分布式供能系统负荷适应调节方法的研究

李晋超，郑莆燕，王建刚，周志云，甘志超，卢冬冬，王乔良

(上海电力学院 能源与机械工程学院，上海 200090)

分布式供能系统布置在用户端，直接面向用户传输冷、热、电能，是小规模、小容量、模块化、分散式的能源系统，可以实现能源的梯级综合利用，具有能源利用率高、能源成本低、供能安全性高以及环保型好的优点.21世纪以来，国家出台了各种政策扶持分布式供能系统的发展，并促进分布式供能系统并入国家电网，使其逐渐得到广泛应用.[1-3]

分布式供能系统在应用中遇到了很多问题，实际运行情况并不是十分理想.例如，上海黄浦区中心医院系统为医院提供所需的电、冷、热负荷，系统的发电能力远高于医院的用电负荷，而多余电力又不能上网，目前该系统已停产，重新使用电网的电力;[4]2000年建成的浦东国际机场中心系统在实际运行中，航飞站用户负荷较低，机组无法长时间高负荷运行，系统经济性较差.[5]

出现以上问题的首要原因是用户的需求与系统供能不匹配.系统设计是以满足用户的最大负荷为基本要求，而负荷是实时变化的，这就造成了供能系统长期处于低负荷运行的情况.因此，应采用合理的负荷适应调节方法，使系统设备或系统主要设备长时间维持设计工况或高负荷工况运行，才能保证实际运行中能源的高效利用.

1 靠近用户侧的负荷适应调节方法

目前，分布式供能系统中负荷适应调节方法应用最多的是蓄能，根据能源种类的不同，可以有多种蓄能方式.

1.1 化学电池蓄能

蓄电池将电能转换为正负电极的化学能存储起来，在用电低谷时，蓄电池充电;在用电高峰时，蓄电池放电，从而保证系统运行的稳定性.

目前，全球电池储能总装机容量为451 MW，占全球电力储能总装机容量的3.6%.德国建有8.5 MW/h的铅酸电池系统，美国建有10 MW/4 h的铅酸电池、46 MW 的镍镉电池和32 MW锂电池系统，英国在北约新型潜艇救援系统中使用镍氯电池.[6]我国在河北、上海和深圳等地也有蓄电池的项目.

1.2 物理蓄能

1.2.1 显热蓄能

以热水和冷水作为蓄热体的显热蓄能方式在分布式供能系统中应用较多.[7-8]它是通过对蓄热介质加热，使其温度升高，内能增加，从而将热能储存起来.在储存和释放热能的过程中，材料只能发生温度的变化，而不发生其他任何变化.

1.2.2 相变蓄能

物质在相变过程中吸收或释放热量，该热量被称为相变热或潜热，因此相变蓄热又称为潜热蓄热.冰蓄冷是目前应用及研究较为广泛的一项相变蓄冷技术，在日本、美国和四大洲区域被普遍采用.仅1998年一年中，我国建成和使用冰蓄冷技术的项目就有50项.[9]

1.2.3 机械能蓄能

(1)微小型抽水蓄电 微小型抽水蓄电系统是利用微小型水轮机、水泵或可逆式水泵水轮机，在用电低谷时将水从低位水库送到高位水库，从而将电能转化为水的势能存储起来;在用电高峰时，水从高位水库排放至低位水库驱动水轮机发电，将水的势能转化为电能.微小型抽水蓄电应用较少，目前国内还未有相关的示范系统在运行，仅中国科学院工程热物理研究所获得了相关的专利.[10]

(2)微小型压缩空气蓄电 微小型压缩空气蓄电的规模一般是几千瓦到几十千瓦级，它是利用地上高压容器储存和压缩空气的，利用低谷电将空气压缩存于储气装置中，将电能转换为空气内能存储;在用电高峰，高压空气从储气装置中释出，并驱动动力机械做功，将空气内能转换为电能.[11]目前，德、美两国已拥有两座大型的压缩空气储能电站，日本、瑞士、俄罗斯、法国、意大利等国家也在开展微型压缩空气储能技术的相关研发工作.[12-13]国内的中国科学院、华北电力大学等研究单位对微型压缩空气储能系统的热经济型及关键设备进行了深入研究，[14]中国科学院工程热物理研究所储能研发中心还搭建完成了微型压缩空气储能系统示范平台.[15]

(3)飞轮蓄电 飞轮蓄能是利用现代电力电子技术，在电力富裕的条件下，将电力系统中的电能转换成飞轮运动的动能;而当电力系统电能不足时，再将飞轮运动的动能转换成电能，供电力用户使用.[16]飞轮蓄能技术具有很大的发展与应用前景，荷兰、德国和英国开展政府间合作，利用新技术开发了新式的飞轮蓄能系统，用于弥补传统飞轮蓄能转速缓慢、蓄能效率低的缺点.[17]通过蓄能设备的应用，可以在用户和供能设备之间建立缓冲系统，进而有效缓解二者不匹配所带来的冲突，使供能设备尽可能工作在满负荷或高负荷工况，提高供能设备的运行效率.

表1给出了主要蓄能技术的特点和使用情况.

表1 主要蓄能技术情况汇总

2 供能端的负荷适应调节方法

在简单燃气轮机中，在透平后布置一个回热器，用透平排烟加热燃烧室进口空气，就构成燃气轮机回热循环，如图1所示.通过调节燃气轮机出口燃气在回热器中被利用的程度，就可以改变微型燃气轮机提供给下游的余热量.以英国某公司生产的TG80微型燃气轮机为例，在保持80 kW出力的前提下，通过调节回热，可以将排烟温度从275℃提高到615℃，供热量从155 kW 增加到425 kW.[25]

因此，当用户侧需求负荷变化时，可以通过调节回热器的燃气比例，调节分布式供能系统的供热量，以此来响应用户负荷需求变化，保证系统的高效运行.[26]

图1 有回热器的燃气轮机

3 对多种负荷适应调节方法综合利用的讨论

原动机侧加入回热器对机组的整体效率影响不大，增加回热器中用于加热空气的烟气量，可以提高机组的发电效率，但用于下游的烟气量减少，所以降低了余热利用的效率.例如，某80 kW的机组调节回热，发电效率从14.10%提高到了24.28%，而热电效率从 89.01% 降低到了71.34%.[27]若在系统下游加入蓄能设备，则保证了原动机出力和系统运行的稳定高效.而蓄能方式的选择取决于用户类型、用户负荷和地理条件等实际情况.

在实际运行中，回热器通过调节末端的排烟量和排烟温度来调节系统下游的余热量，这种负荷适应调节方法对于负荷变化的响应速度较慢，多用于一个较长的时间段内，例如不同季度内回热的程度不同;而蓄能处于系统下游，用户负荷的变化直接影响了蓄能量的大小.这种方法对于负荷变化的响应速度较快，常常用于24 h内即时调节系统适应负荷.

目前在使用分布式供能系统负荷适应调节方法时，大都是在回热措施和蓄能措施中选择一种.但实际系统中往往不只一种负荷调节方法.以上海某大型娱乐园区的分布式供能系统为例，由于园区内用户需要冷负荷和生活热水，且园区运行还需要压缩空气，因此系统中同时具有蓄热、蓄冷和压缩空气蓄能设备.

在实际运行中，系统就要考虑这几种蓄能方法同时使用的情况，如图2所示.如果原动机有回热器，那么还可以考虑使用回热调节负荷的方法.这样在整个系统中多种负荷调节方法同时存在，如果要实现负荷的有效调节和系统的高效运行，系统的结构、设备选型、参数选择会更为复杂，上下游设备之间的运行耦合也会给优化运行带来更大的难度.因此，对于这样的复杂系统需要深入研究，从设计到运行进行整体优化.

图2 多种负荷调节方法并存的系统示意

4 结语

分布式供能系统实际运行效果不理想是由于用户需求与供能系统不匹配，在系统中使用适当的负荷适应调节方法会大大改善这种情况.本文对现有的几种解决方案进行了分析，指出回热也具有调节和适应负荷的能力，系统中使用哪种方法取决于用户需求和系统实际运行情况.从分布式供能系统的用户负荷需求日益多样化的情况来看，有可能多种负荷适应调节方法共存，此时，系统的设计和运行状况都很复杂，仍需要进一步的探讨和研究.

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