日本分布式热电联产系统的应用现状及未来展望_任洪波

2015年第2期

ENEＲGYCONSEＲVATION（总第389期）—8—

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节能

日本分布式热电联产系统的应用现状及未来展望

11，22

吴琼，高伟俊任洪波，

（1.上海电力学院能源与机械工程学院，上海200090；2.日本北九州市立大学国际环境工学部，

日本北九州808－0135）

摘要：从应用布局和技术分布角度阐述了日本分布式热电联产系统的应用现状。医院是民用分布式热电联产系统的主要应用领域，而石化、制药行业则占据工业用热电联产的主导地位。就技术角度而言，燃气内燃机装机数量较大，燃气轮机贡献了主要容量，燃料电池则是未来重点发展方向。此外，从能源梯级利用的深度和广度两个层面，探讨了今后分布式热电联产系统集成的可能方案。关键词：分布式热电联产；现状；集成；展望；日本

+中图分类号：TK019

文献标识码：A文章编号：1004－7948（2015）02－0008－03

doi：103969/j．issn．1004－7948．2015．02．002

引言

分布式热电联产系统是一种建立在能量梯级

［1］

利用理念基础上的多联供总能系统。分布式热电联产系统起源于用户应急发电机并网发电，以保障供电安全；经过30余年的发展，围绕其本质内涵已引申出诸多外延，实现了安全、节能、降耗、减排、增效等综合功效，是包括发达国家和发展中国家在内的全世界各国推进节能减排、建设生态文明的重要途径之一。

日本是一个资源极度匮乏的国家，始终将“开源、节流”作为其能源政策的两大抓手，而分布式“节流”热电联产系统则是其战略的重要技术手段

［2］

之一。特别是2011年日本东北大地震后，面对电力短缺、温室气体减排、能源安全供给等多重压力，在整个国家能源战略中，布式热电联产系统作为可能解决这一系列困境的有力手段，被提升到前所未有的高度，有望迎来新的发展高潮期。为此，全面把握日本分布式热电联产系统的应用状况与未来发展趋势，不仅可以对日本未来能源战略有更深入理解，同时也可对我国分布式热电联产产业的发展起到一定启示作用。

1分布式热电联产系统在不同领域的应用现状

根据日本热电联产与能源高效利用中心的统计，截至2012年底，日本热电联产系统累计装机容量达到985万kW（占总电力装机容量的约3.4%），工业用系统779其中民用系统206万kW，万kW；总装机台数14423台，其中民用10098台，工业用4325台

［3］

。民用和工业用热电联产系统在

不同部门的应用状况分别如图1、图2所示。在民用领域，无论是台数还是容量，医院均为应用最广泛领域，分别占民生部门总量的26%和18%。另外，商场、宾馆、体育设施和饮食店应用也较多。区域供能系统一般采用规模较大的设备，平均容量达到2100kW，而饮食店则较小，平均容量只有9kW。

近年来，在民用领域，不需要专业运营人员的10kW以下设备，以及多台25～30kW机型并行系统逐渐增多，主要应用场合为可以充分利用余热的医院、体育设施、饮食店等。同时，在区域供热供冷系统中，设置10MW级的超大型联产系统，在充分利用余热的同时，本地发电还可使用电制冷机制冷。需特别指出的是，作为近年来在日本受到重点关注的家用热电联产系统并没有列入图1中。目前，日本家用微型热电联产系统主要有两大主导机1kW的家用燃气内燃机（Ecow-型。在2002年底，

ill）投放市场，截至2011年底，已售出约11万台；

基金项目：上海市科委部分地方院校能力建设项目（项目编号：

13160501000）；上海高校特聘教授（东方学者）岗位计划

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始发售，到2013年底已销售约5.3万台。虽然家用

［4］

燃料电池技术起步较晚，但今年以来发展较快。

少，只有民生领域的约43%，但总装机容量约为民

生领域的3.8倍。就装机台数而言，食品和饮料行业相对较多；但从容量的角度，石化和制药行业则占主导地位。另外，就单机容量而言，能源行业最大，达到了6724kW，而食品与饮料行业则只有794kW，一般均在1000kW以上。2各类热电联产技术现状

目前，日本热电联产市场上主要应用机型是燃气内燃机（GasEngine）、燃气轮机（GasTurbine）和柴油机（DieselEngine），另外还有少量蒸汽轮机（SteamTurbine）和燃料电池（FuelCell）。不同类

图1

民用热电联产系统的应用现状

型联产技术在民生和工业领域的装机台数和装机容量分布图分别如图3、图4所示。无论从台数还是容量的角度，燃气内燃机均为民用领域的主导机型（约占总数的75%，总容量的44%），其次为柴油机和燃气轮机。在工业领域，柴油机的总台数较多，但燃气轮机的容量更大，这也说明燃气轮机的单机容量一般都较大（见图5）。整体而言，燃气内燃机是当前最为普及的热电联产技术，其装机台数占全日本分布式热电联产系统总装机台数的近62%。然而，在热电联产领域，蒸汽轮机和燃料电

池的应用较少（不足1%）；这是由于目前蒸汽轮机都适用于大型电站，而燃料电池技术尚未成熟，而且价格较昂贵

。

与民用领域相比，工业领域的总装机台数较

图3（装机台数

）

图4（装机容量）

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节能

图5

不同热电联产技术的应用状况平均单机容量）

3分布式热电联产系统集成方式的展望

分布式热电联产系统是一种典型的系统节能

技术，

因此系统集成技术是决定联产系统性能的关键所在。从早期的热电联产到冷热电三联产，分布式热电联产系统的能源梯级利用理念得到了进一步深化。要想进一步发掘热电联产的节能潜力，一方面可以从能源梯级利用的深度层面进一步突破；另一方面可以从能源利用的广度层面进一步拓展。为此，日本官产学各界针对当前分布式热电联产系统应用过程中所凸显出的典型问题，在联产系统集成领域推陈出新，提出了极具创新意义的系统集成理念和方法。

3.1CHP-OＲC耦合系统

分布式热电联产（CombinedHeatandPower，CHP）系统应用过程中一个关键问题就是余热的充分利用。由于供给侧热、电生产与需求侧热、电负荷并不能完全匹配，系统所产生余热往往不能被充分利用，而热量的储存与再利用又不可避免会产生一定损失。作为一种回收低品位热能的有效技术

途径，有机朗肯循环（OrganicＲankineCycle，OＲC）发电系统可以将低品位热能转化为高品位电能，实

现低温余热的高效、高质利用。其原理是通过加热源（余热）对沸点较低的有机工质进行加热，使其蒸发，进而推动涡轮机做功。CHP－OＲC耦合系统示意图如图6所示。热电联产系统与有机朗肯循环发电系统的耦合应用是能源梯级利用理念的进一步深化与发展，提高了一次能源向高品位电能的转化效率

。

图6CHP-OＲC耦合系统示意图

3.2热电可调型分布式能源系统

对于分布式热电联产系统而言，如何调整供给侧热、电产出，以适应需求侧热、电负荷的动态变化，是确立其高能效优势的关键一环。通常热电联产系统是一种单输入多输出型供能系统，可同时满足电能和热能两类不同品位的能源需求。另一方面，系统产生的高品位电能又可以通过电动热泵转

化为冷、热等低品位热能。热电可调型分布式能源

系统如图7所示。当冬、夏季热（或冷）需求较大时，可以通过电动热泵和吸收式冷温水机同时供应热负荷；而当春秋季热负荷较小时，热电联产系统产生的电能则直接用来满足电力负荷。通过电动热泵这一中间转换设备，可以实现热电联产系统热、电产出的动态可调，以适应需求侧负荷变化，提高系统综合能效

。

图7热电可调型分布式能源系统

3.3多能互补分布式能源系统

从短期来看，可实现能源梯级利用的热电联产系统是最分布式能源最具可行性的应用方案；但以天然气为主要燃料的分布式热电联产系统不但会

产生一定量的CO2排放，其NOx排放更是不容忽视的大气污染物。另一方面，从长期来看，以太阳能、风能为代表的可再生能源无疑是可持续发展与低碳社会的终极解决方案。因此，各类分布式能源技术均各有优劣，要实现可持续的低碳社会，依靠单独一种能源技术是无法实现的。为此，耦合传统热力发电技术与可再生能源技术的多能互补型分布式能源系统（见图8）成为分布式能源发展的重要方向之一

。

图8多能互补分布式能源系统

太阳能、

风能等可再生能源随时间、季节以及气候条件变化而变化，而人类社会对能源的需求是

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中航工业碳减排潜力分析

李金芝，王明珠

（中国航空规划建设发展有限公司，北京100120）

摘要：将能耗数据统计分析后，折算碳排放量，从产业和工序环节的角度梳理了中航工业碳排放特点，并结合碳总量和碳强度数据对中航工业碳减排潜力进行研究。研究表明：机械制造业是中航工业重点减排产业，其碳排放总量大，碳强度高于行业标准，减排潜力在42.04%～61.36%；而动力站、试飞试车、锻压和机加为重点碳排放工序。调研结果显示：中航工业所属企业中的9家企业碳减排潜力较大，可作为参与碳交易的重点关注企业。关键词：碳总量；碳强度；机械制造；减排潜力

+

中图分类号：TK018

文献标识码：A文章编号：1004－7948（2015）02－0011－05

doi：103969/j．issn．1004－7948．2015．02．003

引言

自2007年以来，中国已经超过美国成为全球第一大二氧化碳排放国

［1］

是建设低碳经济的主导环节

［3］

。

目前，中航工业被列为国资委能耗和排放关注类企业，在北京市碳交易试点工作中，有2家单位被强制纳入碳排放权交易主体

［4］

。我国“十二五”规划中

［2］

。为尽快应对未

明确提出要逐步建立全国性碳排放交易市场。

来可能面临的全国性碳交易市场建设，以调研历史能耗数据为基础，依据适宜的碳排放量折算方法对调研数据统计分析，梳理中航工业碳排放特点，并结合碳总量和碳强度数据分析中航工业减排潜力，为今后碳交易工作的深入和全面开展奠定基础。

碳交易是把二氧化碳排放权作为一种特殊商品进行交易，通过碳交易机制，鼓励企业积极实施减排措施，使减排成本最小化。据统计，我国碳排放的主要来源是工业排放，并且具有较大的减排空间，



热电联产系统应用过程中所面临的技术瓶颈，故将可再生能源与化石能源进行互补基本连续的，

利用是解决可再生能源不连续，促进可再生能源发

展应用，同时缓解化石能源紧张、减少环境污染的有效途径。近年来，随着人们对多能互补理念认识和解读的日益理性和深入，除了能促进可再生能源与化石能源的互补利用，多能互补分布式能源系统通过自耦合优化以降低系统对电网冲击的功能也逐渐凸显。4结语

由于具有大量稳定的热能需求，医院是日本民用分布式热电联产系统的主要应用领域；而石化、制药行业则是工业热电联产系统的主要用户。就技术角度而言，燃气内燃机和燃气轮机占据当前日本分布式热电联产产业的绝对主导地位，而燃料电池则有望成为新生主力军。为了突破当前分布式

CHP-OＲC耦合系统、热电可调型分布式能源系统、多能互补分布式能源系统不失为有效解决方案。参考文献

［1］林汝谋．能的综合梯级利用与燃气轮机总能系金红光，

M］．北京：科学出版社，2008．统［

［2］段洁仪．日本燃气热电项目的发展［J］．国际电力，

2002，6（4）：35－37．［3］一般財団法人コージェネレーション·エネルギー高

EB/OL］．http：//www．ace．or．jp，2014度利用センター［

－06－22．［4］任洪波，高伟俊，等．日本家用微型热电联产系统吴琼，

．应用能源技术，2013，发展现状及对我国的启示［J］

（11）：1－6．博士，教授，作者简介：任洪波（1982－），男，江苏如皋人，

从事新能源与分布式能源系统相关研究工作。收稿日期：2014－07－07；修回日期：2014－09－24

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檾EnergyConservation（Monthly）

檾Sponsor：LiaoningProvincialInstituteofScienceand

檾TechnologyInformation

檾Publisher：EnergyConservationMagazinePublishing

檾檾House

檾ChiefEditor：JINNa

檾Address：LangYueStreetNo．2A，HunnanDistrict，Shen-檾yangCity，LiaoningProvince，China檾PostCode：110168

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CONTENTS

Feb．2015Vol．34，No．2TotalIssueNo．389

Comparison（SchoolHANadsorptionanddevelopmentofabsorptionandChao-typelin，ZOofUsolarLin-refrigerationjiang，YANDa-techniquewTechnologyofEnergyAndei，etal

，MEnvironmenta'anshan243000，AnHuiU，Chinaniversity）

of

Abstractsearch：structureobjectThe，fromsolartheabsorptionworkingprincipleandadsorption，refrigerationasthere-

andsystemcomparisonandmulti-ofeffectormulti-bedsystemrefrigerationcomprehensiveworkinganalysis

pairs，

sultsandshowandthattheindevelopmentmeans，toimproveadditiontotrendtheuseinthemethodoftwokindsofCOPofthemixedfuturesolutionarediscussed．There-systemtheKeywordscanpolymerizationalsoheatcollector，usingmulti-effectasandworkingmulti-pairbed：goodenhancethetworefrigerationefficiency．

solarenergy；refrigeration；absorption；adsorption；COP

4

Currentstatusandfutureprospectofdistributed

（CollegeＲENcogenerationsystemsinJapanUniversityofEnergyHong-boofElectricand，WUPowMechanicalQiong，GAOWei-jun

er，ShanghaiEngineering200090，，ChinaShanghai）

AbstractpanThehaswhilehospitalbeen：ThecurrentstatusofdistributedcogenerationsysteminJa-

isanalyzedthemainfromtheapplicationapplicationfieldofandcivilcogenerationtechnicalviewpoints．system，trialcogenerationpetrochemicalpointsystem．andpharmaceuticalOntheotherhandindustry，fromdominatesthetheindus-thefuture．main，thenumberofgasengineisthelargest，gasturbinetechnicalcontributesview-zationIncapacityaddition，，andfromfuelthecellisthekeydevelopmentdirectioninthediscussed．

，thepossiblemeasuresdepthofdistributionandbreadthcogenerationofenergyintegrationcascadeutili-areKeypect；Japan

words：distributedcogeneration；currentstatus；integration；pros-8

Analysisoncarbon（ChinaAviationLIaviationemissionreductionpotentialsin

Jin-zhi，industryWANGofChinaCo．Ltd．Planning，Beijingand100120ConstructionMing-zhu

，China）

Development

Abstractsionmissiontrading：Inmarketresponse，inthistothepaperconstructionweofanationalcarbonemis-analyzedthecarbonamountaccordingtothesurveyresearchedenergytheconsumptioncorrectedcarbondata，ande-（processes．AVIC）fromtheemissionperspectivesfeaturesofindustrialofaviationsectorindustryandofChinastudiedThebasedInadditiononboth，totalthecarboncarbonemissionreductionpotentialsproductionareinginresearchAVICshowsisgreaterthatthanthecarbonemissionotherindustriesemissionandandofmachinerycarbonintensitythecarbonmanufactur-data．intensityof

it42．isrun04%highersionandflight～61．than36%theindustrialstandard，withthereductionpotentialoftest，forging．Astotheandproductionmachiningprocesses，thepowerstation，9carboncompaniesprocesses．ofWithAVIChighwhichcarbonmeritemissionspecialreductionarethemajorattentionpotentialcarboninparticipating，thereemis-areinKeyturingwordstrading．

；carbon：carbonemissionemissionreduction；carbonpotential

intensity；machinerymanufac-11

Studyenergyandapplicationoftheevaluationindexsystem（DalianHuinonHAOefficiencyHai-Technologybo，forLUaYong-manufacturingCo．Ltd．li，SO，DalianNGXiao-enterprises

of116023lei

，China）Abstractcyanalyticisestablished：Thefour，basedlevelsontheevaluationprincipleindexofindexsystemsystemofenergy，byefficien-

indexpersystemhierarchy，isnotprocess．limitedThetoproposedtheenergyefficiencyevaluationusingthe

andunittooperationofproductindexes，butgraduallyextendedindicatorstooftheenergyprocessconsumptionparametersenergyenterpriseKeyefficiency．

，tomoreaccuratelytoanalysemoreidentifydetailedthekeydevelopmentinfluenceconducivefactorsofcy；indexwordssystem

：manufacturingenterprise；evaluationofenergyefficien-16

Performancenon-analysisofan（InstituteZHOlinearUvariableofJun-Thermalle，CHENspecificair-standardLin-heatsgen，SUofworkingLenoircycleNFeng-rui

fluidwith

WuhanScience430033and，ChinaPow）

erEngineering，

erAbstract：Tomakethethermodynamicanalysisofacyclemuchclos-

Lenoirtopracticalworkingcycleengineering，athermodynamicmodelofanair-standard

andfluidwithanditsthetemperaturenon-linearisrelationestablishedbetween，andspecifictheheatsof

modynamicefficiencymodynamictheorycharacteristicsandmethodareinresearchedthisbyusingtheclassicalworkoutputther-specificworkingheatsperformancesofworkingoffluidair-standardpaper．LenoirComparingcyclewithwiththeconstant

ther-linearfluid，itshowsthattheinfluencesandlinearofvariableworkingspecificfluidwithheatsofKeyvariablenon-words：specificheatsonthecycleperformancesareobvious．non-classicalthermodynamics；air-standardteristics

linearvariablespecificheats；workoutputandefficiencyLenoircharac-cycle；19

ThermogravimetricandpyrolysiskineticTAN（Gofelmwood

analysis

SchoolMing-tian，MADe-peng，ZHANGGuo-kai，etal

JianzhuofthermalUniversityenergy，Jinanengineering250101，China，Shandong

）

studyAbstractofbiomass．：ThermalUsinggravimetricanalysisisanimportantmethodinthe

experimentalminanalysisatthisdifferentmethodheatingonelmwoodrates（，10through、30、pyrolysis

tics）woodof，gettheTG-DTGcurvestoinvestigatethepyrolysischaracteris-50、80℃/bonizationareelmwood．dividedTheintoresultsthreestagesshow，dehydrationthatthepyrolysisprocessofelm-perature；withtheincreasingofheatingrate，the，volatilemajorpyrolysispyrolysis，tem-car-weightrithmlossrangerateexpansionrose；while，thetakingtemperatureadvantagecorrespondingofLyonintegrationmaximumIndicatingforsolvingysisarrheniusthefirst-activationorderenergyof78.47～－271.58kJ/mol．algo-Keyreactionintegrationwordshassingle-stepreactionwithbiomasspyrol-algorithm

：goodlinearity．

elmwood；thermalgravimetricanalysis；pyrolysis；lyon24

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rfdj.html