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分布式能源技術(shù)研究及應(yīng)用

（研究單位：中國(guó)華電集團(tuán)公司）

一、研究方向與主要成果

本項(xiàng)目以供能發(fā)電行業(yè)中節(jié)能減排的重大需求為研究背景，研究分布式能源系統(tǒng)余熱利用關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)集成。研究成果在廣州大學(xué)城分布式能源站項(xiàng)目中得到充分應(yīng)用，為分布式能源系統(tǒng)在我國(guó)有條件的地區(qū)大規(guī)模推廣應(yīng)用有著重大的推動(dòng)作用，為降低大中城市能源消耗和實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排提供重要依據(jù)，為分布式能源的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)營(yíng)管理和分布式能源的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化方面提供重要的參考依據(jù)和典型示范。項(xiàng)目研究所提出的分布式能源集成系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)一次能源70~80%的利用效率，為替代高能耗、高污染、高運(yùn)行成本的傳統(tǒng)供能方式提供支撐，是大中城市降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)的首選方案。

上世紀(jì)80年代前后開(kāi)始，國(guó)際上就提出了總能系統(tǒng)與冷熱電聯(lián)產(chǎn)為主要特征的分布式供能系統(tǒng)雛形概念。近10年來(lái)，由于分布式供能技術(shù)在能源利用效率、環(huán)境保護(hù)等方面的優(yōu)勢(shì)，逐漸被發(fā)達(dá)國(guó)家所接受，在面向21世紀(jì)的能源戰(zhàn)略規(guī)劃中，許多國(guó)家將分布式供能技術(shù)作為本國(guó)科技優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。分布式供能系統(tǒng)以冷熱電聯(lián)供為主要形式，具有高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、可靠、和靈活等特點(diǎn)，是一種先進(jìn)的供能系統(tǒng)，能夠大幅度節(jié)能減排，我國(guó)已將分布式供能技術(shù)定位為能源領(lǐng)域前沿技術(shù)。由于分布式供能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用，與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)相比，每100萬(wàn)kW的裝機(jī)容量，每年可以節(jié)能78萬(wàn)噸標(biāo)煤以上。我國(guó)5年內(nèi)新增電力裝機(jī)容量預(yù)期超過(guò)4億kW，如果其中的15％～20％采用分布式供能系統(tǒng)，則每年節(jié)能6000萬(wàn)噸標(biāo)煤以上，CO2減排約1.6億噸。

分布式能源系統(tǒng)是靠近用戶端的供能方式，而用戶側(cè)的電、熱、冷需求是隨時(shí)間變動(dòng)的，而常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)往往以穩(wěn)定運(yùn)行作為設(shè)計(jì)要求。采用關(guān)鍵設(shè)備來(lái)調(diào)整電、熱、冷的匹配來(lái)適應(yīng)用戶需求是分布式能源系統(tǒng)研究的一個(gè)重點(diǎn)，系統(tǒng)集成技術(shù)是發(fā)揮冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。本項(xiàng)目在綜合考慮包括啟動(dòng)、設(shè)計(jì)、變工況在內(nèi)的全工況性能的系統(tǒng)集成（以下簡(jiǎn)稱“全工況系統(tǒng)集成”）為重點(diǎn)研究方向，同時(shí)考慮低于120℃低溫?zé)煔獾哪芰坷谩１卷?xiàng)目的另外一個(gè)研究重點(diǎn)在于引入了“混合動(dòng)力”原理，采用了主動(dòng)蓄能的方式來(lái)降低系統(tǒng)裝機(jī)和提高全工況下的能源利用效率。

二、依托項(xiàng)目的基本情況

廣州大學(xué)城項(xiàng)目是廣東省和廣州市貫徹“科教興粵”戰(zhàn)略部署的重點(diǎn)項(xiàng)目，是中國(guó)華電集團(tuán)公司在天然氣高效利用方面的首個(gè)10萬(wàn)千瓦級(jí)分布式能源站建設(shè)項(xiàng)目。廣州大學(xué)城分布式能源站是亞洲最大的分布式能源系統(tǒng)，為分布式能源站的發(fā)展提供了重大示范，為我國(guó)建立分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)系列化、模塊化標(biāo)準(zhǔn)提供示范，同時(shí)積極推動(dòng)了我國(guó)節(jié)能減排的深入。

廣州大學(xué)城坐落于廣東省廣州市番禹區(qū)新造小谷圍島及其南岸地區(qū)，遠(yuǎn)期規(guī)劃面積為43平方公里，屆時(shí)區(qū)域內(nèi)總?cè)丝趯⑦_(dá)30余萬(wàn)，分兩期建成。其中小谷圍島內(nèi)規(guī)劃面積18平方公里，為大學(xué)城一期工程，含十所大學(xué)及中央商務(wù)區(qū)，擬建建筑面積約800萬(wàn)平方米，可容納14萬(wàn)高校學(xué)生，總?cè)丝诩s25萬(wàn)。

廣州華電大學(xué)城分布式能源站的功能是滿足大學(xué)城區(qū)的各種能源需求，包括為大學(xué)城用戶提供電力；向集中熱水制備站提供生產(chǎn)生活熱水的高溫?zé)崦剿图訜嵊谜羝粸閺S區(qū)提供冷負(fù)荷等；并為原關(guān)停小電廠的部分熱用戶提供工業(yè)供熱熱源。根據(jù)廣州大學(xué)城一期和二期規(guī)劃，能源站最終規(guī)劃容量為300MW級(jí)，設(shè)置4×78 MW分布式能源站，分二期建成，一期先建2套分布式冷熱電聯(lián)供機(jī)組，二期工程根據(jù)熱電負(fù)荷的增長(zhǎng)情況，在一期基礎(chǔ)上再擴(kuò)建相應(yīng)的機(jī)組，必要的公用設(shè)施土建構(gòu)筑物一次建成，設(shè)備分期安裝。

廣州大學(xué)城能源站的熱負(fù)荷為大學(xué)城各校區(qū)和中央商務(wù)區(qū)提供生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)，其需求極不平衡。熱水主要提供給學(xué)生宿舍和教師公寓以及有需求的公共和商業(yè)建筑。最大小時(shí)需水量出現(xiàn)在22:00，由于熱水需求時(shí)段的極端不均勻，典型日最大用水時(shí)段的小時(shí)熱水負(fù)荷大于能源系統(tǒng)相應(yīng)的小時(shí)余熱生產(chǎn)能力，系統(tǒng)采用蓄熱式的熱水供應(yīng)方式。廣州大學(xué)城項(xiàng)目設(shè)計(jì)熱負(fù)荷按生活熱水負(fù)荷和服裝洗水熱負(fù)荷的分時(shí)段疊加考慮，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷：最大熱負(fù)荷為310GJ/h，最小熱負(fù)荷為66GJ/h，平均熱負(fù)荷為146GJ/h。工業(yè)熱負(fù)荷為11.46t/h，且供汽量比較不穩(wěn)定，供熱蒸汽冷凝水不回收。大學(xué)城熱水制備站的熱負(fù)荷需求在不同月份、不同時(shí)段差別很大；冷凝水與所制熱水混合后供大學(xué)城熱水，不回收。余熱鍋爐熱水汽水損失率為2%。

三、項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

基于對(duì)分布式供能技術(shù)在我國(guó)能源戰(zhàn)略中重要地位的共識(shí)，《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》（以下簡(jiǎn)稱“綱要”）中的第一領(lǐng)域（能源）第一優(yōu)先主題（工業(yè)節(jié)能）中明確強(qiáng)調(diào)發(fā)展“分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)”。《綱要》進(jìn)一步將分布式供能技術(shù)作為與氫能、核能等并列的四項(xiàng)前沿技術(shù)之一。本項(xiàng)目的建設(shè)實(shí)施是對(duì)《綱要》規(guī)劃的具體落實(shí)，也是對(duì)節(jié)能減排的推動(dòng)。

本項(xiàng)目在研究分布式能源系統(tǒng)集成過(guò)程中提出了“以冷定電”和“欠匹配”原則，同時(shí)在系統(tǒng)全工況調(diào)節(jié)和節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用方面作出了突出貢獻(xiàn)，其成果得到了充分體現(xiàn)。廣州大學(xué)城分布式能源項(xiàng)目中以“能源的梯級(jí)利用”為主線，圍繞理論創(chuàng)新、核心技術(shù)突破等目標(biāo)，開(kāi)展了系統(tǒng)方案集成和工程應(yīng)用工作，形成了華電工程自有的創(chuàng)新點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)：

（1）提出了分布式能源系統(tǒng)模塊化、序列化設(shè)計(jì)方法。在該設(shè)計(jì)方法的引導(dǎo)下，建成了亞洲目前最大的分布式能源站（發(fā)電裝機(jī)容量為15.6萬(wàn)kW），為分布式能源系統(tǒng)的研究提供了重大示范，同時(shí)也積極推動(dòng)了我國(guó)節(jié)能減排的深入實(shí)施；

（2）豐富和發(fā)展了總能系統(tǒng)理論，實(shí)現(xiàn)了天然氣能量的電、熱、冷及生活熱水的“四級(jí)”利用；

（3）提出有效的全工況調(diào)控手段，采用主動(dòng)蓄能方法和抽汽補(bǔ)汽汽輪機(jī)關(guān)鍵設(shè)備，平衡了系統(tǒng)冷熱電產(chǎn)出，提高了系統(tǒng)的全工況效率和運(yùn)行靈活性。同時(shí)系統(tǒng)采用了適合于變水溫的熱水型溴化鋰吸收式制冷設(shè)備，平衡了生活熱水與制冷熱源的需求，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定，提高了燃?xì)廨啓C(jī)尾部煙氣的利用率；

（4）形成自主的分布式供能關(guān)鍵過(guò)程及系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)方法。

四、依托項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益

廣州大學(xué)城項(xiàng)目堅(jiān)持科學(xué)用能下，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)基礎(chǔ)理論、集成技術(shù)及調(diào)控手段等方面的創(chuàng)新，具有以下效果：

（1）廣州大學(xué)城項(xiàng)目使分布式能源理論變成實(shí)際，在分布式供能關(guān)鍵過(guò)程中形成了自主創(chuàng)新，提出動(dòng)力余熱利用、主動(dòng)蓄能等分布式供能關(guān)鍵過(guò)程及系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)方法，同時(shí)，廣州大學(xué)城項(xiàng)目為我國(guó)建立分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)系列化、模塊化標(biāo)準(zhǔn)提供示范，使我國(guó)的分布式供能系統(tǒng)研究躋身于國(guó)際先進(jìn)行列。

（2）廣州大學(xué)城項(xiàng)目在“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”熱能綜合梯級(jí)利用理論下，集成了燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)、溴化鋰制冷機(jī)和生活熱水制取裝置，取得了電、熱、冷及生活熱水的多功能輸出，實(shí)現(xiàn)了天然氣能量的四級(jí)利用。僅余熱鍋爐尾部受熱面的改進(jìn)，將額外得到290t/h的生活熱水供大學(xué)城使用。

（3）廣州大學(xué)城項(xiàng)目在系統(tǒng)全工況調(diào)控方面尋求突破，利用抽汽、補(bǔ)汽式汽輪機(jī)自動(dòng)工況調(diào)節(jié)和穩(wěn)定系統(tǒng)的輸出，突破了傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式，引領(lǐng)我國(guó)分布式供能技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)研究的跨越式發(fā)展。同時(shí)系統(tǒng)采用了適合于變水溫的熱水型溴化鋰吸收式制冷設(shè)備，平衡了生活熱水與制冷熱源的需求，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。廣州大學(xué)城項(xiàng)目節(jié)能率為20~25%。僅余熱鍋爐低壓蒸汽進(jìn)入補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的使用，在不增加燃料消耗的前提下可額外增加上網(wǎng)電量約為3250萬(wàn)千瓦時(shí)，每年將為系統(tǒng)增加約2000多萬(wàn)元的純收入。

（4）變溫?zé)崴弯寤囄帐街评湓O(shè)備的采用，平衡生活熱水與供冷熱源的需求，穩(wěn)定了制冷單元的輸出，保證了燃?xì)廨啓C(jī)尾部煙氣的高效利用，進(jìn)一步降低了排煙溫度，為系統(tǒng)每年約增加30萬(wàn)元的收入。

五、依托項(xiàng)目的社會(huì)效益

分布式供能技術(shù)具有良好的節(jié)能效果，并大大降低系統(tǒng)輸配電和冷熱輸送設(shè)備的投資和運(yùn)行成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)性，可以為投資方、設(shè)備制造方、用戶等各方帶來(lái)良好收益。同時(shí)，全球氣溫變暖，CO2已成為公認(rèn)的禍?zhǔn)祝谏鲜霰尘跋拢岣呋茉蠢寐剩蔀镃O2減排的重要手段，而分布式能源正是以天然氣的高效利用為目的，將成為我國(guó)減排目標(biāo)的重要支撐。同時(shí)，分布式能源技術(shù)通常以燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力源，其NOx排放遠(yuǎn)低于常規(guī)鍋爐，分布式能源系統(tǒng)也將成為我國(guó)降低酸雨排放的重要技術(shù)。

我國(guó)集中式供電電網(wǎng)的規(guī)模迅速膨脹，由此所帶來(lái)的安全性問(wèn)題是不容忽視的。廣州大學(xué)城項(xiàng)目將分布式供能技術(shù)和集中式供電有效結(jié)合，構(gòu)架了更加安全穩(wěn)定的電力系統(tǒng)。同時(shí)，廣州大學(xué)城項(xiàng)目對(duì)抑制夏季電力高峰、填補(bǔ)夏季燃?xì)獾凸鹊确矫娑及l(fā)揮了有益作用。廣州大學(xué)城分布式能源系統(tǒng)向外界輸出電、熱、冷、生活熱水等多種能源，具有較高的節(jié)能率，與常規(guī)系統(tǒng)相比，廣州大學(xué)城分布式能源站項(xiàng)目年CO2減排在8~12萬(wàn)噸，年NOx排放減少1500~2000噸。適應(yīng)我國(guó)“十一五”期間大幅節(jié)能減排的需求。