分布式能源（冷热电三联供技术）及其应用和开发

分布式能源没有统一的定义，发展处于探索阶段，在中国，相关配套政策、技术、设备等都正在逐步出台。
世界分布式能源联盟的定义：
分布式能源是分布在用户端的独立各种产品和技术，包括：
1、高效的热电联产系统，功率在3KW—400MW的燃气轮机、蒸汽轮机、内燃机、燃料电池、微型燃气轮机等；
2、分布式可再生能源，包括光伏发电系统，小水电、生物能发电以及风力发电。
国家发改委的定义：
分布式能源是利用小型设备向用户提供能源供应的新型能源利用方式。与传统的集中式能源相比，分布式能源接近负荷，不需要建设大电网进行远距离高压或超高压输送，可大大减少线损，节省输配电建设投资和运行费用；由于兼备发电、供热等多种能源服务功能，分布式能源可以有效的实现能源的梯级利用，达到更高的能源综合利用率。
中国行业标准定义：
天然气分布式能源，是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率达到70%以上，并在负荷中心就近实现能源供应及现代能源供应方式 ，是天然气高效利用的重要方式。

燃气冷热电三联供技术

天然气分布式能源就是在用户终端实现冷热电三联供，也叫CCHP(Combined Cooling, Heating&Power)，它主要是利用燃气轮机或燃气内燃机燃烧洁净的天然气发电，对作功后的余热进一步回收，用来制冷、供热和生活热水，就近供应。
特点：
1、它将能源系统以小规模(数千瓦至50MW)、模块化、分散式的方式布置在用户附近。
2、可独立地输出冷、热、电三种形式的能源。天然气利用率高，大气污染物排放少，是一种高效的能源综合利用方式。
3、电原则上以自用为主，并网不上网，并网的目的是调峰和应急。
三联供系统基本原理-----能源的梯级利用

楼宇式天然气冷热电三联供技术是一项先进的供能技术，它首先利用天然气燃烧做功产生高品位电能，再将发电设备排放的低品位热能充分用于供热和制冷，实现了能量梯级利用，因而是一种高效的城市能源利用系统，是城市中公共建筑冷热电供应的一种新途径。

燃气冷热电三联供系统属于分布式能源。
分布式能源是相对于传统的集中式供电方式而言的，是指将发电系统以小规模、小容量(数千瓦至15MW)、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出电、热和冷能的系统。

分布式能源的能量梯级利用


分布式冷热电联产系统的典型流程
1）燃气轮机-余热吸收式分布式联产

蒸汽型联产系统，余热锅炉透平排气的余热被回收，用以产生蒸汽。夏季用蒸汽驱动溴化锂吸收式机组制冷；冬季可利用这部分蒸汽直接供热或驱动吸收式热泵供热。排烟温度多为350~550℃，发电效率为24~34% ，冷电比（热电比）通常为1.5~2.5。
2）燃气轮机烟气吸收式分布式联产

直接通过烟气型溴化锂吸收式机组回收利用，没有余热锅炉这一中间环节。
排烟温度多为350~550℃， 发电效率为24~34% ，冷电比（热电比）通常为1.5~2.5。
3）回热循环燃气轮机—烟气吸收式分布式联产

与简单循环燃气轮机-烟气吸收式分布式联产系统相比，系统增加一套空气预热器，利用排气给空气预热。
发电效率相对于简单循环燃机要高，有高达38% ，冷电比（热电比）多为1.0~1.5。
4)汽轮机-余热吸收型分布式联产系统

系统性能与机组容量关系很大，容量较小的机组性能比较差，而大型机组生产冷量对外传输半径小；用蒸汽送至用户端然后做吸收式制冷，管道造价高；蒸汽系统以水为循环工质，系统复杂，不适合中小型用户。
5）内燃机-余热吸收型分布式联产系统

内燃机排气温度350~450℃，缸套水温度大于90℃，其余热量占输入燃料能量的30~40%，可直接用供热，另外可考虑在烟气型机组尾部增加一级换热器，回收170℃以下的余热用于生产热水。冷电比（热电比）通常为1.0~1.5 。
6）斯特林发动机-余热吸收性分布式联产系统

该系统与内燃机联产系统相似，斯特林机是一种外部加热的闭式循环发动机，与内燃机相比，斯特林机的排气温度更高，回收利用是更便利；但冷却水温相对于内燃机的缸套水低，同时冷却水带走的热量在全部输入能量中所占的份额较大。
7）燃料电池-燃气轮机-余热吸收型分布式联产系统

SOFC固体氧化物燃料电池，单独发电效率为50~60% ，与燃气轮机组合成混合动力系统，其发电效率可达到70%，NOx的排放量低于1ppm ,是目前最洁净的能源系统之一。
电输出占很大比重，冷电比（热电比）仅为0.2~0.5。此系统技术发展还不成熟，尚处实验阶段。
分布式能源发展趋势
以分布式多联供技术为核心，结合可再生能源构建区域“小型化区域能源网络”，形成多能互补的智能电网（微电网）与智能冷热气网相融合；
区域型能源系统的优势在于可以引进高效热电机组，实现燃气、电、热、冷的最优匹配，提高能源利用率；
实现建筑物之间、企业之间的连接和能源共享，有效融入太阳能发电、太阳热利用、生物质发电、地热利用等，从而有效减低二氧化碳排放。

三联供常用设备及系统形式

冷热电三联供系统典型示意图

冷热电三联供系统典型示意图

三联供系统常用设备

各类发电装置特点

	小型燃气轮机	内燃机	微燃机
容量范围（kW）	500～25000	2～10000	28～300
发电效率（%）	20～38	25～45	12～32
余热回收形态	400～650℃烟气	400～600℃烟气；80～110℃缸套水；40～65℃润滑油冷却水	250～650℃烟气
所需燃气压力（MPa）	1.0～2.2	≤0.2	0.4～0.8
NOx排放水平（ppm）（含氧量15%）	65～300（无控制时）,8～25（低氮燃烧）	250～500（无控制时）	8～25

系统运行模式
一年之中在有冷热负荷的冬夏季运行；
有常年热负荷（如生活热水负荷）的用户全年运行；
一日之中在电力价格较高的时段运行；
当发电机与市电并网运行时，发电机组连续、满负荷运行，经济性好；
当发电机独立运行时，发电机满足尖峰负荷需求，负荷率低、效率低；
三联供系统电力并网技术成熟，通过成套设备自动实现。
机房设置
靠近供电区域的主配电室；
泄爆、防火、通风、建筑间距等同燃气锅炉房；
燃气轮机机壳内自带CO2灭火装置；
备用发电机停电时启动，设置不间断交流电源满足辅机设备用电。

三联供系统项目适用条件及应用

经济性原则：以热定电+燃机满发！
三联供系统适用项目特点
电价相对较高的公共用户
有冷、热负荷需求或有常年热水负荷需求的公共建筑
对电源供应要求较高的用户
电力接入困难的用户
需要备用发电机的用户
在目前政策、价格条件下，宾馆、综合商业及办公、机场、交通枢纽、娱乐中心、产业园区等用户适于采用三联供系统。
标准要点
适用条件：发电机总容量小于或等于15MW；
适用阶段：工程设计、施工、验收和运行管理；
供电系统运行方式：推荐与市电并网运行；
设计原则：电能自发自用、热（冷）电平衡；
能效指标
节能指标：年平均能源综合利用率应大于70%；

联供系统配置指标：余热利用率应大于60%；

站址条件
独立站房或露天布置：燃气管道最高入室压力＜2.5MPa；
建筑物地下一层、首层或屋顶布置： 燃气管道最高入室压力＜1.6MPa；
发电机布置在建筑物地下一层或首层：单台容量≤3MW；
发电机布置在建筑物屋顶：单台容量≤2MW；
防爆泄压口：主机间、燃气增压机间、计量间；
事故通风口：主机间、燃气增压机间、计量间；
发电机并网措施
应设置自动同期装置；
电压偏差小于±5%；
频率偏差小于±0.2Hz；
并网线路应在用户侧适当位置设置明显断开点；
必须采取“逆功率保护措施”，保证联供系统只受电，不向公共电网输送电能。
三联供系统的经验性指标
能源利用率 >80%
增加占地 -10%～30%
增量投资回收年限 5～10年
发电成本 0.4～0.5元/kWh
并网与独立运行 均可。
机组配置原则
按需供给、适时匹配，达到冷热负荷的相对平衡
燃气蒸汽联合循环机组选型主要遵照“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”的原则，合理进行电力、供冷、供热设备的配置，做到按需供给、适时匹配，达到冷热负荷的相对平衡。
根据已确定的设计冷、热负荷，以及集中供热管网调度的稳定性，并考虑到联合循环热电厂的经济性，选定燃气蒸汽联合循环机组的容量，同时做到“充分利用余热”、“充分发挥发电能力”
选择两套联合循环供热机组以提高供热可靠性
为了供热机组的供热可靠性要求较高，可采用二拖一机组。仅一台汽轮机，当汽轮机故障，对外供汽需靠减温减压器供给，对供热的可靠性及电厂的效益影响较大。一拖一方案系统独立，运行灵活，调峰方便，供热可靠性高，联合循环机组按两套“一拖一”供热机组配置，以提供机组供热的可靠性。
是否选用补燃型机组
采用余热锅炉补燃的联合循环机组可以提高余热锅炉的产汽量，增加供热能力。但是由于补燃部分燃料利用效率较低、系统阻力增加，联合循环机组的效率会降低。
根据余热锅炉厂初步估算结果，采用烟道补燃，最大补燃量约为产汽量的20%，联合循环机组的效率会降低约3-4%，经济性较差。另一方面，采用余热锅炉补燃，增加了补燃需要的换热面积、燃烧器及投资，约增加800万元，一年中，仅在采暖期4 个月能利用补燃，在非采暖期，会增加系统阻力，降低整个系统的效率。
选择环保性能高的机组设计方案
环保的要求较高。联合循环机组选用低NOx 排放低的燃烧器，降低机组的排放污染物。对于噪音较大的转动设备（燃气轮发电机组、蒸汽轮发电机组、给水泵等）均布置在主厂房内，以进一步降低噪音对四周环境的影响。
采用效率较高的联合循环机组
考虑到天然气价格较高，机组采用联合循环运行方式，不考虑单循环运行，不设置旁路烟囱。尽量采用效率较高的联合循环机组，提高机组效率。
设置烟气余热利用系统，提高能源利用率
设置烟气余热利用系统，对不同的用户，做到温度对口、梯级利用，将烟气中的冷凝热进行回收，尽可能地降低烟气排放温度，提高能源利用率。
采用热泵机组，提高能源利用率
条件许可时，可采用热泵机组，设置循环水余热利用系统，提升循环水的余热来加热热网循环水或生活热水，提高能源利用率。
利用能源站的废水、废热，提高能源利用率
利用余热锅炉的定期排污水作为热网首站的部分补水，回收工质，利用余热。
暂不设置燃机进气冷却系统
燃气轮机受环境因素影响较大，环境温度越高，输出功率越低，且随环境温度增高，这种趋势越发明显。工程中应用的燃机进气冷却主要有蒸发冷却、喷雾冷却和预冷器冷却三种方法。均适用于高温、低湿度的地区。
经向南京汽轮机厂和西门子公司咨询，燃机厂可配套燃机进气冷却设备，国产设备投资约200万元，进口设备投资约1000万元。
西门子公司在亚洲地区未配套过设计进气冷却设备，只有在东南亚等高温地区个别燃机厂采用。南京汽轮机厂介绍国内目前投产的6B 型机组仅有济南钢厂1 台机组和天津滨海燃机电厂在投运后，技术改造中安装了中国船舶重工集团公司第703研究所自行研制的进气雾化冷却及湿压缩装置，由于存在叶片损伤问题，目前很少投运。

国内项目案例应用

蟹岛三联供能源中心（三联供+热泵+太阳能+冰蓄冷）
供能规模
19.6万平方米建筑供电
8.6万平方米建筑空调、生活热水
主要设备
燃气内燃机4台，总发电能力3000kW
余热烟气热水型冷温水机组
水源热泵
蓄热及蓄冰装置
蟹岛三联供系统原理图

广州大学城分布式能源站
广州大学城分布式能源系统由能源站、集中生活热水系统、区域供冷系统组成，系统设计为向广州大学城（小谷围岛）区域内的11所大学及其他用户约30万人提供全部生活热水、空调冷冻水和部分电力。
分布式能源站以天然气为一次能源，通过燃气-蒸汽联合循环机组发电，利用发电后的尾部烟气余热生产高温热媒水，用于制备生活热水和空调冷冻水。
分布式能源系统建设在大学城区域负荷中心，可以实现区域所需各种能源的就地生产就地供应，最大限度地减少了能源输送损耗。由于热能的梯级综合利用以及能源输送损耗最小，一次能源的综合利用率得到大幅度提高，据统计，目前一次能源的利用效率达到了78%。
系统设置
大学城能源站规划4×78MW燃气—蒸汽联合循环机组，一期建设2×78MW机组，主体工程造价71,870万元，同时配套建设220KV送出线路工程，送出工程造价9,399万元，合计工程总投资81,269万元。
一期安装两套FT8-3燃气-蒸汽联合循环机组，预留两套扩建场地。燃气轮机发电机组为美国普惠公司的FT8-3 Swift Pac 双联机组（60MW）；
余热锅炉为中国船舶重工集团公司第七○三研究所生产的两台中压和低压蒸汽带自除氧、尾部制热水、卧式自然循环、无补燃型、露天布置的余热锅炉；
蒸汽轮机发电机组供货商为中国长江动力公司(集团),分别选用一套带调整抽汽的抽汽凝汽式蒸汽轮机发电机组和一套双压补汽式蒸汽轮机发电机组，配套18MW 和25MW 发电机各一台。

分布式能源项目开发要点

燃气管道行业具有自然垄断的特点，谁能争取到更多的管线建设和运营项目，以及确保气源供应，谁将具备较大核心优势。

业务的组织落实
在经济发达、能源品质要求高的城市以及天然气供应有保障的地区开展天然气分布式能源项目
沿天然气管线途经的相对发达的地区
天然气管道业务区域
有冷热负荷要求的工业园区
城市综合体（商业中心、住宅小区、酒店商厦）
大学城
市场开发：
争取政府的认同，纳入政府工作计划
签订项目投资开发协议
获取发改委核准
开展前期可研
开展项目设计
技术支持：
配备技术人员
找好的设计院做合作伙伴
参观考察已建成熟项目
项目开发流程

选址
选择地区
在经济发达、能源品质要求高的城市以及天然气供应有保障的地区开展天然气分布式能源项目
选择对象：
“十二.五”期间，上千个新区规模建设是空前绝后的历史机遇。改变各个企业各自孤立、分散的有能模式，利用新区统一规划、统一建设、集成布置的历史机遇开展分布式能源项目建设
工业园区、生态园区
商业中心(CBD)、酒店、 写字楼
城市综合体、大学城
大中型公建项目：机场、铁路车站、交通枢纽等
选择标准：较大冷、热、电负荷，年运行时间长（10万平米以上，冷热供应时间80-10个月
较好的政策环境
较高的安全性和环保要求
燃气覆盖区域
冷热蒸汽的经验输送距离

5-12度冷水输送距离