分布式供電（1978年在美國公布的概念）

分類

當今的分布式供電方式主要是指用液體或氣體燃料的內(nèi)燃機（IC）、微型燃氣輪機（Microturbines）和各種工程用的燃料電池（Fuel Cell）。因其具有良好的環(huán)保性能，分布式供電電源與“小機組”已不是同一概念。與集中供電電站相比，分布式供電具有以下優(yōu)勢：沒有或很低輸配電損耗；無需建設配電站，可避免或延緩增加的輸配電成本；適合多種熱電比的變化，可使系統(tǒng)根據(jù)熱或電的需求進行調(diào)節(jié)從 而增加年設備利用小時；土建和安裝成本低；各電站相互獨立，用戶可自行控制，不會發(fā)生大規(guī)模 供電事故，供電的可靠性高；可進行遙控和監(jiān)測區(qū)域電力質(zhì)量和性能；非常適合對鄉(xiāng)村、牧區(qū)、山 區(qū)、發(fā)展中區(qū)域及商業(yè)區(qū)和居民區(qū)提供電力；大量減少了環(huán)保壓力。

傳統(tǒng)觀點

20 世紀初以來電力行業(yè)流行的觀點是，發(fā)電機組容量越大效率越高，單位kW 投資越低、發(fā)電 成本也越低，因而隨著能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電力工業(yè)發(fā)展方向是“大機組、大電廠和大電網(wǎng)”。但是，在許多特殊情況下，分布式供電是集中供電不可缺少的重要補充。

優(yōu)點

滿足特殊場合的需求

分布式供電可以滿足特殊場合的需求，如：不適宜鋪設電網(wǎng)的西部等偏遠地區(qū)或散布的用戶；對供電安全穩(wěn)定性要求較高的特殊用戶如醫(yī)院、銀行等；能源需求較為多樣化的用戶，需要電 力的同時還需要熱或冷能的供應。因為它最大的優(yōu)點是不需遠距離輸配電設備，輸電損失顯著 減少，運行安全可靠，并可按需要方便、靈活地利用排氣熱量實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)或熱電冷三聯(lián)產(chǎn)，提高能源利用率。

安全穩(wěn)定性方面

分布式供電方式可以彌補大電網(wǎng)在安全穩(wěn)定性方面的不足：在世界上大型火電廠建設的趨勢有 增無減之時，電網(wǎng)的急速膨脹對供電安全與穩(wěn)定性帶來很大威脅，而各種形式的小型分布式供 電系統(tǒng)，使國民經(jīng)濟、國家安全至關重要而又極為脆弱的紐帶--大電網(wǎng)，不再孤立和笨拙。

大大地提高供電可靠性

直接安置在用戶近旁的分布式發(fā)電裝置與大電網(wǎng)配合，可大大地提高供電可靠性，在電網(wǎng)崩潰 和意外災害（例如地震、暴風雪、人為破壞、戰(zhàn)爭）情況下，可維持重要用戶的供電。分布式供電方式為能源的綜合梯級利用提供了可能：常規(guī)的集中供電方式能量形式相對單一，當用戶不僅僅需要電力，而且需要其它能量形式如冷能和熱能的供應時，僅通過電力來滿足上 述需要時難以實現(xiàn)能量的綜合梯級利用，而分布式供電方式以其規(guī)模小、靈活性強等特點，通 過不同循環(huán)的有機整合可以在滿足用戶需求的同時實現(xiàn)能量的綜合梯級利用，并且克服了冷能 和熱能無法遠距離傳輸?shù)睦щy。

開辟新的方向

分布式供電方式為可再生能源的利用開辟了新的方向：相對于化石能源而言，可再生能源能流密度較低、分散性強，而且目前的可再生能源利用系統(tǒng)規(guī)模小、能源利用率較低，作為集中供電手段是不現(xiàn)實的。而分布式供電方式為可再生能源利用的發(fā)展提供了新的動力。我國的可再生能源資源豐富，發(fā)展可再生能源是21 世紀減少環(huán)境污染和溫室氣體排放以及替代化石能源 的必然要求，因此為充分利用量多面廣的可再生能源發(fā)電，方便安全地向偏僻少能源地區(qū)供電，現(xiàn)在建設可再生能源分布式供電的呼聲漸漸高漲。

問題

還應指出，對目前世界能源產(chǎn)業(yè)面臨亟待解決的四大問題：合理調(diào)整能源結(jié)構、進一步提高能 源利用效率、改善能源產(chǎn)業(yè)的安全性、解決環(huán)境污染，單一的大電網(wǎng)集中供電解決上述問題存在困難，而分布式供電系統(tǒng)恰好可以在提高能源利用率、改善安全性與解決環(huán)境污染方面做出突出的貢獻。因此，大電網(wǎng)與分散的小型分布式供電方式的合理結(jié)合，被全球能源、電力專家認為是投資省、能耗低、可靠性高的靈活能源系統(tǒng)，成為21 世紀電力工業(yè)的發(fā)展方向。這就是說，世界電力工業(yè)已經(jīng)開始向傳統(tǒng)電力工業(yè)的模式告別，走向依靠大型發(fā)電站和小型分布式供電廣泛結(jié)合的過渡的“分散式”電力系統(tǒng)，從而大大改善供電效率、供電品質(zhì)和減輕當今電力行業(yè)對環(huán)境影響形成的負 擔、減少興建和改善輸配電線路。而且，由于近來發(fā)生的加州供電危機，國外有的觀點甚至認為今 后在大力發(fā)展分布式供電的情況下，大型中心電站將走向衰落。

發(fā)展趨勢

分布式供電主要方式

分布式發(fā)電方式多種多樣，根據(jù)燃料不同，可分為化石能源與可再生能源；根據(jù)用戶需求不同，有電力單供方式與熱電聯(lián)產(chǎn)方式（CHP），或冷熱電三聯(lián)產(chǎn)方式（CCHP）；根據(jù)循環(huán)方式不同，可分為燃氣輪機發(fā)電方式，蒸汽輪機發(fā)電方式或柴油機發(fā)電方式等。表1 列出了主要的分布式供電方式。在產(chǎn)業(yè)革命后的200 年中，煤炭一直是世界范圍內(nèi)的主要能源，而隨著科技、經(jīng)濟的發(fā)展，石油在一次能源結(jié)構中的比例不斷增加，于20 世紀60 年代超過煤炭。此后，石油、煤炭所占比例緩慢下降，天然氣比例上升；同時，新能源、可再生能源逐步發(fā)展，形成了當前的以化石燃料為主和新能源、可再生能源并存的格局。然而，雖然可再生能源是取之無盡的潔凈能源，但其能源密度低，穩(wěn)定性較差，需要蓄能調(diào)節(jié)，長期穩(wěn)定運行困難，且由于技術不夠成熟，可再生能源一次投資較大，經(jīng)濟性差；而化石能源的發(fā)電技術不僅更加成熟，而且效率更高。因此，作為分布式供電的發(fā)電技術，化石能源是主要方向。

分布式供電主要動力

- 微型燃氣輪機

以化石能源為能源動力的分布式供電方式多種多樣（見表1）。隨著微型燃機技術的不斷完善，微型燃機發(fā)電機組已成為分布式供電的主力。微型燃氣輪機（Micro Turbines）是功率為數(shù)百kW 以下的、以天然氣、甲烷、汽油、柴油等為 燃料的超小型燃氣輪機。它的雛形可追溯到60 年代，但作為一種新型的小型分布式供電系統(tǒng)和電 源裝置的發(fā)展歷史則較短。

微型燃氣輪機大都采用回熱循環(huán)。通常它由透平、壓氣機、燃燒室、回熱器、發(fā)電機及電子控 制部分組成，從壓氣機出來的高壓空氣先在回熱器內(nèi)接受透平排氣的預熱，然后進入燃燒室與燃料 混合、燃燒。大多數(shù)微型燃氣輪機由燃氣輪機直接驅(qū)動內(nèi)置式高速發(fā)電機，發(fā)電機與壓氣機、透平 同軸，轉(zhuǎn)速在50 000～120 000 r/min 之間。一些單軸微型燃氣輪機設計，發(fā)電機發(fā)出高頻交流電，轉(zhuǎn)換成高壓直流電后，再轉(zhuǎn)換為60 Hz 480 V 的交流電。

目前，開發(fā)微型透平的廠商主要集中在北美，歐洲有瑞典和英國。表2 為部分新一代微型燃氣 輪機的主要技術參數(shù)。

微型燃機先進技術特征

與柴油機發(fā)電機組相比，微型燃機具有以下一系列先進技術特征[5-12]：

（1）運動部件少，結(jié)構簡單緊湊，重量輕，是傳統(tǒng)燃機的1/4；

（2）可用多種燃料，燃料消耗率低、排放低，尤其是使用天然氣；

（3）低振動、低噪音、壽命長、運行成本低；

（4）設計簡單、備用件少、生產(chǎn)成本低；

（5）通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，即使不是滿負荷運轉(zhuǎn)，效率也非常高；

（6）可遙控和診斷；

（7）可多臺集成擴容。

因此，先進的微型燃氣輪機是提供清潔、可靠、高質(zhì)量、多用途的小型分布式供電的最佳方式，使電站更靠近用戶，無論對中心城市還是遠郊農(nóng)村甚至邊遠地區(qū)均能適用。制造商們相信，一旦達到適當?shù)呐浚⑿腿細廨啓C有能力與中心發(fā)電廠相匹敵。對終端用戶來說，與其它小型發(fā)電裝置相比，微型燃氣輪機是一種更好的環(huán)保型發(fā)電裝置。

分布式供電發(fā)展方向

- 冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

雖然回熱等有效提高微型燃氣輪機系統(tǒng)熱轉(zhuǎn)功效率的手段得到應用，微型燃機發(fā)電效率已從 17%~20%上升到當前的26%~30%，但以微型燃氣輪機作為動力的簡單的分布式供電系統(tǒng)的熱轉(zhuǎn)功 效率依然遠小于大型集中供電電站。如何有效提高分布式供電系統(tǒng)的能量利用效率是當前分布式供 電技術發(fā)展所面臨的主要障礙之一。

正如常規(guī)的集中供電電站可以通過功熱并供提高能源利用率一樣，分布式供電系統(tǒng)在用戶需要 的情況下，同樣可以在生產(chǎn)電力的同時提供熱能或同時滿足供熱、制冷兩方面的需求。而后者則成 為一種先進的能源利用系統(tǒng)-冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。與簡單的供電系統(tǒng)相比，冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以在大幅度提高系統(tǒng)能源利用率的同時，降低環(huán) 境污染，明顯改善系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性。因此，三聯(lián)產(chǎn)技術是目前分布式供電發(fā)展的主要方向之一。

目前我國正處在經(jīng)濟高速發(fā)展時期，提高資源綜合利用效率，是我國能源工業(yè)能否持續(xù)支撐國 家現(xiàn)代化建設的關鍵所在。我國能源利用水平距世界發(fā)達國家還有很大的差距，日益增長的電力需 求遠未得到滿足，“大機組、大電廠、大電網(wǎng)”的大規(guī)模、集中式的電網(wǎng)供電依然是我國目前能源 工業(yè)的主要發(fā)展方向。

但是，我國需要分布式供電。這是因為：

（1）我國幅員遼闊，但物產(chǎn)資源相對貧乏，而且經(jīng)濟發(fā)展不平衡。對于西部等偏遠、落后地區(qū)而 言，由于其遠離經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，形成一定規(guī)模的、強大的集中式西北電網(wǎng)系統(tǒng)需要很長時間 和巨額的投資，這無法滿足目前西部經(jīng)濟快速發(fā)展的需要。而分布式供電系統(tǒng)可以借助西部 天然氣資源豐富、可再生能源有多種多樣的優(yōu)勢，在短時間內(nèi)，以較小的投資為代價，為西 部經(jīng)濟發(fā)展提供有利的支撐；對于東南沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，由于生活水平的日益提高，已經(jīng) 出現(xiàn)了類似于西方發(fā)達國家的對于能源產(chǎn)品需求多樣化的趨勢，與集中式供電相比，分布式 供電可以為解決上述問題提供更加圓滿的方案。

（2）隨著經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展，我國集中式供電電網(wǎng)的規(guī)模迅速膨脹。這種發(fā)展所帶來的安全性 問題是不容忽視的，如紐約市、臺灣島二次大停電已為我們敲響了警鐘。為了及時抑制這種 趨勢的蔓延，只有合理地調(diào)整供電結(jié)構、有效地將分布式供電和集中式供電結(jié)合在一起，構 架更加安全穩(wěn)定的電力系統(tǒng)。

（3）縱觀西方發(fā)達國家的能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程，可以發(fā)現(xiàn)：它經(jīng)歷了從分布式供電到集中式供電，又到分布式供電方式的演變。造成這種現(xiàn)象不僅僅是由于生活水平的需求，而且也是集中式 供電方式自身所固有的缺陷造成的。毋庸置疑，隨著社會的發(fā)展，我國能源產(chǎn)業(yè)也將面臨類 似的問題。因此，雖然從目前能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況來看，集中式供電是我國能源系統(tǒng)發(fā)展的 主要方向，但從長遠看，構造一個集中式供電與分布式供電相結(jié)合的合理的能源系統(tǒng)，增加 電網(wǎng)的質(zhì)量和可靠性，將為我國能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打下堅實的基礎。

所以，我國近期應發(fā)展大機組、大電廠，同時，不失時機、因地制宜地興建分布式供電設施?？梢灶A見，隨著西部大開發(fā)的深入進行，特別是“西氣東輸”工程的開展，我國沿線區(qū)域和邊遠地 區(qū)的分布式供電將得到極大的發(fā)展。

冷熱電聯(lián)產(chǎn)

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的技術開發(fā)以及商業(yè)化的努力主要著眼于單獨的設備，例如，集中供熱、直燃式 中央空調(diào)及發(fā)電設備。這些設備的共同問題在于單一目標下的能耗高，在忽視環(huán)境影響和不合理的能源價格情況下，具有一定的經(jīng)濟效益。但是，從科學技術角度出發(fā)，這些設備都尚未達到有限能源資源的高效和綜合利用。冷熱電聯(lián)產(chǎn)（CCHP）是一種建立在能的梯級利用概念基礎上，將制冷、供熱（采暖和供熱水）及發(fā)電過程一體化的多聯(lián)產(chǎn)總能系統(tǒng)，目的在于提高能源利用效率，減少碳化物及有害氣體的排放。與集中式發(fā)電-遠程送電比較，CCHP 可以大大提高能源利用效率：大型發(fā)電廠的發(fā)電效率一般為35%-55%，扣除廠用電和線損率，終端的利用效率只能達到30-47%。而CCHP 的能源利用率可達 到90%，沒有輸電損耗；另外，CCHP 在降低碳和污染空氣的排放物方面具有很大的潛力：據(jù)有關 專家估算，如果從2000 年起每年有4%的現(xiàn)有建筑的供電、供暖和供冷采用CCHP，從2005 年起 25%的新建建筑及從2010 年起50%的新建建筑均采用CCHP 的話，到2020 年的二氧化碳的排放量 將減少19%。如果將現(xiàn)有建筑實施CCHP 的比例從4%提高到8%，到2020 年二氧化碳的排放量將 減少30%[13,14]。

冷熱電系統(tǒng)方案選擇

典型冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)一般包括：動力系統(tǒng)和發(fā)電機（供電）、余熱回收裝置（供熱）、制冷系 統(tǒng)（供冷）等。針對不同的用戶需求，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案的可選擇范圍很大：與熱、電聯(lián)產(chǎn)技術 有關的選擇有蒸汽輪機驅(qū)動的的外燃燒式和燃氣輪機驅(qū)動的內(nèi)燃燒式方案；與制冷方式有關的選擇 有壓縮式、吸收式或其它熱驅(qū)動的制冷方式。另外，供熱、供冷熱源還有直接和間接方式之分。

在外燃燒式的熱電聯(lián)產(chǎn)應用中，由于背壓汽輪機常常受到區(qū)域供熱負荷的限制不能按經(jīng)濟規(guī)模 設置，多數(shù)是相當小的和低效率的；而對于內(nèi)燃燒式方案，由于通過技術革新已經(jīng)生產(chǎn)出了尺寸小、重量輕、污染排放低、燃料適應性廣、具有高機械效率和高排氣溫度的燃氣輪機，同時燃氣輪機的 容量范圍很寬：從幾十到數(shù)百kW 的微型燃氣輪機到300 MW 以上的大型燃氣輪機，它們用于熱電 聯(lián)產(chǎn)時既發(fā)電又產(chǎn)汽，兼有高機械效率(30%～40% )和高的熱效率(70%～80%)。所以在有燃氣和燃 油的地方，燃氣輪機正日益取代汽輪機在熱電聯(lián)產(chǎn)中的地位。

壓縮式制冷是消耗外功并通過旋轉(zhuǎn)軸傳遞給壓縮機進行制冷的，通過機械能的分配，可以調(diào)節(jié) 電量和冷量的比例；而吸收式制冷是耗費低溫位熱能來達到制冷的目的的，通過把來自熱電聯(lián)產(chǎn)的 一部分或全部熱能用于驅(qū)動吸收式制冷系統(tǒng)，根據(jù)對熱量和冷量的需求進行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。

常見的吸收式制冷系統(tǒng)

目前最為常見的吸收式制冷系統(tǒng)為溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)和氨吸收式制冷系統(tǒng)。前者制冷溫度 由于受制冷劑的限制，不能低于5 ℃，一般僅用于家用空調(diào)；后者的制冷溫度范圍非常大（+10 ℃～ .50 ℃）, 不僅可用于空調(diào)，而且可用于0 ℃以下的制冷場所。同時，氨吸收式制冷系統(tǒng)可以利用 低品位的余熱，所需熱源的溫度只要達到80 ℃以上就能利用，從而使能源得到充分合理的利用；而且氨吸收式制冷系統(tǒng)還具有節(jié)電、設備制造容易、對安裝場所要求不高、系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，噪 聲小，便于調(diào)節(jié)、設備易于維修、可以在同一系統(tǒng)內(nèi)提供給用戶不同溫度的冷量、單個系統(tǒng)的制冷 量很大等優(yōu)點。直接熱源制冷和間接熱源制冷的選擇和分配原則　直接熱源制冷（燃氣輪機排煙作為制冷熱源）和間接熱源制冷（由余熱鍋爐回收燃氣輪機排氣 余熱產(chǎn)生蒸汽，再利用蒸汽作為制冷熱源）的選擇和分配原則：主要考慮過程效率、換熱器的經(jīng)濟 性、及冷熱電負荷分配的靈活性等方面考慮。直接熱源制冷無需經(jīng)過余熱鍋爐轉(zhuǎn)換為蒸汽，能的品 位損失小、能量利用率高，但由于煙氣為加熱工質(zhì)，所以換熱器的設計需要考慮高溫腐蝕問題；間 接熱源制冷由于采用兩次換熱，能量利用率低，過程能的品位損失大，但由于是蒸汽為加熱工質(zhì)，對換熱器的材料要求較低。另外，直接熱源制冷的負荷分配靈活性差。

冷熱電系統(tǒng)模擬分析

為了揭示聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有更高能源利用率的原因，本文對冷熱電聯(lián)產(chǎn)方案和簡單的分布式供電系 統(tǒng)作了比較。所設計的三聯(lián)產(chǎn)方案的系統(tǒng)流程如圖1 所示。以天然氣為燃料的燃氣輪機主要承擔供 應電力的任務，燃氣輪機透平排煙首先進入回熱器預熱送往燃燒室的空氣，然后進入余熱回收器回 收中低溫熱量。余熱回收器的冷側(cè)主要有兩股循環(huán)物流：物流1 為5bar 的飽和蒸汽，被送往溴化鋰 吸收式制冷子系統(tǒng)作為制冷熱源，經(jīng)泵補償壓力損失后，回水為5bar 的飽和水；物流2 為90℃的 熱水，被送入城市熱網(wǎng)作為生活用熱的熱源，回水溫度為70℃。而電力單供系統(tǒng)選用TG80 有回熱的微型燃氣輪機，主要參數(shù)如

技術條件和基本假設

考慮到當前的技術水平，模擬過程中，各系統(tǒng)的主要熱力參數(shù)為：選取英國寶曼公司的微型燃 氣輪機TG80 作為主要發(fā)電設備，其主要熱力參數(shù)如表3 所示；余熱回收器為氣-液換熱設備，節(jié)點 溫差不低于20 ℃，由于采用相對潔凈的天然氣燃料，選擇酸露點溫度為90 ℃；熱用戶主要為城 市采暖，進入熱網(wǎng)的熱水溫度為90 ℃，回水溫度為70 ℃；方案所采用的雙效溴化鋰制冷循環(huán)所 需熱源為151.8 ℃飽和蒸汽，制冷溫度為15 ℃，制冷性能系數(shù)COP 為1.2；方案2 采用的壓縮式 制冷-熱泵循環(huán)中，制冷溫度為15 ℃，供熱參數(shù)為70 ℃～90 ℃熱水，熱泵COP 為3。環(huán)境溫度 25 ℃，標準天然氣燃料低位發(fā)熱量為34.88 MJ/m3。

模擬分析結(jié)果

三聯(lián)產(chǎn)方案的能耗分析結(jié)果與分供系統(tǒng)能耗的比較如表4 所示。其中獨立制冷系統(tǒng)采用電空調(diào)，系統(tǒng)輸入的能量為電力而非天然氣的化學能，為了比較方便，我們采用如下方法將此系統(tǒng)所消耗的 電能折算為天然氣耗量：

燃料消耗量=電力消耗量×（電力分供系統(tǒng)燃料消耗量/ 系統(tǒng)供電出力）

從表中可以看出，滿足同樣的電、熱、冷需求，采用聯(lián)產(chǎn)方式需消耗天然氣31.8 m3/hr，而采用 分供方式則需要消耗天然氣量為三個分供系統(tǒng)能耗的總和，為54.98 m3/hr。聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對于分供系 隨著人民生活水平的提高，能源消費日益增長，能源動力系統(tǒng)愈來愈向大容量、高度集中的模 式發(fā)展。然而，分布式供電是集中供電不可缺少的重要補充。它因靈活的變負荷性、低的初投資、很高的供電可靠性和很小的輸電損失等特點在世界范圍內(nèi)越來越受到重視。