分類(lèi)

當今的分布式供電方式主要是指用液體或氣體燃料的內燃機（IC）、微型燃氣輪機（Microturbines）和各種工程用的燃料電池（Fuel Cell）。因其具有良好的環(huán)保性能，分布式供電電源與“小機組”已不是同一概念。與集中供電電站相比，分布式供電具有以下優(yōu)勢：沒(méi)有或很低輸配電損耗；無(wú)需建設配電站，可避免或延緩增加的輸配電成本；適合多種熱電比的變化，可使系統根據熱或電的需求進(jìn)行調節從 而增加年設備利用小時(shí)；土建和安裝成本低；各電站相互獨立，用戶(hù)可自行控制，不會(huì )發(fā)生大規模 供電事故，供電的可靠性高；可進(jìn)行遙控和監測區域電力質(zhì)量和性能；非常適合對鄉村、牧區、山 區、發(fā)展中區域及商業(yè)區和居民區提供電力；大量減少了環(huán)保壓力。

傳統觀(guān)點(diǎn)

20 世紀初以來(lái)電力行業(yè)流行的觀(guān)點(diǎn)是，發(fā)電機組容量越大效率越高，單位kW 投資越低、發(fā)電 成本也越低，因而隨著(zhù)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電力工業(yè)發(fā)展方向是“大機組、大電廠(chǎng)和大電網(wǎng)”。但是，在許多特殊情況下，分布式供電是集中供電不可缺少的重要補充。

優(yōu)點(diǎn)

滿(mǎn)足特殊場(chǎng)合的需求

分布式供電可以滿(mǎn)足特殊場(chǎng)合的需求，如：不適宜鋪設電網(wǎng)的西部等偏遠地區或散布的用戶(hù)；對供電安全穩定性要求較高的特殊用戶(hù)如醫院、銀行等；能源需求較為多樣化的用戶(hù)，需要電 力的同時(shí)還需要熱或冷能的供應。因為它最大的優(yōu)點(diǎn)是不需遠距離輸配電設備，輸電損失顯著(zhù) 減少，運行安全可靠，并可按需要方便、靈活地利用排氣熱量實(shí)現熱電聯(lián)產(chǎn)或熱電冷三聯(lián)產(chǎn)，提高能源利用率。

安全穩定性方面

分布式供電方式可以彌補大電網(wǎng)在安全穩定性方面的不足：在世界上大型火電廠(chǎng)建設的趨勢有 增無(wú)減之時(shí)，電網(wǎng)的急速膨脹對供電安全與穩定性帶來(lái)很大威脅，而各種形式的小型分布式供 電系統，使國民經(jīng)濟、國家安全至關(guān)重要而又極為脆弱的紐帶--大電網(wǎng)，不再孤立和笨拙。

大大地提高供電可靠性

直接安置在用戶(hù)近旁的分布式發(fā)電裝置與大電網(wǎng)配合，可大大地提高供電可靠性，在電網(wǎng)崩潰 和意外災害（例如地震、暴風(fēng)雪、人為破壞、戰爭）情況下，可維持重要用戶(hù)的供電。分布式供電方式為能源的綜合梯級利用提供了可能：常規的集中供電方式能量形式相對單一，當用戶(hù)不僅僅需要電力，而且需要其它能量形式如冷能和熱能的供應時(shí)，僅通過(guò)電力來(lái)滿(mǎn)足上 述需要時(shí)難以實(shí)現能量的綜合梯級利用，而分布式供電方式以其規模小、靈活性強等特點(diǎn)，通 過(guò)不同循環(huán)的有機整合可以在滿(mǎn)足用戶(hù)需求的同時(shí)實(shí)現能量的綜合梯級利用，并且克服了冷能 和熱能無(wú)法遠距離傳輸的困難。

開(kāi)辟新的方向

分布式供電方式為可再生能源的利用開(kāi)辟了新的方向：相對于化石能源而言，可再生能源能流密度較低、分散性強，而且目前的可再生能源利用系統規模小、能源利用率較低，作為集中供電手段是不現實(shí)的。而分布式供電方式為可再生能源利用的發(fā)展提供了新的動(dòng)力。我國的可再生能源資源豐富，發(fā)展可再生能源是21 世紀減少環(huán)境污染和溫室氣體排放以及替代化石能源 的必然要求，因此為充分利用量多面廣的可再生能源發(fā)電，方便安全地向偏僻少能源地區供電，現在建設可再生能源分布式供電的呼聲漸漸高漲。

問(wèn)題

還應指出，對目前世界能源產(chǎn)業(yè)面臨亟待解決的四大問(wèn)題：合理調整能源結構、進(jìn)一步提高能 源利用效率、改善能源產(chǎn)業(yè)的安全性、解決環(huán)境污染，單一的大電網(wǎng)集中供電解決上述問(wèn)題存在困難，而分布式供電系統恰好可以在提高能源利用率、改善安全性與解決環(huán)境污染方面做出突出的貢獻。因此，大電網(wǎng)與分散的小型分布式供電方式的合理結合，被全球能源、電力專(zhuān)家認為是投資省、能耗低、可靠性高的靈活能源系統，成為21 世紀電力工業(yè)的發(fā)展方向。這就是說(shuō)，世界電力工業(yè)已經(jīng)開(kāi)始向傳統電力工業(yè)的模式告別，走向依靠大型發(fā)電站和小型分布式供電廣泛結合的過(guò)渡的“分散式”電力系統，從而大大改善供電效率、供電品質(zhì)和減輕當今電力行業(yè)對環(huán)境影響形成的負 擔、減少興建和改善輸配電線(xiàn)路。而且，由于近來(lái)發(fā)生的加州供電危機，國外有的觀(guān)點(diǎn)甚至認為今 后在大力發(fā)展分布式供電的情況下，大型中心電站將走向衰落。

發(fā)展趨勢

分布式供電主要方式

分布式發(fā)電方式多種多樣，根據燃料不同，可分為化石能源與可再生能源；根據用戶(hù)需求不同，有電力單供方式與熱電聯(lián)產(chǎn)方式（CHP），或冷熱電三聯(lián)產(chǎn)方式（CCHP）；根據循環(huán)方式不同，可分為燃氣輪機發(fā)電方式，蒸汽輪機發(fā)電方式或柴油機發(fā)電方式等。表1 列出了主要的分布式供電方式。在產(chǎn)業(yè)革命后的200 年中，煤炭一直是世界范圍內的主要能源，而隨著(zhù)科技、經(jīng)濟的發(fā)展，石油在一次能源結構中的比例不斷增加，于20 世紀60 年代超過(guò)煤炭。此后，石油、煤炭所占比例緩慢下降，天然氣比例上升；同時(shí)，新能源、可再生能源逐步發(fā)展，形成了當前的以化石燃料為主和新能源、可再生能源并存的格局。然而，雖然可再生能源是取之無(wú)盡的潔凈能源，但其能源密度低，穩定性較差，需要蓄能調節，長(cháng)期穩定運行困難，且由于技術(shù)不夠成熟，可再生能源一次投資較大，經(jīng)濟性差；而化石能源的發(fā)電技術(shù)不僅更加成熟，而且效率更高。因此，作為分布式供電的發(fā)電技術(shù)，化石能源是主要方向。

分布式供電主要動(dòng)力

- 微型燃氣輪機

以化石能源為能源動(dòng)力的分布式供電方式多種多樣（見(jiàn)表1）。隨著(zhù)微型燃機技術(shù)的不斷完善，微型燃機發(fā)電機組已成為分布式供電的主力。微型燃氣輪機（Micro Turbines）是功率為數百kW 以下的、以天然氣、甲烷、汽油、柴油等為 燃料的超小型燃氣輪機。它的雛形可追溯到60 年代，但作為一種新型的小型分布式供電系統和電 源裝置的發(fā)展歷史則較短。

微型燃氣輪機大都采用回熱循環(huán)。通常它由透平、壓氣機、燃燒室、回熱器、發(fā)電機及電子控 制部分組成，從壓氣機出來(lái)的高壓空氣先在回熱器內接受透平排氣的預熱，然后進(jìn)入燃燒室與燃料 混合、燃燒。大多數微型燃氣輪機由燃氣輪機直接驅動(dòng)內置式高速發(fā)電機，發(fā)電機與壓氣機、透平 同軸，轉速在50 000～120 000 r/min 之間。一些單軸微型燃氣輪機設計，發(fā)電機發(fā)出高頻交流電，轉換成高壓直流電后，再轉換為60 Hz 480 V 的交流電。

目前，開(kāi)發(fā)微型透平的廠(chǎng)商主要集中在北美，歐洲有瑞典和英國。表2 為部分新一代微型燃氣 輪機的主要技術(shù)參數。

微型燃機先進(jìn)技術(shù)特征

與柴油機發(fā)電機組相比，微型燃機具有以下一系列先進(jìn)技術(shù)特征[5-12]：

（1）運動(dòng)部件少，結構簡(jiǎn)單緊湊，重量輕，是傳統燃機的1/4；

（2）可用多種燃料，燃料消耗率低、排放低，尤其是使用天然氣；

（3）低振動(dòng)、低噪音、壽命長(cháng)、運行成本低；

（4）設計簡(jiǎn)單、備用件少、生產(chǎn)成本低；

（5）通過(guò)調節轉速，即使不是滿(mǎn)負荷運轉，效率也非常高；

（6）可遙控和診斷；

（7）可多臺集成擴容。

因此，先進(jìn)的微型燃氣輪機是提供清潔、可靠、高質(zhì)量、多用途的小型分布式供電的最佳方式，使電站更靠近用戶(hù)，無(wú)論對中心城市還是遠郊農村甚至邊遠地區均能適用。制造商們相信，一旦達到適當的批量，微型燃氣輪機有能力與中心發(fā)電廠(chǎng)相匹敵。對終端用戶(hù)來(lái)說(shuō)，與其它小型發(fā)電裝置相比，微型燃氣輪機是一種更好的環(huán)保型發(fā)電裝置。

分布式供電發(fā)展方向

- 冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統

雖然回熱等有效提高微型燃氣輪機系統熱轉功效率的手段得到應用，微型燃機發(fā)電效率已從 17%~20%上升到當前的26%~30%，但以微型燃氣輪機作為動(dòng)力的簡(jiǎn)單的分布式供電系統的熱轉功 效率依然遠小于大型集中供電電站。如何有效提高分布式供電系統的能量利用效率是當前分布式供 電技術(shù)發(fā)展所面臨的主要障礙之一。

正如常規的集中供電電站可以通過(guò)功熱并供提高能源利用率一樣，分布式供電系統在用戶(hù)需要 的情況下，同樣可以在生產(chǎn)電力的同時(shí)提供熱能或同時(shí)滿(mǎn)足供熱、制冷兩方面的需求。而后者則成 為一種先進(jìn)的能源利用系統-冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統。與簡(jiǎn)單的供電系統相比，冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統可以在大幅度提高系統能源利用率的同時(shí)，降低環(huán) 境污染，明顯改善系統的熱經(jīng)濟性。因此，三聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是目前分布式供電發(fā)展的主要方向之一。

目前我國正處在經(jīng)濟高速發(fā)展時(shí)期，提高資源綜合利用效率，是我國能源工業(yè)能否持續支撐國 家現代化建設的關(guān)鍵所在。我國能源利用水平距世界發(fā)達國家還有很大的差距，日益增長(cháng)的電力需 求遠未得到滿(mǎn)足，“大機組、大電廠(chǎng)、大電網(wǎng)”的大規模、集中式的電網(wǎng)供電依然是我國目前能源 工業(yè)的主要發(fā)展方向。

但是，我國需要分布式供電。這是因為：

（1）我國幅員遼闊，但物產(chǎn)資源相對貧乏，而且經(jīng)濟發(fā)展不平衡。對于西部等偏遠、落后地區而 言，由于其遠離經(jīng)濟發(fā)達地區，形成一定規模的、強大的集中式西北電網(wǎng)系統需要很長(cháng)時(shí)間 和巨額的投資，這無(wú)法滿(mǎn)足目前西部經(jīng)濟快速發(fā)展的需要。而分布式供電系統可以借助西部 天然氣資源豐富、可再生能源有多種多樣的優(yōu)勢，在短時(shí)間內，以較小的投資為代價(jià)，為西 部經(jīng)濟發(fā)展提供有利的支撐；對于東南沿海經(jīng)濟發(fā)達地區，由于生活水平的日益提高，已經(jīng) 出現了類(lèi)似于西方發(fā)達國家的對于能源產(chǎn)品需求多樣化的趨勢，與集中式供電相比，分布式 供電可以為解決上述問(wèn)題提供更加圓滿(mǎn)的方案。

（2）隨著(zhù)經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展，我國集中式供電電網(wǎng)的規模迅速膨脹。這種發(fā)展所帶來(lái)的安全性 問(wèn)題是不容忽視的，如紐約市、臺灣島二次大停電已為我們敲響了警鐘。為了及時(shí)抑制這種 趨勢的蔓延，只有合理地調整供電結構、有效地將分布式供電和集中式供電結合在一起，構 架更加安全穩定的電力系統。

（3）縱觀(guān)西方發(fā)達國家的能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過(guò)程，可以發(fā)現：它經(jīng)歷了從分布式供電到集中式供電，又到分布式供電方式的演變。造成這種現象不僅僅是由于生活水平的需求，而且也是集中式 供電方式自身所固有的缺陷造成的。毋庸置疑，隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，我國能源產(chǎn)業(yè)也將面臨類(lèi) 似的問(wèn)題。因此，雖然從目前能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況來(lái)看，集中式供電是我國能源系統發(fā)展的 主要方向，但從長(cháng)遠看，構造一個(gè)集中式供電與分布式供電相結合的合理的能源系統，增加 電網(wǎng)的質(zhì)量和可靠性，將為我國能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打下堅實(shí)的基礎。

所以，我國近期應發(fā)展大機組、大電廠(chǎng)，同時(shí)，不失時(shí)機、因地制宜地興建分布式供電設施?？梢灶A見(jiàn)，隨著(zhù)西部大開(kāi)發(fā)的深入進(jìn)行，特別是“西氣東輸”工程的開(kāi)展，我國沿線(xiàn)區域和邊遠地 區的分布式供電將得到極大的發(fā)展。

冷熱電聯(lián)產(chǎn)

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統概述

傳統動(dòng)力系統的技術(shù)開(kāi)發(fā)以及商業(yè)化的努力主要著(zhù)眼于單獨的設備，例如，集中供熱、直燃式 中央空調及發(fā)電設備。這些設備的共同問(wèn)題在于單一目標下的能耗高，在忽視環(huán)境影響和不合理的能源價(jià)格情況下，具有一定的經(jīng)濟效益。但是，從科學(xué)技術(shù)角度出發(fā)，這些設備都尚未達到有限能源資源的高效和綜合利用。冷熱電聯(lián)產(chǎn)（CCHP）是一種建立在能的梯級利用概念基礎上，將制冷、供熱（采暖和供熱水）及發(fā)電過(guò)程一體化的多聯(lián)產(chǎn)總能系統，目的在于提高能源利用效率，減少碳化物及有害氣體的排放。與集中式發(fā)電-遠程送電比較，CCHP 可以大大提高能源利用效率：大型發(fā)電廠(chǎng)的發(fā)電效率一般為35%-55%，扣除廠(chǎng)用電和線(xiàn)損率，終端的利用效率只能達到30-47%。而CCHP 的能源利用率可達 到90%，沒(méi)有輸電損耗；另外，CCHP 在降低碳和污染空氣的排放物方面具有很大的潛力：據有關(guān) 專(zhuān)家估算，如果從2000 年起每年有4%的現有建筑的供電、供暖和供冷采用CCHP，從2005 年起 25%的新建建筑及從2010 年起50%的新建建筑均采用CCHP 的話(huà)，到2020 年的二氧化碳的排放量 將減少19%。如果將現有建筑實(shí)施CCHP 的比例從4%提高到8%，到2020 年二氧化碳的排放量將 減少30%[13,14]。

冷熱電系統方案選擇

典型冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統一般包括：動(dòng)力系統和發(fā)電機（供電）、余熱回收裝置（供熱）、制冷系 統（供冷）等。針對不同的用戶(hù)需求，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統方案的可選擇范圍很大：與熱、電聯(lián)產(chǎn)技術(shù) 有關(guān)的選擇有蒸汽輪機驅動(dòng)的的外燃燒式和燃氣輪機驅動(dòng)的內燃燒式方案；與制冷方式有關(guān)的選擇 有壓縮式、吸收式或其它熱驅動(dòng)的制冷方式。另外，供熱、供冷熱源還有直接和間接方式之分。

在外燃燒式的熱電聯(lián)產(chǎn)應用中，由于背壓汽輪機常常受到區域供熱負荷的限制不能按經(jīng)濟規模 設置，多數是相當小的和低效率的；而對于內燃燒式方案，由于通過(guò)技術(shù)革新已經(jīng)生產(chǎn)出了尺寸小、重量輕、污染排放低、燃料適應性廣、具有高機械效率和高排氣溫度的燃氣輪機，同時(shí)燃氣輪機的 容量范圍很寬：從幾十到數百kW 的微型燃氣輪機到300 MW 以上的大型燃氣輪機，它們用于熱電 聯(lián)產(chǎn)時(shí)既發(fā)電又產(chǎn)汽，兼有高機械效率(30%～40% )和高的熱效率(70%～80%)。所以在有燃氣和燃 油的地方，燃氣輪機正日益取代汽輪機在熱電聯(lián)產(chǎn)中的地位。

壓縮式制冷是消耗外功并通過(guò)旋轉軸傳遞給壓縮機進(jìn)行制冷的，通過(guò)機械能的分配，可以調節 電量和冷量的比例；而吸收式制冷是耗費低溫位熱能來(lái)達到制冷的目的的，通過(guò)把來(lái)自熱電聯(lián)產(chǎn)的 一部分或全部熱能用于驅動(dòng)吸收式制冷系統，根據對熱量和冷量的需求進(jìn)行調節和優(yōu)化。

常見(jiàn)的吸收式制冷系統

目前最為常見(jiàn)的吸收式制冷系統為溴化鋰吸收式制冷系統和氨吸收式制冷系統。前者制冷溫度 由于受制冷劑的限制，不能低于5 ℃，一般僅用于家用空調；后者的制冷溫度范圍非常大（+10 ℃～ .50 ℃）, 不僅可用于空調，而且可用于0 ℃以下的制冷場(chǎng)所。同時(shí)，氨吸收式制冷系統可以利用 低品位的余熱，所需熱源的溫度只要達到80 ℃以上就能利用，從而使能源得到充分合理的利用；而且氨吸收式制冷系統還具有節電、設備制造容易、對安裝場(chǎng)所要求不高、系統運行平穩可靠，噪 聲小，便于調節、設備易于維修、可以在同一系統內提供給用戶(hù)不同溫度的冷量、單個(gè)系統的制冷 量很大等優(yōu)點(diǎn)。直接熱源制冷和間接熱源制冷的選擇和分配原則　直接熱源制冷（燃氣輪機排煙作為制冷熱源）和間接熱源制冷（由余熱鍋爐回收燃氣輪機排氣 余熱產(chǎn)生蒸汽，再利用蒸汽作為制冷熱源）的選擇和分配原則：主要考慮過(guò)程效率、換熱器的經(jīng)濟 性、及冷熱電負荷分配的靈活性等方面考慮。直接熱源制冷無(wú)需經(jīng)過(guò)余熱鍋爐轉換為蒸汽，能的品 位損失小、能量利用率高，但由于煙氣為加熱工質(zhì)，所以換熱器的設計需要考慮高溫腐蝕問(wèn)題；間 接熱源制冷由于采用兩次換熱，能量利用率低，過(guò)程能的品位損失大，但由于是蒸汽為加熱工質(zhì)，對換熱器的材料要求較低。另外，直接熱源制冷的負荷分配靈活性差。

冷熱電系統模擬分析

為了揭示聯(lián)產(chǎn)系統具有更高能源利用率的原因，本文對冷熱電聯(lián)產(chǎn)方案和簡(jiǎn)單的分布式供電系 統作了比較。所設計的三聯(lián)產(chǎn)方案的系統流程如圖1 所示。以天然氣為燃料的燃氣輪機主要承擔供 應電力的任務(wù)，燃氣輪機透平排煙首先進(jìn)入回熱器預熱送往燃燒室的空氣，然后進(jìn)入余熱回收器回 收中低溫熱量。余熱回收器的冷側主要有兩股循環(huán)物流：物流1 為5bar 的飽和蒸汽，被送往溴化鋰 吸收式制冷子系統作為制冷熱源，經(jīng)泵補償壓力損失后，回水為5bar 的飽和水；物流2 為90℃的 熱水，被送入城市熱網(wǎng)作為生活用熱的熱源，回水溫度為70℃。而電力單供系統選用TG80 有回熱的微型燃氣輪機，主要參數如

技術(shù)條件和基本假設

考慮到當前的技術(shù)水平，模擬過(guò)程中，各系統的主要熱力參數為：選取英國寶曼公司的微型燃 氣輪機TG80 作為主要發(fā)電設備，其主要熱力參數如表3 所示；余熱回收器為氣-液換熱設備，節點(diǎn) 溫差不低于20 ℃，由于采用相對潔凈的天然氣燃料，選擇酸露點(diǎn)溫度為90 ℃；熱用戶(hù)主要為城 市采暖，進(jìn)入熱網(wǎng)的熱水溫度為90 ℃，回水溫度為70 ℃；方案所采用的雙效溴化鋰制冷循環(huán)所 需熱源為151.8 ℃飽和蒸汽，制冷溫度為15 ℃，制冷性能系數COP 為1.2；方案2 采用的壓縮式 制冷-熱泵循環(huán)中，制冷溫度為15 ℃，供熱參數為70 ℃～90 ℃熱水，熱泵COP 為3。環(huán)境溫度 25 ℃，標準天然氣燃料低位發(fā)熱量為34.88 MJ/m3。

模擬分析結果

三聯(lián)產(chǎn)方案的能耗分析結果與分供系統能耗的比較如表4 所示。其中獨立制冷系統采用電空調，系統輸入的能量為電力而非天然氣的化學(xué)能，為了比較方便，我們采用如下方法將此系統所消耗的 電能折算為天然氣耗量：

燃料消耗量=電力消耗量×（電力分供系統燃料消耗量/ 系統供電出力）

從表中可以看出，滿(mǎn)足同樣的電、熱、冷需求，采用聯(lián)產(chǎn)方式需消耗天然氣31.8 m3/hr，而采用 分供方式則需要消耗天然氣量為三個(gè)分供系統能耗的總和，為54.98 m3/hr。聯(lián)產(chǎn)系統相對于分供系 隨著(zhù)人民生活水平的提高，能源消費日益增長(cháng)，能源動(dòng)力系統愈來(lái)愈向大容量、高度集中的模 式發(fā)展。然而，分布式供電是集中供電不可缺少的重要補充。它因靈活的變負荷性、低的初投資、很高的供電可靠性和很小的輸電損失等特點(diǎn)在世界范圍內越來(lái)越受到重視。