分布式能源系統應用研究分析

呂松濤

（黑河市熱電廠，黑龍江 黑河 164300）

0 引言

當前，人類面臨“能源、環境、發展”三大主題，合理開發、利用能源已經成為環境友好與社會健康持續發展的前提條件[1]。化石燃料的大量使用盡管能夠促進社會發展，然而同樣能夠對生態環境造成嚴重的污染。近期我國的霧霾天氣的出現，一方面是由于氣象原因所致，同時與汽車、工業污染物和冬季燃煤的污染物排放具有很大的關系。

分布式能源系統(英文簡稱DES)主要是按照“溫度對口，梯級利用”的思想，把發電系統以分散式、模塊式構建于用戶末端，同時或獨立為用戶提供能源的系統。其具有多種形式，較普及的發電技術有燃料電池、燃氣-蒸汽聯合循環、冷熱電三聯供系統[2]。對該系統的應用進行探討，一方面可以推動中國社會健康持續發展，降低能耗，還為設計該系統與設備選型等提供指導。

1 分布式能源系統應用相關研究進展

1.1 國外研究進展

1978年，分布式能源系統首次在美國公共事業管理政策法提出。目前為止，美國已經建立起分布式能源站六千多座，其中包括在大學校園建立的二百多座。預計到2020年，會有15%的現有建筑引入該系統，一半的新建筑引入這一系統[3]。

日本于1981年在東京國立競技場建起首個冷熱電聯供系統，2000年為止，該國已經建成1413 個分布式能源項目，總裝機容量2 212MW； 工業與民用項目容量分別是1 734MW 和478MW；相關數據表明，2003年為止，日本民用項目數多達2 915個，其容量已經超過1 400MW。飯店、辦公樓、醫院、商場等建筑紛紛引入該系統。

在英國，這一系統同樣具有非常快的發展速度，經過幾十年的發展，在醫院、飯店、車站等建筑中已經建成的分布式能源系統超過一千個。其中比較典型的是曼徹斯特機場：該系統包括往復式發動機、常規雙燃料鍋爐（4MW）與余熱鍋爐（5.9MW）各兩臺。每年產值在一百八十萬英鎊左右，能夠節省電5 萬英鎊左右，降低排放SO2和CO2分別為1 000 噸、5 萬噸，具有非常明顯的環境與經濟效益[4]。

歐洲國家同樣利用各種手段推動分布式能源系統，在荷蘭，由于政府政策的支持，這一系統容量在1987年到1998年這段時間中得到飛速發展，由2 700MW 迅速發展到7 000MW，與1989年相比來說，2000年底該國能源效率提高2.3%[5]。

1.2 國內研究進展

近些年，隨著天然氣技術的逐漸完善以及管網范圍的日益增加，全國已經開始建設分布式能源站，在北京、上海等一線城市已經得到示范、應用。如北京燃氣集團大樓的分布式能源系統，2008年實現80%的冷熱負荷，相比常規能源，一次能源節約率在17%左右，每年降低消耗90 萬元人民幣[6]。2011年《國家能源局關于發展天然氣分布式能源的指導意見》 中確定“十二五”的任務：初期運行冷熱電二聯供能源示范項目，“建布式能源站大約一千個，同時確定大約10 個為代表，將其作為能源示范點[7]。

2 分布式能源系統配置研究進展

該系統由三部分組成，也就是制冷系統、余熱回收供熱、動力發電系統。各個部分均包括諸多類型的設備，發電設備包括燃氣內燃機、燃氣輪機等[8]。以天然氣為燃料的系統，燃氣內燃機是發電設備的首選。

2.1 國外研究進展

文獻[8]、[9]利用蟻群算法與遺傳算法優化配置了分布式能能源系統，然而他們僅僅對固定的負荷比進行考慮[8]，用戶所需負荷并非一成不變，是隨環境條件以及時間而不斷改變的，而動力設備在穩定運行狀態才能達到最高效率。設計系統過程中，最為關鍵的是動力設備的穩定性和負荷需求的變化處于平衡，使其在穩定運行的前提下充分利用能量[9]。

文獻[10]、[11]通過兩種方法對排煙溫度和制冷效果、燃氣輪機容量和發電效率的相關性進行研究。

2.2 國內研究進展

中國在《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》中明確“十二五”目標：2015年前研制完主要裝備。利用示范應用研究，使當裝機規模達五百萬、一千萬kW，自主化率達60%、90%；到2020年，在一些城市推廣分布式能源系統，實現裝備產業化，總容量達五千萬kW。

基于能量梯級利用，與系統變工況性能、用戶負荷需求、經濟效益等方面進行結合，在此基礎上，闡明分布式能源系統的集成原則。主要通過經濟學與熱力學理論將多目標優化問題向單目標規劃進行轉變。通過層次分析法與灰色關聯法進行探討，為使系統經濟效益實現最大化標，對逐時能源價格與負荷需求變化過程中系統的運行模式與優化配置。

3 總結

綜上所述，許多發達國家在分布式能源系統方面已積累了非常豐富的經驗。日本、美國、歐洲在實踐過程中通過分布式供能在安全供電、節能減排等領域獲得很大的進展。在發達國家，分布式能源系統己步入成熟階段，當前的方向是運行優化與怎樣深入提升能源效率。相反的，中國對這一系統的理論探討以及實踐應用仍然處在開始時期，仍然有很長的路要走。盡管一些地區已建成并運行分布式能源站，但我國在理論方面明顯比工程應用方面滯后，需要在今后加以解決。

[1] 林世平分布式能源系統中能源與環境耦合特性及優化集成模型研究[D].武漢武漢理工大學，2011.

[2]金紅光.鄭丹星.徐建中分布式冷熱電聯產系統裝置及應用[M].北京中國電力出版社，2009.

[3] Cheng zhang Z.CHP applications in US and Europe used for reference in China [J].Popular Utilization of Eleclricity，2003.2 79-86.

[4] 胡淞城基于吸收式制冷的冷熱電二聯產系統的節能研究[D].蘭州:蘭州理工大學，2009.

[5]周萍.分布式能源-:聯供系統燃氣負荷分析[D].北京:北京建筑工程學院，2012.

[6]王振銘我國天然氣分布式能源站的發展與建議[J].熱電技術，2011.109(1):1-5.

[7] 孫志高.郭開華天然氣型冷熱電聯供系統應用分析[J]建筑熱能通風空調，2006.25(2)70-73.

[8]Wang J J.JingY Y.Zhang C F Optimization of capacity and operation for CCHP system by genetic algorithm [J]Applied Energy.2010.87(4)1325-1335.

[9]馬悅，董舟.分布式能源系統的研究及配置方案分析[J]節能，2011(4:)15-19.

[10] A Zaltash.A Y Pctrov.D T Rizy etl.Laboratory R&D on integrated energy systems[J]Applied Thermal Engineering.2006.26(1)28-35.

[11]J C Ho.K J Chua.S K Chou Performance study of a micro turbine system for cogcneration.