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分布式供能与区域能源

2017-03-09 16:12:40 能源思考2017年2月刊   作者: 华南理工大学天然气利用研究中心 华 贲  

引言:

分布式供能在我国的发展是从世纪之交开始的。最早的成功案例是1995-1997年上海浦东新机场的冷热电联供能源站。政府机构开始介入是2011年"四部委联合通知"。随后中国城市燃气协会等组织先后建立了"分布式能源专业委员会"。而区域能源在中国的提出和组织则晚于此。首次有中国人参加的国际区域能源协会是2015年6月28日在美国波士顿召开的第106届年会。2016年在中国建筑节能协会之下成立了区域能源专业委员会。不久前才开始同政府有关机构建立联系。给局外人的印象似乎这是两个不同的领域和不同的概念;其实不然。要理解这一点还须从历史的回顾说起。

一、 分布式供能与区域能源的不同发展历史和共同点

1、 区域能源具有悠久的历史

区域能源(District Energy)概念是在20世纪初,第一次工业革命中期-工业由小而分散向大而集中,一次能源还是以煤为主的时代发展起来的,旨在高效满足区域内所有用能需求 。"区域"大小可以是一个城市、一个工业区或大型住区,也可以是一个小区或建筑群。 涵盖从一次能源转换、传输供到终端用户的各种技措,从热电联产,到集中供暖、区域供冷、供电等。一百多年来其内涵随一次能源转型和科学技术发展而不断进化。 纽约市最近提出"能源区块链"的概念,以实时和公开记录的能源交易大数据为基础,实现一个邻近区域内各种能源终端利用的优化整合,是区域能源概念的新进展[1]。

区域能源不仅是一个技术命题,而且是一个系统问题。包括政策、商业模式、市场成熟度、技术积累和本地资源。服务商包括设备厂商、运营商、能源服务公司、电力企业以及相关机构;尤其是能源站运营管理服务商作用很大。重点从前期的单纯规划向建设及后期运营偏重[2]。

国际区域能源协会成立于20世纪之初。百多年来随着工业化的进程,美国建立了大批百MW级的工业或社区区域能源系统。50年前日本完成第二次工业革命时兴建了许多多种终端用能总体优化匹配的工业园区,能效大幅度提高。丹麦和瑞典为代表较小国家发展了另一类区域能源模式。中国近卅年才开始经济腾飞;第一次工业革命所标志的工业化和城镇化还在进行之中。这是中国发展区域能源较晚的历史原因。

2、分布式供能的历史背景和由来

分布式供能译自英文Distributed Energy System,(以下简称DES)。最早按字面直译为"分布式能源"系统。但从其实质内涵可知它并不是一种能源,而是一种先进的供能系统。DES产生于第二次工业革命中后期、工业和建筑物燃料用一次能源由煤和石油向天然气转换的历史阶段,在美国是1970年代;其他国家稍晚。

DES由两个不同角度所催生。其一是电力生产的集中和分散。百多年来,尽可能提高效率、降低成本的目标促使电力生产越来越集中和大型化。电站规模达到几个GW。大电网覆盖上百万km2范围。 但因上世纪末以来发生了多起大面积停电事故而促进人们重新考虑保障供电安全的分散式供电(Dicenturalized Power)。 2003北美大停电后纽约、墨西哥各自在负荷中心新建5、6个几十MW级较小的天然气发电设施。除了保障供电和协助大电网黑启动之外,就地直供也能节省绝大部分输变电费用。

其二是提高能效。按照热力学第二定律,化学能转换为电力的效率不可能100%,必定有一部分以较低温位的热量的形式排弃到环境。按"高热高用、低热低用"的高效用能原理,这些原来排弃的低品位能量在分散式供电下可以通过冷、暖、热水、蒸汽等等形式供给用户,可使能效达到70%以上。但对集中的GW级大电厂并不经济。

迄今国际上并没有给DES下"定义"。国际分布式能源联盟(World Association of Distributed Energy, WADE)的解释是:"设在负荷中心,向用户就地联供冷热电蒸汽终端用能的高效系统",即DES/CCHP。"就地、高效"实际上已经界定了它的最大规模:即冷热电蒸汽供应都在经济输送距离内。蒸汽和采暖热水的经济输送距离原来认为是8 --10 km,近年来由于隔热和降低输送功耗技术突破,已经可达20km以上。10kV电力经济输送距离1-2 km, 110kV以上远得多。在我国,住建部规范的区域供冷系统DCS的5-12°C冷水输送距离在1.5km之内。但若能源站DES带几个DCS的情况下,多个DCS可覆盖的范围就是几十km2了。通常被称作区域型DES/CCHP[3]。例如,2011年规划建设的珠海横琴新区冷热电联供能源站就是有2台9F机组的一个能源站带11个区域供冷站,多个热水供应站[4]。

那为什么发达国家90%以上的DES 项目都是小的"用户型"甚至"楼宇型"呢?回顾历史进程便知在DES发展的1970年代左右,发达国家第二次工业革命都已完成,城镇建设更已定型。在已建成和定型的城市中建设区域型DES受到三方面的限制:

一是既有建筑物和市政设施使供、热、蒸汽管道的敷设或不可能(特别是在土地私有的国家),或者投资倍增。二是各个用户原来已经投资自建了供应冷、热、蒸汽的设施,如果没有达到经济寿命,会使新规划的CCHP系统投资大大增加。三是商业运作比新建区大:合作投资建设受众多用户观念各异制约;外部的投资主体面临说服所有用户、协调利益关系等问题。所以既有城区的大部分项目只能因地制宜在有限空间内建设小型的,才能够取得经济效益。

3、区域能源与分布式供能的共同点和区别

总的来说,两者都是以提高能效,从而能更经济和碳减排为目标。具体来说:

(1)共同点之一:都不涵盖全部能源利用系统,而限于能源转换传输子系统。

整个能源系统包括终端利用、转换传输、回收再利用三个子系统(环节)。由于工业和建筑物不同用户的能量利用和能量回收两个环节的内涵各自不同,宏观规划都只涵盖由一次能源转换、传输供终端用能(冷热电蒸汽)这个环节;不可能过细深入。以建筑物为例, HVAC,即暖通空调,只决定一次能源转换传输到所需冷热过程的效率。而单位面积供能需求则为围护结构和余热回收所决定。对此要求极为严格的欧洲供暖负荷标准是20-25 W/m2;同纬度我国是50 W/m2,即使转换能效100%能耗也不可能低于50 W/m2。可见转换传输效率提高并不是能耗降低的全部内涵。

(2)共同点之二:都是以冷热电联供作为提高转换传输效率的最主要手段。

工业和建筑物能源终端利用形式可以归纳为电、热(包括冷、暖、蒸汽)两种。冶金、化工、医药等过程工业,电/热大约为2/8,"热"包括高、中温工业炉供热、蒸汽和冷。机械、电子、轻工等离散制造业,电/热大约为8/2,"热"主要是厂房供冷暖。建筑物包括住宅和三产,主要终端耗能是供冷暖和热水,电/热目前为2/8,未来有可能趋向3/7。所以工业和建筑物合起来大致是电/热各半。所以在以节能为第一要义的未来可再生能源为主的时代,必走通过冷热电联供提高能效之路。

区域能源的范围是从人口聚居,产业集聚或行政区划角度考虑的。一个大的、覆盖上百 km2的区域,可以设置几个DES/CCHP。这就是区域能源与DES的关系。例如,面积163km2、远期人口53万人的西安市副中心和信息产业基地的陕西西咸新区沣西新城,在2013年制订的区域能源规划中,就包括了两个DES/CCHP,6-8个DC(W)S;还采用了远程CHP电厂低温余热为主、包括热泵、地热等复合的供暖系统[5,6]。

(3)共同点之三:都面临一次能源替代化石能源的历史转折。2015年的巴黎协议,2016年杭州会议提出的G20 能源宣言都指出了这个历史的发展方向。非化石能源到世纪中占比可达40--50%,世纪末将达80%。可再生能源本质上是低能量密度、有利于分散就地利用的。也可在地广人稀地区搞集中的大规模水电、风电、光伏发电;但须付出超远程输送的代价。分散和集中也是相对的。百MW级太阳能热发电和第四代小型百MW级核电也都可以用作区域型DES/CCHP的一次能源。

(4)区别:除了规模大小和区域能源对DES的包容性之外,区域能源规划还应该包括交通运输、农业等领域的用能。规划考虑的时间段更长,牵涉的生产关系和上层建筑的内容更深;如本文一、1段所述。

二、 走出热电联产的思维局限---明确系统的主体

1、热电联产CHP是是第一次工业革命产生的技术。基于把被排弃的热用起来的思维,因而把发电燃料(当时是煤)作为主体和基数来来计算能源利用效率。以"热电比"为指标是因为产热越多总效率越高。热电联产是比"热电分产"的进步:但它只管"产"而不管蒸汽"供"和用得是否合理。最明显的实例是流行了几十年的用1Mpa,160°C的蒸汽供20°C室内温度供暖;这还是典型的"高能低用"。现在已经可把汽轮机复水器25-30°C的冷凝潜热,藉吸收式热泵升温供暖了。 

2、 冷热电联供是第二次工业革命后期产生的能源转换系统优化技术

冷热电联供DES/CCHP是第二次工业革命后期,天然气为终端燃料时从CHP发展来的,主体是用户。计算能效是以全区域全年8650 h/a累计的供能总量为分子,总一次能源消耗为分母。目前流行的"CCHP=CHP+蒸汽吸收制冷"是过于简单化的理解。类似简单的表达应是"CCHP=CHP+科学用能,系统优化"。DES/CCHP建模优化的本质是:选择最优化的拓扑结构和参数,使之能够利用各种就近一次能源,经转换传输和储存,满足终端用户对电力和冷、暖、蒸汽、热水等各种形式的能源的实时变化负荷的需求,达到最高能效、最经济、最少碳排放的目标。充分利用计算机和信息技术,进行系统建模优化,才能求得最优的系统设施组合和运营方案。

3、主体考虑不同系统规划和效率计算完全不一样

(1)、按"以热定电"作的CCHP项目,为保夜间供热也要运行,所产生的低谷时段电力强制上网,不仅没有价值,而且增加电网调峰难度;

(2)、按最大供冷、热工况设计。实际运行时绝大多数均非设计工况,实际负荷率常常很低。以设计工况主机燃料为基数核算系统能效严重夸大;
(3)、"联产"思维局限导致"必须采用蒸汽吸收制冷"的不合理限制。不仅降低制冷效率,而且只要供冷就必须开启主机,不问电力是否过剩;制约系统优化运营;

(4)、无供冷暖季节时段大量余热不能利用;或低效率运行、或停运,使全年运行时数减少,设备折旧费成倍增加。

(5)、"并网不上网"催生"以电定热";为追求机组"高效",只能提供用户需求的冷热的很少部分;不管全局绝大部分用户能效如何。

(6)、没有把非24h/d连续运行的、特别是区域型的DES/CCHP协同电网调峰作为互利双赢的普遍规律性的准则;把目前违背市场规律的电网垄断视为不可改变的约束条件。

以上几点是造成目前国内的许多DES 项目经济性不好的内在原因[7]。

三、 DES和区域能源规划的要点:满足终端用户不同时、空的变化需求

1、以用户需求为考虑主体----最大特点是负荷有巨大的时、空变化

空间变化的内涵是:充分考虑各种工业和建筑物用能户冷、暖、热、电、蒸汽需求的空间分布;区域能源和DES系统空间范围如何选择?是否应覆盖边远用户?均需由能效提高的收益与管网投资的付出相比较的经济性决定。

时间变化包括:(1)、一年四季冷、暖、热水需求不同;(2)、一天24小时之内不同用户用能需求峰谷时段不同,总量也在变化;(3)、除连续运行的过程工业之外,绝大部分用户后半夜需求很少;(4)、随着区域经济发展,用能负荷随用户增加而逐年、逐月变化要求规划分期。季节和昼夜变化要求构建一个采用多技术的多种组合以适应多种工况的系统,才能使DES/CCHP在多个工况下都实现高效运行。

2、以用户需求为考虑主体的首要原则是考虑全区域用能

区域能源或DES规划的目标既然是提高整体的能效,就必须考虑全区域、全年,所有用户。当然,以经济性为准则,少数边远用户、空间十分分散农业地区,以及少量用能时段特殊的用户可以不纳入DES/CCHP供应范围。判据就是敷设过长的冷热管道的投入能否由它们能效提高的经济收益得到补偿?但是在计算区域能源利用效率时必须把这些DES未覆盖的用户的用能包括在内。

3、 同时系数是DES和区域能源规划的重要基础参数。

同时系数系统设计负荷在所有用户高峰负荷(也就是各用户自己供能时的设计负荷)之和中所占的分数;是因不同用户终端需求高峰在不同时段而产生。区域内包括的用户种类和数量越多,同时系数越小,设备总投资就越低。同时系数低于0.7-0.8时,所节省的投资已经可以与敷设各种管网所额外增加的投资持平相抵。此外,区域大到一定规模还有的好处是:大设备效率单机高,单位投资低。按近年的多个工程实例,百MW级DES投资大约¥7000/kW左右, 十MW级以下则需¥1-2万/kW。

4、昼开夜停16h/d运行,配合电网调峰是满足用户需求,互利双赢的重要创新

除了过程工业(园区)自己都有专设的24h/d的CCHP系统,即自备公用工程单元之外,一般工业和建筑物用能的时间特点是:(1)、生活热水只要有一天用量的储存设施,16h/d还是24h/d生产都能够满足;(2)、供冷和热泵供暖白天用DES电、夜间DES主机停运时改用低谷价网电,更经济;(3)、离散制造业所用蒸汽多半16h/d运行,与DES同步;需加班时可启动辅助燃烧器;(4)、无供暖和空调季节仍可调峰供电兼联供热水和蒸汽运行,可使年开工时数加倍、折旧费低。在正在到来的智能电网时代,分时电价不可避免,DES协同电力调峰是互利双赢。这是处于工业化和城镇化的同时推广区域能源和DES的中国能够集成创新的历史机遇[8,9]。

四、 未来智慧能源网络的基本单元

1、 低碳时代一次能源和终端利用的走势

到本世纪中叶可再生能源成为一次能源的主体。其中可能有近半,即非光伏太阳能、核能、地热、生物质等可用做大型工业园区CCHP的一次能源;另外一半多不需经过热力循环而直接发电利用的是水力、风、光伏、潮汐等等。各种可再生能源增速和占比由新科技突破形成的经济竞争力决定。

未来仍占终端用能三成多的冷、暖、热、蒸汽终端需求是分散的;通过高效的冷热电联供DES/CCHP就地直供的距离是受限的;一次能源中大部分可再生能源也是分散和低能量密度的。这三点决定了大部分的从一次能源转换传输供终端利用的供能系统是分布式的。

2、能源转换传输系统演化为智慧能源网络

集中、单向、垂直的"能源供应系统"将转为分散、双向、扁平化的智慧能源网络,Intelligent Energy Network(见图1)。借助于互联网、大数据和人工智能技术,目前只管输配的电网将发展成智能电网Smart Grid,SG,成为所有电力的集散、交易的平台和智能调度、控制中枢,从而实现能源和电力的实时供需平衡。因此SG是能源互联网的核心架构[10]。

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(SG-智能电网,SGG-智能天然气网,MSG-智能微电网,MHG-智能氢气管网)

左:迄今传统工业+化石能源的集中、垂直、单向模式;

右:可再生能源为主的分散与集中协同、水平、双向模式;红色传输线条表示集中,蓝色分散

3、两种类型分布式供能的走势:覆盖绝大部分工业和建筑物用户的千万个分布式供能子系统DES/CCHP将成为未来智慧能源网络,也就是能源互联网的基本单元。

大型DES/CCHP的服务对象为各类工业(及园区)和大型社区,以百MW级的太阳能热发电、小型CHP核电、地热和天然气发电,与集中供暖、区域供冷及热泵技术相结合;将会占新开发区域绝大部分。

小型DES/CCHP可以用任何一次能源,规模可以从小于1 MW级到10MW级。主要用于已建成城区能源供应系统的改造升级。以光伏等为主、带储能的小DES没有基于热力循环的CCHP;可用热泵或太阳能光热方式制冷热(见图2)。现在推测,由于光伏发电和储能技术不断突破、成本逐年递降,天然气微燃机+余热利用系统将很难与之竞争。

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4、 与DES和区域能源同步建设微电网是建设智能电网的关键

可再生能源的分散性决定了一次能源的分布式转换和就地利用。如杰米里. 里夫金所说,欧盟1.9亿个大楼将成为1.9亿座发电厂[11]。但它们不可能"孤网运行"而需借助于大电网。可再生能源的不确定性要求实行自动分时电价。在分时电价机制下电力在亿万个有储电的、光伏为主的DES与大电网之间的双向流动是电力供需随机性波动的重要调节手段;成千上万昼开夜停的DES/ CCHP则是电网昼夜调峰重要手段。这就要求每一个DES都在一个有源的微电网之内。现有的配电网显然不能适应。从目前来说,必须先建设微电网才能为DES/CCHP与大电网的互动提供硬件条件。从发展来说,必须先构建亿万个智能微电网与智能配电网、输电网集成、协同才能构建和发展SG和智慧能源网络---即能源互联网。区域能源与分布式供能系统DES的规划和建设是同一的。只不过大的区域将包含不止一个DES。

五、 当前促进分布式供能和区域能源规划建设的关键问题,简言之,有以下五点:

第一是摆脱利益格局和思维定势,认清中国发展分布式供能和区域能源的历史必然性。第二是遵循市场经济规律,取消多层次交易和"交叉补贴",使过高的天然气价格回归合理。第三是正确界定走向可再生能源时代智能电网建设的侧重点:建设微电网和实行分时电价。第四是必须加快"区域能源规划法"、"城市燃气法"等法律的立法和执法。第五是:目前我国能源革命重点并非在生产力和技术层面,而是在生产关系和上层建筑层面:依法治国替代行政发文件和审批[12,13]。

参考文献:

[1] 李惠钰,区块链解能源互联网之困?中国科学报,2016-09-20 太阳能发电网

[2] 许文发,"中国区域能源可持续发展建议书"解读,《中国区域能源可持续发展建议书》研讨会,2015年7月20日北京

[3] 华贲,天然气与中国能源低碳转型战略,华南理工大学出版社,2015.3,广州

[4] 《横琴新区2010- 2020年区域能源规划》项目研究报告,华南理工大学,2012.2

[5] 华贲,熊永强,罗向龙,李亚军,如何解决大城市区域集中供暖难题?区域能源,2013

[6] 华贲,甘旭等,大城市新开发区域能源规划的制订,区域能源,2013 第  期

[7] 华贲,中国分布式供能产业发展的几个问题,《分布式能源》2016,2,9-15

[8] 华贲,区域分布式能源与智能电网安保调峰的战略协同,中国电业;技术版 2011(3)1-6

[9] 华贲,分布式能源与电网优化配置和供电可靠性,中国发电,2011.10,24-26

[10] Ben HUA,Phisycal Structure of Intelligent Energy Network,(will be pubished)

[11] 杰里米·里夫金.第三次工业革命[M],张林伟译,北京,中信出版社, 2012

[12] 华贲,能源利用方式革命需要立法推动,[J]中外能源,37(6)12-16,2015.6

[13] 华贲,转变体制与机制,加速中国天然气产业发展,中国能源报, 2015.11.23日 第04 版

(本文作者是中国建筑节能协会区域能源专委会本届理事会顾问,中国城市燃气协会分布式能源专委会特别顾问。)




责任编辑: 江晓蓓

标签: 分布式供能

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