（电力系统及其自动化专业论文）中电投高培中心分布式供能系统的配置与优化.pdf

上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 ii 页 的阐述，并分别从总平面布置、热力系统、热工控制方法、采暖空气 调节以及对环境的影响等多个因素，对于分布式供能系统的工程设想 做了研究和分析。最后，文中给出了分布式供能系统的工程经济效益 分析，从投资估算着手，给出了基本的财务指标、敏感性分析和热电 比分析，来证明此项目具有可行性和一定的经济效益。 热电冷三联供系统由于其节能、 清洁能源受到越来越多人的重视， 在全国推广热电冷三联供的战略构想尤为迫切。从本文所叙述的中电 投高培中心分布式供能系统来看，其研究结果对于天然气分布式供能 系统的推广和应用有重要意义和一定的促进作用。 关键词：关键词：分布式供能，天然气，热电冷三联供，经济性分析 上海交通大学工程硕士学位论文 abstract 第 iii 页 configuration and optimization of the distributed power system in advanced training center of china power investment corporation abstract energy resource is the important material element of the national economy development. all the countries in the world regard the building of a reliable, secure and stable energy providing system as one of the strategic problems in national economy development. nowadays the shortage in energy resource results in high priority in rational use in energy resource and improvement in its efficiency. combined cold, heat and power (cchp) system is developing on the basis of combined heat and power system, which makes the heat energy generate power through steamer or gas turbine. at the same time, cchp system uses the used heat energy to provide heat in winter and the used refrigeration equipment to provide cold in summer. this paper starts from the distributed power system in advanced training center in china power investment corporation. this system is a cchp system using natural gas as its fuel. the rundle using of natural gas can surely improve the use efficiency of the energy resource. in the paper, it firstly introduces the definition, application and characteristic of the distributed power system. also the development situations at home and abroad are shown in the passage. then a brief introduction of the distributed power system in advancing training center of china power investment corporation is stated on several aspects such as the necessity of building the distributed system and its design principle. 上海交通大学工程硕士学位论文 abstract 第 iv 页 the analysis on the power system status quo is calculated from the connecting system method and relay protection. from the analysis on the heat status quo, we do the heat prediction and design. secondly, for one of the important components in the distributed power system- the gas turbine, the paper does a detailed research on its choosing principle, models definition and heat operating method. except that, the plane collocation, choice of the system site, fuel system, heat system, the control on heat engine, the regulation of the conditioner and the environmental effect are shown in the paper to do a research and analyses on the project design. at last, the economic analysis of this distributed power system is stated. from the estimated calculation of the investment, the basic finance guideline, sensibility analyses and heat power ratio analyses are provided to prove the feasibility and benefits of the system. owing to the its energy-saving and clean energy resource, cchp system is attached more and more importance. the generalized application of cchp is urgent. the research results of the distributed power system in advanced training center of china power investment corporation speed the process of generalization in the distributed power system using natural gas as the fuel. keywords: distributed power system, natural gas, cchp, economic analyses 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：朱晓红 日期：2008 年 1 月 19 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：朱晓红 指导教师签名：解 大 日期：2008 年 1 月 19 日 日期：2008 年 1 月 19 日 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 引言引言 节约能源和保护环境是当今世界面临的两大难题。能源是人类赖以生存和发 展的基础，也是衡量一个国家综合国力、人民生活水平以及国家文明发达程度的 重要指标。当前人类在能源可持续发展道路上面临两大难题： 1 大量消耗以煤为主的化石能源所带来的日益严重的污染和对生态环境的破 坏。 2化石能源资源的日益枯萎，使寻找新的替代能源已成为 21 世纪最为紧迫 的任务。 自从 30 年前的能源危机发生以来，全世界都一直在关注未来的能源问题。实 现能源、环境和经济的协调发展已成为人们所共同追求的目标。在我国，加快能 源建设和保障能源供应一直是经济建设与发展的重要目标之一。 1.1.1 分布式供能系统的产生分布式供能系统的产生 国家发改委 07 年 4 月在能源规划“十一五”规划中提出“十一五”是全 面建设小康社会的关键时期，新时期新阶段能源发展既有新的机遇，也面临更为 严峻的挑战：消费者需求不断增加，资源约束日益加剧；结构矛盾比较突出，可 持续发展面临挑战；国际市场剧烈波动，安全隐患不断增加；能源效率亟待提高， 节能降耗任务艰巨等。与国际先进水平比较，我国能源效率还有很大差距。“十一 五”规划纲要提出了 2010 年单位 gdp 能耗降低 20%左右的目标1。 目前，我国电力能源存在以下几点问题： （1）结构不尽合理，供需不够平衡。与发达国家相比，我国人均占有的发电 量相对较少，部分地区部分时间的用电负荷还趋于非常紧张的局面。 （2）电力能源存在浪费和利用效率偏低。电力能源在生产、输送和使用中存 在着能源浪费和效率偏低的现状，一些地区电能利用率低下的问题还比较严重。 （3）由于我国一次能源以煤为主的特点，目前燃煤发电量在总发电量中所占 比重还在 80%以上，发电燃煤在全国煤炭消费中约占 61%。面对煤炭资源紧缺的 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 形势和价格的大幅度上涨，对电力来讲，节能更有非常重要的意义。 我国是一个发展中的国家，由于历史和资源等原因，能源是以煤为主的结构， 对环境污染严重。目前能源的人均消费量约为 1t 标煤，要达到小康，至少人均年 消费为 1.5-2t 标煤。为了适应我国能源结构的调整和西气东输工程的实施，结合 各具体情况，应大力发展以天然气为主的能源技术。我国以煤为主的能源结构短 期内还难以改变，发展集中式电网供电系统以满足日益增长的电力需求仍将是能 源工业的主要方向，但为提高我国能源供应的安全可靠性，保证西部大开发与可 持续发展战略的顺利实施，大力发展分布式供能系统、加强可再生能源的开发与 利用，是极为必要和不可缺少的，也有利于形成具有我国自主知识产权的能源科 学理论与技术。 同时，资源、环境问题和可持续战略，热电联产、集中供热所具有节约能源、 保护环境等重要作用，日益受到全社会的重视。随着“西气东输”工程商业供气 的启动，迅速发展我国的热电冷三联产技术、建立一大批天然气为燃料的分布式 能源系统成为可能，一方面提高清洁能源的利用效率，优化能源结构，另一方面 可减少对大电网的依赖，提高能源供应的安全性。 1.1.2 分布式供能系统的发展分布式供能系统的发展 分布式供能技术是在 20 世纪 70 年代左右开始发展的，在中央电站发电技术 还未完全成熟，且能源需求快速增长的情况下，该技术一直没有得到重视。随着 经济的发展、能源供应质量要求的提高，以及热、电、冷负荷需求的逐步普遍化， 一些关键技术的进步，特别是微型燃气轮机和燃料电池技术的出现，分布式热、 电、冷联供技术的应用逐渐引起了人们的关注。在已经构成的主体大电网的基础 上，该技术以其投资小，使用范围广的特点，已成为国家总体能源供应系统中一 种最为灵活和有效的补充。 1.1.3 分布式供能系统的应用分布式供能系统的应用2 1备用电力 在电力短缺时提供电力，用户可以包括医院、工厂以及安全应急系统。分布 式供能系统用来给要求不间断供电的用户提供备用电力。在峰谷电价的情况下， 该措施可以保障电力的可靠性，同时可以减少电费的支出。 2热电联产 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 3 页 在将燃料的化学能转变为电能的过程中，产生了大量的热能，大约占燃料可 转换能量的 2/3。如果发电装置位于用户的附近，工厂就可以利用该热量。通过采 用热电联产，分布式供能系统可以提高效率，减少温室气体排放，降低用电费用。 热电（冷）联产最适合像加工工业这样的中、高级热用户，居民和商业建筑的采 暖和空调。 3电力调峰 在分时电价结构下，大型用户可以将其负荷结构进行分类，在高电价的高峰 负荷时段，使用分布式发电系统来降低整个的用电费用，同时也可缓解对中央电 站的需求压力，均衡电网的电力负荷。在已经具备有可靠的大电网供电情况下， 分布式电站可以起到经济和环保的调峰作用。 4单独供电 在独立用户和偏远地区，使用分布式供能技术要比使用网电更为经济。例如， 一些联产系统用户如果不能从电力供应部门得到经济的备用电力的话，它们可以 脱离电网，实现电力自给。 5电网支持 电网是由发电站、高压输电网、变电站和当地低压电网构成，选择使用分布 式发电站可以为系统提供效益，减少系统投资。潜在的利益包括：提高电压、频 率可靠性，避免或减少输变电系统改造投资，减少线损，减少输电量，减少中央 电站的容量储备，减少矿物燃料使用。 6现代温室的供热和空气调节 现代温室对能源的需求，以及植物生长所需要的环境，主要表现在需要热量 以及对于二氧化碳的需要，为分布式供能技术提供了更加广泛的应用领域。 1.2 分布式供能系统的基本原理分布式供能系统的基本原理 根据燃料的不同，分布式供能系统的主要形式，可分为燃用化石能源、燃用 可再生能源和燃用二次能源及垃圾燃料等几种。根据用户需求不同，则可分为电 力单供方式、热电联产方式（chp） 、冷热电三联产方式（cchp） 。 1.2.1 分布式供能系统的定义分布式供能系统的定义 分布式供能系统有许多不同的定义，一般是指在集中的区域内采用小规模、 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 4 页 分布式的方式，独立地输出热能、电力和冷能的系统，包括使用液体或气体燃料 的内燃机、微型或小型燃气轮机和燃料电池等。其基本原理是：天然气等一次能 源首先通过燃气轮机发展(燃机一次发电效率 30 40)， 产生的高温烟气进入 余热锅炉发生中压或低压蒸汽，这部分蒸汽可以进入蒸汽轮机发电，也可以直接 提供给空调制冷或者供热设备作为驱动热源。系统总效率可达到 80- 90 。与 一般意义上的发电厂和传统的热电厂有着本质区别。 它通过信息化智能控制技术， 对电力生产、热力供应、制冷、除湿等进行优化整合，将“需求一生产一供应” 链置于信息化控制系统下，以此建立一个因特网式的能源信息网络系统，实现电 力、 燃气和通信网络的四维一体系统集成，实现了能源的“温度对口，梯级利用” ， 达到资源效益最大化、资金和环境代价最小化的多元能源供应模式。同时，分布 式能源也具备第二代能源系统的所有显著特征。即：燃料多元化，设备小型、微 型化，智能化控制和信息化管理，冷热电联产化和高标准的环保水平等，代表了 当今世界发展潮流的最先进理念和技术3。 分布式供能系统分散地布置在需求侧，根据用户对能源的不同需求，实现温 度对口供应能源，将输送环节的损耗降至最低，从而实现能源的梯级利用和能源 利用效能的最大化。分布式供能系统采用的一次能源可以是燃气、风能、太阳能、 燃料电池和其他可再生能源。 1.2.2 分布式供能系统的特点分布式供能系统的特点 分布式供能系统的特点如下4-5： （1）节省输变电投资 分布式供能系统的供能装置直接安装在用户近旁，不需要建设大电网进行远 距离，高电压或超高电压的输电，输电距离短，无需建设配电站，可有效降低输 配电成本。 （2）能源综合利用率进一步提高 将高品位的电与低品位的热和冷这 3 种能量需求有效地统一，实现能源的梯 级利用，使能源综合利用率进一步提高，可达到 80%以上，而采用超临界甚至超 超临界参数的火电厂的效率也仅 45%左右。 （3）弥补大电网在安全稳定性方面的不足和提高供电的可靠性 直接安置在用户近旁的分布式供能装置相互独立，用户可自行控制，与大电 网配合，可有效降低电力负荷波动对大电网的影响，减少发生严重事故的可能； 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 5 页 电网一旦发生故障，分布式系统可保证用户的电力供应不受影响，避免一些灾难 性后果的发生。尤其是电网崩溃和意外灾害情况下，可维持重要用户的供电，提 高供电的可靠性。实现热、电、冷三联产后，供热以常规锅炉和余热锅炉互为备 用，供冷以电制冷和热力制冷互为备用，供电以网电和自备发电互为备用，保证 了热电冷三联产的高可靠性。 （4）设备数量少、容量小 与热电厂相比，分布式供能系统的设备数量少，没有凝汽器等大型辅助设备 及大量管道，设备规模、体积较小，用地较省，同时分布式供能系统因普遍容量 小，操作简单且具智能化，机组可灵活地快速起停。 （5）厂用电率低 分布式供能系统采用烟气作为工质，整个系统不需要大量的软化水以及循环 冷却水。另外，分布式供能系统的厂用电率低于 2%，而火电厂的厂用电率为 4%-7%。 （6）满足特殊场合的需求 对不适宜大规模辅设电网的西部等边远地区或散布的用户，对供电安全稳定 性要求较高的特殊用户，能源需求多样化的用户，分布式供能系统的优点是可进 行遥控和监测区域电力质量和性能，输电损耗显著减少。 （7）运用可再生能源，具有良好的环保性能 使用的一次能源一般为绿色或者可再生能源等清洁能源，污染物的排放减少 近四分之一，分布式系统的能源综合利用率高，同集中供能相比，产生额定的热 量只需较少的燃料，在降低燃料燃烧排放的污染物方面具有很大的潜力。据估算， 如果将现有建筑采用分布式供能系统的比例从 4%提高到 8%， 到 2020 年二氧化碳 的排放量将减少 30%，另外，热电冷三联产应用溴化锂-水吸收制冷技术，采用对 环境安全无害的天然工质作为制冷剂，不会破坏臭氧层。此外，分布式供能系统 由于减少了输变电线路和设备，电磁污染和噪声污染极低，因而具有良好的环保 性能。 1.3 分布式供能技术的发展现状分布式供能技术的发展现状 分布式供能技术目前存在三种不同的概念，即分布式供能（distributed generation, dg） 、分布式电力（distributed power, dp）和分布式能源资源 （distributed energy resources, der）6。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 6 页 分布式供能（dg） ：目前对于分布式供能技术还没有统一的定义，但一般是 指现场型、靠近负荷源、在电力公司电网外独立进行电力生产和热电联产的小型 供能技术。其技术类型包括有内燃机、燃料电池、燃气轮机和微型燃气轮机、水 电和小水电、光伏发电、风能、太阳能以及以垃圾（生物质）为燃料资源的能量 利用装置。 分布式电力（dp） ：它是位于用户附近、模块化的发电和能量储存技术。包 括生物质能为基础的发电装置、燃气轮机、聚焦式太阳能发电站，以及光伏发电 系统、燃料电池、风力发电机，微型燃气轮机、发动机发电机组、储存和控制技 术。它可以是联网运行或独立运行。与大型、集中式发电站相比，分布式发电系 统的容量范围可以从低于 l kw 到数十 mw。可以用作为备用电站、电力调峰、独 立电站以及热电联产电站。 分布式能源资源（der） ：它和常规的中央式能源资源是有区别的，它是从提 高能源利用效率和降低排放的角度，通过发展用户侧分布式供能和分布式电力， 来实现地区性电力的良好控制和余热资源的更好利用。技术内容包括 dg、dp 涉 及的技术和需求侧管理技术。是由用户、能源服务机构或电力输送公司在负荷附 近从调整整个电网经济性的角度所建造的电力或热电联产装置。 从某种意义上讲，der，dp，dg 的目的是基本相同的，但技术包容的范围 存在区别，按照文献7的定义，三者之间是属于逐级包容的关系。其中，dg 是 属于最小的范畴。从美国能源部能源效率和可替代能源办公室网站资料来看，分 布式能源资源（der）是指各种小型、模块化的发电技术，不管这些技术是否和 电网相连接，它都可以和能源管理和储存系统相结合，用于改善输电系统的运行。 der 系统的容量范围可以从几 kw 到 50mw。 而 dg 则定义为集成或单独使用的、 靠近用户的小型、模块化发电设备，它完全不同于现有传统的中央发电站和输电 模式，它可以位于终端用户附近，建设在工业园区、在大楼内、在社区里。在输 电网下游的 dg 可为用户和电力输配系统提供利益。在建设集中电站不适宜的地 区，dg 的小容量和模块化潜在地提供着广泛的用户和现场型电力。因此，分布式 供能技术是以一些小型发电设备的技术进步为依托，以靠近用户侧建立小型电站 为主，并结合热电（冷）联产等应用拓展为前提的整体供能系统的总称。分布式 供能系统是采用模块化设计的发电设备或热电（冷）联产设备8。 分布式供能技术按燃料类型分类可以分为利用常规矿物燃料技术、利用新型 矿物燃料技术和利用可再生能源技术。 （1） 利用常规矿物燃料技术包括燃柴油或天然气的往复式发动机和工业燃气轮发 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 7 页 动机，这两种均是已经商业化的技术。未来的任务是如何降低成本和减少污染排 放，实现热电联产，提高能源利用率。 （2）利用新型矿物燃料技术，主要是微型燃气轮机和燃料电池。这两者目前仍处 于研发阶段，一些研究产品目前也投入了商业试运行。随着技术进步，预计其将 成为未来能源市场最为活跃的部分。 （3）利用可再生能源技术，主要是光伏电池、太阳能发电、风力发电机、小水力 发电，以及以生物质为燃料的小型热电联产装置。 在世界各地应用比较广泛的形式是天然气冷热电三联产系统，其是一种对天 然气进行梯级利用的系统， 可以有效地提高一次能源利用率9-10。 为了有效利用天 然气，不仅要提高耗能设备效率，而且要使天然气产生的能量由高温到低温实行 多阶段多次利用，也就是按能量品位的高低，安排好功、热和物料热力学能的各 种能量之间的合理配合，实现不同形式、不同品位能量的梯级利用，以获得整个 系统能量综合利用的最佳效果。天然气能量梯级利用途径见表 1 所示。 表 1 能量梯级利用途径表 1500摄氏度 发动机 电力 1100摄氏度 燃气轮机 电力 700摄氏度 燃气轮机 电力、动力 300摄氏度 蒸汽 热利用（工厂） 100摄氏度 高温水 热利用（建筑物） 80摄氏度 低温水 热利用（供热水） 天 然 气 化 学 能 50摄氏度 冷温水 采暖 天然气冷热电三联产系统是由一种一次能源连续产生两种以上二次能源的系 统，天然气燃烧把化学能转化为热能，高品位的热能用来发电(燃料电池冷热电三 联产系统直接把天然气的化学能转化为电能)，低品位的热能用于供热或者为吸收 式、吸附式制冷系统提供驱动热源，从而实现对天然气化学能的多级多次利用。 天然气冷热电三联产系统具有很高的一次能源利用率。对于普通的火力发电 系统，一次能源利用率约为 40%，而采用天然气冷热电三联产系统，一次能源利 用率通常可达 70%以上。由于能源利用率很高，故天然气冷热电联产系统具有很 好的经济效益11-14。 天然气分布式冷热电 cchp（combined cooling heat and power）三联产系统 的热动力设备主要有燃气内燃机、微型燃气轮机、燃料电池和燃气外燃机等15-17。 （1）燃气内燃机 cchp 系统是以燃气内燃机作为热动力装置，冷水经由润滑油/ 水换热器、燃烧室外的水冷壁以及烟气换热器，向热用户提供蒸汽或热水。制冷 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 8 页 则由热水或蒸汽送入吸收式制冷装置(如蒸汽/热水溴化锂制冷机)，产生冷冻水， 再由冷冻水作为冷媒向用户提供空调服务。 燃气内燃机的额定功率通常为 50-5000 kw。内燃机的造价相对较低，但其运动部件费用较高，因此运行费用高。 （2）微型燃气轮机是指容量为 25-300 kw，可以简单循环的燃气轮机。微型燃气 轮机主要有 2 种形式：一种是高速单轴形式，压缩机和涡轮与交流发电机装在同 一根轴上， 涡轮转速为(5-12)104 r/min； 另一种是分离轴形式， 转速为 3600 r/min 的涡轮通过变速箱与常规发电机相连。微型燃气轮机与内燃机相比，具有较少的 运动部件，因此维护费用较低，但造价比内燃机高。 （3）燃料电池是一种新型技术，一般用于 1 mw 以下的系统。燃料电池通常采用 天然气作为燃料。天然气经过重整装置生成氢，氢和氧在阳极和阴极通过电解质 溶液进行离子交换发生电化学反应，从而产生电能，反应的副产物是热能和水。 由其工作原理可知，燃料电池具有高效率(发电效率为 35%-60%)、无污染、无噪 声、运行可靠等优点。燃料电池产生的 c02 , nox , co 和有机挥发分的体积分数 较低。燃料电池一般根据电解质进行分类，主要有磷酸燃料电池、碱性燃料电池、 质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等，其中，磷 酸燃料电池发展相对成熟。 1.3.1 分布式供能在国外的发展现状分布式供能在国外的发展现状 美国从 1978 年开始提倡发展小型热电联产。目前，正研究能源资源高效利用 的小型热电冷三联产。2000 年 9 月，美国能源部能源效率与可再生能源办公室和 矿物能源办公室联合发布了分布式能源资源策略规划，提出了发展新一代洁净、 有效、 可靠和经济的分布式能源技术的目标、 任务及鼓励机制， 宣布了一个在 2010 年使热电联产容量翻一番的目标，即美国要在 2010 年前再增加 46000mw 装机容 量的热电联产能力。 美国现有 6000 多座分布式供能站， 仅大学校园就有 200 多座。 政府计划在2010年有20%的新建商用或办公建筑的供能站使用热电冷三联产， 5% 的现有商用写字楼供能改用热电冷三联产，美国能源部的 25%项目改用热电冷三 联产。到 2020 年计划有一半以上的新建办公或商用建筑供能采用热电冷三联产， 同时将有 15%的现有建筑供能改为热电冷三联产。另外，分布式能源技术在欧洲、 东南亚等地也在推广应用，前景看好18。 欧洲从 1974 年开始大力发展热电联产， 计划到 2010 年热电发电量从 1994 年 占发电总量 9%增加到 2010 年的 18%。英国曼彻斯特机场的分布式三联产供能工 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 9 页 程是包括选用两台内燃机（燃料为重油或天然气） 、2 台 59mw 的余热锅炉（供应 140 摄氏度热水） ，2 台 4mw 的双燃料常规锅炉，每年发电约为 72000mwh。英 国实行热电冷三联产后，每年可减少二氧化碳排放 50000 吨、二氧化硫排放 1000 吨，因此，经济效益和环保效益都十分显著；丹麦政府从 1999 年开始进行电力改 革，在热供应法案中明确提出尽可能提高热电联产在集中供热中的应用比例。目 前，丹麦 90%的区域供热由热电联产提供。在德国，2002 年通过了新的热电法， 鼓励和支持发展热电联产；在意大利，也进一步加强了对中小型分布式热电联产 的鼓励和支持19。 日本是能源依赖进口的国家，因此非常重视节能工作20。节能系统的研究程 度很高，燃料以天然气为主的分布式热电冷三联产项目发展最快，应用领域广泛。 在 2005 年 8 月 22 日到 8 月 31 日上海市分布式供能系统关键技术研究课题组部分 成员赴日考察， 主要是了解日本分布式供能系统发展现状和关键技术的解决情况。 具体说来，是日本分布式供能系统发展的总体情况，原动机及其系统的选用和适 用条件与运行，燃气供应系统及其安全技术配置，站址布置及其对于建筑安全的 适用条件，分布式供能系统和电力系统及燃气供应系统的连接及其技术条件，分 布式供能系统的运行安全性和经济性等。日本从 1980 年开始推广热电联产项目， 迄 2004 年底，共建 9710 个项目，合计发电功率 7782mw(包括燃油、燃气项目)， 约占日本发电设备总容量的 2.5%；其中燃气的 4651 项(发电功率 3065mw )，分 别占 47.9%和 39.4%。包括工业项目 1087 项(发电功率 2238mw)和民用商业项目 3564 项(发电功率 827mw)占分别占总量的 23.4%/73.0%及 76.6%/27.0%。按原动 机类型进行分类，燃气轮机共 1228 台，发电容量 3617mw，占 12.6%/46.5%；柴 油机 4212 台，发电容量 3048 mw 占 43.4%/39.2%;燃气内燃机 4262 台，发电容量 1187 mw，占 43.4%/15.3%；其他 8 台，发电容量 31 mw。从上可见，日本燃油 柴油机的数量还不少，但大多是早期投产的，目前已经陆续进人退役期，也有部 分作为备用，年运行小时逐步下降。从发展趋势看，分布式供能系统的主力原动 机是燃气轮机和燃气内燃机21-22。 1.3.2 分布式供能在中国的发展现状分布式供能在中国的发展现状 中国是一个发展中国家，能源消费与发达国家相比存在较大的差距，按照目 前的经济发展趋势，我国所面临的能源问题仍然是相当严峻的。为适应我国能源 结构调整和“西气东输”工程的具体实施，结合各地的具体情况，大力发展以天 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 10 页 然气为主的能源技术进步，已是沿线各地所面临的主要任务。纵观世界燃气技术 的应用和我国天然气时代的到来，加快发展天然气及其应用技术十分必要。可以 看出，中小型燃气热电联产在国内具有广阔的发展空间。从发达国家的发展趋势 来看，以天然气为能源的分布式供能技术，特别是热电联产，可以是实现能量的 阶梯利用和合理配置，既可以提高能源利用率，又可以有效地改善环境，应当是 合理利用天然气资源最佳选择。在“西气东输”工程的沿线，大力发展投资规模 小、建设速度快、以天然气为主要燃料的分布式供能技术，实现热、电、冷联产 联供无疑是一项切实可行的能源策略。典型的热电冷三联产系统包括：动力系统 和发电机（供电） 、余热回收装置（供热） 、制冷系统（供冷） 。正如集中供电电站 可以通过电、热并供以提高能源利用率一样，分布式供电系统也可根据用户需要， 在生产电力的同时，提供热能或同时满足供热、制冷等方面的需求，这便是先进 的分布式能源供应系统冷热电三联产系统的基本特征， 与简单的供电系统相比， 冷热电三联产系统可以大幅度提高能源利用率、降低环境污染、改善系统的经济 性。 2000 年，国家发展计划委员会、国家经济贸易委员会、建设部、国家环保总 局联合发出了关于发展热电联产的规定的通知，明确了“统一规划、分步实 施、以热定电和适度规模”的发展原则。鼓励使用清洁能源，鼓励发展热、电、 冷联产技术和热、电、冷联供，以提高热能综合利用效率。在有条件的地区应逐 步推广适用于厂矿企业、写字楼、宾馆、商场、医院、银行、学校等较分散的公 用建筑的小型燃气发电机组和余热锅炉等设备组成的小型热电联产系统。 上海黄浦区中心医院的热电冷联产系统是我国最早的三联产系统之一，该系 统设备为：1 台 t1501 型燃气轮机；1 台参数为 0.8mpa，额定蒸发量为 3.3t/h 的 余热锅炉；2 台 2t/h 燃油锅炉；2 台溴化锂制冷机；2 台用于冬季供暖的换热器； 1 台水加热器供应热水。该系统于 1998 年 3 月投入运行，当时因大楼医疗设施尚 在安装中，医院动力系统也在不断调整中，电负荷仅为（200-400）kw。到 2000 年，因受市供电限量，6 月中旬燃气轮机投运，连续运行 2660h 后于 10 月初停机， 电负荷达到（250-650）kw。2001 年 6 月中旬再次启用燃气轮机，以保证医院的 自用电。总体来说，虽然该系统能保证中心医院的自用电量，但是实际电负荷与 设计电负荷相差很大，长期在低负荷下运行，并没有充分发挥该系统的优势。如 果机组按照设计电负荷运行，除了保证医院的自用电，富裕的电负荷只能“竞价 上网” ，而上网电价较机组的发电成本低得多，因此，上网电量越多越不利。这说 明设计时由于没有正确估算电负荷用量，使得系统的经济性受到了严重影响。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 11 页 上海浦东国际机场能源中心是机场规划设计时“大集中、小分散”供冷供热 方案中最为关键的“集中”供冷供热主战场。能源中心实现热电冷三联产的主 要设备为：1 台额定功率 4000kw 的燃气轮机发电机组；1 台额定负荷为 9.7t/h、 利用燃气轮机派出的高温烟气产生 0.9mpa 饱和蒸汽的余热锅炉和蒸汽供应量不 足时使用的燃气/油锅炉； 溴化锂制冷机组和离心式制冷机组。 燃料以天然气为主， 0 号柴油作为备用。该燃气轮机热电联产系统于 1999 年底完成安装调试并投入试 运行，2000 年通过最终验收并交付使用。在运行初期，由于用户电负荷较低，燃 气轮机运行的经济性较差，系统始终未能投入正常的商业运行。在 2002 年 6 月底 机场 35kv 航飞站的电负荷调整、改造完成，使得电负荷由 2001 年下半年的 1730kw增加到2002年下半年的3091kw， 确保了燃气轮机自7月起能以70%-80% 的额定功率运行。 生产成本大幅度降低， 电价由 0.91 元/kwh 降到了 0.53 元/kwh。 充分说明了电负荷的增加有效地提高了系统运行的经济性23-25。 从上面两个例子也可以看出，热电冷三联产26对供冷、供热设备的选择和匹 配的要求很高，不能简单地按建筑群的电负荷和热、冷负荷选择燃气轮机和以补 燃方式满足供热、供冷负荷。若系统设备配置不合理，将直接影响系统的经济性， 尤其是热电联产部分。所以，有必要对其系统性能、燃气轮机排气参数、余热锅 炉参数、动态特性和变工况特性等进行分析以及数字仿真和试验，建立分布式热 电联产系统整体及主要部件的动态特性与性能优化模型，提出不同热电负荷下热 电联产系统最优配置及合理的运行模式和运行方案，为分布式热电联产系统的设 计与推广应用提高必需的关键技术。表 2 为在中国已经建成的分布式供能系统的 示范工程的项目地点和主要设备情况。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 12 页 表 2 分布式供能系统示范工程 序号 项目地点 主要设备情况 1 上海浦东国际机场 1 台 4000kw 燃气轮机；1 台 9.7t/h 余热锅炉 2 上海黄浦区中心医院 1 台 1014kw 燃气轮机；1 台 3.5t/h 余热锅炉 3 上海闵行区中心医院 1 台 300kw 燃气轮机；1 台 0.35t/h 余热锅炉 4 上海理工大学 1台60kw微型燃气轮机； 1台140kw余热直燃型 溴化锂制冷机组；1台0.4t/h带补燃余热锅炉 5 上海舒雅健康休闲中心 2台168kw内燃机;2台余热锅炉供65摄氏度热 水 6 上海锦虎电子配件有限 公司 2 台 1000kw 燃气轮机 7 上海紫竹科技园区软件 大楼 2 台 30kw 微型燃气轮机；1 台余热直燃型溴 化锂制冷机组 8 上海环球国际金融中心 1 台 1000kw 燃气轮机；1 台 4t/h 余热锅炉 9 北京市燃气集团监控中 心 1 台 480kw 和 1 台 725kw 燃气内燃机；1 台 1163kw 和 1 台 2326kw 余热直燃型溴化锂制 冷机组 10 北京次渠门站综合楼 1 台 80kw 微型燃气轮机；1 台 233kw 余热直 燃型溴化锂制冷机组 11 北京中关村软件园软件 广场 1 台 1200kw 燃气轮机； 1 台 2908kw 余热直燃 型溴化锂制冷机组 12 北京国际贸易中心三期 工程 2 台 4000kw 燃气轮机；2 台 20t/h 余热锅炉 13 北京国际商城 2 台 4000kw 燃气轮机；2 台 20t/h 余热锅炉 14 北京高碑店污水处理厂 沼气热电站 一期：4 台 513kw 沼气内燃机 二期：3 台 710kw 沼气内燃机 15 北京首都机场 2 台 12000kw 燃气轮机 16 北京奥运能源展示中心 系统由小型燃气轮机，直燃型溴化锂制冷机 组，余热锅炉等组成 17 广东东莞鞋厂 11 台 102kw 柴油内燃机；11 台 0.5t/h 余热锅 炉 18 广东铝业集团 1 台 725kw 重油内燃机； 1 台 bz200 型余热直 燃型溴化锂制冷机组 19 广州某药业集团 1 台 saturn 20 型燃气轮机；1 台 4t/h 余热锅炉 20 广州大学城 2 套 50mw 热电冷三联产系统 21 深圳龙岗区燃气轮机改 造热电联产 2 套 5000kw 燃气轮机发电机组改造成热电联 产 22 河南濮阳 1 台 12800kw 和 1 台 7060kw 燃气轮机 23 杭州赞成宾馆 300kw 燃气内燃机 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 13 页 由上面的示范工程来看，上海、北京等大城市占了绝大多数。由于 2008 年奥 运以及 2010 年世博的举办，北京和上海对于分布式供能系统的工作十分重视。以 上海为例，市府颁布了支持分布式供能系统的经济补助规定，成立了推动此项工 作的机构，其力度是空前的。2010 年世博会更为分布式供能系统发展带来了历史 性契机。西气东输工程已经全线开通；2010 年前，液化天然气将登陆上海，连同 东海油气田的扩建，会在上海形成三气并供的局面，届时，气源问题也将得到充 分的保证。随着电力系统的发展和改革不断深化，分布式供能系统的运行条件也 会越来越顺畅。总之，分布式供能系统在上海的发展指日可待。目前正处于孕育 期向发展期的转化， 最近五六年内， 有希望获得长足的进步。 2010 年应该争取 300 mw，2020 年超过 1gw26-27 。 在上海的示范工程中，基本上都是天然气热电联产系统。 1.3.3 分布式供能系统发展所面临的问题分布式供能系统发展所面临的问题 (1)供气条件的便利化：根据现有规定，在上海，分布式供能系统所需的 16kg cm 及以上压力的天然气不能进入外环线以内， 这就意味着只能从周围低压管道 系统中抽气再增压供气。然而，这种运行方式对其他燃气用户有何影响，要进一 步评估；按照评估结果，制定对策。 (2)主机及其他设备的国产化：为了降低投资，设备的国产化是重要环节。目 前，大多要靠进口，价格贵 1 倍以上。正在开始的国产化进程必须加快28。 (3)并网运行法制化：电力部门在市府指导下已制定了分布式供能系统并网运 行的相关规定，尚须在执行过程中不断完善，使之既确保电网安全，又方便实施。 (4)技术服务市场化：对于分布式供能系统业主单位来说，关心的是用能的可 靠、经济、方便，它不大可能也没有必要精通这方面的专业技术。这样，就产生 了一个新的市场：分布式供能系统的技术服务市场，通过这个市场，帮助业主从 项目的可行性研究到初步设计、设备选型、施工监理，还可以承包运行维护等。 1.3.4 分布式供能系统现状的小结分布式供能系统现状的小结 可以预测，在能源结构调整中，分布式供能系统因其灵活的变负荷、较低的 初投资，很高的供电可靠性，很小的输电损失和适合可再生能源等特点在世界范 围内越来越受到重视。随着天然气的广泛应用，电力垄断的逐步解体，环境保护 要求提高和可再生能源利用技术水平的提高，不仅我国偏远地区和西南地区的分 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 14 页 布式供能将得到极大的发展，而且分布式供能系统将成为中国城市现代化的重要 动力。毫无疑问，分布式供能系统将成为未来能源领域可持续发展的一个重要领 域。 1.4 本文主要工作本文主要工作 在对分布式供能系统的应用及基本原理和在国内外技术发展现状进行综述的 基础上，本文重点研究了在中国电力投资集团公司高