基于微電網協調發展的分布式綜合能源研究

李海爭

(神華國華(北京)分布式能源科技有限責任公司，北京 100025)

能源互聯網作為未來能源系統的重要形態，近年來在國內受到日益廣泛的關注[1-6]， 特別是在電力體制改革、互聯網+等國家戰略驅動下，帶動了一批新型能源技術的研究和應用熱潮[7-8]。

傳統分布式能源研究主要集中在以光伏、風能、生物質等可再生能源為主的發電側，以儲能調頻、調峰、儲熱、輔助服務等為主要內容的用戶側。結合電力能源發展新需求，本文提出煤基、天然氣分布式能源的概念，對發展分布式綜合能源需考慮的因素提出建議。在充分考慮用戶需求的情況下，本著提高能源利用效率、全面實現能源梯度利用的目標，提出與微電網協調發展的分布式綜合能源發展新思路。

1 電力發展新特點

隨著國家大氣污染防治行動計劃的實施，傳統負荷中心常規煤電發展受限，清潔能源受地理環境約束轉入平穩發展階段。為適應電力發展新局面，電網企業提出了建設樞紐型、平臺型、共享型能源互聯網的新要求。在建設運營以特高壓為骨干網架、各級電網協調發展的堅強智能電網的同時，將充分應用移動互聯、人工智能等現代信息技術和通信技術，實現電力系統各個環節萬物互聯、人機交互，打造狀態全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活的泛在電力物聯網[9-13]。

在傳統電網轉型之際，增量配電改革工作快速發展。全國各地和相關企業全面落實《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》(中發〔2015〕9號)文件明確的重點改革任務，不斷探索增量配電業務新模式和新機制。近年來分布式能源項目取得較大進展，但仍受到市場化程度低、公共服務滯后、管理體系不健全等因素的制約。為加快推進分布式能源發展，國家相繼組織分布式發電市場化交易試點工作，明確了分布式發電交易的項目規模；鼓勵分布式項目可采取多能互補方式建設或安裝儲能設施，以提升供電靈活性和穩定性；對參與市場化交易的分布式項目容量、就近消納接網電壓等級、市場化交易的機制、電力交易組織、“過網費”標準等有關政策進行了明確[9]。

根據“十三五”電力規劃要求，能源供應出現了新形式，在冬季取暖環境壓力很大的北方地區，提出了“宜氣則氣，宜電則電，宜煤則煤”的新要求[10-12]。通過清潔高效發電、微型電網與儲能、“互聯網+”智慧能源等技術創新，結合電力體制深化改革及市場體系建設要求[13-15]，將加快煤炭清潔發展，因地制宜建設熱電聯產，推進集中供熱替代散煤小鍋爐，鼓勵多元化能源梯級利用，有序推進分布式氣電建設，促進能源就近高效利用，分布式能源結合微電網的發展將迎來新局面。

2 天然氣分布式能源

天然氣分布式能源是利用天然氣為燃料，通過熱電冷多聯供等方式實現能源的梯級利用，綜合能源利用效率一般在80%以上，在負荷中心就近實現能源供應的現代能源供應方式，是天然氣高效利用的重要組成。

天然氣分布式能源作為中小型臨近用戶的熱電冷多聯供能系統，實現了能源的梯級利用，相較于單一供能方式節能約25%。環保方面微型燃氣輪機氮氧化物(NOx)排放可達到9～25 mg/L。具備安裝建筑占地少，用能成本低，社會經濟效益較高的特點。天然氣分布式能源一般由燃氣輪機機組、余熱鍋爐及小型蒸汽輪機機組、溴化鋰機組等集成模塊構成。

3 煤基分布式能源

相對于傳統大電廠、大電網的集中式能源生產與供應模式，煤基分布式能源以煤炭為燃料，直接向用戶提供各種形式能量的中小型終端供能系統，具有“緊湊、模塊、集中、靈活”的特點。靠近用戶采用成熟、先進的技術，進行系統集成優化設計和設備選型，形成高效率、低排放的分布式能源。

3.1 基本特征

煤基分布式能源是以煤炭或耦合材料為燃料，在負荷中心實現能源供應，通過熱電冷等多聯供的方式實現能源梯級利用，綜合能源利用率高于70%，是煤炭高效清潔利用的重要方式；其主要設備包括煤粉工業鍋爐或循環流化床鍋爐(CFB)、背壓式汽輪發電機、蒸汽型吸收式熱泵等。

煤基分布式能源是以高效環保燃煤鍋爐和高效背壓機為核心，配備爐內燃燒過程污染物處理和尾部煙氣凈化系統以及分散控制系統(DCS)控制設備實現整個能源站的高度自控。

3.2 技術特點

煤基分布式能源作為綜合能源系統，梯度利用率高于70%，鍋爐系統總熱效率一般高于91%；煙氣排放可達到煙塵濃度5 mg/Nm3、二氧化硫濃度35 mg/Nm3、氮氧化物濃度50 mg/Nm3及以下超低水平。生產過程通過煤粉集中制備密閉罐車配送，可實現生產現場不見煤、不見煙、不見灰，建筑布置達到去工業化的效果。應用智能設備與通信技術，通過遠程智能控制，實現“無人值守、一鍵啟動、多廠監控”。建設過程中設備實現模塊化布置、工廠化生產，安裝工期短，在保證效率效能的同時降低了工程造價，實現煤基分布式能源“高效率、低排放、智能化、模塊化、低成本、可復制”的示范效果。

3.3 裝機方案

3.3.1 負荷確定

民用供暖、供冷負荷隨著建筑功能不同，負荷指標和動態變化較大，確定負荷顯得極為重要。在計算建筑能耗時可采用指標法，指標法包括電力負荷指標法和冷熱負荷指標法。電力負荷指標法有單位面積功率法和單位指標法；冷熱負荷指標法有單位面積指標法和單位溫差指標法。在選取數值時，應考慮建筑使用新型節能材料、所在地氣溫變化程度、室內人員密度等因素，合理取值；同時系數的選取要結合建筑群構造、負荷性質、峰谷時段等綜合考慮。

工業用戶負荷主要為工業用汽及制冷、采暖負荷。對于工業用汽負荷，應詳細確定實際用汽性質、參數、小時用汽量及用汽時間等，當用汽負荷為多個用戶或有多種不同工藝時，應根據實際情況選用合理的同時系數。在負荷調研時，充分考慮不同典型日用汽數據，按月份、季節等進行充分調研，繪制詳細的典型日負荷曲線，合成全年負荷曲線，為機組容量選型提供詳盡的數據基礎。

3.3.2 機組選擇

機組選擇以工業與民用綜合負荷為基礎，以滿足熱、汽、冷、水等需求來確定主機及輔機。主機設備宜選用較高的蒸汽初參數，以確保在相同熱冷負荷時的發電效能。煙氣處理系統的選型應達到超低排放標準，同時綜合考慮物料來源、副產品資源化處理、對周邊環境影響等情況；根據外部約束條件科學論證，在安全、可靠、環保的前提下摻燒廢棄物或生物質原料、生物質氣體、煤泥等可再生能源。在優化設計，安全可靠前提下，結合輔機單列布置，簡化工藝與控制方式，提高機組技術指標和調節性能，降低建設造價與運營成本。

目前適用于煤基分布式能源的鍋爐主要有煤粉工業鍋爐和循環流化床鍋爐(CFB)，充分考慮地方政策、煤源、煤質、對環境影響等因素進行選型。背壓式機組選擇應根據蒸汽負荷參數高效出力進行，以滿足調峰能力、降低汽耗等節能效果，同時需考慮機組發電能力、經濟性能等指標。

煤基分布式能源鍋爐燃燒中污染物處理，煤粉工業鍋爐采用低氮燃燒器和煙氣再循環技術以降低鍋爐出口氮氧化物排放。爐后煙氣處理系統以選擇性催化還原(SCR)脫硝為主，對于工業園區項目，可采用石灰石半干法、氨法、石灰石濕法、有機催化法等；對于廢水排放要求高的地區，可采用石灰石半干法或氨法技術。循環流化床鍋爐本身采用低溫燃燒技術可降低鍋爐出口氮氧化物排放，配套采取選擇性非催化還原(SNCR)脫硝和爐內噴鈣脫硫，可實現鍋爐出口超低排放。

4 分布式綜合能源

分布式綜合能源是指因地制宜、統籌開發、集成利用傳統能源和新能源，靠近用戶優化布局建設的一體化供能系統，實現煤基、天然氣、風、光、地熱、生物質等各類分布式能源互相補充、協同供應，滿足用戶電、熱、冷、氣、水等多種用能需求，全面提高能源綜合利用效率，產業全鏈推動節能減排，本質改善區域生態環境。

4.1 構成

分布式綜合能源由能源站、原料輸送設施、產品管網等各功能單元構成，運用分布式能源技術，構建以電、熱、冷、氣、水等為核心產品，為用戶提供多能互補、“互聯網+”智慧能源服務的綜合能源一體化系統，形成橫向“電、熱、冷、氣、水”多能源品種之間的互聯互通、協同供應；縱向“原料網、能源站、輸配網、負荷網、儲能設施、控制系統”等能源供應環節協調發展、集成互補，實現能源的梯級利用、循環利用和綜合利用，大幅提升能源綜合利用效率，提供清潔、高效、可靠的綜合能源供應，滿足多種用能需求。

“互聯網+”綜合能源網，以電力系統為核心和紐帶，多種類型能源網絡互聯互通和多能協同互補，深度融合能源網絡與互聯網、物聯網、大數據、云計算、人工智能和區塊鏈等技術的信息網絡，實現不同能源類型、不同信息系統的協同控制、管理和運營；以用戶為中心，創新能源運營的商業模式和服務業態，向用戶提供便捷的能源、信息綜合服務；同時依托電力等行業市場化改革，大力發展分布式供能與用戶進行市場交易，實現向用戶安全、可靠、經濟提供綜合能源。

4.2 分類

根據能源需求側的規模大小，分布式綜合能源一般分為區域式綜合能源和樓宇式綜合能源。在經濟開發區、工業園區、產業園區、大型社區等，分布式綜合能源主要由煤基或天然氣分布式能源站、新能源系統(太陽能、地熱能、風能、生物質能等)以及“網、荷、儲、控”能源互聯網等組成。

在工廠、學校、醫院、酒店、單一建筑物、城市綜合體等，分布式綜合能源主要由天然氣分布式能源、新能源系統(屋頂太陽能、地熱能、風能等)以及部分互聯設施等組成。

4.3 發展

分布式綜合能源發展應根據能源變革與電力發展形勢，為實現規模效益，在發展經濟的同時切實改善環境質量，發展時應重點關注以下因素。

4.3.1 能源政策

隨著近年增量配電網試點的推進，新一輪電改正引起發電、輸電、售電、用電等環節深刻的變化，各地推進的力度和側重點有所不同，發展分布式綜合能源應及時跟蹤國家、地方政策，了解各地實際情況，綜合統籌合理布局。

4.3.2 負荷需求

用戶實際用能需求，是分布式綜合能源發展的前提，應做好現狀與近遠期負荷調研，切實掌握用戶需求，量身定制精準進行資源匹配。

4.3.3 技術配置

加大分布式能源清潔發電、就近利用、智慧管控等全環節技術研究，有針對性的發展多能聯合的綜合能源，結合聯合儲能、“虛擬電廠”等形式提高供能的可靠性。

4.3.4 市場導向

結合新一輪市場化改革總體部署，按照確定的改革方向，電力能源市場中長期交易、現貨交易、用戶直供交易以及配售電服務等領域改革成果顯著。2018年市場化交易電量突破1.6萬億kWh，完成“一般工商業電價平均降低10%”的總體目標。因此，借助市場化改革要求，在新建分布式綜合能源時，結合智能電表、通信網絡等新技術，在能源配售領域開展用戶直供、市場交易等，全面提高分布式綜合能源經濟效益。

5 結語

基于微電網協調發展的分布式綜合能源，可使能源生產和消費就近實現，具有能源效率高、總體排放低、社會效益好等優點，代表了能源發展新方向和新形式。結合我國當前能源利用的基本情況，綜合考慮經濟發展與社會效益，重點提出了煤基分布式綜合能源發展的新思路，為能源生產與消費革命做了有益探討。隨著科學技術與社會治理的進一步發展，分布式綜合能源將向網絡化、信息化、智慧化方向推進，將會在更大范圍、更高水平大力促進全社會能源消費模式的變革。