2022年分布式供能技术的发展现状与展望 .pdf

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1、能源研究与信息第 18 卷第 1 期Energy Research and Information Vol. 18 No. 1 2002 收稿日期： 2002 1 09 作者简介： 刘道平（1963），男（汉），江苏省徐州市人，博士，副教授。毕业于上海理工大学热能工程专业，现在上海理工大学动力学院工作。文章编号 : 1008 8857（ 2002） 01 0001 09 分布式供能技术的发展现状与展望刘道平 , 马博, 李瑞阳 , 陈之航（上海理工大学动力工程学院 , 上海 200093）摘要: 在能源结构调整中，分布式供能技术引起了世界能源界的广泛关注，在国家大电站和电网能基本保证供电的情况

2、下，分布式供能和中央电站供能的结合，对于保障国家供应和经济的发展将发挥重要作用。对分布式供能、分布式电力、分布式能源资源的概念进行了详细的说明，指出分布式供能技术就是以一些小型发电设备技术进步为依托，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。对于该技术发展的经济和社会动力进行了分析说明，对分布式供能技术的特点、应用领域、涉及的主要技术内容和具体特性进行了介绍，最后对其发展前景进行了展望。关键词 : 分布式供能；热电联产；能源发展中图法分类号 : TM611; TU833+.1文献标识码 : A自从 30 年前的能源危机发生以来，全世界的科学家们一直都在关

3、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给一直是经济建设与发展的重要目标之一，在我们要实现中华民族伟大复兴的进程中，如何保障充足的能源供应对经济的持续发展将起到十分重要的作用。综观世界能源建设发展的动向，我们不得不认真思考我国未来能源发展的走向和策略。最近，分布式供能技术（Distributed Power Generation Technology）的发展引起了国内外能源动力界的广泛关注。在发达国家，如美国，在进行能源结构调整进程中，在已建中央电站和电网的基础上，将发展分布式供能技术放到了一个十分重要的位置。随着经济的发展和

4、人们生活水平的提高， 夏季和冬季的电力需求有着突飞猛进的增长，在大型电站建设周期长、投资高、环境污染严重的情况下，鼓励建设洁净、容量小、现场型热、电、冷联供装置，无疑是快速改变这种局面的最有力措施。1 分布式供能技术的概念分布式技术目前存在三种不同的概念，即分布式供能（Distributed Generation ，DG）、分布名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 能源研究与信息 2002年 第 18卷2 式电力（Di

5、stributed Power, DP ）和分布式能源资源（ Distributed Energy Resources, DER ）。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

6、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1 kW 到数十 MW 。可以用作为备用电站、电力调峰、边远地区/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

7、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 1 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 50 MW 。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

8、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。2 分布式供能技术发展的现实动力从某种意义上讲，具有热电联产的分布式供能技术并不是什么新的概念，但技术的发展，特别是微型燃气轮机和燃料电池的技术进步为热电联产赋予了新的内涵，分布式供能技术之所以引起全世界能源界的关注，主要是存在着一些技术和经济发展的动力，概括起来主要有：随着经济的发展和人们生活

9、水平的提高，特别是城市化水平的发展，商业和民用对热、 电、冷总体能源的需求急剧增加，能源需求的主体呈现出多样化的势态，这种需求的特点突破了传统上意义上的热电联产主要服务于工业工艺用热、冷的局面， 从而为热电联产技术的发展提供了更广阔的市场空间。在市场经济条件下，一些大中城市均面临着夏季空调、冬季采暖电力负荷飞速增长的趋势，在提高能源利用率的压力下，人们将目光重新关注到热电联产技术的发展名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - -

10、- 第 1 期刘道平等：分布式供能技术的发展现状与展望3上来。发展小区和楼宇的热电联产（BCHP）也引起了广泛的关注。随着制造业的技术进步，由微电脑控制的生产流程得到了较为广泛的普及，这也对电力供应质量提出了崭新的要求。自人类进入近代工业社会以来，能源利用的结构已经进行了3 次调整：18 世纪下半叶英国产业革命以后，由传统的柴薪能源迅速转向以煤为主的能源结构；19 世纪末，由于电力、钢铁工业、铁路技术、汽车和内燃机技术的发展，石油和天然气已经逐步取代煤炭而成为主要能源，至20 世纪 70 年代初石油占能源构成的50%；能源消费的急剧增加，受煤、石油、天然气储量限制，以及使用常规能源引起的环境污

11、染问题，迫使人们转向建立以可再生能源等新型能源为主体的持久能源体系。世界范围内的能源结构大调整，标志着人类文明由向自然索取进入到回归自然的一种观念上的飞跃。在发达国家在提高石油、天然气利用效率的基础上，从第二类能源结构发展以可再生能源为能源主体的进程中，许多发展中国家正从传统的以煤为主步入以石油、天然气为主体的能源结构时代。在中国，随着国家“西气东输”工程的实施，部分城市将进入天然气时代，如何从能源经济和环境效益协调发展角度出发，根据城市、乡村的具体资源情况和能量需求状况，以可持续发展的思想，寻求合理经济的供能形式，已经摆在能源建设者面前。毫无疑问，从经济效益和能源的合理利用出发，实现电、热、

12、冷的联产联供是实现能量梯级利用的有效方式，应当成为能量供应方式的技术核心。自动控制和信息技术的发展为分布式供能技术的实施，实现供能设备运行的远程控制与调度，为提高电力供应质量创造了有利的条件。国家大电站和大电网建设对电力的保障供应创造了条件，但同时也带来了一些负面影响，如电网的安全可靠性，大型电站调峰运行的灵活性。在保障供电质量、稳定供电的电压和频率方面，强调环境效益和能源利用率的分布式供能电站就具有较大的灵活性。图 1 表示了美国新增公用及独立电站平均容量的历史发展情况。从其发展历史上看，电站建设的规模并不是一味地求大，在主体电力供应系统已经形成规模的情况下，更强调发展灵活性更大、效益更好的

13、中小型联供电站，这种趋势应当引起我国能源界的关注。9.79.614.714.135.128.862.646.8151.187.210659.368.839.60204060801001201401601920-19241925-19291930-19341935-19391940-19441945-19491950-19541955-19591960-19641965-19691970-19741975-19791980-19841985-19891990-1994年份电站规模MW图 1 美国新增公用电站和独立电站平均容量的历史发展2Fig. 1Trend of average capacit

14、ies of new utility and non-utility plants in the U.S.A 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 能源研究与信息 2002年 第 18卷4 保障能源需求对于促进经济的快速发展将起到关键的作用。在市场经济体制下，由国家垄断地进行能源基础设施建设投资的主体局面将会打破。以建设速度快、投资规模小为特点的分布式供能技术为众多投资者提供了投资和获利空间，也增加了能源设施建设的投资

15、渠道。在美国正在实施全面电力竞争计划，通过立法来加速和引导美国电力工业朝着最大程度地依靠竞争性市场的转变。尽管在分布式供能技术的应用进程中还存在诸多障碍，但这种发展趋势已逐步得到了人们的共识。能源技术的进步，特别是微型燃气轮机、燃料电池3的技术成就，使人们看到了21 世纪能源技术发展的曙光。在能源结构调整和追求能源与环境协调发展的情况下，特别是燃天然气时代的到来，实现资源的合理、有效利用，发展以分布式供能为基础的热电联产技术，可能成为保障能源供应的最佳选择。3 分布式供能及热电联产相关技术3.1 分布式供能技术按燃料类型的分类（ 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

16、燃气轮发动机，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。3.2 分布式热电联供系统类型概况在分布式供能技术中，能实现热电联产来提高能源利用率的技术类型主要有：往复式发动机发电为主体的热电联产系统（图2），微型燃气轮机热电联产系统（图3）；燃料电池热电

17、联产系统（图 4）。蒸汽热水冷水排气换热器水套换热器润滑油换热器交流电发电机机组排气阀天然气空气蜗轮增压器活塞点火器排气曲轴图 2 往复式发动机发电为主体的热电联产系统4Fig. 2CHP system with natural-gas-fired reciprocating engine名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 第 1 期刘道平等：分布式供能技术的发展现状与展望5低温水空气热用户回热器天然气排烟燃烧室压缩

18、机燃气轮机空气发电机交流电交流电名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 能源研究与信息 2002年 第 18卷6 （ 3）装置容量小、 占地面积小， 初投资少。 用户可以直接投资建设小型的分布式联产电站。分布式供能系统的发电容量见表2。表 3 表示了各类技术的投资规模以及未来的变化。这表明随着技术的不断进步和成熟，未来分布式供能技术的投资成本还会降低，毫无疑问，这种趋势可以开拓更为广泛的用户市场；表 2 典型分布式供能系

19、统发电容量范围Table 2Generating capacities of typical distributed systems 技术类型微型燃气轮机迷你型燃气轮机小型燃气轮机往复式发动机燃料电池燃料电池混合装置容量范围（kW）30200 2001000 100015000 3015000 301000 2001000 表 3 分布式供热技术的初投资变化6 Table 3 Initial costs of distributed generation units $? kW-1年度投资情况技术类型1990 2000 2010 柴油发动机1000 400 350 微型燃气轮机800 700

20、400 迷你型燃气轮机700 550 375 燃料电池4500 2000 800 光伏发电5200 4000 1500 风力发电2000 1300 1100 （ 4）建设周期短。常规电站项目实施总要经历立项、设计及谈判、项目建设、启动等阶段，如燃煤电厂要57 年，燃气电厂要35 年，而分布式发电站建设只要0.51.5 年5；（ 5）机组分散，系统更加灵活，可以将其解列进行设备维护，对发电系统影响较小；（ 6）分布式热电联产电站运行噪音低、污染排放少。表4 表示了中央电站和分布式电站在造成空气污染方面的比较。可以看出分布式电站所具备的环保效益；（ 7）新型机组可以在多种燃料下运行（如微型燃气轮机

21、，带有燃料处理装置的燃料电池系统）。能源选择的灵活性可减少用于建设燃料供给基础设施的投资。另外还可以使用生物质气化产生的燃料。在很多发展中国家特别是农业国，生物质（如木材、农副产品、猪废料）资源丰富，价格低廉；（ 8）偏远地区避免了建设投资大的电网，可以直接利用当地资源，选择建设分布式电站。5 分布式供能技术的应用领域分布式供能技术的应用领域主要包括：（ 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。现代工厂由于主要依靠敏感性极强的电子控制装置来控制运行，因此要求电力供应的可靠性，要求每天24 h 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - -

22、 - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 第 1 期刘道平等：分布式供能技术的发展现状与展望7不间断电力供应。 分布式供能系统用来在用户地为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，同时也可以减少电费的支出；表 4 发电技术的空气污染情况对比6Table 4Comparison of emissions of atmospheric pollutants from power stations using different generating

23、 technologies g? kWh-1排放物成分发电技术CO PM10NOxSOx往复式发动机1.82.7 0.1 0.716.8 迷你型燃气轮机4.522.7 0.050.1 3.24.1 0.14 微型燃气轮机1.422.7 0.050.1 0.222.3 0.14 燃料电池0.0045 0 0.00090.027 0 光伏发电0 0 0 0 分布式电站风力发电机0 0 0 0 燃气蒸汽联合循环0.041 0.0045 0.0140.045 0 新型燃煤电厂0.045 0.9 0.91.8 地热0 0 0 0 水电0 0 0 0 中央电站核电0 0 0 0 （ 2）热电联产在将燃料的

24、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增加效率，减少温室排放，降低用电费用。热电（冷）联产最适合象加工工业这样的中、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边远地区，使用分布式供能技术要

25、比使用网电更为经济。例如，一些热电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（使用太阳能、可再生能源）；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - -

26、 - - - - - - 能源研究与信息 2002年 第 18卷8 （ 6）现代温室的供热和气调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。6 分布式供热技术的发展展望分布式供热技术是在20 世纪 70 年代开始发展的，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

27、网的基础上，该技术以其投资小，适用范围广的特点，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。DG 技术的发展是建立在常规电网已成规模的基础之上的，和原有的中央集中式电站相比，两者的关系是互为补充的，不存在根本的利益冲突。如何从能源投资和管理政策上处理好两者之间的关系是目前许多国家所普遍关心的问题，也是促进该技术发展的前提。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7。计划在 2010 年，分布式能源技术在新增发电容量中的比例达20%。另外，分

28、布式能源技术在西欧、北欧、东南亚等地也在推广应用，前景看好。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

29、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。在中国经济和城市化发展过程中，居民小区和工业园区的建设一直是处于发展的前列，如何实现区域的整体能源供应，是目前城市建设规划应当十分关注的问题，在这方面分布式供能技术具有广阔的发展空间，另外，发展中央商务区楼宇的热电联产也是值得研究的重要课题。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

30、则。鼓励使用清洁能源，鼓励发展热、电、冷联产技术和热、电、煤气联供，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。目前在我国正积极进行分布式供能技术应用的探索，如北京中关村软件园热电冷联产技术方案，天津港保税区小型燃气轮机自备热电厂工程，相信这些项目的成功实现将对我国分布式供能技术发展产生很好的作用。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，

31、共 9 页 - - - - - - - - - 第 1 期刘道平等：分布式供能技术的发展现状与展望9参考文献 : 1 Shipley Anna Monis, Neal Elliott R. Distributed energy resources and combined heat and power: A declaration of terms EB/OL . http:/www.aceee.org/pubs/newe001.pdf. 2000. 2 Weinberg Carl J. Keeping the lights on sustainable scenarios for the f

32、uture J . Cogeneration and On-site Power Production , 2001, 2（ 3） : 49-64. 3 林维明 . 燃料电池系统 M . 北京 : 化学工业出版社, 1996. 4 Resource Dynamic Corporation . Assessm ent of distributed generation technology application EB/OL . http:/www.distributed-, 2001. 5 Edward M. Petrie H. Lee Willis, Masaki Takahashi. Di

33、stributed generation in developing Countries J . Cogeneration and On-site Power Production, 2001, 2（ 5） : 41-49. 6 Honton E J. Micro and mini turbine technology EB/OL . http:/www.distributed-. 7 US DOE. Strategic plan for distributed energy resources R , Office of Energy Efficiency and Renewable Ene

34、rgy Office of Fossil Energy, 2000. 8 Chambers Ann. Distributed generation: A nontechnical guide M , Tulsa: Pennwell, 2001. 9 陈金海等 . 上海市发展中小型燃气热电联产研究R . 上海市经济委员会研究报告, 2001. Current situation and prospects of distributed generation technologies LIU Dao-ping, MA Bo, LI Rui-yang, CHEN Zhi-hang(College o

35、f Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China) Abstracts: In the process of structural readjustment of energy, distributed generation technologies are being followed with great interest by people in circles of energy industry. In general, the state-ow

36、ned large-capacity power stations and supply networks are able to meet the needs of consumers for electricity. Under the circumstances, the combination of distributed generating units and the central power stations will play an important role in ensuring the energy supply and promoting economic grow

37、th. This paper introduced in detail the concepts of distributed generation, distributed power and distributed energy resources. It was indicated that the distributed generation technology is referred to some small-scale power generating units located near costumers. State-of-the-art technologies suc

38、h as microturbines and fuel cells are integrated in those small-scale power generating units to bring about combined heat and power generation. Where the drive and motive force of development of the technology from the economy and society lie was analyzed and illustrated. The technical features, fie

39、lds of application, related techniques, operating characteristics, and prospects of distributed generation technologies were presented. Key words: distributed generation technology; combined heat and power; energy development 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -