分佈式供電

當今的分佈式供電方式主要是指用液體或氣體燃料的內燃機（IC）、微型燃氣輪機（Microturbines）和各種工程用的燃料電池（Fuel Cell）。因其具有良好的環保性能，分佈式供電電源與“小機組”已不是同一概念。 與集中供電電站相比，分佈式供電具有以下優勢：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，可使系統根據熱或電的需求進行調節從 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，用户可自行控制，不會發生大規模 供電事故，供電的可靠性高；可進行遙控和監測區域電力質量和性能；非常適合對鄉村、牧區、山 區、發展中區域及商業區和居民區提供電力；大量減少了環保壓力。

20 世紀初以來電力行業流行的觀點是，發電機組容量越大效率越高，單位kW 投資越低、發電 成本也越低，因而隨着能源產業的發展，電力工業發展方向是“大機組、大電廠和大電網”。但是， 在許多特殊情況下，分佈式供電是集中供電不可缺少的重要補充。

分佈式供電可以滿足特殊場合的需求，如：不適宜鋪設電網的西部等偏遠地區或散佈的用户； 對供電安全穩定性要求較高的特殊用户如醫院、銀行等；能源需求較為多樣化的用户，需要電 力的同時還需要熱或冷能的供應。因為它最大的優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，並可按需要方便、靈活地利用排氣熱量實現熱電聯產或熱電冷三聯產， 提高能源利用率。

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

直接安置在用户近旁的分佈式發電裝置與大電網配合，可大大地提高供電可靠性，在電網崩潰 和意外災害（例如地震、暴風雪、人為破壞、戰爭）情況下，可維持重要用户的供電。 分佈式供電方式為能源的綜合梯級利用提供了可能：常規的集中供電方式能量形式相對單一， 當用户不僅僅需要電力，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 述需要時難以實現能量的綜合梯級利用，而分佈式供電方式以其規模小、靈活性強等特點，通 過不同循環的有機整合可以在滿足用户需求的同時實現能量的綜合梯級利用，並且克服了冷能 和熱能無法遠距離傳輸的困難。

分佈式供電方式為可再生能源的利用開闢了新的方向：相對於化石能源而言，可再生能源能流密度較低、分散性強，而且可再生能源利用系統規模小、能源利用率較低，作為集中供電手段是不現實的。而分佈式供電方式為可再生能源利用的發展提供了新的動力。我國的可再生能源資源豐富，發展可再生能源是21 世紀減少環境污染和温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電，方便安全地向偏僻少能源地區供電， 建設可再生能源分佈式供電的呼聲漸漸高漲。

還應指出，對世界能源產業面臨亟待解決的四大問題：合理調整能源結構、進一步提高能 源利用效率、改善能源產業的安全性、解決環境污染，單一的大電網集中供電解決上述問題存在困難，而分佈式供電系統恰好可以在提高能源利用率、改善安全性與解決環境污染方面做出突出的貢獻。因此，大電網與分散的小型分佈式供電方式的合理結合，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，成為21 世紀電力工業的發展方向。這就是説，世界電力工業已經開始向傳統電力工業的模式告別，走向依靠大型發電站和小型分佈式供電廣泛結合的過渡的“分散式”電力系統，從而大大改善供電效率、供電品質和減輕當今電力行業對環境影響形成的負 擔、減少興建和改善輸配電線路。而且，由於近來發生的加州供電危機，國外有的觀點甚至認為今 後在大力發展分佈式供電的情況下，大型中心電站將走向衰落。

分佈式發電方式多種多樣，根據燃料不同，可分為化石能源與可再生能源；根據用户需求不同， 有電力單供方式與熱電聯產方式（CHP），或冷熱電三聯產方式（CCHP）；根據循環方式不同，可分為燃氣輪機發電方式，蒸汽輪機發電方式或柴油機發電方式等。表1 列出了主要的分佈式供電方式。 在產業革命後的200 年中，煤炭一直是世界範圍內的主要能源，而隨着科技、經濟的發展，石油在一次能源結構中的比例不斷增加，於20 世紀60 年代超過煤炭[2]。此後，石油、煤炭所佔比例緩慢下降，天然氣比例上升；同時，新能源、可再生能源逐步發展，形成了當前的以化石燃料為主和新能源、可再生能源並存的格局。然而，雖然可再生能源是取之無盡的潔淨能源，但其能源密度低，穩定性較差，需要蓄能調節，長期穩定運行困難，且由於技術不夠成熟，可再生能源一次投資較大，經濟性差；而化石能源的發電技術不僅更加成熟，而且效率更高。因此，作為分佈式供電的發電技術，化石能源是主要方向。

- 微型燃氣輪機

以化石能源為能源動力的分佈式供電方式多種多樣（見表1）。隨着微型燃機技術的不斷完善， 微型燃機發電機組已成為分佈式供電的主力。 微型燃氣輪機（Micro Turbines）是功率為數百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佈式供電系統和電 源裝置的發展歷史則較短。

微型燃氣輪機大都採用回熱循環。通常它由透平、壓氣機、燃燒室、回熱器、發電機及電子控 制部分組成，從壓氣機出來的高壓空氣先在回熱器內接受透平排氣的預熱，然後進入燃燒室與燃料 混合、燃燒。大多數微型燃氣輪機由燃氣輪機直接驅動內置式高速發電機，發電機與壓氣機、透平 同軸，轉速在50 000～120 000 r/min 之間。一些單軸微型燃氣輪機設計，發電機發出高頻交流電， 轉換成高壓直流電後，再轉換為60 Hz 480 V 的交流電[5]。

開發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。

與柴油機發電機組相比，微型燃機具有以下一系列先進技術特徵[5-12]：

（1） 運動部件少，結構簡單緊湊，重量輕，是傳統燃機的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、生產成本低；

（5） 通過調節轉速，即使不是滿負荷運轉，效率也非常高；

（6） 可遙控和診斷；

（7） 可多台集成擴容。

因此，先進的微型燃氣輪機是提供清潔、可靠、高質量、多用途的小型分佈式供電的最佳方式， 使電站更靠近用户，無論對中心城市還是遠郊農村甚至邊遠地區均能適用。製造商們相信，一旦達到適當的批量，微型燃氣輪機有能力與中心發電廠相匹敵。對終端用户來説，與其它小型發電裝置相比，微型燃氣輪機是一種更好的環保型發電裝置。

- 冷熱電三聯產系統

雖然回熱等有效提高微型燃氣輪機系統熱轉功效率的手段得到應用，微型燃機發電效率已從 17%~20%上升到當前的26%~30%[6]，但以微型燃氣輪機作為動力的簡單的分佈式供電系統的熱轉功 效率依然遠小於大型集中供電電站。如何有效提高分佈式供電系統的能量利用效率是當前分佈式供 電技術發展所面臨的主要障礙之一。

正如常規的集中供電電站可以通過功熱並供提高能源利用率一樣，分佈式供電系統在用户需要 的情況下，同樣可以在生產電力的同時提供熱能或同時滿足供熱、製冷兩方面的需求。而後者則成 為一種先進的能源利用系統-冷熱電三聯產系統。 與簡單的供電系統相比，冷熱電三聯產系統可以在大幅度提高系統能源利用率的同時，降低環 境污染，明顯改善系統的熱經濟性。因此，三聯產技術是分佈式供電發展的主要方向之一。

我國正處在經濟高速發展時期，提高資源綜合利用效率，是我國能源工業能否持續支撐國 家現代化建設的關鍵所在。我國能源利用水平距世界發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”的大規模、集中式的電網供電依然是我國能源 工業的主要發展方向。

但是，我國需要分佈式供電。這是因為：

（1）我國幅員遼闊，但物產資源相對貧乏，而且經濟發展不平衡。對於西部等偏遠、落後地區而 言，由於其遠離經濟發達地區，形成一定規模的、強大的集中式西北電網系統需要很長時間 和鉅額的投資，這無法滿足西部經濟快速發展的需要。而分佈式供電系統可以藉助西部 天然氣資源豐富、可再生能源有多種多樣的優勢，在短時間內，以較小的投資為代價，為西 部經濟發展提供有利的支撐；對於東南沿海經濟發達地區，由於生活水平的日益提高，已經 出現了類似於西方發達國家的對於能源產品需求多樣化的趨勢，與集中式供電相比，分佈式 供電可以為解決上述問題提供更加圓滿的方案。

（2）隨着經濟建設的飛速發展，我國集中式供電電網的規模迅速膨脹。這種發展所帶來的安全性 問題是不容忽視的，如紐約市、台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，只有合理地調整供電結構、有效地將分佈式供電和集中式供電結合在一起，構 架更加安全穩定的電力系統。

（3）縱觀西方發達國家的能源產業的發展過程，可以發現：它經歷了從分佈式供電到集中式供電， 又到分佈式供電方式的演變。造成這種現象不僅僅是由於生活水平的需求，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，隨着社會的發展，我國能源產業也將面臨類 似的問題。因此，雖然從能源產業的發展情況來看，集中式供電是我國能源系統發展的 主要方向，但從長遠看，構造一個集中式供電與分佈式供電相結合的合理的能源系統，增加 電網的質量和可靠性，將為我國能源產業的發展打下堅實的基礎。

所以，我國近期應發展大機組、大電廠，同時，不失時機、因地制宜地興建分佈式供電設施。 可以預見，隨着西部大開發的深入進行，特別是“西氣東輸”工程的開展，我國沿線區域和邊遠地 區的分佈式供電將得到極大的發展。

傳統動力系統的技術開發以及商業化的努力主要着眼於單獨的設備，例如，集中供熱、直燃式 中央空調及發電設備。這些設備的共同問題在於單一目標下的能耗高，在忽視環境影響和不合理的能源價格情況下，具有一定的經濟效益。但是，從科學技術角度出發，這些設備都尚未達到有限能源資源的高效和綜合利用。 冷熱電聯產（CCHP）是一種建立在能的梯級利用概念基礎上，將製冷、供熱（採暖和供熱水） 及發電過程一體化的多聯產總能系統，目的在於提高能源利用效率，減少碳化物及有害氣體的排放。 與集中式發電-遠程送電比較，CCHP 可以大大提高能源利用效率：大型發電廠的發電效率一般為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：據有關 專家估算，如果從2000 年起每年有4%的現有建築的供電、供暖和供冷採用CCHP，從2005 年起 25%的新建建築及從2010 年起50%的新建建築均採用CCHP 的話，到2020 年的二氧化碳的排放量 將減少19%。如果將現有建築實施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]。

典型冷熱電三聯產系統一般包括：動力系統和發電機（供電）、餘熱回收裝置（供熱）、製冷系 統（供冷）等。針對不同的用户需求，冷熱電聯產系統方案的可選擇範圍很大：與熱、電聯產技術 有關的選擇有蒸汽輪機驅動的的外燃燒式和燃氣輪機驅動的內燃燒式方案；與製冷方式有關的選擇 有壓縮式、吸收式或其它熱驅動的製冷方式。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產應用中，由於背壓汽輪機常常受到區域供熱負荷的限制不能按經濟規模 設置，多數是相當小的和低效率的；而對於內燃燒式方案，由於通過技術革新已經生產出了尺寸小、 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温度的燃氣輪機，同時燃氣輪機的 容量範圍很寬：從幾十到數百kW 的微型燃氣輪機到300 MW 以上的大型燃氣輪機，它們用於熱電 聯產時既發電又產汽，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產中的地位[16]。

壓縮式製冷是消耗外功並通過旋轉軸傳遞給壓縮機進行製冷的，通過機械能的分配，可以調節 電量和冷量的比例；而吸收式製冷是耗費低温位熱能來達到製冷的目的的，通過把來自熱電聯產的 一部分或全部熱能用於驅動吸收式製冷系統，根據對熱量和冷量的需求進行調節和優化。

最為常見的吸收式製冷系統為溴化鋰吸收式製冷系統和氨吸收式製冷系統。前者製冷温度 由於受制冷劑的限制，不能低於5 ℃，一般僅用於家用空調；後者的製冷温度範圍非常大（+10 ℃～ .50 ℃）, 不僅可用於空調，而且可用於0 ℃以下的製冷場所。同時，氨吸收式製冷系統可以利用 低品位的餘熱，所需熱源的温度只要達到80 ℃以上就能利用，從而使能源得到充分合理的利用； 而且氨吸收式製冷系統還具有節電、設備製造容易、對安裝場所要求不高、系統運行平穩可靠，噪 聲小，便於調節、設備易於維修、可以在同一系統內提供給用户不同温度的冷量、單個系統的製冷 量很大等優點。直接熱源製冷和間接熱源製冷的選擇和分配原則　直接熱源製冷（燃氣輪機排煙作為製冷熱源）和間接熱源製冷（由餘熱鍋爐回收燃氣輪機排氣 餘熱產生蒸汽，再利用蒸汽作為製冷熱源）的選擇和分配原則：主要考慮過程效率、換熱器的經濟 性、及冷熱電負荷分配的靈活性等方面考慮。直接熱源製冷無需經過餘熱鍋爐轉換為蒸汽，能的品 位損失小、能量利用率高，但由於煙氣為加熱工質，所以換熱器的設計需要考慮高温腐蝕問題；間 接熱源製冷由於採用兩次換熱，能量利用率低，過程能的品位損失大，但由於是蒸汽為加熱工質， 對換熱器的材料要求較低。另外，直接熱源製冷的負荷分配靈活性差。

為了揭示聯產系統具有更高能源利用率的原因，本文對冷熱電聯產方案和簡單的分佈式供電系 統作了比較。所設計的三聯產方案的系統流程，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，然後進入餘熱回收器回 收中低温熱量。餘熱回收器的冷側主要有兩股循環物流：物流1 為5bar 的飽和蒸汽，被送往溴化鋰 吸收式製冷子系統作為製冷熱源，經泵補償壓力損失後，回水為5bar 的飽和水；物流2 為90℃的 熱水，被送入城市熱網作為生活用熱的熱源，回水温度為70℃。 而電力單供系統選用TG80 有回熱的微型燃氣輪機，主要參數如

考慮到當前的技術水平，模擬過程中，各系統的主要熱力參數為：選取英國寶曼公司的微型燃 氣輪機TG80 作為主要發電設備，其主要熱力參數如表3 所示；餘熱回收器為氣-液換熱設備，節點 温差不低於20 ℃，由於採用相對潔淨的天然氣燃料，選擇酸露點温度為90 ℃；熱用户主要為城 市採暖，進入熱網的熱水温度為90 ℃，回水温度為70 ℃；方案所採用的雙效溴化鋰製冷循環所 需熱源為151.8 ℃飽和蒸汽，製冷温度為15 ℃，製冷性能係數COP 為1.2；方案2 採用的壓縮式 製冷-熱泵循環中，製冷温度為15 ℃，供熱參數為70 ℃～90 ℃熱水，熱泵COP 為3。環境温度 25 ℃，標準天然氣燃料低位發熱量為34.88 MJ/m3。

三聯產方案的能耗分析結果與分供系統能耗的比較如表4 所示。其中獨立製冷系統採用電空調， 系統輸入的能量為電力而非天然氣的化學能，為了比較方便，我們採用如下方法將此係統所消耗的 電能折算為天然氣耗量：

燃料消耗量=電力消耗量×（電力分供系統燃料消耗量/ 系統供電出力）

從表中可以看出，滿足同樣的電、熱、冷需求，採用聯產方式需消耗天然氣31.8 m3/hr，而採用 分供方式則需要消耗天然氣量為三個分供系統能耗的總和，為54.98 m3/hr。聯產系統相對於分供系 隨着人民生活水平的提高，能源消費日益增長，能源動力系統愈來愈向大容量、高度集中的模 式發展。然而，分佈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範圍內越來越受到重視。