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国家973计划课题“太阳能与化石能源互补系统理论与方法”简介(上)
发稿时间:2014-01-23         作者:赵雅文 刘启斌 隋军          来源:分布式供能与可再生能源实验室     【字号:

  本项目面向国家在冶金、化工、建筑等高能耗行业的节能减排重大需求,针对科技部2009年度973项目申报指南中能源领域“多能源互补的冷热电联供系统基础研究”选题,开展相关基础研究。  

  一、发展先进供能系统是我国实施节能减排战略的重大需求 

 

  能源问题是制约我国经济和社会发展的长期瓶颈,实施能源可持续发展战略是解决我国能源问题的根本途径。传统供能方式存在效率低、污染重等问题,而分布式供能系统是一种先进的供能系统。其中,冷热电联供是分布式供能的主要形式,相比传统的热电联供,节能是其主要特点。在分布式供能系统中,如图所示,燃料燃烧释放出来的高温热能(9001200℃)首先通过先进的微小型动力设备发电,效率可以达到30%~38 ,其次,中温动力排烟余热(300500)和低温排烟余热(100300)可以利用吸收式制冷(热泵)等方式进一步转换和利用,难以转换的低温热再用于供热和生活热水,实现能的梯级利用。此外,还可以通过与可再生能源及环境能源互补利用等手段,进一步提升分布式供能系统的节能效果。 

  分布式供能系统还具有环保、经济、可靠和灵活等特点。由于分布式供能系统实现了对化石燃料的高效利用以及对可再生能源及环境能源的利用,与传统供能系统相比,每100kW的电力装机容量,每年可以节能78万吨标煤以上。我国5年内新增电力装机容量预期超过4亿kW,如果其中的15%~20%采用分布式供能系统,则每年节能6000万吨标煤以上,每年CO2减排1.6亿吨以上,SO2减排220万吨以上。 

  分布式供能系统还具有良好的经济性,其投资回收期一般在58年,甚至低至23年。分布式供能系统通常邻近用户灵活设置,与大电网互补,实现电力调峰,实现冷热电的多重保障供应,提高供能可靠性。尤其是应对类似2008年我国南方冰雪灾害和汶川地震等突发事件,能显示其优越性。同时,分布式供能系统适合应用多种燃料。分布式供能系统不仅可以采用天然气为燃料,还可以利用煤层气、城市煤气、焦炉气、炼厂气、沼气等可燃气,液体替代燃料(甲醇,二甲醚和F-T燃料等)以及生物质气化燃料等。分布式供能系统应用前景广阔,可用于满足石化、冶金等高耗能行业,以及工业园区、商业和民用建筑,可满足采暖、制冷、电力、热水和除湿等多种能源的联供需求。 

  与可再生能源结合的分布式供能系统处于能源可持续发展前沿,而可再生能源是未来能源系统的重要构成。可再生能源的主要特点是分散,特别适合于分布式供能系统。发展化石能源与太阳能、地热、环境能源多能源互补的分布式供能系统,是我国实现能源可持续发展的必由之路。 

  二、能源综合梯级利用是发展分布式供能系统的关键 

  目前国内分布式供能系统已有一些应用与示范,但由于微小型燃气轮机依赖进口,动力余热利用缺乏有效的利用手段,导致低温余热利用不充分,尚未有效体现能的梯级利用思想,缺乏有效的系统变工况调控手段。因此,现有分布式供能系统普遍存在节能率不够高,经济性不够理想等问题。为了推动分布式供能系统的发展,解决传统供能系统和当前分布式供能系统存在的缺陷,有必要研究新一代分布式供能系统的能源梯级利用的基础理论与技术。 

  在研究如何提高供能系统效率时,人们往往关注改进热力循环,以提高燃料燃烧后热能的利用程度,而忽视了直接燃烧造成燃料化学能作功能力的巨大损失。燃料化学能可以通过分级转化与间接燃烧等有序释放方式,有效利用一部分原本损失掉的作功能力,通过耦合燃料化学能转化与燃烧后的热力循环,可以实现综合梯级利用燃料化学能和热能。另一方面,将可再生能源、环境能源与化石能源有机结合,品位互补,可以进一步减少单一化石能源转化的作功能力损失;动态关联多能源输入与系统冷热电输出,以主动蓄能调控改善燃料热功转换,以及系统全工况性能,提升分布式供能系统的能源利用效率和对能源需求应对的灵活性。上述能源综合梯级利用与多能源互补的学术思想,将为构建新一代分布式供能系统奠定理论基础。 

  发展新一代分布式供能系统涉及到热功转换、余热利用以及可再生能源利用等关键过程技术,包括燃料转换、微小型动力机械、低品位余热制冷、热泵以及蓄能等。新型燃料转换和可再生能源利用技术体现着未来能源系统的特征:从几十千瓦到几兆瓦功率的高效微小型燃气轮机是分布式供能系统的核心动力;动力余热利用技术以及化石能源与可再生能源互补利用技术则是实现能的高效利用的关键。 

  《国家中长期科学和技术发展规划纲要 20062020 年)》(以下简称《纲要》)中的第一领域(能源)第一优先主题(工业节能)中明确强调发展能的梯级综合利用技术。《纲要》进一步将分布式供能技术作为与氢能、核能等并列的四项前沿技术之一。为贯彻实施《纲要》,科技部、国家发改委等部委积极推进分布式供能技术的研究与示范。这些工作为我国分布式供能技术的自主创新提供了良好研究基础和发展机遇。本项目的实施是对《纲要》规划的具体落实,也是对节能减排基础问题研究的推动,目标是实现多能源互补的分布式冷热电联供系统相关理论和技术的自主创新,并将带动能源与环境领域基础研究的跨越发展。 

 
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