发展燃气分布式智慧能源系统与区域综合能源规划(CEP)

1、序言为了实现中国在节能减排方面对外的庄严承诺，国家即将出台《新兴能源产业规划》，提出从2011年至2020年，将累计增加对新兴能源产业投资5万亿元，每年将可增加产值1.5万亿。规划中，包含了核电、风能、太阳能和生物质能这些新的能源资源的开发利用，还包括了传统能源的升级变革、洁净煤、智能电网、分布式能源、车用新能源等技术的产业化应用的具体实施路径、发展规模和重大政策举措。

作为《新兴能源产业规划》的重要元素，我国分布式能源正处于快速发展的前夜，特别是燃气分布式能源，随着近年来我国天然气产业的加速发展，已开始受到广泛的重视。国家能源局提出了发展我国分布式能源的规划和指标，国内各地方政府、各类开发区正在制定本地的规划，将分布式能源建设纳入地方总体能源规划的范畴。电力、燃气、石油等行业和各大能源产业集团都在制定分布能源产业的发展战略，正在成立各种形式的能源服务公司。为了保证我国新兴能源产业实现有序和健康的发展，我们必须对燃气分布式能源在国家能源整体结构中的地位和作用有一个明确的定位。

要实现节能减排不仅需要采用新型能源技术，更重要的是必须有一个合理的能源结构。分布式能源技术在优化能源结构方面的作用是巨大的。

发展燃气分布式能源的意义不仅是对天然气的高效利用，同时由于其具有可输送、可储存、可调节和可中断的特点，对太阳能、风能、热泵和水电等可再生能源的利用还可以提供重要的支持和调节作用，它是形成区域智慧能源系统的粘合剂。区域智慧能源系统是完全针对负荷需求，整合传统供能方式和新型能源技术，根据最经济、节能、安全、可靠、环保、具有可实施性等诸多目标建立的能源系统。以区域能源一体化、结构最优化和智能化理念为基础的综合能源规划技术，使智慧能源系统的建立成为可能。

2、分布能源在优化区域能源结构中的作用2.1雪灾带来的启示2007年我国南方的雪灾，直接暴露了我国电力建设中的问题：重视主干电网建设，忽视地区电网建设。

主干电网一趴下，地区电网就不能独立运行。在电源建设方面近年来大力发展大电源，忽视了分布式电源建设。但是，雪灾中最终保下来的两个省会大城市——贵州的贵阳和江西南昌，在一片黑暗中成为仅有的亮光，都是靠保留下来的分布式电厂。在供电方面重视跨区供电而忽视就地供电。如果要把电网的抵御灾害天气能力提高到50年一遇，电力设备建设造价要翻8倍，这是我国国力无法承受的。因此发展分布电源和地区电网是保证能源安全的关键。

2.2北京天然气和电力的不和谐体系北京2009年夏季电力最高负荷已达1500万千瓦，其中40%用于电空调。也就是说电力公司要多投资几百亿元建电厂来解决调峰问题。而燃气年用量近60亿立方米，70%以上用于冬季采暖。这意味着燃气公司几百亿元建的城市燃气管网年利用率不超过40%。

这种不合理的能源结构给北京市的燃气和电力行业带来的损失是巨大的，而多年来得不到解决。大力发展燃气分布式能源系统，不仅在夏季通过燃气冷热电三联供提供制冷，大规模减少了空调用电，而且所发的电力补充了供电的需求。燃气三联供系统相率可达80%以上，而大电网供电在用户端一次能源效率不足30%。分布能源不仅在节能减排方面贡献显著，而且弥补了北京燃气和供电结构的不合理，每年至少可以减少几十亿元的损失。

3、智慧能源系统的定义智慧能源系统是一种崭新的区域能源系统，它是在综合考虑了区域或城市的各种能源的输入、生产、转化、传递、转化、消耗、排放和输出等全过程后构建的一个在结构、规模、效果和经济诸方面最优化、高度智能化、具有充分可实施性的区域能源体系。

4、构成智慧能源系统的主要技术4.1分布式能源技术分布能源的定义分布能源是一种建在用户端的能源供应方式，其能效高、节能、环保，目前许多发达国家已可以将分布式能源综合利用效率提高到80%-90%以上，大大超过传统用能方式的效率。国际分布式能源联盟WADE对“分布式能源”的定义为：位于用户端发电系统,同时可以实现（1）高效利用发电产生的废能进一步生产热、电和冷；（2）与可再生能源系统有效的结合；（3）

包括利用废气、废热以及多余压差来发电或供热的能源循环利用系统。这些系统归为分布式能源系统，而不考虑项目的规模、燃料或技术及该系统是否联网等条件。

案例：丹麦发展分布能源丹麦的能源供应结构——从集中式改为分布式能源星罗棋布的局面（如图所示）。能源结构的改变带来了明显的效果，近年来随着GDP的增长，能源消耗反而有所降低，环境得到进一步的改善。

2006年伦敦市市长发布了今后五十年的城市能源规划报告，提出伦敦应成为解决英国乃至世界气候变化的先导者，规划到2020年，降低60%的排放量；同时维持能源供应的可靠性，控制能源成本，解决燃料匮乏。

规划指出只有通过提高能源效率和分散供能相结合，也就是说，在用户端附近建立能源供应中心，才能使以上这些相互关联的目标得以充分实现。伦敦现有的集中式发电系统存在相当大的能源浪费，电站有65%的热能排放到大气、湖泊或海洋中；在输配电的过程中有9%的能源损耗；在发电站，约有50%的水资源用于蒸发余热。分布式能源有不同的技术形式：包括冷、热、电三联供系统，太阳能、风能、氢和燃料电池等可再生能源，从城市垃圾、厨房垃圾和污水获取能源的新型清洁技术。比如城市热电联产系统（CHP）则充分利用了余热，从根本上减少了输电和配电的损耗，同时节约了水资源。

伦敦目前每年能源消费超过130TWh，其中约25%来自电力，60%为城市热力。规划对发展集中式核电和分布能源的4种方案进行了比较。结果表明：分布式能源较之核电站可以降低17%的二氧化碳排放；分布式发电在升级和更新中央输电网方面，每年可节约10亿英镑的资本开支（不包括核废料的管理成本），进而可降低零售供电成本；伦敦集中式发电系统需要消耗大量的天然气，而高分布式能源方式则可节约天然气的使用量降低14%；分布式零售电价将低于核电站6%；分布式能源发电系统的多元化，增加了发电结构的可靠性和灵活性，缓解了用电高峰，降低电网的投资，降低输配电的损失和电网维护的投资；分布式能源发电系统使电网更加稳固安全；在降低运行成本和输配电损失方面可获得30英镑/兆瓦的效益；减少了装机容量、能源和排放的成本。

4.2燃气分布式能源和可再生能源的耦合技术分布式能源可以利用天然气等清洁燃料和各种可再生能源，各种能源都需要经过不同的转化装置、具有不同的工作特性。天然气作为燃料时一般通过热力循环和相应的热工转换装置将燃料化学能转化成电能或机械功（如燃气轮机组或内燃发电机组），转化后的排气余热再加以利用，用于供热或制冷。这种传统的化石能源利用和转化方式可以连续稳定的方式进行，满足用户的基础负荷或备用负荷。

可再生能源是在自然界可以不断再生并有规律地得到补充的能源，如太阳能、风能地热、生物质能、海洋能等。这些能源根据地理条件可以大规模集中利用（如海上平台大风场和直接送电到输电网的大规模太阳能电厂等），也可就近以分布式能源的形式利用。

实践证明以分布式能源形式的可再生能源利用是一种成本低、更灵活的方式，显示了广阔的发展前景。常用的可再生能源，如风能、太阳能等受大气环境和季节的影响，其做功能力是波动的、间断性的，往往需要与蓄能装置和各种电力电子设备结合使用，增加了投资和运行上的难度，不利于单独满足用户连续稳定负荷的需要。国外已经越来越多地采用燃气三联供与太阳能或风能相耦合的装置，特别在工业生态园和区域民用建筑中已经大量推广应用，很多项目以燃气联供和可再生能源通过自控系统的耦合，形成了高效、低成本、低污染的稳定供能系统。

这种多能源间的耦合是多层次的，包括设备本身的耦合、独立系统集成的耦合、及微能源网中的耦合。

设备本身的耦合如将燃气和太阳能作为混合能源共同驱动吸收式空调机组。日本大阪燃气中心应用的太阳能空调系统，太阳能利用率达50%-70%，电力转换利用率为10%-17%。太阳能产生热水的能量占总能量的80%-90%。一般可在早晚间用煤气、中午用太阳能，可节约煤气16%-40%。这种装置以控制燃气补燃克服了太阳能随时间和季节的变化，实现了稳定运行。

独立系统集成的耦合是将可再生能源及其转化设备在一个独立能源系统中与燃气三联供装置耦合起来，共同满足用户的冷热电负荷。如建筑领域燃气三联供与屋顶和墙板的太阳能集热或发电装置相结合。

北京铁路南站动力中心把燃气三联供与污水源热泵结合，污水源热泵的供热制冷能力超过了热负荷总量的一半以上。这种独立系统中的耦合是依靠自控系统进行优化运行实现的。

在多个能源站构成的微能源网中，燃气三联供和各种当地可再生能源都可以单独构成自己的能源站。

在工业生态园、校园、休闲中心、公用建筑及大型社区中都可以根据当地的可再生资源规划，由多个不同类型的能源站组成一个微能源网。微能源网是一个智能型网络，是微电网的扩展和发展，它不仅要解决网络中电力的优化控制运行，还要解决网络中热力、燃气、通信各系统控制和运行，这是当前国内外能源领域正在发展中的前沿课题。

案例：丹麦分布能源与配电网形成细胞结构在欧洲，越来越多的分布能源系统由配电公司和输电公司管理。运行者必须特别注意分布能源系统供能的间歇性特征和运行特点（如风能和热电联供）。

2006年11月4日电力输送协调联盟在欧洲所有区域的电力系统受到主要来自德国北部输电网的严重干扰。许多高压线路跳闸，导致严重的电力不平衡和频率偏差。分布能源的发电机组本应该为电网的频率调节做出贡献，但是当时大量的分布能源，主要是风电和热电联供，在低频率区被自动断开，同时，在高频率区自动重新连接。这样的运行形式增强了供需之间的不平衡，从而对电网的频率波动（如一定数量或在一定时间段用户从电网的退出）产生了负面的干扰。

在智能电网技术的开发中丹麦提出的“细胞结构”

体现了一种先进的理念和方法，值得借鉴。丹麦西部是分布式发电最集中的地区，大部分是由中小型燃气联供和风力发电两者组成的60kV以下的微电网。由于丹麦的分布发电总容量和穿透率较大，加之燃气联供系统大多根据当地基础热负荷的变化运行，而风力发电是按当地可用的自然风力运行，从而给上游输电网控制中心的电力预测和控制总发电量造成了困难。

当分布式发电量超过当地的需求时，要通过与相邻国家的连接的输电网将多余的电力卖给他国，双向潮流的存在必然带来诸多的运行安全和可靠性的问题：包括不能经常准确地判断意外事故、缺少各分布发电站点的信息、保护系统常常失效或失去正常选择的干预的功能。“细胞结构”的目的就是对配电网中存在的大量分布式发电进行整体化的集中控制，既能发挥分布发电的效益，又能抵消对电网运行的种种不利影响。

在丹麦西部，每个细胞是指150/60kV以下一个配电网的结构单元，包括总发电容量达100MW，每个细胞形成一个微电网。微电网实质上是一种分布式发电源、配电网、及其所辖用户负荷的集成，并独立可控的系统。根据这种结构，输电网络与包括多个细胞（或微电网）的分布式能源网络相连接。输电网可以把每个细胞作为一个常规的发电厂进行集中控制，如每个细胞的电力输出、辅助服务及对网络的支撑、在上游事故发生时与输电网及时解列变成孤岛运行、事故后恢复运行的黑启动能力等。在通常情况下，细胞依靠上游的输电网输出多余的电力或输入需要补充的电力。

当需要进行孤岛运行时，通信起着关键的作用，从输电网控制中心来的命令传给细胞后，当地的发电量必须快速与负荷相平衡，而且必须由分布发电自身实行细胞层面上的电压与频率控制。还有其它的关键功能，如联网运行模式与孤岛运行模式相互转换时，保护、控制和其他网络方案的无缝过渡。配电网与输电网间的通信对细胞提供备用容量支持及事故后的恢复工作也是至关重要的。这种细胞结构的新型配电网络，可以使分布式发电与上游输电网间进行可控制的有功与无功电流的交换，并对分布发电各站点及细胞内的潮流进行实时监控。

4.3智能电网电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。

4.4系统优化控制技术对于分布式能源这种多能源形式、多技术交叉、多机种、多台数、多工况的复杂能源系统，没有智能网络的控制和支持就不可能进行燃气三联供与可再生能源的有机结合，不能最终实现安全、稳定、经济、节能、环保的运行效果。一个高智能的控制系统是智慧能源系统的核心。

4.5区域综合能源规划（CEP）技术由于能源管理体制的制约及电力、热力、燃气等行业长期形成的独立经营的管理模式，传统的能源规划(BAU)是以满足能源供求关系为基本出发点、以化石能源资源为物质基础、核心内容是电力、热力、燃气等各行业制定的专项规划。这种方法已不能适应当前经济体制和社会发展的需求。新型的综合能源规划（ComprehensiveEnergyPlan）是我们在美国平衡能源规划（BalancedEnergyPlan）基础上，结合近年来能效和可再生能源技术的发展进一步发展起来的一种新型的区域能源规划技术，它是一种通过对区域全能源系统化和量化分析，考虑全部的、一切形式的能源输入、转化和消耗的全过程，进而以新型物理数学模型进行分析，并提出规划方案。CEP强调全能源系统的整合，把能源生产、输送和消耗视为一体；统一考虑时间、品种、质量、节能、环保、安全、经济性、先进性和可实施性等诸多因素；与传统能源方式结合但最大限度引入新能源和可再生能源技术。CEP在保证系统经济性的基础上，最大限度地节约资源、减低有害物排放、促进社会可持续发展的能源规划技术。

CEP基本结构是以数据库为中心，以能源预测、能源平衡、能源优化一体化的三元模型。这些新技术既是有独立意义的子模型，又相互融合，通过能源网络有机结合成一个完整的模型系统。

案例：美国西部七个州的平衡能源规划2004年美国“西部资源管理咨询委员会”为进一步节约成本和开发多种电力资源，该组织提出了“平衡能源规划(BEP)”报告。该规划针对美国西部七个州的经济、自然、环境条件，将提高能源效率、开发可再生能源、热电联产相结合，进行整体的“平衡能源规划”以改造现有的能源系统，求得在高效益、低成本、低风险、可靠性、和改善环境的综合目标下满足电力需求的增长。BEP是面对世界范围经济可持续发展的问题提出的一种新型能源系统的理念。与常规能源规划（BAU）进行对比分析结果表明两种规划在能源需求量及能源结构两方面产生了明显的差别。在2020年前收到的效果包括：在满足经济发展GDP指标的条件下，能源需求量大幅度减低，能源结构有显著变化，降低该地区发电成本每年达20亿美元；节省天然气成本每年达53亿美元；电力系统的可靠性提高；减少温室气体(CO2)排放总量40％；减少烟尘和有害气体污染30％；节约大量电力耗水量。美国根据这一规划总体目标，各州制定了相应的规划、指标与措施，极大地推动了节能、能源结构改造和环境的改善。

5、智慧能源系统的特点1）分布能源和新能源技术与传统能源供应形成互补体系：依托燃气或燃煤的冷热电分布式能源技术、余热利用、蓄能、热泵、太阳能、风能等新型能源技术和可再生能源技术；与传统能源供应体系形成互补体系；在保证安全可靠供能的基础上尽可能降低传统能源的比例；2）为用户量身定做的能源体系：体系建立的基本要素是用户需求，能源供应将面对的更加精准量化的负荷需求，系统的互补和平衡功能将降低用户的基本容量费（电力、燃气、热力等）和备用设施的投资；同时综合考虑接受用户节能改造后再输出的能源（如蒸汽、余热、冷、电荷可燃气体等）；3）一个综合考虑能源供应安全、可靠、节能、环保、和经济性的系统：一个考虑生命周期的经济性和环保指标的多因素最优化的系统；与现行的能源体系比较，不仅安全性和环保指标更优，同时可节能约20-40%；4）分散和集中的组合形式：紧密结合用户的用能需求、能源再产出（如生产工艺中可利用的余热和排放的可燃气体等），集中能源（电网、天然气管网等）的供应条件，可以在该区域内通过建立相对集中的若干个能源合作体。合作体将尽可能首先实现局部企业间的能源互补；进而通过局域热网、冷网、蒸汽网和微电网等，以及配合建设的区域性的能源设施（如热电厂、燃气三联供、热力厂和变配电设施、调峰和调控系统等）建立统一的区域性能源联合体；5）统一解决可再生能源和燃气分布式能源电力并网的平台：系统将统一利用燃气分布式能源的可中断性和调峰能力为可再生能源并网调峰；接受更多的可再生能源同时保证供电安全和质量；6)统一与外部能源系统的并网和结算：系统将作为一个独立用户与外部能源供应商（电力、天然气、煤、热力）的系统并网和结算，将大规模降低并网费用和能源备用费，促进分布能源技术的普及；7）高智能集中控制系统：高智能的中心集控系统将通过区域能源网络在确保独立用户用能需求的基础上寻求整体最优（能源安全、效率、环境影响和经济的最优化）；8）集约式的运行管理和维修维护：系统将统一为用户的分布能源设施提供集约化的运行管理和维修维护服务，将有效的降低成本同时增加可靠性和安全性；9）投资者和用户分享节能利润的平台：系统创造了区域能源系统的全面整合，以及能源市场和供应的合理框架；为用户和投资者同时带来了可观的节能利益。

6、燃气分布式能源系统与可再生能源的互补体系为了应对世界气候的变化和实现经济可持续发展，我国正在进行发展方式的转变和能源结构的调整，通过大力开采国内油气资源和扩大天然气进口，天然气的供应量和能源比重正逐年增加。国家发改委拟定了“关于发展天然气分布式能源的指导意见”等政策文件。提出要因地制宜、以点带面的发展方针和预想的2020年前分布式能源发展的量化指标。可以预计在近年内我国以天然气三联供为重点的分布式能源将有一个较大的发展。

根据中国2050年达到目前中等发达国家水平的经济发展目标，中科院可持续发展战略研究组设计了未来中国发展的“基准”、“低碳”和“强化低碳”三种情景，利用模型定量分析了2050年发电装机容量根据以上统计，在2050年时，在强化低碳情景下，主要可再生能源发电的总装机约为9.6亿千瓦，而燃气发电约为2.04亿千瓦。由于页岩气的开采，天然气在我国一次能源中所占的比例有可能较大幅度的高于以上预测。

在国际燃气联盟（IGU）《2030年前的世界天然气行业研究—能源需求和环境挑战应对策略》报告中提到天然气与可再生能源的互补性“只有与反应快速、易于存储的的补充能源一起使用，可再生能源发电才有潜力。这一点以风能和太阳能尤为突出，因为只有风停日隐之时，燃气轮机使天然气成为这些无碳可再生能源间歇期的理想补充燃料，为实现这种最有效的，以天然气为补充的可再生能源发电形式，将需要提高天然气的储存能力及“智能网络”的投资。

由于天然气分布式能源系统具有可调节和可中断的特点，对太阳能、风能、热泵和水电等可再生能源的利用还可以提供重要的支持和调节作用，他甚至可以在跨省范围内形成与可再生能源互补的体系。为调峰，目前已有多部制价和峰水季及枯水季电价，如果在出台碳税政策时考虑到这一点，或进一步制定可再生能源电价。将可能有效地鼓励燃气分布式能源与可再生能源的互补体系。

7、结束语随着我国天然气产业的快速发展，燃气分布式能源的发展时期也将到来。通过建立区域的智慧能源系统，使燃气三联供与传统能源和可再生能源形成最佳整合，可以最大限度地发挥各种能源形式的优势。通过有效的组织、规划和出台相应的鼓励政策，燃气分布式能源对于在更大的区域内与可再生能源实现整合，对优化我国能源体系有着重要意义。我们建议把制定区域综合能源规划纳入规范化轨道，并在此层面上开拓分布式能源市场；要加强国际合作与世界前沿技术接轨，实现跨越式发展。