分布式能源技术研究及应用

（研究单位：中国华电集团公司）

一、研究方向与主要成果

本项目以供能发电行业中节能减排的重大需求为研究背景，研究分布式能源系统余热利用关键技术及系统集成。研究成果在广州大学城分布式能源站项目中得到充分应用，为分布式能源系统在我国有条件的地区大规模推广应用有着重大的推动作用，为降低大中城市能源消耗和实现节能减排提供重要依据，为分布式能源的规划设计、施工建设、运营管理和分布式能源的标准化、模块化、系列化方面提供重要的参考依据和典型示范。项目研究所提出的分布式能源集成系统，能够实现一次能源70~80%的利用效率，为替代高能耗、高污染、高运行成本的传统供能方式提供支撑，是大中城市降低能源消耗，实现节能减排，推进智能电网建设的首选方案。

上世纪80年代前后开始，国际上就提出了总能系统与冷热电联产为主要特征的分布式供能系统雏形概念。近10年来，由于分布式供能技术在能源利用效率、环境保护等方面的优势，逐渐被发达国家所接受，在面向21世纪的能源战略规划中，许多国家将分布式供能技术作为本国科技优先发展的关键领域。分布式供能系统以冷热电联供为主要形式，具有高效、环保、经济、可靠、和灵活等特点，是一种先进的供能系统，能够大幅度节能减排，我国已将分布式供能技术定位为能源领域前沿技术。由于分布式供能系统实现了能源的梯级利用，与传统供能系统相比，每100万kW的装机容量，每年可以节能78万吨标煤以上。我国5年内新增电力装机容量预期超过4亿kW，如果其中的15％～20％采用分布式供能系统，则每年节能6000万吨标煤以上，CO2减排约1.6亿吨。

分布式能源系统是靠近用户端的供能方式，而用户侧的电、热、冷需求是随时间变动的，而常规动力系统往往以稳定运行作为设计要求。采用关键设备来调整电、热、冷的匹配来适应用户需求是分布式能源系统研究的一个重点，系统集成技术是发挥冷热电联供系统节能优势的关键和难点。本项目在综合考虑包括启动、设计、变工况在内的全工况性能的系统集成（以下简称“全工况系统集成”）为重点研究方向，同时考虑低于120℃低温烟气的能量利用。本项目的另外一个研究重点在于引入了“混合动力”原理，采用了主动蓄能的方式来降低系统装机和提高全工况下的能源利用效率。

二、依托项目的基本情况

广州大学城项目是广东省和广州市贯彻“科教兴粤”战略部署的重点项目，是中国华电集团公司在天然气高效利用方面的首个10万千瓦级分布式能源站建设项目。广州大学城分布式能源站是亚洲最大的分布式能源系统，为分布式能源站的发展提供了重大示范，为我国建立分布式能源系统设计系列化、模块化标准提供示范，同时积极推动了我国节能减排的深入。

广州大学城坐落于广东省广州市番禹区新造小谷围岛及其南岸地区，远期规划面积为43平方公里，届时区域内总人口将达30余万，分两期建成。其中小谷围岛内规划面积18平方公里，为大学城一期工程，含十所大学及中央商务区，拟建建筑面积约800万平方米，可容纳14万高校学生，总人口约25万。

广州华电大学城分布式能源站的功能是满足大学城区的各种能源需求，包括为大学城用户提供电力；向集中热水制备站提供生产生活热水的高温热媒水和加热用蒸汽；为厂区提供冷负荷等；并为原关停小电厂的部分热用户提供工业供热热源。根据广州大学城一期和二期规划，能源站最终规划容量为300MW级，设置4×78 MW分布式能源站，分二期建成，一期先建2套分布式冷热电联供机组，二期工程根据热电负荷的增长情况，在一期基础上再扩建相应的机组，必要的公用设施土建构筑物一次建成，设备分期安装。

广州大学城能源站的热负荷为大学城各校区和中央商务区提供生活热水供应系统，其需求极不平衡。热水主要提供给学生宿舍和教师公寓以及有需求的公共和商业建筑。最大小时需水量出现在22:00，由于热水需求时段的极端不均匀，典型日最大用水时段的小时热水负荷大于能源系统相应的小时余热生产能力，系统采用蓄热式的热水供应方式。广州大学城项目设计热负荷按生活热水负荷和服装洗水热负荷的分时段叠加考虑，设计热负荷：最大热负荷为310GJ/h，最小热负荷为66GJ/h，平均热负荷为146GJ/h。工业热负荷为11.46t/h，且供汽量比较不稳定，供热蒸汽冷凝水不回收。大学城热水制备站的热负荷需求在不同月份、不同时段差别很大；冷凝水与所制热水混合后供大学城热水，不回收。余热锅炉热水汽水损失率为2%。

三、项目的关键技术与创新点

基于对分布式供能技术在我国能源战略中重要地位的共识，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》（以下简称“纲要”）中的第一领域（能源）第一优先主题（工业节能）中明确强调发展“分布式冷热电联供技术”。《纲要》进一步将分布式供能技术作为与氢能、核能等并列的四项前沿技术之一。本项目的建设实施是对《纲要》规划的具体落实，也是对节能减排的推动。

本项目在研究分布式能源系统集成过程中提出了“以冷定电”和“欠匹配”原则，同时在系统全工况调节和节能关键技术应用方面作出了突出贡献，其成果得到了充分体现。广州大学城分布式能源项目中以“能源的梯级利用”为主线，围绕理论创新、核心技术突破等目标，开展了系统方案集成和工程应用工作，形成了华电工程自有的创新点和关键技术：

（1）提出了分布式能源系统模块化、序列化设计方法。在该设计方法的引导下，建成了亚洲目前最大的分布式能源站（发电装机容量为15.6万kW），为分布式能源系统的研究提供了重大示范，同时也积极推动了我国节能减排的深入实施；

（2）丰富和发展了总能系统理论，实现了天然气能量的电、热、冷及生活热水的“四级”利用；

（3）提出有效的全工况调控手段，采用主动蓄能方法和抽汽补汽汽轮机关键设备，平衡了系统冷热电产出，提高了系统的全工况效率和运行灵活性。同时系统采用了适合于变水温的热水型溴化锂吸收式制冷设备，平衡了生活热水与制冷热源的需求，进一步提高了系统的稳定，提高了燃气轮机尾部烟气的利用率；

（4）形成自主的分布式供能关键过程及系统的理论设计方法。

四、依托项目的经济效益

广州大学城项目坚持科学用能下，实现了系统基础理论、集成技术及调控手段等方面的创新，具有以下效果：

（1）广州大学城项目使分布式能源理论变成实际，在分布式供能关键过程中形成了自主创新，提出动力余热利用、主动蓄能等分布式供能关键过程及系统的理论设计方法，同时，广州大学城项目为我国建立分布式能源系统设计系列化、模块化标准提供示范，使我国的分布式供能系统研究跻身于国际先进行列。

（2）广州大学城项目在“温度对口、梯级利用”热能综合梯级利用理论下，集成了燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机、溴化锂制冷机和生活热水制取装置，取得了电、热、冷及生活热水的多功能输出，实现了天然气能量的四级利用。仅余热锅炉尾部受热面的改进，将额外得到290t/h的生活热水供大学城使用。

（3）广州大学城项目在系统全工况调控方面寻求突破，利用抽汽、补汽式汽轮机自动工况调节和稳定系统的输出，突破了传统的调节方式，引领我国分布式供能技术相关基础研究的跨越式发展。同时系统采用了适合于变水温的热水型溴化锂吸收式制冷设备，平衡了生活热水与制冷热源的需求，进一步提高了系统的稳定性。广州大学城项目节能率为20~25%。仅余热锅炉低压蒸汽进入补汽式汽轮机的使用，在不增加燃料消耗的前提下可额外增加上网电量约为3250万千瓦时，每年将为系统增加约2000多万元的纯收入。

（4）变温热水型溴化锂吸收式制冷设备的采用，平衡生活热水与供冷热源的需求，稳定了制冷单元的输出，保证了燃气轮机尾部烟气的高效利用，进一步降低了排烟温度，为系统每年约增加30万元的收入。

五、依托项目的社会效益

分布式供能技术具有良好的节能效果，并大大降低系统输配电和冷热输送设备的投资和运行成本，具有很好的经济性，可以为投资方、设备制造方、用户等各方带来良好收益。同时，全球气温变暖，CO2已成为公认的祸首，在上述背景下，提高化石能源利用率，成为CO2减排的重要手段，而分布式能源正是以天然气的高效利用为目的，将成为我国减排目标的重要支撑。同时，分布式能源技术通常以燃气轮机或内燃机为动力源，其NOx排放远低于常规锅炉，分布式能源系统也将成为我国降低酸雨排放的重要技术。

我国集中式供电电网的规模迅速膨胀，由此所带来的安全性问题是不容忽视的。广州大学城项目将分布式供能技术和集中式供电有效结合，构架了更加安全稳定的电力系统。同时，广州大学城项目对抑制夏季电力高峰、填补夏季燃气低谷等方面都发挥了有益作用。广州大学城分布式能源系统向外界输出电、热、冷、生活热水等多种能源，具有较高的节能率，与常规系统相比，广州大学城分布式能源站项目年CO2减排在8~12万吨，年NOx排放减少1500~2000吨。适应我国“十一五”期间大幅节能减排的需求。