基于微电网协调发展的分布式综合能源研究

李海争

(神华国华(北京)分布式能源科技有限责任公司，北京 100025)

能源互联网作为未来能源系统的重要形态，近年来在国内受到日益广泛的关注[1-6]， 特别是在电力体制改革、互联网+等国家战略驱动下，带动了一批新型能源技术的研究和应用热潮[7-8]。

传统分布式能源研究主要集中在以光伏、风能、生物质等可再生能源为主的发电侧，以储能调频、调峰、储热、辅助服务等为主要内容的用户侧。结合电力能源发展新需求，本文提出煤基、天然气分布式能源的概念，对发展分布式综合能源需考虑的因素提出建议。在充分考虑用户需求的情况下，本着提高能源利用效率、全面实现能源梯度利用的目标，提出与微电网协调发展的分布式综合能源发展新思路。

1 电力发展新特点

随着国家大气污染防治行动计划的实施，传统负荷中心常规煤电发展受限，清洁能源受地理环境约束转入平稳发展阶段。为适应电力发展新局面，电网企业提出了建设枢纽型、平台型、共享型能源互联网的新要求。在建设运营以特高压为骨干网架、各级电网协调发展的坚强智能电网的同时，将充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术和通信技术，实现电力系统各个环节万物互联、人机交互，打造状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的泛在电力物联网[9-13]。

在传统电网转型之际，增量配电改革工作快速发展。全国各地和相关企业全面落实《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》(中发〔2015〕9号)文件明确的重点改革任务，不断探索增量配电业务新模式和新机制。近年来分布式能源项目取得较大进展，但仍受到市场化程度低、公共服务滞后、管理体系不健全等因素的制约。为加快推进分布式能源发展，国家相继组织分布式发电市场化交易试点工作，明确了分布式发电交易的项目规模；鼓励分布式项目可采取多能互补方式建设或安装储能设施，以提升供电灵活性和稳定性；对参与市场化交易的分布式项目容量、就近消纳接网电压等级、市场化交易的机制、电力交易组织、“过网费”标准等有关政策进行了明确[9]。

根据“十三五”电力规划要求，能源供应出现了新形式，在冬季取暖环境压力很大的北方地区，提出了“宜气则气，宜电则电，宜煤则煤”的新要求[10-12]。通过清洁高效发电、微型电网与储能、“互联网+”智慧能源等技术创新，结合电力体制深化改革及市场体系建设要求[13-15]，将加快煤炭清洁发展，因地制宜建设热电联产，推进集中供热替代散煤小锅炉，鼓励多元化能源梯级利用，有序推进分布式气电建设，促进能源就近高效利用，分布式能源结合微电网的发展将迎来新局面。

2 天然气分布式能源

天然气分布式能源是利用天然气为燃料，通过热电冷多联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率一般在80%以上，在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要组成。

天然气分布式能源作为中小型临近用户的热电冷多联供能系统，实现了能源的梯级利用，相较于单一供能方式节能约25%。环保方面微型燃气轮机氮氧化物(NOx)排放可达到9～25 mg/L。具备安装建筑占地少，用能成本低，社会经济效益较高的特点。天然气分布式能源一般由燃气轮机机组、余热锅炉及小型蒸汽轮机机组、溴化锂机组等集成模块构成。

3 煤基分布式能源

相对于传统大电厂、大电网的集中式能源生产与供应模式，煤基分布式能源以煤炭为燃料，直接向用户提供各种形式能量的中小型终端供能系统，具有“紧凑、模块、集中、灵活”的特点。靠近用户采用成熟、先进的技术，进行系统集成优化设计和设备选型，形成高效率、低排放的分布式能源。

3.1 基本特征

煤基分布式能源是以煤炭或耦合材料为燃料，在负荷中心实现能源供应，通过热电冷等多联供的方式实现能源梯级利用，综合能源利用率高于70%，是煤炭高效清洁利用的重要方式；其主要设备包括煤粉工业锅炉或循环流化床锅炉(CFB)、背压式汽轮发电机、蒸汽型吸收式热泵等。

煤基分布式能源是以高效环保燃煤锅炉和高效背压机为核心，配备炉内燃烧过程污染物处理和尾部烟气净化系统以及分散控制系统(DCS)控制设备实现整个能源站的高度自控。

3.2 技术特点

煤基分布式能源作为综合能源系统，梯度利用率高于70%，锅炉系统总热效率一般高于91%；烟气排放可达到烟尘浓度5 mg/Nm3、二氧化硫浓度35 mg/Nm3、氮氧化物浓度50 mg/Nm3及以下超低水平。生产过程通过煤粉集中制备密闭罐车配送，可实现生产现场不见煤、不见烟、不见灰，建筑布置达到去工业化的效果。应用智能设备与通信技术，通过远程智能控制，实现“无人值守、一键启动、多厂监控”。建设过程中设备实现模块化布置、工厂化生产，安装工期短，在保证效率效能的同时降低了工程造价，实现煤基分布式能源“高效率、低排放、智能化、模块化、低成本、可复制”的示范效果。

3.3 装机方案

3.3.1 负荷确定

民用供暖、供冷负荷随着建筑功能不同，负荷指标和动态变化较大，确定负荷显得极为重要。在计算建筑能耗时可采用指标法，指标法包括电力负荷指标法和冷热负荷指标法。电力负荷指标法有单位面积功率法和单位指标法；冷热负荷指标法有单位面积指标法和单位温差指标法。在选取数值时，应考虑建筑使用新型节能材料、所在地气温变化程度、室内人员密度等因素，合理取值；同时系数的选取要结合建筑群构造、负荷性质、峰谷时段等综合考虑。

工业用户负荷主要为工业用汽及制冷、采暖负荷。对于工业用汽负荷，应详细确定实际用汽性质、参数、小时用汽量及用汽时间等，当用汽负荷为多个用户或有多种不同工艺时，应根据实际情况选用合理的同时系数。在负荷调研时，充分考虑不同典型日用汽数据，按月份、季节等进行充分调研，绘制详细的典型日负荷曲线，合成全年负荷曲线，为机组容量选型提供详尽的数据基础。

3.3.2 机组选择

机组选择以工业与民用综合负荷为基础，以满足热、汽、冷、水等需求来确定主机及辅机。主机设备宜选用较高的蒸汽初参数，以确保在相同热冷负荷时的发电效能。烟气处理系统的选型应达到超低排放标准，同时综合考虑物料来源、副产品资源化处理、对周边环境影响等情况；根据外部约束条件科学论证，在安全、可靠、环保的前提下掺烧废弃物或生物质原料、生物质气体、煤泥等可再生能源。在优化设计，安全可靠前提下，结合辅机单列布置，简化工艺与控制方式，提高机组技术指标和调节性能，降低建设造价与运营成本。

目前适用于煤基分布式能源的锅炉主要有煤粉工业锅炉和循环流化床锅炉(CFB)，充分考虑地方政策、煤源、煤质、对环境影响等因素进行选型。背压式机组选择应根据蒸汽负荷参数高效出力进行，以满足调峰能力、降低汽耗等节能效果，同时需考虑机组发电能力、经济性能等指标。

煤基分布式能源锅炉燃烧中污染物处理，煤粉工业锅炉采用低氮燃烧器和烟气再循环技术以降低锅炉出口氮氧化物排放。炉后烟气处理系统以选择性催化还原(SCR)脱硝为主，对于工业园区项目，可采用石灰石半干法、氨法、石灰石湿法、有机催化法等；对于废水排放要求高的地区，可采用石灰石半干法或氨法技术。循环流化床锅炉本身采用低温燃烧技术可降低锅炉出口氮氧化物排放，配套采取选择性非催化还原(SNCR)脱硝和炉内喷钙脱硫，可实现锅炉出口超低排放。

4 分布式综合能源

分布式综合能源是指因地制宜、统筹开发、集成利用传统能源和新能源，靠近用户优化布局建设的一体化供能系统，实现煤基、天然气、风、光、地热、生物质等各类分布式能源互相补充、协同供应，满足用户电、热、冷、气、水等多种用能需求，全面提高能源综合利用效率，产业全链推动节能减排，本质改善区域生态环境。

4.1 构成

分布式综合能源由能源站、原料输送设施、产品管网等各功能单元构成，运用分布式能源技术，构建以电、热、冷、气、水等为核心产品，为用户提供多能互补、“互联网+”智慧能源服务的综合能源一体化系统，形成横向“电、热、冷、气、水”多能源品种之间的互联互通、协同供应；纵向“原料网、能源站、输配网、负荷网、储能设施、控制系统”等能源供应环节协调发展、集成互补，实现能源的梯级利用、循环利用和综合利用，大幅提升能源综合利用效率，提供清洁、高效、可靠的综合能源供应，满足多种用能需求。

“互联网+”综合能源网，以电力系统为核心和纽带，多种类型能源网络互联互通和多能协同互补，深度融合能源网络与互联网、物联网、大数据、云计算、人工智能和区块链等技术的信息网络，实现不同能源类型、不同信息系统的协同控制、管理和运营；以用户为中心，创新能源运营的商业模式和服务业态，向用户提供便捷的能源、信息综合服务；同时依托电力等行业市场化改革，大力发展分布式供能与用户进行市场交易，实现向用户安全、可靠、经济提供综合能源。

4.2 分类

根据能源需求侧的规模大小，分布式综合能源一般分为区域式综合能源和楼宇式综合能源。在经济开发区、工业园区、产业园区、大型社区等，分布式综合能源主要由煤基或天然气分布式能源站、新能源系统(太阳能、地热能、风能、生物质能等)以及“网、荷、储、控”能源互联网等组成。

在工厂、学校、医院、酒店、单一建筑物、城市综合体等，分布式综合能源主要由天然气分布式能源、新能源系统(屋顶太阳能、地热能、风能等)以及部分互联设施等组成。

4.3 发展

分布式综合能源发展应根据能源变革与电力发展形势，为实现规模效益，在发展经济的同时切实改善环境质量，发展时应重点关注以下因素。

4.3.1 能源政策

随着近年增量配电网试点的推进，新一轮电改正引起发电、输电、售电、用电等环节深刻的变化，各地推进的力度和侧重点有所不同，发展分布式综合能源应及时跟踪国家、地方政策，了解各地实际情况，综合统筹合理布局。

4.3.2 负荷需求

用户实际用能需求，是分布式综合能源发展的前提，应做好现状与近远期负荷调研，切实掌握用户需求，量身定制精准进行资源匹配。

4.3.3 技术配置

加大分布式能源清洁发电、就近利用、智慧管控等全环节技术研究，有针对性的发展多能联合的综合能源，结合联合储能、“虚拟电厂”等形式提高供能的可靠性。

4.3.4 市场导向

结合新一轮市场化改革总体部署，按照确定的改革方向，电力能源市场中长期交易、现货交易、用户直供交易以及配售电服务等领域改革成果显著。2018年市场化交易电量突破1.6万亿kWh，完成“一般工商业电价平均降低10%”的总体目标。因此，借助市场化改革要求，在新建分布式综合能源时，结合智能电表、通信网络等新技术，在能源配售领域开展用户直供、市场交易等，全面提高分布式综合能源经济效益。

5 结语

基于微电网协调发展的分布式综合能源，可使能源生产和消费就近实现，具有能源效率高、总体排放低、社会效益好等优点，代表了能源发展新方向和新形式。结合我国当前能源利用的基本情况，综合考虑经济发展与社会效益，重点提出了煤基分布式综合能源发展的新思路，为能源生产与消费革命做了有益探讨。随着科学技术与社会治理的进一步发展，分布式综合能源将向网络化、信息化、智慧化方向推进，将会在更大范围、更高水平大力促进全社会能源消费模式的变革。