括啟動、設(shè)計、變工況在內(nèi)的全工況性能的系統(tǒng)集成（以下簡稱“全工況系統(tǒng)集成”）為重點研究方向，同時考慮低于120℃低溫煙氣的能量利用。本項目的另外一個研究重點在于引入了“混合動力”原理，采用了主動蓄能的方式來降低系統(tǒng)裝機和提高全工況下的能源利用效率。

二、依托項目的基本情況

廣州大學(xué)城項目是廣東省和廣州市貫徹“科教興粵”戰(zhàn)略部署的重點項目，是中國華電集團公司在天然氣高效利用方面的首個10萬千瓦級分布式能源站建設(shè)項目。廣州大學(xué)城分布式能源站是亞洲最大的分布式能源系統(tǒng)，為分布式能源站的發(fā)展提供了重大示范，為我國建立分布式能源系統(tǒng)設(shè)計系列化、模塊化標準提供示范，同時積極推動了我國節(jié)能減排的深入。

廣州大學(xué)城坐落于廣東省廣州市番禹區(qū)新造小谷圍島及其南岸地區(qū)，遠期規(guī)劃面積為43平方公里，屆時區(qū)域內(nèi)總?cè)丝趯⑦_30余萬，分兩期建成。其中小谷圍島內(nèi)規(guī)劃面積18平方公里，為大學(xué)城一期工程，含十所大學(xué)及中央商務(wù)區(qū)，擬建建筑面積約800萬平方米，可容納14萬高校學(xué)生，總?cè)丝诩s25萬。

廣州華電大學(xué)城分布式能源站的功能是滿足大學(xué)城區(qū)的各種能源需求，包括為大學(xué)城用戶提供電力；向集中熱水制備站提供生產(chǎn)生活熱水的高溫熱媒水和加熱用蒸汽；為廠區(qū)提供冷負荷等；并為原關(guān)停小電廠的部分熱用戶提供工業(yè)供熱熱源。根據(jù)廣州大學(xué)城一期和二期規(guī)劃，能源站最終規(guī)劃容量為300MW級，設(shè)置4×78 MW分布式能源站，分二期建成，一期先建2套分布式冷熱電聯(lián)供機組，二期工程根據(jù)熱電負荷的增長情況，在一期基礎(chǔ)上再擴建相應(yīng)的機組，必要的公用設(shè)施土建構(gòu)筑物一次建成，設(shè)備分期安裝。

廣州大學(xué)城能源站的熱負荷為大學(xué)城各校區(qū)和中央商務(wù)區(qū)提供生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)，其需求極不平衡。熱水主要提供給學(xué)生宿舍和教師公寓以及有需求的公共和商業(yè)建筑。最大小時需水量出現(xiàn)在22:00，由于熱水需求時段的極端不均勻，典型日最大用水時段的小時熱水負荷大于能源系統(tǒng)相應(yīng)的小時余熱生產(chǎn)能力，系統(tǒng)采用蓄熱式的熱水供應(yīng)方式。廣州大學(xué)城項目設(shè)計熱負荷按生活熱水負荷和服裝洗水熱負荷的分時段疊加考慮，設(shè)計熱負荷：最大熱負荷為310GJ/h，最小熱負荷為66GJ/h，平均熱負荷為146GJ/h。工業(yè)熱負荷為11.46t/h，且供汽量比較不穩(wěn)定，供熱蒸汽冷凝水不回收。大學(xué)城熱水制備站的熱負荷需求在不同月份、不同時段差別很大；冷凝水與所制熱水混合后供大學(xué)城熱水，不回收。余熱鍋爐熱水汽水損失率為2%。

三、項目的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點

基于對分布式供能技術(shù)在我國能源戰(zhàn)略中重要地位的共識，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》（以下簡稱“綱要”）中的第一領(lǐng)域（能源）第一優(yōu)先主題（工業(yè)節(jié)能）中明確強調(diào)發(fā)展“分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)”?！毒V要》進一步將分布式供能技術(shù)作為與氫能、核能等并列的四項前沿技術(shù)之一。本項目的建設(shè)實施是對《綱要》規(guī)劃的具體落實，也是對節(jié)能減排的推動。

本項目在研究分布式能源系統(tǒng)集成過程中提出了“以冷定電”和“欠匹配”原則，同時在系統(tǒng)全工況調(diào)節(jié)和節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用方面作出了突出貢獻，其成果得到了充分體現(xiàn)。廣州大學(xué)城分布式能源項目中以“能源的梯級利用”為主線，圍繞理論創(chuàng)新、核心技術(shù)突破等目標，開展了系統(tǒng)方案集成和工程應(yīng)用工作，形成了華電工程自有的創(chuàng)新點和關(guān)鍵技術(shù)：

（1）提出了分布式能源系統(tǒng)模塊化、序列化設(shè)計方法。在該設(shè)計方法的引導(dǎo)下，建成了亞洲目前最大的分布式能源站（發(fā)電裝機容量為15.6萬kW），為分布式能源系統(tǒng)的研究提供了重大示范，同時也積極推動了我國節(jié)能減排的深入實施；

（2）豐富和發(fā)展了總能系統(tǒng)理論，實現(xiàn)了天然氣能量的電、熱、冷及生活熱水的“四級”利用；

（3）提出有效的全工況調(diào)控手段，采用主動蓄能方法和抽汽補汽汽輪機關(guān)鍵設(shè)備，平衡了系統(tǒng)冷熱電產(chǎn)出，提高了系統(tǒng)的全工況效率和運行靈活性。同時系統(tǒng)采用了適合于變水溫的熱水型溴化鋰吸收式制冷設(shè)備，平衡了生活熱水與制冷熱源的需求，進一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定，提高了燃氣輪機尾部煙氣的利用率；

（4）形成自主的分布式供能關(guān)鍵過程及系統(tǒng)的理論設(shè)計方法。

四、依托項目的經(jīng)濟效益

廣州大學(xué)城項目堅持科學(xué)用能下，實現(xiàn)了系統(tǒng)基礎(chǔ)理論、集成技術(shù)及調(diào)控手段等方面的創(chuàng)新，具有以下效果：

（1）廣州大學(xué)城項目使分布式能源理論變成實際，在分布式供能關(guān)鍵過程中形成了自主創(chuàng)新，提出動力余熱利用、主動蓄能等分布式供能關(guān)鍵過程及系統(tǒng)的理論設(shè)計方法，同時，廣州大學(xué)城項目為我國建立分布式能源系統(tǒng)設(shè)計系列化、模塊化標準提供示范，使我國的分布式供能系統(tǒng)研究躋身于國際先進行列。

（2）廣州大學(xué)城項目在“溫度對口、梯級利用”熱能綜合梯級利用理論下，集成了燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機、溴化鋰制冷機和生活熱水制取裝置，取得了電、熱、冷及生活熱水的多功能輸出，實現(xiàn)了天然氣能量的四級利用。僅余熱鍋爐尾部受熱面的改進，將額外得到290t/h的生活熱水供大學(xué)城使用。

（3）廣州大學(xué)城項目在系統(tǒng)全工況調(diào)控方面尋求突破，利用抽汽、補汽式汽輪機自動工況調(diào)節(jié)和穩(wěn)定系統(tǒng)的輸出，突破了傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式，引領(lǐng)我國分布式供能技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)研究的跨越式發(fā)展。同時系統(tǒng)采用了適合于變水溫的熱水型溴化鋰吸收式制冷設(shè)備，平衡了生活熱水與制冷熱源的需求，進一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。廣州大學(xué)城項目節(jié)能率為20~25%。僅余熱鍋爐低壓蒸汽進入補汽式汽輪機的使用，在不增加燃料消耗的前提下可額外增加上網(wǎng)電量約為3250萬千瓦時，每年將為系統(tǒng)增加約2000多萬元的純收入。

（4）變溫熱水型溴化鋰吸收式制冷設(shè)備的采用，平衡生活熱水與供冷熱源的需求，穩(wěn)定了制冷單元的輸出，保證了燃氣輪機尾部煙氣的高效利用，進一步降低了排煙溫度，為系統(tǒng)每年約增加30萬元的收入。

五、依托項目的社會效益

分布式供能技術(shù)具有良好的節(jié)能效果，并大大降低系統(tǒng)輸配電和冷熱輸送設(shè)備的投資和運行成本，具有很好的經(jīng)濟性，可以為投資方、設(shè)備制造方、用戶等各方帶來良好收益。同時，全球氣溫變暖，CO2已成為公認的禍首，在上述背景下，提高化石能源利用率，成為CO2減排的重要手段，而分布式能源正是以天然氣的高效利用為目的，將成為我國減排目標的重要支撐。同時，分布式能源技術(shù)通常以燃氣輪機或內(nèi)燃機為動力源，其NOx排放遠低于常規(guī)鍋爐，分布式能源系統(tǒng)也將成為我國降低酸雨排放的重要技術(shù)。

我國集中式供電電網(wǎng)的規(guī)模迅速膨脹，由此所帶來的安全性問題是不容忽視的。廣州大學(xué)城項目將分布式供能技術(shù)和集中式供電有效結(jié)合，構(gòu)架了更加安全穩(wěn)定的電力系統(tǒng)。同時，廣州大學(xué)城項目對抑制夏季電力高峰、填補夏季燃氣低谷等方面都發(fā)揮了有益作用。廣州大學(xué)城分布式能源系統(tǒng)向外界輸出電、熱、冷、生活熱水等多種能源，具有較高的節(jié)能率，與常規(guī)系統(tǒng)相比，廣州大學(xué)城分布式能源站項目年CO2減排在8~12萬噸，年NOx排放減少1500~2000噸。適應(yīng)我國“十一五”期間大幅節(jié)能減排的需求。