分散式发电装置在电力系统中的应用

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摘　要　介绍了分散式发电装置的类型和优点，重点分析了微型燃气轮机、燃料电池的发展概况，指出分散式发电装置是集中供电不可缺少的重要补充。
    关键词　分散式发电装置　微型燃气轮机　燃料电池　冷热电三联供
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1 h. V9 M  e; Z" q　　大容量、高参数机组发电，超高压、远距离、大电网集中供电是一些工业化国家电力工业走过的路，而近几年分散式发电装置在国外日益受到重视。分散式发电装置是指功率为数千瓦至50 MW且与环境兼容的独立电源系统，用以满足电力系统和用户的特殊要求，如调峰、为边远用户或商业区和居民区供电，节省输变电投资，提高供电可靠性等等。分散式发电装置具有良好的环保性能，与一般意义上的“小机组”已不是同一概念。可见预见高效和分散的电力生产是下一个世纪电力的发展方向。
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+ k. t! x; T" _; Y1　分散式发电装置的优点
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+ I) J* a3 t& q! i" q1．1　减少土地占用，节省输变电投资
　　由于公众对输电线路电磁污染的忧虑，开辟新的线路走廊越来越困难，北美和西欧许多国家已决定一般不再新建输电线路。直接安置于用户近旁的分散式发电装置，可以减少土地占用，节省输变电投资，是一种非常具有竞争力的方案，有资料预计，美国10年内将会发展到总发电容量的20％。
7 e' p; V* M1 Z; g& `  H5 z7 n1．2　与电网配合提高供电可靠性
　　分散式发电装置可大大提高供电可靠性，可在电网崩溃和意外灾害（如地震、暴风雪、人为破坏、战争）情况下维持重要用户的供电。加拿大魁北克省1997 年冰雪灾造成输电线路灾难性破坏，引起大面积停电，许多重要用户长期不能供电；美国西部大停电、马来西亚大停电、台湾大停电情况亦如此。如果有分散式发电装置与电网配合供电，供电可靠性将会大大提高，一些灾难性后果可以避免。湖南长沙的移动分散式发电车就为保证市区供电的可靠性起到了不可替代的作用。
1．3　分布式供电可以满足特殊场合的需求
　　对于重要集会或庆典如果有处于热备用状态的移动分散式发电车，则供电可靠性会大大提高。
' b7 w: o/ Z  b6 A' O- z1．4　具有良好的环保性能
　　分散式发电装置由于燃用液体或气体燃料，减少了粉尘、SO2、NOX、CO2、废水废渣等排放，减少了输变电线路和设备，电磁污染极低，因而具有良好的环保性能。
1．5　为能源的综合梯级利用提供了可能
　　分布式供电方式规模小、灵活性强，通过不同循环的有机整合既满足了用户需求，又克服了冷能和热能无法远距离传输的困难，实现电、冷、热三联供，为能源的综合梯级利用提供了可能，具有较高的能源利用率。如日本东京电力公司为小型餐馆或家庭开发的回收排热生成热水的热电联产系统，能源利用率就高达80％。
1．6　调峰性能好，操作简单
- J7 y# s& m, v  b2 N　　由于分散式发电装置工作流程简单，参与运行的系统少，因而启停快速，与电网配合使用时具有优良的调峰性能，且便于实现全自动。如美国卡普顿公司生产的28 kW级微型燃气轮机，只要按下煤气开关就可以发电。
7 X& A& z& y  _9 n4 r. Q$ _/ R- z1．7　分布式供电方式为可再生能源的利用开辟了新的方向
# j4 j5 `: e% J! W' V* ?2 d  Y　　相对于化石能源而言，可再生能源能流密度较低、分散性强，且目前可再生能源利用系统规模小、能源利用率较低，作为集中供电手段不现实。分布式供电方式为可再生能源利用的发展提供了新的动力。我国的可再生能源资源丰富，发展可再生能源是21世纪减少环境污染和温室气体排放及替代石化能源的必然要求，因此为充分利用量多面广的可再生能源发电，方便安全地向偏僻、少能源地区供电，可再生能源分布式供电建设应受到高度重视。
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8 J/ s  l" d4 t% x, d) p2　分布式发电装置的主要类型　　
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; h2 o: n7 ~% x0 n) [* v+ C: v　　分布式发电装置多种多样，根据燃料不同，可分为化石能源与可再生能源；根据用户需求不同，有电力单供方式与热电联产方式（CHP）或冷热电三联产方式（CCHP）；根据循环方式不同，可分为燃气轮机发电方式，蒸汽轮机发电方式或柴油机发电方式等。表1列出了主要的分布式发电装置。


　　在产业革命后的200年中，煤炭一直是世界范围内的主要能源，而随着科技、经济的发展，石油在一次能源结构中的比例不断增加，于20世纪60年代超过煤炭。此后，石油、煤炭所占比例缓慢下降，天然气比例上升；同时，新能源、可再生能源逐步发展，形成了当前的以化石燃料为主和新能源、可再生能源并存的格局。可再生能源是取之不尽的洁净能源，然而其能源密度低，稳定性较差，需要蓄能调节，长期稳定运行困难，且由于技术不够成熟，一次投资较大，经济性差；而化石能源的发电技术不仅更加成熟，而且效率更高。因此，化石能源目前是国际上分布式发电技术的主要方向。当今的分散式发电装置主要指用液体或气体燃料的微型燃气轮机（Micro－tubines）和各种工业用燃料电池（FuelCell）。
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8 t* U  c, z- w$ X* E3 U3　微型燃气轮机

    微型燃气轮机发电技术是把飞机发动机的燃气轮机小型化，使用天然气等作燃料，产生高温、高压气体，推进发电机发电的技术。
　　微型燃机热电联产代表了21世纪能源利用的潮流，美国的能源专家将微型燃气轮机称之为能源的PC机（个人电脑），它在未来能源系统中的位置将处于与PC机在因特网中相同的位置，发展前景很好。
3．1　微型燃气轮机的核心技术
0 X8 V1 L6 m+ W, k: E9 E- X) [    a．高速转子：转速在12×104～6×104 r／min；
　　b．烟气回注（可选部件）：将燃烧后的高温烟气通过1个设计紧凑的小型回热器实现回热循环，对燃料预热，提高系统能效；
    c．小型永磁发电机；
    d．大容量半导体变频技术；
    e．自动控制技术；
2 m1 }, ~8 a$ k4 N9 A+ E9 ~　　f．空气轴承：可保持转子在6×104～15×104r／min运行。
8 B7 ?; x! a& z8 ~* y3．2　微型燃气轮机的主要优点
5 c3 l5 v+ z4 O6 s, d3 |# C" T　　a．体积小，重量轻，随处可放。1台宝曼80 kW微型燃气轮机热电联产装置，可供热425 kW，满足1座建筑面积6 000～10 000 m2大楼的采暖、制冷与生活热水供应。其几何尺寸小，重量仅1．8 t；
　　b．可多台组合运行，加上蓄热水柜，能够灵活、可靠地对不断变化中的热、电需求进行适时调节；
& g# [3 C, q* w6 Q2 u& S　　c．能通过电话线和自身的计算机系统指挥其自动运行，无需人员值守，运行费用低；
1 c$ Q) ^$ K" N3 U' j3 _# M  s1 t　　d．燃气不用增压，可以直接从燃气高压管网取气，也可从低压管网抽气；
6 W* v$ d% y8 ]: [6 \　　e．直燃机连接实现热电冷联产，也可通过生产热水，与热水空调组合运行；
　　f．投资低，用户端的能量利用效率高、设备运行效费比高；
　　g．环境效益极佳，氮氧化物的排放量为25mg／L，是燃气锅炉无法相比的。
3．3　微型燃气轮机的发展现状
' J6 R8 Y6 }) Q! k% o. b7 e　　开发微型燃气轮机的厂商主要集中在北美，此外有瑞典、英国和日本。具有代表性的厂家主要是英国的宝曼公司、美国的卡普斯通和刚刚被GE公司兼并的霍尼韦尔公司，容量为25～80 kW，且正在开发200～300 kW的微型燃气轮机。日本东京电力公司独创开发了适用于小型餐馆和家庭的回收排热生成热水的热电联产系统，能源利用率·65·高达80％。

/ i- r  c( \3 a. |4　燃料电池

$ T% T( R0 [4 u0 T1 V4．1　燃料电池的基本原理及分类
3 n6 b4 J; T, m9 v1 N0 X$ T　　燃料电池的工作原理和普通电池一样，都有电解质、电极和正负极连接端子等结构，是将物质的化学能直接转化为电能的一种装置。在普通电池中，用来提供化学键能的物质在使用一定时期以后，需充电才能继续使用，否则需换新。而燃料电池只要向电极供给“燃料”和氧化剂，就可以连续不断地进行由化学键能向电能的直接转化。
  j4 T& V5 z6 m; C7 K2 r　　根据所使用的电解质不同，燃料电池大致分为5种类型，即碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和固体聚合物燃料电池（SPFC）。
　　根据温度的不同，燃料电池大致分成4类，即低温型（低于120℃）、中温型（120～260℃）、高温型（260～750℃）、超高温型（750～1 200℃）。
( f+ J) ^. ]% {　　根据用途的不同可分为空间燃料电池和地面燃料电池2类。
　　现在流行的“三代”分类法是针对地面电池而言的。
, h3 U, H: y+ @% X. T7 D9 u; S4．2　电解质的酸性燃料电池
, ^1 u# w) v1 L) c( A2 V$ O　　第1代燃料电池是以H3PO4水溶液为电解质的酸性燃料电池，即PAFC，其技术已相当成熟，已有4．8 MW及11 MW的演示装置，并开始实现商品化，美国DNSI公司已向美国和其它15个国家出售型号为PC25的200 kW PAFC。但因PAFC需要贵金属作催化剂，不耐燃料中的CO，因此在煤制气的洁净煤燃烧技术中不适用。
4 v) D1 a; ?& r: I$ b& w% y, f, k4．3　电解质的熔融碳酸盐燃料电池
$ K1 N, ]6 y+ \+ v7 t# h* I0 R　　第2代燃料电池是以熔融Li2CO3、K2CO3等为电解质的熔融碳酸盐燃料电池，即MCFC，其发电效率在50％以上，能提供600～650℃的废热，可能代替燃气轮机的燃烧室，形成燃料电池—热气轮机 —蒸汽轮机联合循环热电联产，热效率极高，可以在发电效率超过60％的情况下，取得接近95％的热电效率，是将来大型发电／热电设施的理想选择。
　　能源研究公司（ERC）1996年已进行了一套设于加利福尼亚州圣克拉拉的2 MW MCFC装置的实证试验，目前正在寻找进行3 MW装置实证试验的地点，同时美国M－C电力公司已在加利福尼亚州圣迭戈的米拉马海军航空站进行了250 kWMCFC装置的试验，现在计划在同一地点试验改进75 kW装置。M－C公司正在研制500 kW层叠电池或模块，计划于2002年开始生产。在日本，1套1 MW MCFC试验装置定于1999年在中部电力公司的川越发电站启动。此装置由4个250 kW层叠电池组成，其中2个由日立公司提供，另2个由右川岛播磨重工业公司供应。
/ h9 t" o! f; R5 O! a4．4　固体氧化物燃料电池
! z6 m6 H) \: Q% ?  I8 k4 C　　第3代燃料电池是以固态离子导电氧化物为电解质的固体氧化物燃料电池，即SOFC，在高温下进行非燃烧反应，工作温度可超过800℃，可利用氢气、一氧化碳、天然气、煤汽化气等多种燃料，最适合集中或分散发电和热电联产，使用燃料电池—热气轮机—蒸汽轮机联合循环发电时效率可提高到70％，热电效率接近95％。目前尚处于试验室阶段。
4．5　燃料电池的主要优点
& X; q& ]. Y2 }- \4．5．1　除了产生纯净二氧化碳可回收利用外，其它污染物的排放为零，几乎没有污染；
' n* Q. ~, m2 B  p4．5．2　体积极小，8 kW质子交换膜机组只有1台20英寸彩电大小；
. A3 I1 x% n8 ]4．5．3　发电效率极高，达45％～70％；
: U) D9 p$ M- |4．5．4　燃料应用非常广泛，几乎所有含氢的物质均可采用；
4．5．5　无须人员值守，运行费用低；
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1 m/ Z; k! x; e  l5　结束语　　
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0 O2 J1 }8 \. I& N% ^　　分布式供电是集中供电不可缺少的重要补充。它因灵活的变负荷性、低的初投资、很高的供电可靠性、很小的输电损失和适合可再生能源等特点在世界范围内越来越受到重视。
　　可以预见，随着天然气的广泛应用、电力垄断的逐步解体、环境保护要求提高和可再生能源利用技术水平的提高，不仅我国边远地区和西部地区的分布式供电将得到极大的发展，而且小型化的分布式供电（特别是具有能量－资源利用合理、环保性能优良、冷热电负荷分配灵活等优势的冷热电三联供）将成为中国城市现代化的重要动力。毫无疑问，分布式供电将成为未来能源领域的一个重要发展方向。

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分散式接入是目前国家推行的一种接入方式，但难度较大，多种因素制约。例如，孤岛效应等。