熱電聯產 未來能源利用新方向
2014-07-10 18:47:10   來源:    點擊:

        分布式冷熱電三聯供即通過一種能源的輸入同時滿足用戶電、熱、冷多種能量形式的需求,以能源的按級匹配、逐級利用實現能源利用效率的最大化。歐、美等發達國家分布式能源系統已經有幾十年的應用,在我國作為新興產業剛剛起步。通過對能源的梯級利用,三聯供能源島可以將能源利用綜合效率提高至85%以上,遠遠高于大型火電廠40-50%的能源利用率。在合適的小區、工業區建設三聯供工程,可以提高能源綜合利用率,加快實現我國節能目標。
        傳統的大型中心發電廠一般遠離用戶,通過高電壓、大電網的輸變電傳輸,將電力送到終端用戶。而分布式能源是把發電和供能系統建在用戶附近,利用天然氣等清潔能源、當地的可再生能源、或工業余熱余壓等,通過能源梯級利用的方式,滿足用戶冷、熱、電、蒸汽、生活熱水等各種負荷的需求。因此,分布式能源是一種在地域上分散的、建在用戶端的、相對獨立的能源供求體系,這是定義分布式能源的基本特征。
        美國的熱電聯產系統已經有100多年的歷史,到1978年發展為熱電冷聯供(CCHP)系統。至2006年,美國的三聯供裝機容量達到85GW,近似于美國發電容量的9%。
       歐洲諸國也是分布能源領域的先驅,早在1979年歐盟國家就頒發了熱電聯產和三聯供相關的政策。早期的熱電聯產推廣起于各國議會和政府開展的跨國能源領域合作。
        分布式能源具有節能、減排、經濟、安全、削峰填谷、促進循環經濟發展等多種不可替代的優勢。
分布式能源的節能不是單純的設備或工藝的節能,而是整個系統的節能。分布式能源建在用戶現場或鄰近,減少了能源長距離輸運的損失。以供電為例,大型電廠大都遠離用戶,通過高壓輸變電網的遠程輸電和逐級降壓后進入配電網,再分配給低壓用戶,而遠程輸變電造成的電量損失約占發電量的5%-10%。分布式能源應用能量梯級利用原理,先發電、再利用余熱供熱、供冷,體現了能量從高品位到低品位利用的科學用能,使一次能源綜合利用效率大幅度提高。數值分析表明,對于一對既定的電、熱負荷,如果用戶從公用電網買電,用鍋爐單獨供熱,這種電熱分供的能源利用效率如果在45%左右,則采用分布式能源的熱電聯供方式,其綜合能源利用效率可達80%,提高了近一倍。分布式能源還能利用當地的可再生能源,進一步減少對化石能源的消耗。分布式能源供能系統可以根據用戶的負荷需求,量身定制進行設計、設備選型、系統集成、優化運行,將進一步發揮節能潛力。表1為橡樹嶺國家實驗室做出的效益預測。
        表1 分布式能源的效益
  2006 2030
分布能源裝機容量 85 GW 241 GW
年節約燃料 1.9 quads 5.3 quads
年減排CO2 248 MMT 848 MMT
等價于減少上路汽車 45 million 154 million
 
(數據源自:美國ORNL橡樹嶺國家實驗室2008年報告)
        分布式能源的清潔性體現在減排方面。常規燃煤電廠造成大量溫室氣體(CO2)和其他污染物(SOx、NOx、顆粒物等)的排放,而污染物排放量與燃料消耗成正比。分布式能源采用清潔燃料,大量減少了煙氣中溫室氣體等有害成分,一次能源綜合利用率的提高和當地的各種可再生能源的利用進一步起到減排效果。據測算,在滿足同樣電熱負荷和燃料條件下,分布式能源熱電聯供方式與傳統熱電分供方式比較,總污染量可降低近一半。近年來,脫氮、脫CO2、及溫室氣體捕獲利用技術的發展可以使分布式供能系統滿足各種嚴格的環保標準。
        分布式能源的安全性體現在傳統的集中供電依賴于大電網和高電壓輸變電傳輸,系統中一處故障可,能造成嚴重影響,引起大面積的停電。近年來,我國的低溫雨雪和冰凍災害,國外如美國、歐洲、東南亞地區發生的大面積停電事故,不斷提高人們對供能安全重要性的認識。分布式能源可以在突發事件時維持繼續供電,減緩了地方對大電網系統的過分依賴,還可以根據用戶負荷的特殊需求采用調節手段提高供電質量。隨著我國電力負荷的逐年增長,電力系統調峰問題日漸突出,大型分布式能源燃氣輪機發電機組及燃氣-蒸汽聯合循環裝置以其高效率和啟停的靈活性具有良好的調峰功能,有力的構成堅強電網。
        分布式能源對電力與燃氣供應的削峰填谷是其重要的功能。北京等大城市夏季多采用電制冷,冬季則采用燃氣鍋爐供熱,電力及燃氣供應存在很大的季節性峰谷差,反映了用能結構的不合理。以北京為例,自2007年以來采暖季天然氣耗量可占全年用氣量80%,冬夏燃氣供應量峰谷差達8:1以上;而制冷季空調耗電占總電負荷的40%,電力峰谷差接近2:1。隨著需求的增長和峰谷差的繼續拉大將嚴重影響電力與燃氣的安全供應,增大配送成本,降低電網和燃氣管網的運行經濟性。采用分布式能源既能減小電空調造成的供電高峰,又填補了燃氣供應在夏季的低谷,緩解了各自的峰谷差,有利于能源供應的可持續發展。我國將大規模建設風電、太陽能這些不可調節的發電項目,采用天然氣分布式發電與可再生能源的耦合系統將能保證整個電力系統的穩定運行。分布式能源具有促進循環經濟發展的巨大潛力,城市垃圾及污水處理產生的沼氣既是溫室氣體排放的重要污染源,又是含高熱值的珍貴的可燃氣,世界各國沼氣發電已成為普遍應用的成熟技術,城鄉各種有機廢棄物和生物質能的利用是當今分布式能源的重要發展方向。分布式能源對實現廢棄物的減量化、無害化、資源化,對促進城鄉循環經濟的發展發揮著不可替代的作用。
        北京燃氣集團調度大樓,位于北京市官園青年宮北側,建筑面積31800m2,地上十層,地下二層。是北京市天然氣管網監控和調度中心,是天然氣用戶提供報裝、報修、IC卡結算以及輔助辦公等多功能服務大樓。為滿足大樓的電力、制冷及制熱要求,建成了以天然氣為燃料的BCHP示范工程。由于該項目的節能性,得到世界銀行貸款支持,該系統于2002年12月成功通過測試,于2003年4月投入運行。
        內燃發電機使用天然氣,提供電力。余熱直燃機利用內燃機的468℃尾氣和98℃的缸套水及天然氣三種能源,進行制冷或制熱。發電機為美國Caterpillar公司制造的G3508(發電498kW)和G3512(發電520kW)的內燃發電機共2臺。余熱直燃機為中國遠大制造的331冷噸和661冷噸余熱直燃機共2臺。
        發電機和余熱直燃機兩者同時運行時,余熱直燃機同時利用發電機尾氣、缸套水余熱和天然氣三種能源,并根據空調負荷大小,優先利用發電機余熱,當尾氣和缸套水熱量不足時,燃燒機自動啟動,利用天然氣燃燒來補充熱量;當余熱量能滿足空調負荷需要時,燃燒機自動停止,并自動調節尾氣量和缸套水量,多余尾氣從開式風門排出,缸套水旁通至散熱水箱散熱。發電機單獨運行時,發電機尾氣不進入余熱直燃機,由自開式風門排空,發電機缸套水不進入余熱直燃機,由電動三通閥將缸套水切換至散熱水箱散熱;當發電機不運行余熱直燃機單獨運行時,余熱直燃機與直燃機相同,利用天然氣一種能源進行制冷或制熱。
發電、制冷、制熱可同時也可單獨提供,電力與冷熱負荷匹配靈活,可適應各種負荷需求,保證能源可靠供應。余熱直燃機與發電機,在單機運行控制上不相互關聯影響。
        下表為燃氣大樓三聯供系統的投入產出和效率。
表2 三聯供系統的能源投入產出和效率
    發電量 其中機房耗電 供熱/冷量 余熱供熱/冷量 發電耗氣 補燃耗氣 電效率 總效率
    萬kWh 萬kWh GJ GJ 萬M3 萬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
小計 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
小計 128.3 48.6 6450.4 5341.6 46.70 2.70 27.47 62.24
合計 241.7 74.6     88.19 6.4 27.41 63.03
        燃氣大樓的三聯供系統,在采暖季發電為113.4萬kWh,供熱約6300GJ,其中余熱供熱約為5060GJ;在制冷季發電為128.3萬kWh,供冷約6450.4GJ,其中余熱供冷5341.6GJ。實驗表明,大樓的三聯供系統在空調季滿足100%的電負荷,同時還可以利用余熱滿足80%的空調負荷,即電的供電系數為1,冷和熱供能系數均為0.8。該指標的數據高于常規三聯供系統的要求。一方面因為常規三聯供系統發電設備容量按照基礎負荷設計,而燃氣大樓的三聯供系統按照滿足全部用電運行,余熱量較大;另一方面大樓的實際空調負荷遠低于設計,因此空調總量較小,造成冷和熱供能系數較高。
       我國“十一五”的節能減排約束性指標最終得以實現,但在很大程度上依靠行政力量的推動,在行政問責和行政處罰等高壓手段下,有些地方政府和企業被迫做出了被動和消極的行動,出現拉閘限電、停產限產非理性的做法。這些強制性行政手段違背了節能減排的初衷,不利于經濟的可持續發展,其原因主要是未能很好地引入節能減排的市場機制和價格體系改革等相關措施,未能發揮企業在節能減排中的積極性和主導作用。
        為了完成“十二五”節能減排指標,2010年4月國務院辦公廳轉發了國家發改委、財政部、人民銀行、稅務總局四部門《關于加快推行合同能源管理促進節能服務產業發展的意見》,國家能源局在下發的《國家能源局關于對〈發展天然氣分布式能源的指導意見〉征求意見的函》中提出了發展分布式能源初步的量化指標:2011年擬建設上千個天然氣分布式能源項目,到2020年,在全國規模以上城市推廣使用分布式能源系統,裝機容量達到數千萬kW,并擬建設多個各類典型特征的分布式能源示范區域。2010年10月中央十七屆五中全會關于“十二五”規劃建議中強調指出:面對日趨強化的資源環境約束,必須增強危機意識,樹立綠色、低碳發展理念,以節能減排為重點,健全激勵和約束機制,加快構建資源節約、環境友好的生產方式和消費模式,增強可持續發展能力。要強化節能目標責任考核,完善節能法規和標準,健全節能市場化機制和對企業的激勵與約束,實施重點節能工程,推廣先進節能技術和產品,加快推行合同能源管理,抓好工業、建筑、交通運輸等重點領域節能。可以認為,加速發展我國的分布式能源已作為落實國家“十二五”節能減排指標的一個重大舉措。
        綜上所述,直接建立在用能端的分布式能源系統通過對能源的梯級利用,大大提高了一次能源利用率,并綜合具有節能、減排、安全、便利等多種優勢。推廣分布式能源已經得到政府的高度重視,是完成我國“十二五”節能減排目標的重要手段。

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