燃气分布式能源调研

分布式能源调研
1. 分布式能源的概述
1.1 分布式能源的概念
分布式能源，通过减少能源中间环节损耗，以按需供能的方式，在用户端实现“温度对口，梯级利用”。

集中式能源与分布式能源有机结合是21世纪能源工业的重要发展方向。

分布式能源系统应用的重要一步是：从小规模的提供紧急与临时动力发展到为家庭、商业、工业提供连续、高可靠、低品质的能源，以保护自然资源与环境。

目前，国际上尚没有对分布式能源系统的统一定义，许多有影响力的机构采用不同的名词描述相近的概念。

美国或欧洲机构的定义，主要包括分布式能源资源-DER (distributed/decentralized energy resource)、分布式电力-DP (distributed/decentralized power)、分布式供能-DG (distributed/decentralized generation)。

这些定义涉及到系统的容量大小、采用何种技术、是否连接公共电网及其所有者等因素，各有各的出发点和侧重点，各定义之间既有联系又有区别。

综合以上各定义，相关学者给出如下定义：分布式能源系统(distributed energy system，简称DES)是一种建立在能量梯级利用概念基础上，分布安置在需求侧的能源梯级利用，以及资源综合利用和可再生能源设施。

通过在需求现场根据用户对能源的不同需求，实现温度对口供应能源，将输送环节的损耗降至最低，从而实现能源利用效能的最大化。

DES 是一个开放的、组建灵活的系统，系统主要由以下设备组成：发电设备（汽轮机、燃气轮机、微型涡轮机、内燃机或燃料电池）、供热或制冷设备（溴化锂吸收式冷热水机组、电制冷机组）、热泵、干燥和能源回收系统、锅炉或蓄热∕蓄冷系统、汽—水热交换器、为用汽户提供合适蒸汽参数的调节装置以及智能建筑的热电控制和系统集成技术等。

1.2 分布式能源的分类
1.2.1 分布式能源的分类
目前的分布式能源系统种类繁多，主要包括以燃气轮机或内燃机为核心的（天然气、煤气合成气、煤层气）冷热电联产系统，太阳能、风能、生物能等可再生能源综合利用系统，由具有极高效率的新型燃料电池组成的能源综合利用系统。

为满足调研的具体任务，我们将重点放在以小型燃气轮机和微型燃气轮机为核心的天然气分布式能源。

1.2.2 分布式能源的比较
各类分布式能源的发电容量、能源利用率及技术发展见下表。

可见，（小型）燃气轮机，容量为1MW~15MW，已经实现商业化。

而微型燃气轮机（容量30~200kW）和燃料电池（容量30~1000kW）等不久将实现商业化。

表1 各类分布式能源技术参数
1.3 分布式能源的优势
1)使用吸收式制冷机组实现余热回收，提供空调或工艺用冷，能源利用率可提高到70%以上；而常规大型发电厂的发电效率仅为35~55%，扣除厂用电和线损率，终端的利用效率只能达到30%~47%。

2)设备靠近用户，热量、冷量和电量可直接使用，大大减少了输配电设备的投资和电网的输送损失，同时增加了系统供能的稳定性和可靠性；
3)装置容量小、占地面积小，初投资少，效益好。

用户可以直接投资建设小型的分布式能源冷热电三联供系统；
4)采用模块化设计，建设周期短。

投产后回收期短，一般只有2~3年。

1.4 分布式能源的技术
主要包括：
1)小水电发供用一体化技术；
2)与建筑物结合的用户侧光伏发电技术；
3)分散布局建设的并网型风电、太阳能发电技术；
4)小型风光储等多能互补发电技术；
5)工业余热余压余气发电及多联供技术；
6)以农林剩余物、畜禽养殖废弃物、有机废水和生活垃圾等为原料的气化、直燃和沼气发电及多联供技术；
7)地热能、海洋能发电及多联供技术；
8)天然气多联供技术、煤层气（煤矿瓦斯）发电技术；
9)其他分布式发电技术
1.5 分布式能源系统方案
分布式能源系统的组建方式多种多样，应因地制宜，实行多种能源综合利用，符合中国能源的实际国情，从而取得显著的经济效益和社会效益。

1.5.1 与常规能源相关的技术解决方案
1)锅炉前置循环余热利用方案
首先将锅炉燃烧产生的大量的蒸汽作为汽轮机的动力源，驱动发电机组进行发电，同时汽轮机的排汽或者部分抽汽通过热—水交换器，冬季供暖以及全年供应生活热水，夏季通过双效蒸汽溴化锂吸收制冷机制冷。

另外，系统还需备用一台小型蒸汽锅炉。

2)燃气轮机前置循环余热利用方案
燃气轮机—余热锅炉—蒸汽溴化锂吸收式空调机组方案：
燃气轮机首先利用天然气做功发电，其尾气中的余热通过余热锅炉回收转换成蒸汽利用，冬季利用热交换器转换热水采暖，夏季利用蒸汽溴化锂吸收式空调机组制冷以及全年进行生活热水的供应。

另外，本方案还需要一台小型蒸汽锅炉，以便在燃气轮机不运行期间提供采暖和制冷用蒸汽，以及安全备用。

燃气轮机—烟气直燃溴化锂吸收式空调机组方案：
该方案也是由燃气轮机首先利用天然气做功发电，所不同的是将燃气轮机与烟气直燃溴化锂吸收式空调机组直接对接，燃机尾气中的余热直接通过烟气直燃
溴化锂吸收式空调机组回收利用，冬季采暖，夏季制冷。

在燃气轮机不运行时段，可以通过溴化锂吸收式空调机组直燃供冷暖。

3)内燃机前置循环余热利用方案
1.5.2 与新能源相关的技术解决方案
1)燃气轮机—太阳能辅助循环
2)太阳能（风能）—燃料电池联合循环
3)燃料电池—小型燃气轮机联合循环
4)燃气轮机—热泵联合循环
2. 分布式能源在国内外的应用
分布式能源系统作为一种新式的能源生产模式，在国内外的发展和研究已有近20 年的历史。

特别是近几年来，由于世界能源状况的紧迫，各工业国都在积极推动第二代能源系统的研究、开发与建设，进行立法准备，抓紧相关设备的开发。

微型燃气轮机、小型燃气轮机、燃料电池、燃气内燃机、燃气外燃机、各种循环流化床锅炉等先进设备的陆续投产与应用，以及小型燃气轮机等传统设备的不断改进和热电联产化，为第二代能源系统的建立，奠定了坚实的基础。

2.1 分布式能源在国外的应用
分布式能源，尤其是天然气分布式能源，在国外有多年的历史，在国际上发展迅速，在很多国家如美国、欧盟、日本等得到大力发展和推广。

美国：据美国能源部数据统计，2006年，分布式发电站数量达到6000多座，美国分布式热电联产装机容量为8500万千瓦，占全国总装机容量的7.8％。

其中，以天然气为原料的热电联产装机容量达到6180万千瓦，占热电联产总装机容量的73%。

美国能源部积极促进天然气为燃料的分布式能源系统，利用这些系统为基础发展微电网，再将微电网连接发展成为智能电网。

图1 美国热电联产使用分布状况
欧盟：2009年，欧盟分布式能源机组有9000多个，热电联产发电量为365,943GWh ，占总发电量的11.4%。

德国分布式能源在欧洲占有领先的地位，其中以天然气为燃料的热电联产也占有相当的比重。

从技术方面看，未来德国分布式能源系统占发电市场的份额有可能超过50%，工业热电联产将占较大的份额。

图2 欧盟分布式能源机组分布状况
日本：日本的分布式发电以热电联产和太阳能光伏发电为主，总装机容量约3,600万千瓦，占全国发电总装机容量13.4％。

其中商业分布式发电项目6,319个，主要用于医院、饭店、公共休闲娱乐设施等；工业分布式发电项目7,473个，主要用于化工、制造业、电力、钢铁等行业。

表2 日本分布式能源类型分布状况
0.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%
法国
英国意大利比利时西班牙澳大利亚葡萄牙德国匈牙利捷克荷兰芬兰丹麦
分布能源比重（%）
2.2分布式能源在国内的应用
我国分布式能源发展刚刚起步。

以天然气分布式发电为例，目前装机容量500万千瓦左右，不到全国总装机容量1%。

图3 我国装机容量对比
但是，我国以天然气为燃料的分布式能源系统建设已进入实质性开发实施阶段，提升空间巨大。

在北京、上海、广州等大城市的居民小区、商城楼宇、大学城都有一批热、电、冷联产示范工程投运。

如：上海浦东国际机场能源中心4000 kW燃气轮机热电联供项目；上海黄埔区中心医院1000 kW燃气轮机热电联供项目；北京中关村软件园热电冷联产项目等。

另外新的北京南站的能源中心使用的电力燃气发电机组，单台持续输出功率1 570 kW，并且和电网并联，成为国家863课题的示范工程之一。

预计到2020年，全国总发电装机容量将达到9亿kW左右，热电联产将占全国发电总装机容量的22％，在火电机组中的比例为37％左右。

国家在若干个文件中都提到了对分布式能源的鼓励，但是尚没有实施细则。

3. 天然气分布式能源
我国是世界上污染最严重的国家之一，据统计，全国SO2排放量的90％，NOx排放量的60％都来自于燃煤，其中电力行业的SO2排放量占总排放量的40％左右。

这在很大程度上是由于我国以煤为主的能源结构所造成的。

我国政府明确承诺在2020年碳减排40%-45%的目标，但如果不采取加速发展天然气，优化能源结构，大规模提高能效等措施，是不可能实现这个承诺的。

天然气分布式能源，是天然气高效利用的重要方式，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。

3.1 （小型）燃气轮机
近几十年，国外燃气轮机发展迅速，单机容量最大达220～310MW，循环效率达到30～39%，已与国内亚临界大型汽轮机电站效率相等甚至略高。

更重要的是，它具有单位投资小，建设周期短，耗水量少，占地少，起停性能好等优点，为以天然气为主要燃料的分布式能源系统的应用铺平了道路。

全世界从事燃气轮机研究、设计、生产、销售的著名企业有28家，市场主要被GE公司、西门子/西屋、阿尔斯通/ABB、索拉公司、罗尔斯罗伊斯公司、三菱和俄罗斯的企业瓜分。

由于不同的历史背景，燃气轮机以不同技术道路发展，一条是以罗罗、普惠、GE为代表的航空发动机改型而形成的工业和船用航改轻型燃气轮机（俗称“航改机”）；一条是以西门子、ABB、GE公司为代表的遵循传统的蒸汽轮机理念发展起来的工业重型燃气轮机（俗称“工业机”），主要用于机械驱动和大型电站。

3.1.1 GE能源
多年以来通用电气（GE）一直在全球燃气轮机市场中占据统治地位，其市场份额连续多年超过40%，GE在全球安装的燃气轮机超过6000台机组，在很多国家或地区占据强势地位，如沙特阿拉伯、尼日利亚、西班牙、德国、南非和台湾等。

其主要原因是其品牌效应以及GE公司销售的燃气轮机组合非常丰富。

2011 年8月百年GE在海外市场第一次失去控股权，GE公司宣布以第二股东的身份和中国华电集团公司合资成立华电通用轻型燃机设备有限公司，共同研制、生产航改机发电系统。

至此，航改机作为分布式能源的核心动力设备，开始与分布式能源产业的发展绑定在一起。

航改机功率大，体积小，占地面积小，不仅能够解决分布式能源产业发展过程中与土地资源之间的矛盾，更能够为企业节省建设成本。

因此，目前我国已经在建和准备建设的100 多个分布式能源项目中，60%以上都是采用航改机。

GE各种型号的航改机（Aeroderivative Gas Turbines）及其技术参数见下表。

表3 GE航改机型号和参数
1)LM1800e：18MW，包括气体发生器和动力透平，被应用于发电，尤其是热电联供（CHP）。

图4 LM1800e
2)LM2500：24MW，被应用于海上平台应用领域、发电、热电联供（医院、机场、管路增压、造纸厂、水泥厂、焦化厂、炼油厂等），具有双燃料能力(distillate or natural gas)，燃料可以是天然气、焦炉煤气、垃圾填埋气、合成气，燃料可以
在不停机的条件下转换。

图5 LM2500
3)LM2500 STIG：功率比LM2500高25%，为31MW，具有双燃料能力，适用于热电联供。

4)LM2500+：31MW，具有双燃料能力，被应用于海上平台应用领域、发电、热电联供（医院、机场、管路增压、造纸厂等），燃料可以是天然气、焦炉煤气、垃圾填埋气、合成气，燃料可以在不停机的条件下更改。

5)LM2500+G4：31MW，具有双燃料能力，被应用于海上平台应用领域、工业发电或独立发电、热电联供（水泥厂、焦化厂、炼油厂、管路增压、造纸厂等），燃料可以是天然气、焦炉煤气、垃圾填埋气、合成气，燃料可以在不停机的条件下更改。

6)LM6000：53.3MW，dual-rotor；可用于联合循环发电、工业或独立的热电联产；典型用户为医院、机场、管路增压、造纸厂、水泥厂、矿厂、炼油厂、石油和天然气生产等；具有双燃料能力(distillate or natural gas)，燃料可以在不停机的条件下转换。

图6 LM6000
7)LM6000 Sprint：49.6MW，具有双燃料能力。

8)LM6000-PG：53.3MW，可用于联合循环发电、工业或独立的热电联产；典型用户为医院、机场、管路增压、造纸厂、水泥厂、矿厂、炼油厂、石油和天
然气生产等
9)LM6000-PH：51MW，可用于联合循环发电、工业或独立的热电联产；典型用户为医院、机场、管路增压、造纸厂、水泥厂、矿厂、炼油厂、石油和天然气生产等
10)LMS100：100MW，可用于发电（峰值发电、基本负荷和负荷跟踪发电）
图7 LMS100
11)PGT16：13.72MW，可用于石油和天然气的生产、LNG、发电。

图8 PGT16
12)PGT25：22.417MW，可用于石油和天然气的生产、LNG、发电。

13)PGT25+：30.226MW，可用于石油和天然气的生产、LNG、发电。

图9 PGT25+
14)PGT25+G4：34MW，可用于石油和天然气生产，勘探、管路增压等机械驱动和发电。

15)TM2500 Trailer Mounted：21.5 MW，TM2500是LM2500的简化版，快速
或移动电源（调峰、电厂停机、设备维修、应急与安全电源领域）。

图10 TM2500 Trailer Mounted
16)TM2500+ Trailer Mounted：27.6MW，快速或移动电源（调峰、电厂停机、设备维修、应急与安全电源领域，偏远或缺少水电地区，石油天然气生产，矿产）3.1.2 阿尔斯通
阿尔斯通生产的燃气轮机主要包括GT24和GT26，GT13E2，GT11N2，其具体参数见下表。

表4 阿尔斯通燃气轮机型号和参数
GT11N2：可用于简单的循环发电、工业热电联产、联合循环发电。

三个不同的燃烧系统（LBTU、EV 和SB）保证燃料的灵活性。

当燃料为天然气的基本负荷下，NOx排放低于25 ppm。

图11 GT11N2
GT24 and GT26：重型联合循环燃气轮机，可用于发电和造纸、区域供热、海水淡化等工业。

两个连续的燃烧系统，保证出力、循环效率和能量密度的提高，
但不引起污染物排放的较大增多。

GT13E2：重型燃气轮机，可用于简单的循环发电、联合循环发电。

图12 GT24/GT26、GT13E2
3.1.3 西门子
西门子燃气轮机拥有5到375MW 的15个型号，其中5到50MW 型号的参数见下表，可用于简单循环发电、联合循环发电，工业热电联产及区域供热，石油和天然气业。

表5 西门子燃气轮机型号和参数
注：NOx 排放为with DLE, corrected to 15% O2 dry 条件下的数值。

3.1.4 三菱重工：
图13 三菱重工燃气轮机容量分布
J-series Gas Turbine：重型工业燃气轮机，进气温度达1600℃，对于简单循环发电：327MW/41.0%(LHV)；对于联合循环发电：470MW/61.5%(LHV)。

G-series Gas Turbine：267MW（联合循环为399MW）。

F-series Gas Turbine：185MW（联合循环为285MW）。

MFT-8：26.78MW，废气温度463℃，可用于发电、机械驱动。

MF-111：用于热电联供、联合循环发电。

表6 MF-111参数
3.1.5 索拉透平
索拉透平主要生产1.1 - 22.4 MW小型燃气轮机，可用于联合循环发电、热电联供。

其产品大量应用在冷热电联产项目上。

图14 索拉透平燃气轮机容量分布
表7 索拉透平燃气轮机型号和参数
3.1.6 罗尔斯罗伊斯
罗尔斯罗伊斯主要生产航改机，其型号和参数见下表。

表8 罗罗航改机型号和参数
RB211：工业燃气轮机，可用于发电（简单循环、联合循环、热电联供），近海应用（发电、驱动泵和压缩机）、天然气管道泵、压缩机的机械驱动。

Trent 60：可用于发电和机械驱动。

简单循环发电42.5%。

Avon 200
501：可用于发电和机械驱动。

3.2 微型燃气轮机
在众多分布式电源装置中，微型燃气轮机是目前最有商业竞争力的分布式发电设备，正受到越来越多的关注。

微型燃气轮机主要用于冷热电联供系统，单纯发电效率不算很高，但热电冷联供的能量利用率可达到90%以上，与燃料电池结合发电效率也在70%以上，在与热泵、太阳能等结合后整体效率都有提高。

下图为Bowmen公司的微型燃气轮机冷热电联供系统，发电机组效率为21.2%，全系统效率可达81%。

微型燃气轮机产品的主要性能指标：（1）带有回热、变频、高速电机等设备，效率达25%~29%左右（研制目标40%）；（2）冷热电能量利用率达70%~90%；（3）污染物NOx排放不高于9·10-6；（4）功率范围为25~100kW。

微型燃气轮机的技术进展主要包括：（1）高速永磁发电机的出现使发电机与压气机之间的连接采用空气轴承代替滚动轴承，不再需要减速机构，这使整个机
组的重量和尺寸大大减小，成本降低很多；（2）为提高机组热效率，普遍采用高效紧凑型回热器，其热效率高达90%；（3）为提高燃烧室出口温度，一些机构开展了采用陶瓷作为燃烧室、涡轮、回热器等热端部件的材料的研究。

图15 Bowman公司的TG35微型燃气轮机冷热电联供系统国外现有多家公司在研制和生产这种燃气轮机，如AlliedSignal、Capstone、Elliott、Bowman等公司，各公司微型燃气轮机型号及其参数见下表。

表9 各公司微型燃气轮机型号及其参数
3.2.1 Capture Tubine
该公司研制了多种100kW以下的型号，参数见下表，目前型号主要是30kW 和60kW级的，而且燃气轮机做成了标准化模块，便于微型电网的组建。

表10 Capture Tubine部分燃气轮机型号及参数
3.2.2 中航工业哈尔滨东安发动机（集团）有限公司
东安燃机系列包括车载式和固定式。

固定机组型号及参数见下表。

表11 东安集团固定机组型号以及参数
3.2.3 其他公司
Bowman Power Systems Ltd是1994年建立的一家英国公司，专门从事微型燃气轮机的开发工作。

1999年开始投放45，60，80和200kW的机组，下一步将把工作范围扩展到500kW 。

瑞典的Turbec AB是1998年成立的一家生产微型燃气轮机的公司。

Turbec 的第一个产品是100KW机组（VT100），其原始样机是已经试验过的车用燃气轮
机。

该机有9000小时的运行记录。

该公司正在开发的下一个机型是40kW机组。

我国微型燃气轮机主要潜在市场：建筑楼宇、小区、医院；车站、机场、金融、信息中心等国家重要设施；化工、木材加工、纺织等工艺用电、用热、用冷和用汽；农业设施的冷、热、二氧化碳供给；边防基地、军事设施等国防部门；西部开发、边远地区供电；城市垃圾处理场沼气发电；通过模块式组装的微型燃气轮机群体中型电站；与燃料电池等先进技术联合发展下一代能源系统；汽车混合动力系统等。

3.3 燃料电池
燃料电池的应用涉及分布式发电的各个市场环节，特别是近年来燃料电池取得了突破性发展，正处于商业化的前期示范阶段，有望成为商业化的分布式发电技术。

燃料电池是一种具有巨大竞争力的发电技术，专家预测，未来的电力系统将是现在的大电网和中小燃料电池分散发电联合供电的电网。

目前，所有类型的燃料电池都因受到高资本、成本的限制而无法实现商业化运行，但它是一种正在逐步完善的能源利用方式。

随着关键技术的不断完善，燃料电池的性能将不断提高，特别是在规模化生产后，其造价将大幅度下降。

同时，对于大多数使用碳氢化合物燃料的燃料电池固定式发电来说，燃料电池堆单独的成本占整个发电装置成本的比例不到30%。

而且燃料电池发电与常规的火电发电相比不能仅考虑电源投资的问题，还应将远距离输电、配电的投资与厂用电、输电能耗和两种能源转换装置的效率考虑在内。

在实际的发电工程中还应考虑传统的热机发电占地面积大、环境污染严重等问题。

因此有理由相信，在不久的将来燃料电池发电方式无论在性能上还是在经济上都会对传统热机发电构成威胁。

4. 分布式能源系统的工程实例分析
1.2上海浦东国际机场能源中心燃气分布式供能系统分析
4.1.1 工程和机组概况
浦东国际机场总体规划面积32km2，南北长约8km，东西长约4km。

其中，一期能源中心工程面积为12 km2，属于热冷电联供区域式的能源中心。

能源中心设计采用“大集中、小分散”原则，对相对集中的航站楼，商务办公、宾馆、货
运、航空食品加工等十二个支项由能源中心集中供应，总服务建筑面积60余万m2，其它各分散用户采用常规供热、供冷。

设置一台4000kW燃气(油)轮机配9.7t/h余热蒸汽锅炉，外配总量为110t/h 辅助燃气(油)蒸汽锅炉（3台30t/h和1台20t/h）和4台双效蒸汽溴化锂机组，6台电动离心制冷机组，达到最大设计供热量为67497kW，总制冷量为85796kW。

燃气轮机产生的余热冬季供暖等，夏季供溴化锂制冷，发电并网实现热电冷三联供。

机组每天7—22点(谷时停机)16小时运行，常年无休。

4.1.2 机组运行情况和经济性分析
一期工程自建成后，经历了孤网运行困难、二次并网改造、天然气供气压力不稳到不能满足燃气轮机正常工作，直至增设天然气增压机的改造。

前后历经4年，从2005年起正式步入符合设计正常运行要求，实现节能减排且有良好经济效益目的。

从历年统计数据显示，虽然机组配置的余热蒸汽锅炉只有6090kW(9.7t/h)，占总供热量10％左右，但因它全年有4000多h且在较高负荷条件下运转，余热蒸汽在全年总供热量中占有较高比例，如下表所示。

正常情况下，1-3月和12月热负荷占全年热负荷55％左右，而余热锅炉提供的蒸汽占这4个月总量的16.4％；全年最低热负荷4月份，余热锅炉可提供43％负荷。

表12 2007-2010年余热锅炉产汽占全年总供应量比例
2008年二期工程建成投产。

二期能源中心锅炉房只有冬季采暖热负荷，并与一期能源中心辅助锅炉蒸汽管联网运行，以达到充分利用一期辅助锅炉余量、减少二期锅炉初投资，又可提高可靠性。

其中一期辅助锅炉产汽有部分供给了二期使用。

因此总量明显增加，余热蒸汽产量维持正常，占总产汽量比例所以有所下降。

由表12和2010年度能源中心产出月度报表（表13），可以得出2010年能源中心热电冷三联供机组经济分析，见表14，可知2010年盈余5,517,802元。

另外，还可得到：2010年总热效率为70%，热电比为178%，节约标准煤量为2474t，CO2和SO2减排量分别为6432t，59.4t。

表13 2010年度能源中心产出月度报表
表14 2010年能源中心热电冷三联供机组经济分析汇总
4.1.3 结论
1)热电联供系统实现发电并网运行，对提高系统稳定性和可操作性起重要作用。

正确选择并网点且充足以及稳定电负荷是保证长期安全，经济运行必要条件。

2)天然气价格变动对热电联供系统经济性最敏感。

3)余热锅炉容量虽只是辅助锅炉的不大比例，但年运行时问长，它却提供了全年总供汽量1/3甚至更多，节能效果显著。

4)机组的经常性维修、保养以及大修实际停机时间和费用是一个不小数字，对投资回收年限造成一定影响。

分布式供能系统热电联供具有明显节能减排，夏季消电峰、填气谷，社会效益明显。

对确有成效、节能减排效果明显的案例，按节能减排成果大小，政府有关部门应制订并落实节能减排激励机制。