燃氣輪機與可再生能源互補的分布式供能

燃氣輪機與可再生能源互補的分布式供能陳哲;田豐;呂小靜;翁一武【摘要】天然氣燃氣輪機與可再生能源互補組成的分布式供能，既有天然氣分布式供能系統(tǒng)負荷調(diào)節(jié)范圍大、能源利用率高的特點，又有可再生能源就地消納、充分利用的優(yōu)勢.首先介紹了天然氣燃氣輪機分布式熱點聯(lián)供的發(fā)展和使用情況，分析了多種能源互補的分布式供能技術(shù)特點，展望了燃氣輪機與可再生能源互補的分布式供能的發(fā)展前景.％Thedistributedenergysupplyiscomplementedgasturbinewithrenewableenergy.Itsfeaturesarethelargesupplyrangeadjustedbynaturalgasdistributedenergyandthehighenergyutilizationrate.Theadvantageisthefullconsumptionofrenewableenergyatlocal.Weintroducethedevelopmentofcombinedcooling,heatingandpower(CCHP)ofgasturbine,thenanalyzeavarietyofcomplementaryenergyfordistributedenergytechnology.Finally,theprospectofdistributedenergysupplycomplementedgasturbinewithrenewableenergyispresented.【期刊名稱】《自然雜志》【年(卷)，期】2017(039)001【總頁數(shù)】6頁(P48-53)【關(guān)鍵詞】分布式供能;燃氣輪機;可再生能源;互補【作者】陳哲;田豐;呂小靜;翁一武【作者單位】廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院廣州510080；廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院廣州510080;上海交通大學動力機械與工程教育部重點實驗室，上海200240;上海交通大學動力機械與工程教育部重點實驗室，上海200240【正文語種】中文分布式供能系統(tǒng)安裝在用戶附近，就近利用燃料，就近為用戶供應(yīng)冷、熱、電和生活熱水，具有能源綜合利用率高、安全可靠、環(huán)保等特點。天然氣分布式供能的特點是〃溫度對口、能量梯級利用”，能量利用率通?？梢赃_到75%以上。分布式供能系統(tǒng)的形式主要有分布式熱電聯(lián)供或分布式冷熱電聯(lián)供?？稍偕茉矗L能和太陽能等）的大力發(fā)展是必然趨勢，其不穩(wěn)定性對電網(wǎng)安全產(chǎn)生巨大影響。既能實現(xiàn)區(qū)域性的能量平衡，又能最大限度地利用可再生能源，是分布式供能技術(shù)發(fā)展追求的目標。調(diào)節(jié)靈活的天然氣分布式能源技術(shù)，將推動智能電網(wǎng)技術(shù)、區(qū)域能源建筑一體化技術(shù)以及太陽能技術(shù)、微風發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，可以滿足用戶不同冷熱電及環(huán)保性能的具體需求。其未來發(fā)展趨勢是以天然氣分布式能源為核心，結(jié)合太陽能、風能等可再生能源構(gòu)建〃小型化區(qū)域能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)”，形成多功能互補的智能電網(wǎng)（微電網(wǎng)）與智能冷、熱氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)?？梢院侠淼仡A(yù)見，世界電力工業(yè)將由傳統(tǒng)的〃大電廠、大機組、大電網(wǎng)、城市熱網(wǎng)”組合的集中供能系統(tǒng)，向以依靠大型發(fā)電為主、天然氣分布式供能和可再生能源為補充的〃多模式互補系統(tǒng)”轉(zhuǎn)變。分布式供能系統(tǒng)是相對于〃大電網(wǎng)、大容量、大電廠”的集中式能量供應(yīng)方式而言的。天然氣分布式供能節(jié)能減排的優(yōu)點已經(jīng)獲得廣泛共識，發(fā)達國家分布式供能系統(tǒng)的應(yīng)用也已經(jīng)較為普遍，而我國相對落后。由于前期國家相關(guān)政策、法規(guī)不完善，現(xiàn)有電力體制并網(wǎng)手續(xù)繁瑣和分布式供能技術(shù)低下等原因，導致十多年來分布式供能在國內(nèi)的發(fā)展相對緩慢；但最近幾年開始得到廣泛重視，國家、地方及有關(guān)部門制定了一系列政策法規(guī)推進分布式供能系統(tǒng)的發(fā)展。1.1國家大力推動發(fā)展分布式供能2011年10月，國家發(fā)改委、財政部、住建部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見》，其中提出：〃十二五”期間我國將建設(shè)1000個左右天然氣分布式能源項目，擬建設(shè)10個左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域；未來5~10年內(nèi)要在分布式能源裝備核心能力和產(chǎn)品研制應(yīng)用方面取得實質(zhì)性突破，初步形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的分布式能源裝備產(chǎn)業(yè)體系。2013年國務(wù)院印發(fā)《大氣污染物防治行動計劃》（國發(fā)[2013]37號），要求加快清潔能源替代利用，鼓勵發(fā)電分布式供能等高效利用項目；要求新建建筑要嚴格執(zhí)行強制性節(jié)能標準，推廣使用〃熱一電一冷”三聯(lián)供技術(shù)和裝備。2013年國家發(fā)展和改革委員會制定了《分布式發(fā)電管理暫行辦法》（發(fā)改能源[2013]1381號），明確綜合能源利用效率高于70%且電力就地消納的天然氣熱電冷聯(lián)供等屬于分布式發(fā)電的一種方式，并從項目建設(shè)、電網(wǎng)接入和運行等方面明確各部門的職責，同時制定了分布式發(fā)電的管理暫行辦法，有效推進了分布式供能的發(fā)展。1.2分布式供能的發(fā)展狀況在國外，分布式能源已成為一種較成熟的能源綜合開發(fā)供應(yīng)技術(shù)。目前許多發(fā)達國家都十分重視分布式能源的應(yīng)用和研究，特別是美國、日本及歐盟各國都已經(jīng)制定出了十分宏偉的有關(guān)分布式能源系統(tǒng)的研究發(fā)展計劃。根據(jù)統(tǒng)計，世界主要國家及地區(qū)的熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）2006年裝機容量已達到32920萬kW。全球分布式風電2008年裝機容量達到0.4萬kW。2010年底，全球光伏發(fā)電裝機總量高達3950萬kW，其中日本、歐洲等地分布式光伏發(fā)電位居世界前列。我國分布式供能發(fā)展提升空間巨大，目前國內(nèi)已建成一批天然氣分布式發(fā)電項目，但裝機總?cè)萘坎坏饺珖傃b機容量的1%。分布式供能在我國大中城市發(fā)展較快。分布式供能原動機主要以燃氣輪機和內(nèi)燃機為主。燃氣輪機是分布式供能發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，具有高效、穩(wěn)定、靈活、低排放等優(yōu)點。作為分布式供能的關(guān)鍵設(shè)備，自主品牌的燃氣輪機產(chǎn)品少，且競爭力不強。中國在產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)上需要的是提高設(shè)備的能源轉(zhuǎn)換效率，提高可靠性，延長設(shè)備檢修周期，提高設(shè)備的自動智能控制水平。燃氣內(nèi)燃機技術(shù)中國已經(jīng)成熟，但是制造水平與國際先進設(shè)備存在比較大的差距，主要是轉(zhuǎn)換效率、排放控制、設(shè)備運行可靠性等方面存在不足。目前分布式供能項目的燃氣內(nèi)燃機和燃氣輪機基本上都是進口。分布式供能系統(tǒng)的發(fā)展得益于天然氣的廣泛應(yīng)用。用天然氣為能源，以微小型燃氣輪機為原動力的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，具有體積小、效率高、技術(shù)成熟、運行可靠、自動化程度高的優(yōu)點，適合布置在用戶端。全國范圍內(nèi)已經(jīng)建立了天然氣輸配官網(wǎng)，西氣東輸為分布式供能的發(fā)展創(chuàng)造了條件，天然氣能源島的示范和迅速推廣對我國的能源結(jié)構(gòu)、大氣環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展帶來的效益將不可估量。2.1天然氣燃氣輪機分布式供能系統(tǒng)的構(gòu)成天然氣燃氣輪機分布式電冷熱聯(lián)供系統(tǒng)按照溫度對口、能源梯級利用的原則配置。天然氣在燃氣輪機中膨脹做功輸出電能，排出約500°C的煙氣用于制冷或供熱，再排出的余熱可以用于生活熱水，整體的能量綜合利用率可以達到80%以上。圖1是天然氣能量梯級利用原理圖。微燃機分布式供能系統(tǒng)由微型燃氣輪機、漠化鋰吸收式制冷機、換熱器以及相關(guān)的輔助設(shè)備組成，還包括天然氣調(diào)壓/增壓系統(tǒng)、冷卻水/冷媒水系統(tǒng)、煙氣管路系統(tǒng)以及電氣輸配控制系統(tǒng)。圖2是天然氣燃氣輪機分布式供能系統(tǒng)構(gòu)成圖。2.2應(yīng)用實例以上海市申能能源中心的天然氣燃氣輪機分布式供能系統(tǒng)為例，介紹其技術(shù)特點和應(yīng)用情況?；厩闆r上海市申能能源中心大樓總建筑面積為49648m2，采用由分布式供能系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)以及傳統(tǒng)的電空調(diào)和采暖鍋爐組成的綜合性供能系統(tǒng)供能，技術(shù)先進，智能化程度高。系統(tǒng)設(shè)計申能能源中心分布式系統(tǒng)由1臺額定功率為200kW的美國CapstoneC200低壓型(自帶燃氣增壓機)微型燃氣輪機發(fā)電機組、2臺日本YazakiCH-KE4040煙氣補燃型漠化鋰冷溫水空調(diào)機組以及PLC自動控制柜、并網(wǎng)柜、風機、水泵、冷卻塔(循環(huán)冷卻水系統(tǒng))等輔助設(shè)備組成(圖3)。該系統(tǒng)在發(fā)電制冷模式下運行時，相當于可以替代244kW的電力供應(yīng)。分布式供能系統(tǒng)工作時，微型燃氣輪機發(fā)電機組采用〃并網(wǎng)不上網(wǎng)”的模式運行，所發(fā)出的電經(jīng)逆變后以400V的電壓等級并入能源中心的交流母排。微燃機尾部排出的高溫煙氣(280°C)將進入空調(diào)機組被吸收利用，排煙溫度為110°C,仍有余熱利用價值。能源中心大樓的供冷系統(tǒng)為2臺容量為1361kW的雙工況螺桿式制冷機組，供熱系統(tǒng)為2臺容量為1400kW的天然氣熱水鍋爐。分布式供能系統(tǒng)的漠化鋰空調(diào)機組作為整個空調(diào)系統(tǒng)的有效補充。系統(tǒng)運行情況根據(jù)系統(tǒng)連續(xù)72h試運行測試結(jié)果進行計算，系統(tǒng)發(fā)電效率為30.7%，制冷機余熱回收效率為42.3%，整個系統(tǒng)的一次能源利用率為73%。根據(jù)辦公樓能源供應(yīng)的需求和特征，以系統(tǒng)每年運行2500h計，全年可替代電網(wǎng)供電610MWh。按照華東區(qū)域電網(wǎng)的碳排放因子0.853t/MWh(CO2)為參考，全年可以減排CO2154t,節(jié)能減排效果明顯。實際運行中，冬季1月份系統(tǒng)效率為72.28%，過渡季節(jié)5、6月份系統(tǒng)效率為70.42%，夏季7、8月份系統(tǒng)效率為74.96%。3.1多能源互補供能系統(tǒng)技術(shù)分析對于間隙性、不穩(wěn)定性明顯的太陽能和風能，采用多種能源互補的分布式供能技術(shù)，將可再生能源（風能、太陽能光伏/光熱等）與天然氣形成互補，調(diào)節(jié)用戶負荷，保證穩(wěn)定供能。由于晝夜和春、夏、秋、冬四季用戶的用能負荷（電負荷、冷負荷和熱負荷）變化很大，要有良好的范圍變化適應(yīng)性和完善的協(xié)調(diào)控制技術(shù)。圖4為多能源互補供能與冷熱電負荷變化適應(yīng)性示意圖?？稍偕茉矗L能、太陽能光伏/光熱等）充分利用，天然氣燃氣輪機變工況運行，兩者互補，調(diào)節(jié)用戶各種負荷，以滿足用戶需求。3.2基于微電網(wǎng)的多能源互補分布式供能系統(tǒng)采用微智能電網(wǎng)技術(shù)，可以進一步保障分布式供能接入電網(wǎng)，產(chǎn)生的可再生能源就地消納，實現(xiàn)區(qū)域用能平衡和電網(wǎng)穩(wěn)定。對于這種區(qū)域性的多能源互補分布式供能系統(tǒng)在國外已經(jīng)有一些示范，國內(nèi)也有一些研究，其內(nèi)容包括：（1） 研究區(qū)域內(nèi)可再生能源充分利用技術(shù)。多種可再生能源，包括生物質(zhì)能、風能、太陽能等；生物質(zhì)能氣化內(nèi)燃發(fā)電和天然氣燃氣輪機分布式供能；分布式供能和蓄能動態(tài)調(diào)節(jié)的能源系統(tǒng)。（2） 多能源互補的分布式供能系統(tǒng)集成技術(shù)。能量系統(tǒng)可模塊化組合，根據(jù)不同用戶、不同需要可以靈活組合集成；能源梯級利用；建立多能源互補的分布式供能系統(tǒng)示范和研究基地。（3） 實現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)和微熱（冷）網(wǎng)內(nèi)供能與用能的智能化?？稍偕茉淳偷叵{，因地制宜地實現(xiàn)電、冷（熱）能量的供應(yīng)和平衡，能量調(diào)度中心智能化調(diào)配，實現(xiàn)能量穩(wěn)定供應(yīng)。⑷區(qū)域內(nèi)電、冷（熱）需求變化規(guī)律及數(shù)據(jù)庫。典型用戶在不同季節(jié)和時段的用能數(shù)據(jù)庫（包括熱、冷和電）；多能源互補的分布式供能系統(tǒng)配置模型庫；通過全工況動態(tài)仿真研究，提出分布式供能系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)配置?；谖㈦娋W(wǎng)的區(qū)域性多能源互補分布式供能系統(tǒng)（圖5）適用于住宅小區(qū)、高新工業(yè)園區(qū)、學校園區(qū)和鄉(xiāng)村等。它由區(qū)域微電網(wǎng)、區(qū)域供熱（冷）網(wǎng)和信息網(wǎng)組成，包括天然氣分布式供能、太陽能光伏發(fā)電、小型風力發(fā)電、儲能系統(tǒng)和能源管理中心等。天然氣分布式供能系統(tǒng)是能源梯級利用的高效方式，能源利用率高，負荷調(diào)節(jié)能力強，它與可再生能源（風能和太陽能等）互補組成的分布式供能系統(tǒng)，是能源利用的發(fā)展方向。具體體現(xiàn)在：（1） 天然氣分布式供能可以使得供電結(jié)構(gòu)更合理，改善單一大電網(wǎng)供電，提高用電的安全性；天然氣實現(xiàn)能源梯級利用，能源利用率更高，可以節(jié)約大量的能源。（2） 天然氣分布式供能具有調(diào)峰作用，既能減少季節(jié)性的電力高峰負荷，從而減少調(diào)峰電站建設(shè)，又能均衡冬夏季燃氣使用。⑶對于太陽能和風能的間隙性，將可再生能源（風能和太陽能等）與天然氣燃氣輪機供能形成互補，可以有效地調(diào)節(jié)用戶負荷，保證穩(wěn)定供能。（4）采用基于微電網(wǎng)的多能源互補分布式供能技術(shù)，可以進一步保障分布式供能接入電網(wǎng)，產(chǎn)生的可再生能源就地消納，實現(xiàn)區(qū)域用能平衡和電網(wǎng)穩(wěn)定。【相關(guān)文獻】TCHANCHEBF,PETRISSANSM,PAPADAKISG.HeatresourcesandorganicRankinecyclemachines[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2014,39:1185-1199.WENGYW,LUXJ,WANGYP,etal.Passivelowtemperatureheatsourcesorganicworkingfluidpowergenerationmethod[P].USA:US20160024974A1,2016.ZHAOZY,ZUOJ,FENGTT,etal.InternationalcooperationonrenewableenergydevelopmentinChina—acriticalanalysis[J].RenewableEnergy,2011,