分布式能源技術研究及應用

（研究單位：中國華電集團公司）

一、研究方向與主要成果

本項目以供能發電行業中節能減排的重大需求為研究背景，研究分布式能源系統余熱利用關鍵技術及系統集成。研究成果在廣州大學城分布式能源站項目中得到充分應用，為分布式能源系統在我國有條件的地區大規模推廣應用有著重大的推動作用，為降低大中城市能源消耗和實現節能減排提供重要依據，為分布式能源的規劃設計、施工建設、運營管理和分布式能源的標準化、模塊化、系列化方面提供重要的參考依據和典型示范。項目研究所提出的分布式能源集成系統，能夠實現一次能源70~80%的利用效率，為替代高能耗、高污染、高運行成本的傳統供能方式提供支撐，是大中城市降低能源消耗，實現節能減排，推進智能電網建設的首選方案。

上世紀80年代前后開始，國際上就提出了總能系統與冷熱電聯產為主要特征的分布式供能系統雛形概念。近10年來，由于分布式供能技術在能源利用效率、環境保護等方面的優勢，逐漸被發達國家所接受，在面向21世紀的能源戰略規劃中，許多國家將分布式供能技術作為本國科技優先發展的關鍵領域。分布式供能系統以冷熱電聯供為主要形式，具有高效、環保、經濟、可靠、和靈活等特點，是一種先進的供能系統，能夠大幅度節能減排，我國已將分布式供能技術定位為能源領域前沿技術。由于分布式供能系統實現了能源的梯級利用，與傳統供能系統相比，每100萬kW的裝機容量，每年可以節能78萬噸標煤以上。我國5年內新增電力裝機容量預期超過4億kW，如果其中的15％～20％采用分布式供能系統，則每年節能6000萬噸標煤以上，CO2減排約1.6億噸。

分布式能源系統是靠近用戶端的供能方式，而用戶側的電、熱、冷需求是隨時間變動的，而常規動力系統往往以穩定運行作為設計要求。采用關鍵設備來調整電、熱、冷的匹配來適應用戶需求是分布式能源系統研究的一個重點，系統集成技術是發揮冷熱電聯供系統節能優勢的關鍵和難點。本項目在綜合考慮包括啟動、設計、變工況在內的全工況性能的系統集成（以下簡稱“全工況系統集成”）為重點研究方向，同時考慮低于120℃低溫煙氣的能量利用。本項目的另外一個研究重點在于引入了“混合動力”原理，采用了主動蓄能的方式來降低系統裝機和提高全工況下的能源利用效率。

二、依托項目的基本情況

廣州大學城項目是廣東省和廣州市貫徹“科教興粵”戰略部署的重點項目，是中國華電集團公司在天然氣高效利用方面的首個10萬千瓦級分布式能源站建設項目。廣州大學城分布式能源站是亞洲最大的分布式能源系統，為分布式能源站的發展提供了重大示范，為我國建立分布式能源系統設計系列化、模塊化標準提供示范，同時積極推動了我國節能減排的深入。

廣州大學城坐落于廣東省廣州市番禹區新造小谷圍島及其南岸地區，遠期規劃面積為43平方公里，屆時區域內總人口將達30余萬，分兩期建成。其中小谷圍島內規劃面積18平方公里，為大學城一期工程，含十所大學及中央商務區，擬建建筑面積約800萬平方米，可容納14萬高校學生，總人口約25萬。

廣州華電大學城分布式能源站的功能是滿足大學城區的各種能源需求，包括為大學城用戶提供電力；向集中熱水制備站提供生產生活熱水的高溫熱媒水和加熱用蒸汽；為廠區提供冷負荷等；并為原關停小電廠的部分熱用戶提供工業供熱熱源。根據廣州大學城一期和二期規劃，能源站最終規劃容量為300MW級，設置4×78 MW分布式能源站，分二期建成，一期先建2套分布式冷熱電聯供機組，二期工程根據熱電負荷的增長情況，在一期基礎上再擴建相應的機組，必要的公用設施土建構筑物一次建成，設備分期安裝。

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

三、項目的關鍵技術與創新點

基于對分布式供能技術在我國能源戰略中重要地位的共識，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006－2020年）》（以下簡稱“綱要”）中的第一領域（能源）第一優先主題（工業節能）中明確強調發展“分布式冷熱電聯供技術”。《綱要》進一步將分布式供能技術作為與氫能、核能等并列的四項前沿技術之一。本項目的建設實施是對《綱要》規劃的具體落實，也是對節能減排的推動。

本項目在研究分布式能源系統集成過程中提出了“以冷定電”和“欠匹配”原則，同時在系統全工況調節和節能關鍵技術應用方面作出了突出貢獻，其成果得到了充分體現。廣州大學城分布式能源項目中以“能源的梯級利用”為主線，圍繞理論創新、核心技術突破等目標，開展了系統方案集成和工程應用工作，形成了華電工程自有的創新點和關鍵技術：

（1）提出了分布式能源系統模塊化、序列化設計方法。在該設計方法的引導下，建成了亞洲目前最大的分布式能源站（發電裝機容量為15.6萬kW），為分布式能源系統的研究提供了重大示范，同時也積極推動了我國節能減排的深入實施；

（2）豐富和發展了總能系統理論，實現了天然氣能量的電、熱、冷及生活熱水的“四級”利用；

（3）提出有效的全工況調控手段，采用主動蓄能方法和抽汽補汽汽輪機關鍵設備，平衡了系統冷熱電產出，提高了系統的全工況效率和運行靈活性。同時系統采用了適合于變水溫的熱水型溴化鋰吸收式制冷設備，平衡了生活熱水與制冷熱源的需求，進一步提高了系統的穩定，提高了燃氣輪機尾部煙氣的利用率；

（4）形成自主的分布式供能關鍵過程及系統的理論設計方法。

四、依托項目的經濟效益

廣州大學城項目堅持科學用能下，實現了系統基礎理論、集成技術及調控手段等方面的創新，具有以下效果：

（1）廣州大學城項目使分布式能源理論變成實際，在分布式供能關鍵過程中形成了自主創新，提出動力余熱利用、主動蓄能等分布式供能關鍵過程及系統的理論設計方法，同時，廣州大學城項目為我國建立分布式能源系統設計系列化、模塊化標準提供示范，使我國的分布式供能系統研究躋身于國際先進行列。

（2）廣州大學城項目在“溫度對口、梯級利用”熱能綜合梯級利用理論下，集成了燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機、溴化鋰制冷機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，實現了天然氣能量的四級利用。僅余熱鍋爐尾部受熱面的改進，將額外得到290t/h的生活熱水供大學城使用。

（3）廣州大學城項目在系統全工況調控方面尋求突破，利用抽汽、補汽式汽輪機自動工況調節和穩定系統的輸出，突破了傳統的調節方式，引領我國分布式供能技術相關基礎研究的跨越式發展。同時系統采用了適合于變水溫的熱水型溴化鋰吸收式制冷設備，平衡了生活熱水與制冷熱源的需求，進一步提高了系統的穩定性。廣州大學城項目節能率為20~25%。僅余熱鍋爐低壓蒸汽進入補汽式汽輪機的使用，在不增加燃料消耗的前提下可額外增加上網電量約為3250萬千瓦時，每年將為系統增加約2000多萬元的純收入。

（4）變溫熱水型溴化鋰吸收式制冷設備的采用，平衡生活熱水與供冷熱源的需求，穩定了制冷單元的輸出，保證了燃氣輪機尾部煙氣的高效利用，進一步降低了排煙溫度，為系統每年約增加30萬元的收入。

五、依托項目的社會效益

分布式供能技術具有良好的節能效果，并大大降低系統輸配電和冷熱輸送設備的投資和運行成本，具有很好的經濟性，可以為投資方、設備制造方、用戶等各方帶來良好收益。同時，全球氣溫變暖，CO2已成為公認的禍首，在上述背景下，提高化石能源利用率，成為CO2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，將成為我國減排目標的重要支撐。同時，分布式能源技術通常以燃氣輪機或內燃機為動力源，其NOx排放遠低于常規鍋爐，分布式能源系統也將成為我國降低酸雨排放的重要技術。

我國集中式供電電網的規模迅速膨脹，由此所帶來的安全性問題是不容忽視的。廣州大學城項目將分布式供能技術和集中式供電有效結合，構架了更加安全穩定的電力系統。同時，廣州大學城項目對抑制夏季電力高峰、填補夏季燃氣低谷等方面都發揮了有益作用。廣州大學城分布式能源系統向外界輸出電、熱、冷、生活熱水等多種能源，具有較高的節能率，與常規系統相比，廣州大學城分布式能源站項目年CO2減排在8~12萬噸，年NOx排放減少1500~2000噸。適應我國“十一五”期間大幅節能減排的需求。