分布式能源系统的热力学分析
张海洁
华电分布式能源工程技术有限公司北京100070
【摘要】分布式能源系统，相对于传统的集中供电方式而言，是指分布在用户端的、可独立地输出冷、热、电能的系统。

对我国能源系统的发展具有重要意义。

文章就分布式能源系统的热力学进行分析探讨。

【关键词】分布式；能源系统；热力学；分析
中图分类号：O414.1文献标识码：A
一、前言
文章对分布式能源系统的定义、主要形式和特点进行了介绍和阐述，通过分析，并结合自身实践经验和相关理论知识，以DES为例，对分布式能源系统的热力学进行了分析和探讨。

二、分布式能源系统概述
1.分布式能源系统的定义
顾名思义，分布式能源系统，是相对于能源集中生产(主要代表形式是大电厂加大电网)而言的。

电在已知的二次能源中最为有用，且占有绝对优势。

如果没有电，就没有了绝大多数的先进生产力。

一切高新技术的研发、应用都要在电力运行的基础上进行。

所以，保证充足、安全、有效的电力供应是非常重要的。

然而，在目前，我国只有大电厂加大电网才能够比较好地完成此任务。

估计这种状态在较长一段时间内不会改变。

分布式能源与上述比较集中的大电厂加大电网正好相反，它是把二次能源供能点分散到很多企业、社区、大厦、医院、学校、写字楼，甚至到个别家庭住宅中去。

由于分散，所以每个系统的出力都不会太大，需根据用户的具体要求而定，一般在成百上千kW以下。

如上所述，电是最主要的二次能源，所以目前通称的分布式能源系统都至少有电力输出；而只出热、出冷的简单小型供能系统，如仅供热的小锅炉装置、仅供冷的独立空调设备，是极少有人称之为分布式能源系统的。

但是，绝大多数的分布式能源系统，是除了供电之外，还同时供热及／或供冷，是多联产系统。

当然，也许还可能是多功能系统(意指除多联产输出外，输入的能源也是多种的，例如可以同时有化石能源与可再生能源输入)。

2.分布式能源系统的主要形式
分布式能源系统是一种建在用户端的能源供应方式，可独立运行，也可并网运行，是以资源、
环境效益最大化确定方式和容量的系统，将用户多种能源需求，以及资源配置状况进行系统整合优化，采用需求应对式设计和模块化配置的新型能源系统，是相对于集中供能的分散式供能方式。

分布式能源系统的主要形式：根据燃料不同，分布式能源系统的主要形式，可分为燃用化石能源、燃用可再生能源和燃用二次能源及垃圾燃料等几种。

燃用化石能源的动力装置有：微型燃气轮机、燃气轮机、内燃机、常规的柴油发电机、燃料电池;利用可再生能源发电技术有太阳能发电、风力发电、小水利发电、生物质发电等。

3.分布式能源系统的特点
现在世界上一些发达国家的热电效率已经达到了96％以上。

可将天然气的所有能量吃光用尽。

这一技术带来的好处是：①能源利用效率大幅度提高；②由于兼并发电，经济效益好；③冬夏实现天然气供应的平衡；④燃气价格承受能力大幅度提高。

三、以DES为例对分布式能源系统的热力学进行分析
1.微燃机DES工作原理和热力学分析
微燃机DES工作原理是：微燃机发电机组主要由压气机、燃气透平、燃烧室、回热器和发电机等组成。

空气分为2路：(1)空气经压气机压缩进入回热器预热后，再进入燃烧室，以提高燃烧温度、增强燃气透平做功能力；(2)空气对主轴承的润滑油系统进行冷却后直接排出。

天然气在燃烧室与预热空气混合燃烧，产生高温燃气进入燃气透平做功，驱动压气机和发电机。

微燃机的轴系为单轴设计，故障率较低、安装维护较方便。

燃气透平排气余热利用设备可以是余热锅炉、吸收式制冷机、除湿机等各种装置。

2.微燃机热力学分析参数设定
微燃机性能受环境空气温度影响很大。

在不同温度下，微燃机的排气量、天然气耗量和发电量均不同。

微燃机润滑油冷却空气流量为0．9kg／s，温升为30℃；单效吸收式制冷机组的额定供热量为140kW，供热时供、回水温度分别为5O℃和43℃，额定制冷量为1lOkW，制冷时供、回水温度分别为7℃和14℃。

3.微燃机DES的火用平衡和火用分析
燃烧不可逆造成的火用损失最大，其它还包括通风散热、管道散热、回热器换热等不可逆造成的火用损失。

由于主要分析火用效率斯以这一部分不分别计算，而归于其它火用损失一项，通过火用平衡计算得到。

一种较为普遍的能量分析方法是计算一次能源利用率．一次能源利用率越高，反映一次能源利用越充分。

系统冬季热电联产时的一次能源利用率除在发电功率非常低的情况下，因为单纯产热的效率低于锅炉的热效率，造成一次能源利用率较分产系统低外，随着发电
量的增加，很快超过了分产系统的一次能源利用率，并把差距进一步拉大，节能效果非常明显。

但是系统在夏季冷电联产情况下，一次能源利用率和分产系统差距较大。

虽然随着发电量增加，逐渐趋向接近，但在满负荷情况下利用率依然不及分产系统。

主要是以下两个因素造成了这种结果：第一，是微型冷热电联产系统的发电效率要低于大型集中式电站的发电效率。

第二，也是更主要的原因是吸附制冷机的制冷效率与电驱动的蒸汽蒸发式制冷机的制冷效率相差较多考虑到电厂发电效率后，也没有改观但是这并不说明微型冷热电联产系统夏季的对能量的利用比分产系统差，由于第一定律的局限性，无论什么温度的热量，冷量和电能都被视为同等级的能量，因而并不能区分能量品质等级的高下在该系统中，采用温度不到的废热，转化为有效的空调冷量。

与一次能源高温燃烧后转化为电能再得到的相同的冷，其能量转化和利用的优劣通过下面的第二定律评价标准进行衡量，得到的结果将完全不同．由于佣分析将能量中的“质”与“量”有机地结合在一起．真实地体现了能量转化过程中能量的“贬值”过程．因此将火用分析作为系统的评价准则更为科学合理。

4.过渡季节的能量分析、火用平衡和火用分析在过渡季节(春秋季)微燃机DES只发电，无需制冷或供热。

过渡季节空气温度取15℃，计算得到该系统在过渡季节的能源利用率为31．399／6，炯效率为32．54。

微燃机DES是基于能量梯级利用的复合系统，在过渡季节使用并不能体现其节能优越性，所以在过渡季节可由电网供电，以进一步提高全年的能量利用率，或生产生活热水供应用户。

5.微燃机DES应用中的一些问题
微燃机DES在夏热冬冷(如上海)地区的建筑中使用时，主要问题在于夏季冷负荷与冬季热负荷的不匹配。

例如，上海地区的办公楼冷负荷设计指标为120w／m，而热负荷指标为80W／m。

若以夏季需冷量来设计系统，则必须在冬季有效地利用排气余热，否则会降低微燃机DES的全年运行效率。

此外，城市天然气管网的配气压力亦很难满足微燃机的要求。

以TurbecT100型微燃机为例，当使用天然气增压器时可接受的最低压力为(0．002～0．1)MPa，当供气压力提高到(0．6～0．7)MPa时则无需增压器。

上海天然气管道中心城区的配气管线压力最高为0．4MPa，因此许多大中城市需配置天然气增压设备，此时必须在管道上设置缓冲装置，以避免对管道和周边其它用户造成压力波动。

四、结束语
我国的分布式能源系统的发展起步比较晚，相对于欧美等国家还有一定的差距，分布式能源系统自身的优势导致了它在能源系统方面会有大的作为，因此，应加强分布式能源系统发展力度。

参考文献：
[1]华贲．分布式能源与天然气产业在中国协同发展的历史机遇[J]．能源政策研究，2009．
[2]冯志兵，金红光．燃气轮机冷热电联产系统及其热力分析[J].动力工程，2013(4)：487-492．
分布式能源系统的热力学分析
作者：张海洁
作者单位：华电分布式能源工程技术有限公司
刊名：
城市建设理论研究（电子版）
英文刊名：ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu
年，卷(期)：2013(28)
本文链接：/Periodical_csjsllyj201328326.aspx。