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分布式能源定义与界定标准

2017-09-06 14:46:42 分布式能源 作者:殷平

随着我国政府《关于发展天然气分布式能源的指导意见》、《天然气“十二五”规划》、《天然气利用政策》、《可再生能源发展“十二五”规划》、《可再生能源电价附加补助资金管理暂行办法》以及《能源“十二五”规划》的相继出台,分布式能源已成为上至政府、下至企业高度关注的焦点之一。

2012年10月国务院发表的《中国的能源政策(2012)》白皮书指出:“促进清洁能源分布式利用。中国坚持‘自用为主、富余上网、因地制宜、有序推进’的原则,积极发展分布式能源。在能源负荷中心,加快建设天然气分布式能源系统。以城市、工业园区等能源消费中心为重点,大力推进分布式可再生能源技术应用。因地制宜在农村、林区、海岛推进分布式可再生能源建设。制定分布式能源标准,完善分布式能源上网电价形成机制和政策,努力实现分布式发电直供及无歧视、无障碍接入电网。‘十二五’期间建设1000个左右天然气分布式能源项目,以及10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。”

按照上述政策,在今后几年内,分布式能源项目的建设将成为我国能源建设的重头戏之一,相关的标准、设计规范也将相继出台,已经是国内热门研究课题之一的分布式能源和冷热电三联供(distributed energy resource,combinedcooling heating and power,以下简称DER/CCHP)系统的研究将掀起新一轮的高潮。

笔者从2008年开始,陆续承担了国内多项燃气CCHP项目和可再生能源DER的预可研报告、可行性报告、咨询和设计任务,在完成这些任务的过程中,对国内DER/CCHP的现状进行了深入的调查,同时对国内外DER/CCHP的研究成果、文献资料、实践经验、产品性能进行了深入学习,尤其是通过参与若干具体工程的可行性报告的撰写、评审和设计工作,获益匪浅,感触颇深,觉得有必要将几年来的体会、经验和教训加以总结,抛砖引玉,供业内人士参考,以利于我国DER/CCHP的发展。

本文详细讨论了DER和CCHP的术语、定义、界定和相关标准,讨论了与此相关的一些问题。

1背景

DER在国际上尚属一项新技术,由于涉及的专业多,技术复杂,因此20多年来,其术语、定义和界定难以定论。

DER/CCHP的术语、定义和界定迄今为止尚未引起国内政府有关部门、学术界和企业界的高度重视。对于学术界来说,要求DER/CCHP术语的准确是毋庸置疑的,而对DER/CCHP决策者———政府的相关部门来说就更重要了。因为作为一项国家重点推广的技术和产业,如果术语不准,定义不清,内涵和外延模糊,相关技术欠缺,不但会影响到规范、标准和规定的全面性、正确性和准确性,同时也会影响到可行性报告评审、立项的审批工作,会影响到工程设计的全面性、正确性、准确性和经济性。这项看似简单的工作,对于我国今后DER/CCHP的健康发展、迅速推广具有十分重要的意义。

从目前已经颁布和实施的有关DER的各项政策、法规、规划来看,国内DER的定义和界定标准与国际上通用的定义和界定标准大相径庭,国内目前正在建设的DER项目的设计总装机功率已经高达3120MW,如此规模专业人员很难认同这还是DER。

因此,对于DER/CCHP来说,当前面临的不仅仅是技术、经济问题,与其他诸多技术和产业不同,首先面临的应该是术语、定义和界定问题,如果这些最基本的问题未能解决,必然使得其他问题变得更加错综复杂、难以妥善处理。

2术语

2.1分布式能源的术语

分布式能源目前采用的英语术语很多,如:distributed energy resource(DER),distributed generation(DG),distributed power(DP),decentralized energy(DE),on-sitegeneration,dispersed generation,embedded generation,decentralize dgeneration,distributed energy,distributed power system。

国际上很长一段时间采用DG表述分布式能源,而将其他术语仅作为DG的同义词,这点以维基百科最为明显,迄今为止维基百科仍以DG作为分布式能源的术语,其他均为其同义词。

作为一门新兴学科,国际上术语不统一是可以理解的。不过最近几年来,大多数国家和主要学术文献,已经逐渐在统一分布式能源的术语,尤其是在官方文件中,这点更为明显。分布式能源目前采用最多的英语术语是:distributed energy resource(DER)。

美国能源部目前使用的术语是:distributed resource,从本世纪初开始,美国除政府机构外,主要的专业机构、团体和公司,例如美国供暖空调制冷工程师学会(ASHARE)、美国电力研究协会(EPRI)、美国节能经济委员会(ACEEE)、CPSIEnergy(美国城市会共服务能源公司)基本上都是采用distributed energy resource(DER)作为术语。

从2004年开始,欧盟委员会一直使用术语distributed energy resource。欧盟2004年出版的《欧洲分布式能源项目》(European distributed energy resources projects)成为当时的重要文献,而后欧洲成立了全球最大的有多个国家参加的欧洲分布式能源实验室(European Distributed Energy Resources Laboratories)以及分布式能源研究合伙企业(Distributed Energy Resources Research Infrastructure),对在欧洲推广分布式能源起到了重要作用。

由于历史原因,目前尚有一些民间组织仍然采用初始的术语,例如国际分布式能源联盟WADE仍然采用decentralized energy(DE)这一术语。还有部分国家和地区也采用DG作为分布式能源的术语。

在我国,本世纪初曾使用过分布式供电、分布式能量系统、分布式供能系统等称谓,这些基本上都是根据当时国外使用的英语术语翻译而来。2004年国家发改委第1702号文中使用“分布式能源”一词,此后包括政府文件在内,国内各种文献和媒体基本上都采用分布式能源这一术语。

分布式能源,我国官方文件使用的英语术语是distributed energy resource。

2.2冷热电三联供的术语

冷热电三联供目前采用的英语术语有:combined cooling heating and power(CCHP),trigeneration,combinedcooling heatingand power(CHCP),combined heatingand power(CHP)等。

与分布式能源不同,目前除美国习惯将CCHP包括在CHP范畴内之外,其他大部分国家基本上都采用combined cooling heatingand power(CCHP)这一术语。当采用天然气作为燃料时,燃气冷热电三联供的英语术语为gas-firedcombinedcoolingheatingandpower。

关于冷热电三联供,本世纪初我国曾使用过冷热电联产、冷热电联供、热电冷三联产、热电冷三联供等称谓,目前国内基本上都是采用冷热电三联供这一术语。当采用天然气为燃料时,有燃气冷热电三联供和天然气冷热电三联供两种称谓。

我国官方文件使用的英语术语是combined cooling heating and power(CCHP)。

3定义

3.1国际上有关DER的定义

最早对DER给予准确定义的应该是文献3,文献3用图1表明了表述DG,DP,DER之间的关系。

文献3给出的DG,DP,DDER的定义是:

1)DG,公用电网之外任何发电技术。所涉及的技术和设备包括内燃机、燃料电池、燃气轮机、微燃机、水力发电和小型水力发电、光伏、太阳能、风能、废热/生物质能源,还包括非公用热电联产。

2)DP,任何发电和储能技术。

3)DER,包括DG和DP在内的任何技术,以及需求侧的措施。所发电可以上网销售。

虽然与目前惯用的DER定义略有不同,但是文献3已经指出了DER与DG和DP的本质不同。

在欧洲,在本世纪初,欧洲热电联产促进协会(The European Association for the Promotion of Cogeneration就在其专题报告中指出,DER的“resource(源)”,比起狭义的DG中的“generation(供电)”,涵盖了能源管理方面更加广泛的概念,例如储能和用户侧管理。

目前,美国能源部给出的DER定义是:“小型、模块化、分散、不考虑是否联网的能源系统,该系统位于用能地点或附近。该系统为集成系统,包括发电、储能和输送等有效措施”。与本世纪初美国能源部的定义已有所不同:“小型、模块化、产生电能的技术,容量范围从几KW到50MW,包含许多供应侧的和用户侧的技术,一般位于需要能源的地点或附近”。两者相比,最大的变化就是现在的定义增加了储能,同时没有限定容量范围。

在欧洲,目前比较通用的DER的定义是:处于配电系统内位于或靠近终端用户侧的小型发电装置。

国际分布式能源联盟WADE对分布式能源的定义是:在使用能源的地点或很近的地方发电,不考虑这些项目的规模和采用的技术,所用燃料及该系统是否联网等条件。

3.2国内有关DER的定义

国家发改委2004年对DER的定义是:“分布式能源是近年来兴起的利用小型设备向用户提供能源供应的新的能源利用方式。与传统的集中式能源系统相比,分布式能源接近负荷,不需要建设大电网进行远距离高压或超高压输电,可大大减少线损,节省输配电建设投资和运行费用;由于兼具发电、供热等多种能源服务功能,分布式能源可以有效地实现能源的梯级利用,达到更高能源综合利用效率。分布式能源设备启停方便,负荷调节灵活,各系统相互独立,系统的可靠性和安全性较高;此外,分布式能源多采用天然气、可再生能源等清洁能源为燃料,较之传统的集中式能源系统更加环保”。

国家能源局有关DER的定义是:“分布式能源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”。

国网能源研究院的定义为:“位于用户侧,优先满足用户自身需求,以热电联产、冷热电三联产和可再生能源发电利用技术为主,发电总装机容量小,独立运行或与配电网连接,包含能量产生、能量储存和能量控制的能源综合利用系统”。

国家发改委在《关于发展天然气分布式能源的指导意见》中给出的天然气DER的定义是:“天然气分布式能源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,综合能源利用效率在70%以上,并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方式”。

3.3国内外有关CCHP的定义

与DER不同,目前国内外CCHP的定义基本统一:在发电的同时,利用发电所产生的余热供热和供冷。

对于DER和CCHP,目前国内外专家分歧较大的观点是,CCHP是否属于DER的一部分,WADE明确表示CCHP就是DE的一种形式。但是从DER的定义来看,更多人并不同意这一观点。用图2表示DER和CCHP之间的关系。

文献13建议DER的容量范围划分为:微型,1~5000W;小型,5KW~5MW;中型,5~50MW;大型,50~300MW。

在美国,能源部和主要学术团体和企业联合会均明确指出,CHP靠近用户,但是装机容量较大。在欧盟,对CCHP的定义是:在一个单一系统中同时高效率地生产电、热和冷;CCHP的规模从几百KW到MW级。从本世纪初开始,大力推广几KW到100KW的小型CCHP设备和系统。

根据DER的定义,CCHP只有一小部分内涵属于DER范畴,例如楼宇式冷热电三联供系统(BCHP),而CCHP的更大一部分内涵由于装机容量已经大大超出了分布式能源的范畴,所以不可能只是DER的一种形式。

4界定标准

4.1国外有关DER的界定标准

所谓DER的界定标准是指DER的内涵、划分以及外延的临界线。美国能源部界定的DER可应用的技术/设备是:1)往复式发动机;2)燃气(油)轮机;3)微燃机;4)燃料电池;5)光伏系统;6)聚焦式太阳能发电;7)风力发电系统;8)小型模块式生物质发电系统;9)储能系统[5]。

欧洲分布式能源实验室界定的DER技术/设备是:柴油发动机、燃气轮机、微燃机、热电联产、燃料电池、小型水电站、风力发电机、生物质发电机、光伏发电机,此外,分布式能源也可以包括储能系统,例如电池和飞轮。

WADE界定的DER包括:1)现场端的可再生能源系统;2)高效的热电联产;3)工业可回收能源和现场端的可利用能源。

美国能源部关于DER各种技术的能量容量范围如表1所示,综合多种文献给出的DER容量范围见表2。

如上所述,在DER的界定上,目前国外有两种不同的分类,一种是DER不包括大中型的CHP(包括CCHP)项目;一种是包括CHP。从DER的定义来看,前一种界定方法应该更加合理,这也是当前国际的主流观点。

4.2国内有关DER的界定标准

迄今为止,国内有关DER的界定十分模糊,虽然对DER的定义明确是“小型”,但缺乏界定标准,各种政策、法规、意见、标准均没有明确给定DER的装机容量,学术界也很少有人介入这方面的讨论。

国网能源研究院提出的DER界定标准是:“一是节能环保。分布式能源应以能量梯级利用系统和可再生能源为主,体现节能环保原则,对于非可再生能源的分布式能源系统,能源综合利用效率应在70%以上。二是装机容量。发电总装机容量限定在1万KW及以下,主要考虑分布式能源的技术、接网和用户需求,强调本地供能,与现行热电联产等法规相衔接。三是接入电压等级。对于有并网需求的分布式能源系统,应接入35KV及以下电压等级的电网。”

然而国家发改委在《关于发展天然气分布式能源的指导意见》中并未限定天然气分布式能源的规模:“2015年前完成天然气分布式能源主要装备研制。通过示范工程应用,当装机规模达到500万KW,解决分布式能源系统集成,装备自主化率达到60%;当装机规模达到1000万KW,基本解决中小型、微型燃气轮机等核心装备自主制造,装备自主化率达到90%。到2020年,在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统,装机规模达到5000万KW,初步实现分布式能源装备产业化。”装机容量远远超过了“小型”的范畴。

表3是目前国内规模较大的几种DER项目

由表3可以看出,大多数项目的装机容量已经远远超出了国际上DER的界定规模,那么这些项目是否还能称之为DER?由于装机容量最大的珠海横琴岛能源站仍属于天然气DER项目,因此其他项目也就自然被列入DER范畴内。

4.3国外有关CCHP的界定标准

美国能源部指出,CHP(CCHP)不是一项新技术,它主要应用于大型工业系统中(装机容量大于500KW),CHP(CCHP)系统是很先进的。

欧盟指出,CHP装机容量主要是从几百KW到MW级。目前用于CCHP的技术和设备主要有:内燃机、燃气轮机、汽轮机、微燃机、斯特林发动机、燃料电池、光伏、光热、风力发电机、吸收式冷水机组、锅炉、热泵、干燥剂除湿装置、生物质产品和换热器等。

4.4国内有关CCHP的界定标准

目前国内CCHP主要是以天然气为燃料,表4为笔者搜集的国内燃气CCHP项目。

由表4可以看出:1)除了装机容量世界第一外,我国CCHP单一能源站内燃机装机容量世界第一,地下室机房装机容量也是世界第一;2)国内最大装机容量和最小装机容量相比,相差几十万倍。

按国家规划“十二五”期间建设1000个左右天然气分布式能源项目,以及10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域,多大规模属于1000个范畴内,哪些又属于10个范畴内,目前没有准确答案。

由于我国特殊的国情,即使是国家发改委、国家能源局也不掌握中国目前CCHP项目的确切数量,不过除孤网运行的小型CCHP项目外,由于燃气CCHP项目都需要省市(直辖市)发改委正式批准才能建设,所以要了解核准的CCHP项目并非不可能,表4是笔者根据各省市发改委网站统计而来已经核准的国内CCHP工程以及已经运行的CCHP项目,表4所列项目无论是数量上还是装机总功率均远远超出国内以往其他统计结果。

国内CCHP采用的技术与国外基本相同,只是目前燃气轮机、内燃机、微燃机主要依赖于国外产品。【因本文收录时间是2013年,所以下图数据可能不准确,仅作参考】

5标准

大凡一种成熟的技术或产品,其标准包括基础技术标准、产品标准、工艺标准、检测试验方法标准,以及安全、卫生、环保标准,上至国际标准、国家标准,下至行业标准、企业标准,都应齐全。但是迄今为止,国内外DER和CCHP的标准仍然极不完善。

5.1国外有关DER/CCHP的标准

欧洲分布式能源实验室对目前已经颁布执行的与DER相关的标准进行了统计,如下:

IECTC8Systemaspectsforelectricalenergysupply

IECTC57Powersystemcontrolandassociatedcommunication

IEC61850Communicationnetworksandsystemsinsubstations

IEEE1547TMStandardfouinterconnectingdistributedresourceswithelectricpowersystems

事实上,目前尚无专门的DER标准,欧洲分布式能源实验室今后的任务之一就是制定DER的相关标准。

由于CCHP涉及的技术繁多,所以目前主要执行的是与CCHP系统相关的技术标准,笔者未查阅到相关的国际标准和其他国家的国家标准。

5.2国内有关DER/CCHP的标准

国内目前尚无DER的相关标准,据悉DER的相关指导、补贴等政策,以及DER的标准正在制定之中。

2011年3月1日,我国第一个CCHP行业标准CJJ145—2010《燃气冷热电三联供工程技术规程》开始实施,但是该标准只适合15MW发电机总容量以下的CCHP。CCHP的国家标准还有待制定。

目前国内CCHP的可行性报告、初步设计和施工图设计参照的标准基本上是已经颁布的火力发电和热电联产标准和相关规定。

6讨论

1)综上所述,可以看出由于各国标准的不完善,导致了国际上DER/CCHP术语、定义和界定的混乱,这种局面正在改变。另一方面,我国的国情有别于其他国家,虽然DER/CCHP是国家重点推广的技术和产业,但是政府的相关政策、国家标准和设计规范已经无法与我国DER/CCHP的发展规模和发展速度同步,因此建议国家有关部门应以指导意见先行,明确给出分布式能源和冷热电三联供的术语、定义和界定标准。

2)目前我国燃气CCHP所用的燃机尚须进口,技术也落后于西方工业发达国家,但是CCHP的工程数量,尤其是总装机容量却远远超过了世界各国。尽管要实现国家发改委在《关于发展天然气分布式能源的指导意见》中提出的目标任重而道远,但是我国的CCHP学术水平并不比其他任何国家低,如果能够充分利用全球项目最多的CCHP工程实践的机会,并得到政府有关部门的大力支持和帮助,不但DER和CCHP的各种标准、设计规范可以尽快制定,而且设计水平和技术水平也能跃上一个新的台阶。

3)我国开展DER(主要是燃气CCHP)最早和项目数量最多的是上海市,“从上世纪90年代中期开始,迄2011年底总共实施了26个分布式供能项目,总装机容量达14.255MW,占上海总装机容量的0.07%,平均装机规模548KW。项目遍布医院、宾馆、工厂、交通枢纽、办公楼宇等;原动机使用了微型和小型燃气轮机、内燃机及热气机等;系统设计有热电联供的、也有热电冷联供的。从装机规模上看,规模100KW以下的项目有5个,规模在100~500KW之间的有16个,规模500KW以上的有5个。从系统运行状态上看,正常运行的项目有18个,装机容量合计11817KW,占总装机容量的82.9%;用于教学试验的有上海理工大学和上海交大紫竹院等3个项目,装机容量合计180KW,占总装机容量的1.3%;已经停运5个项目,合计2258KW,占总装机容量的15.8%”。从项目的数量上来看,正常运行的百分比为70%,失败停运的为20%。由于上海市已建DER项目的总装机容量只有14.255MW,仅占目前国内开工建设的CCHP项目总装机容量(见表4)的0.1%不到,如果不合格率如此之高,显然是一件十分严重的事情,这应引起政府有关部门、能源和电力行业的警觉。

术语、定义和界定标准只是千里之行的第一步,对于技术复杂、涉及专业多、投资巨大的DDER/CCHP系统来说,要在我国取得全面成功,“路漫漫其修远兮”,还需全国上下齐心协力,共同努力。

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