热电联产 未来能源利用新方向
2014-07-10 18:47:10   来源:    点击:

        分布式冷热电三联供即通过一种能源的输入同时满足用户电、热、冷多种能量形式的需求,以能源的按级匹配、逐级利用实现能源利用效率的最大化。欧、美等发达国家分布式能源系统已经有几十年的应用,在我国作为新兴产业刚刚起步。通过对能源的梯级利用,三联供能源岛可以将能源利用综合效率提高至85%以上,远远高于大型火电厂40-50%的能源利用率。在合适的小区、工业区建设三联供工程,可以提高能源综合利用率,加快实现我国节能目标。
        传统的大型中心发电厂一般远离用户,通过高电压、大电网的输变电传输,将电力送到终端用户。而分布式能源是把发电和供能系统建在用户附近,利用天然气等清洁能源、当地的可再生能源、或工业余热余压等,通过能源梯级利用的方式,满足用户冷、热、电、蒸汽、生活热水等各种负荷的需求。因此,分布式能源是一种在地域上分散的、建在用户端的、相对独立的能源供求体系,这是定义分布式能源的基本特征。
        美国的热电联产系统已经有100多年的历史,到1978年发展为热电冷联供(CCHP)系统。至2006年,美国的三联供装机容量达到85GW,近似于美国发电容量的9%。
       欧洲诸国也是分布能源领域的先驱,早在1979年欧盟国家就颁发了热电联产和三联供相关的政策。早期的热电联产推广起于各国议会和政府开展的跨国能源领域合作。
        分布式能源具有节能、减排、经济、安全、削峰填谷、促进循环经济发展等多种不可替代的优势。
分布式能源的节能不是单纯的设备或工艺的节能,而是整个系统的节能。分布式能源建在用户现场或邻近,减少了能源长距离输运的损失。以供电为例,大型电厂大都远离用户,通过高压输变电网的远程输电和逐级降压后进入配电网,再分配给低压用户,而远程输变电造成的电量损失约占发电量的5%-10%。分布式能源应用能量梯级利用原理,先发电、再利用余热供热、供冷,体现了能量从高品位到低品位利用的科学用能,使一次能源综合利用效率大幅度提高。数值分析表明,对于一对既定的电、热负荷,如果用户从公用电网买电,用锅炉单独供热,这种电热分供的能源利用效率如果在45%左右,则采用分布式能源的热电联供方式,其综合能源利用效率可达80%,提高了近一倍。分布式能源还能利用当地的可再生能源,进一步减少对化石能源的消耗。分布式能源供能系统可以根据用户的负荷需求,量身定制进行设计、设备选型、系统集成、优化运行,将进一步发挥节能潜力。表1为橡树岭国家实验室做出的效益预测。
        表1 分布式能源的效益
  2006 2030
分布能源装机容量 85 GW 241 GW
年节约燃料 1.9 quads 5.3 quads
年减排CO2 248 MMT 848 MMT
等价于减少上路汽车 45 million 154 million
 
(数据源自:美国ORNL橡树岭国家实验室2008年报告)
        分布式能源的清洁性体现在减排方面。常规燃煤电厂造成大量温室气体(CO2)和其他污染物(SOx、NOx、颗粒物等)的排放,而污染物排放量与燃料消耗成正比。分布式能源采用清洁燃料,大量减少了烟气中温室气体等有害成分,一次能源综合利用率的提高和当地的各种可再生能源的利用进一步起到减排效果。据测算,在满足同样电热负荷和燃料条件下,分布式能源热电联供方式与传统热电分供方式比较,总污染量可降低近一半。近年来,脱氮、脱CO2、及温室气体捕获利用技术的发展可以使分布式供能系统满足各种严格的环保标准。
        分布式能源的安全性体现在传统的集中供电依赖于大电网和高电压输变电传输,系统中一处故障可,能造成严重影响,引起大面积的停电。近年来,我国的低温雨雪和冰冻灾害,国外如美国、欧洲、东南亚地区发生的大面积停电事故,不断提高人们对供能安全重要性的认识。分布式能源可以在突发事件时维持继续供电,减缓了地方对大电网系统的过分依赖,还可以根据用户负荷的特殊需求采用调节手段提高供电质量。随着我国电力负荷的逐年增长,电力系统调峰问题日渐突出,大型分布式能源燃气轮机发电机组及燃气-蒸汽联合循环装置以其高效率和启停的灵活性具有良好的调峰功能,有力的构成坚强电网。
        分布式能源对电力与燃气供应的削峰填谷是其重要的功能。北京等大城市夏季多采用电制冷,冬季则采用燃气锅炉供热,电力及燃气供应存在很大的季节性峰谷差,反映了用能结构的不合理。以北京为例,自2007年以来采暖季天然气耗量可占全年用气量80%,冬夏燃气供应量峰谷差达8:1以上;而制冷季空调耗电占总电负荷的40%,电力峰谷差接近2:1。随着需求的增长和峰谷差的继续拉大将严重影响电力与燃气的安全供应,增大配送成本,降低电网和燃气管网的运行经济性。采用分布式能源既能减小电空调造成的供电高峰,又填补了燃气供应在夏季的低谷,缓解了各自的峰谷差,有利于能源供应的可持续发展。我国将大规模建设风电、太阳能这些不可调节的发电项目,采用天然气分布式发电与可再生能源的耦合系统将能保证整个电力系统的稳定运行。分布式能源具有促进循环经济发展的巨大潜力,城市垃圾及污水处理产生的沼气既是温室气体排放的重要污染源,又是含高热值的珍贵的可燃气,世界各国沼气发电已成为普遍应用的成熟技术,城乡各种有机废弃物和生物质能的利用是当今分布式能源的重要发展方向。分布式能源对实现废弃物的减量化、无害化、资源化,对促进城乡循环经济的发展发挥着不可替代的作用。
        北京燃气集团调度大楼,位于北京市官园青年宫北侧,建筑面积31800m2,地上十层,地下二层。是北京市天然气管网监控和调度中心,是天然气用户提供报装、报修、IC卡结算以及辅助办公等多功能服务大楼。为满足大楼的电力、制冷及制热要求,建成了以天然气为燃料的BCHP示范工程。由于该项目的节能性,得到世界银行贷款支持,该系统于2002年12月成功通过测试,于2003年4月投入运行。
        内燃发电机使用天然气,提供电力。余热直燃机利用内燃机的468℃尾气和98℃的缸套水及天然气三种能源,进行制冷或制热。发电机为美国Caterpillar公司制造的G3508(发电498kW)和G3512(发电520kW)的内燃发电机共2台。余热直燃机为中国远大制造的331冷吨和661冷吨余热直燃机共2台。
        发电机和余热直燃机两者同时运行时,余热直燃机同时利用发电机尾气、缸套水余热和天然气三种能源,并根据空调负荷大小,优先利用发电机余热,当尾气和缸套水热量不足时,燃烧机自动启动,利用天然气燃烧来补充热量;当余热量能满足空调负荷需要时,燃烧机自动停止,并自动调节尾气量和缸套水量,多余尾气从开式风门排出,缸套水旁通至散热水箱散热。发电机单独运行时,发电机尾气不进入余热直燃机,由自开式风门排空,发电机缸套水不进入余热直燃机,由电动三通阀将缸套水切换至散热水箱散热;当发电机不运行余热直燃机单独运行时,余热直燃机与直燃机相同,利用天然气一种能源进行制冷或制热。
发电、制冷、制热可同时也可单独提供,电力与冷热负荷匹配灵活,可适应各种负荷需求,保证能源可靠供应。余热直燃机与发电机,在单机运行控制上不相互关联影响。
        下表为燃气大楼三联供系统的投入产出和效率。
表2 三联供系统的能源投入产出和效率
    发电量 其中机房耗电 供热/冷量 余热供热/冷量 发电耗气 补燃耗气 电效率 总效率
    万kWh 万kWh GJ GJ 万M3 万M3 % %
供暖季 G3512 103.9 22.0 5528.1 4298.8 37.75 2.84 27.52 63.43
G3508 9.5 4.0 771.9 530.8 3.74 0.86 25.45 67.27
小计 113.4 26.0 6300.0 4829.6 41.49 3.70 27.34 63.82
制冷季 G3512 102.9 38.9 5386.2 4752.6 37.00 1.60 27.81 65.42
G3508 25.4 9.7 1064.2 589 9.70 1.10 26.19 50.89
小计 128.3 48.6 6450.4 5341.6 46.70 2.70 27.47 62.24
合计 241.7 74.6     88.19 6.4 27.41 63.03
        燃气大楼的三联供系统,在采暖季发电为113.4万kWh,供热约6300GJ,其中余热供热约为5060GJ;在制冷季发电为128.3万kWh,供冷约6450.4GJ,其中余热供冷5341.6GJ。实验表明,大楼的三联供系统在空调季满足100%的电负荷,同时还可以利用余热满足80%的空调负荷,即电的供电系数为1,冷和热供能系数均为0.8。该指标的数据高于常规三联供系统的要求。一方面因为常规三联供系统发电设备容量按照基础负荷设计,而燃气大楼的三联供系统按照满足全部用电运行,余热量较大;另一方面大楼的实际空调负荷远低于设计,因此空调总量较小,造成冷和热供能系数较高。
       我国“十一五”的节能减排约束性指标最终得以实现,但在很大程度上依靠行政力量的推动,在行政问责和行政处罚等高压手段下,有些地方政府和企业被迫做出了被动和消极的行动,出现拉闸限电、停产限产非理性的做法。这些强制性行政手段违背了节能减排的初衷,不利于经济的可持续发展,其原因主要是未能很好地引入节能减排的市场机制和价格体系改革等相关措施,未能发挥企业在节能减排中的积极性和主导作用。
        为了完成“十二五”节能减排指标,2010年4月国务院办公厅转发了国家发改委、财政部、人民银行、税务总局四部门《关于加快推行合同能源管理促进节能服务产业发展的意见》,国家能源局在下发的《国家能源局关于对〈发展天然气分布式能源的指导意见〉征求意见的函》中提出了发展分布式能源初步的量化指标:2011年拟建设上千个天然气分布式能源项目,到2020年,在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统,装机容量达到数千万kW,并拟建设多个各类典型特征的分布式能源示范区域。2010年10月中央十七届五中全会关于“十二五”规划建议中强调指出:面对日趋强化的资源环境约束,必须增强危机意识,树立绿色、低碳发展理念,以节能减排为重点,健全激励和约束机制,加快构建资源节约、环境友好的生产方式和消费模式,增强可持续发展能力。要强化节能目标责任考核,完善节能法规和标准,健全节能市场化机制和对企业的激励与约束,实施重点节能工程,推广先进节能技术和产品,加快推行合同能源管理,抓好工业、建筑、交通运输等重点领域节能。可以认为,加速发展我国的分布式能源已作为落实国家“十二五”节能减排指标的一个重大举措。
        综上所述,直接建立在用能端的分布式能源系统通过对能源的梯级利用,大大提高了一次能源利用率,并综合具有节能、减排、安全、便利等多种优势。推广分布式能源已经得到政府的高度重视,是完成我国“十二五”节能减排目标的重要手段。

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