分布式能源在构建应急供能体系中的作用

引言

在人类历史发展的进程中，突发事件及各种威胁始终存在，随着城市化加速，人类面临越来越多错综复杂的各类突发事件，影响能源安全的因素日益增多且有可能相互交织，如自然灾害、瘟疫、战争等对能源的应急供给和保障提出了挑战。

（来源：微信公众号“天然气分布式能源”ID：rqfbsny2012-7-4）

就近期重点发生在湖北武汉的新冠肺炎疫情，习近平总书记在中央政治局常委会强调：“这次疫情是对我国治理体系和能力的一次大考，我们一定要总结经验、吸取教训。要针对这次疫情应对中暴露出来的短板和不足，健全国家应急管理体系，提高处理急难险重任务能力。”李克强总理在国务院常务会议上也多次强调要保障煤电油气等能源供应，保证抗疫期间供电不间断。分布式能源靠近负荷中心、灵活高效、安全可靠，近年来得益于新能源技术、储能技术、信息控制、大数据和云计算等的飞速发展，在国内外也得到快速发展，可与集中电网有效互补，并在应急供能领域发挥重要作用。本文梳理了自然灾害、瘟疫等应急用能场景用能需求的特点，对分布式能源作为应急供能的可行性进行分析，并列举分布式能源在应急供能场景的应用案例。

一应急用能场景

1.自然灾害

中国发生的重要自然灾害，根据特点和灾害管理及减灾系统的不同可归纳为七大类：气象灾害、海洋灾害、洪水灾害、地质灾害、地震灾害、农作物灾害、森林灾害，每类又包含若干种。根据相关统计资料，1901到1910年间有记录的自然灾害次数为82次，但2003到2012年间的自然灾害却达到4000多次。

自然灾害发生频率和严重程度

随着能源技术的迅速发展，电力逐渐代替各类传统能源，使得正在发生极大变化的生产生活方式对电力的依赖程度越来越高。但电力系统容易遭受台风、洪灾、冰灾等气象灾害的影响，并导致各类“涉及环节多、灾害源多、损失巨大、影响面广”的突发电力事故产生。大面积停电事件的爆发，不仅对城市生产、公众生活造成多方威胁，还面临着因救援复电不及时、复电过程群众问题处置不当等可能造成的群体性事件，因此对大面积停电中的应急救援至关重要。  

2.瘟疫

从古至今，人类遭遇了无数的瘟疫，其中有些瘟疫特别严重，对人类影响巨大的如鼠疫、天花、流感、霍乱、非典以及当前的新冠肺炎等。总的来说，瘟疫是由于一些强烈致病性物质，如细菌、病毒引起的传染病，轻则影响经济发展，重则造成人口的大量减少，改变历史发展的进程。医院作为抗击疫情的一线主战场，对应急供能提出了更高要求，以此次新型冠肺炎疫情为例，医院原有的供电及供氧站是按照常规容量设计的，当面临疫情时，医院将以严重超负荷状态运行，对电力需求总量及稳定性要求极高，包括配电系统和变压器等负载不够导致电压下降或不稳定，而供氧需求是24小时，应采取包括改造配电系统，增加移动应急发电机组提升功率、扩充外部瓶装供氧气应急补充等办法。另外，医院除了电，还有冷、热、水、燃气及医用蒸汽等多种能源需求，用能时间长且对安全性要求极高。

二应急供能特点

1.突发性和紧急性

突发事件往往意外性很强，力度大、发展快、扩散效应明显，具有突发性、社会影响广泛等特点，如地震、台风、海啸、洪水及急性传染病等爆发性的灾害，会在极短或较短的时间内，或几分钟，或几小时，或几天，造成大量的人口伤亡和经济损失，必须在第一时间做出正确的应急反应和供能支持，以对事态进行有效控制。                

2.时空分布不确定性

当前突发事件发生的频率不断增加，种类和区域范围日趋扩大，许多突发事件无法准确预测，具有一定的偶然性，突然事件发生的时间、地点和规模等具有不确定性，用能需求的时空分布呈现高度随机性，在很大程度上增加了应急供能的难度和响应的时效性。应急能源及设施的储备需充分考虑随机性和分散性的特点，建立分区辐射、快速机动的应急供能体系和设施具有战略紧迫性和重大意义。

3.用能种类复杂多样

现代灾害日趋复杂多样，所涉及的应急能源供给需求不再局限于单一的电力，部分情况下会同时涉及油、气、水、冷、热、特种气体等多种能源应急供应，由于应急场景不同、资源禀赋差异性、区域分布与市场需求的非对称性，形成了突发事件的用能种类差异性特征，需同时供应一种或一种以上的能源，能源消费种类和结构的差异对不同地区应急供能体系的建设也有着不同的影响。

4.负荷需求短时高强度

突发事件的应急供能通常为临时性措施，因此用能时间持续较短，在短时间内呈现较为集中的高强度用能需求，如强风和短时高强度降雨会引发电力、通讯和交通设施受损等。不同类别的能源需求会在短时间内叠加，需进行应急抢险救灾，能源需求呈现短时高强度特征，供能一般在应急响应结束后恢复原有能源供应方式。

5.供能稳定高可靠性

随城市化和现代化程度的不断提高，突然事件的根源将更加复杂，能源中断的危害性会大大提升，应急供能场景通常已失去备用、保安电源，需保障关键性重要负荷的能源供应，在应急场景下已无法承担能源再次中断带来的生命财产损失，因此对供能系统的稳定性和可靠性要求很高。

6.供能环境严酷

突然事件现场具有一定的危险性，部分情况下存在次生灾害的风险，自然灾害等突发事件有时会遭遇极端天气情况，对应急供能设施的性能要求较高，需满足在极端气候情况下稳定供能的需求。

三分布式能源作为应急供能的优势

分布式能源因其安全可靠、运行灵活、响应迅速、建设周期短、模块化等特点在国内外得到大力发展，技术成熟性已得到广泛的项目验证。另外，分布式能源就近负荷端分散布置，可以耦合可再生能源形成分布式能源微网，构成能源生产、使用、存储、调度、控制的自平衡系统，相对独立运行，可实现天然气、风、光等各类分布式能源多能互补，并可根据需要与公共电网灵活互动。可对传统大电网形成有效的补充，在灾害多发地区的负荷中心建立分布式能源微网，可以提高供电备用，有利于故障后黑启动，提高电网整体抗灾能力和灾后应急供能。作为大电网的一种补充形式，在特殊情况下（例如发生地震、暴风雪、洪水、飓风等意外灾害情况），分布式能源微网可作为备用电源向受端电网提供支撑；同时，分布式能源微网系统可以迅速与大电网解列形成孤网独立运行，从而保证重要用户的不间断供电。在自然灾害多发地区，通过布置建设不同形式和规模的分布式能源微网，能够在发生灾害后迅速就地恢复对重要负荷的供电。

在发生应急用能需求时，能源微网是一个安全可靠的选择，尽管飓风、暴风雪等引起大规模停电，天然气分销网络不会中断，以天然气为支撑的分布式能源微网仍可以保证安全稳定的能源供应，除了供电，还可以提供冷和热等综合能源服务。即使在地震中天然气供应服务中断，分布式能源微网中的风电、光伏、本地储能等也能保证能源来源。

分布式能源除了上述这种常规的固定系统外，还有一种移动式分布式能源站。移动式分布式能源体积小，重量轻，机动灵活，能满足多种复杂路况下的道路通过；功率大，功率密度高，能够在一定范围内恢复必要的电力供应；环境适应性强，运行安全可靠，这些优势也可在应急用能需求中发挥重要作用。

移动电源可采用运输方式有多种，如货车、挂车或拖车运输，也可采用船运或空运。对于大功率轻型燃气轮机移动电源，可采用单元体模块化运输、现场快速组装的方式实现远距离调用。常见的移动分布式能源站包含车载移动式能源站和海上分布式能源站两种。据悉，位于多米尼加共和国普拉塔港的史密斯热电联产/安然工厂就是布置在船上的典型案例，该工厂的净发电功率为 185MWe，由一艘驳船上的76MW GE Frame 7 燃气轮机和另一艘驳船上的 118MWe 蒸汽轮机共同完成发电。

四 分布式能源在应急供能体系中的应用案例

纽约大学热电联产项目在美国发生大面积停电时提供不间断的能源供应，充分显示出其卓越的可靠性，并为抗险救灾做出贡献。

2012年美国东海岸因受到飓风“桑迪”的袭击而大面积停电，根据美国能源部的数据，共有21个州848万户停电。其中纽约曼哈顿成为受灾最为严重的区域，全城交通瘫痪、停电数天。纽约大学的分布式能源系统在此期间展示了出色的可靠性，不仅为校园提供了不间断的电力、制热和制冷，而且也成为纽约市政府紧急救灾指挥所、为校园所在地区的被迫撤离居民提供了所需的电、热、冷能源。

系统采取并网且上网方式，也可孤岛运行，当校园的电力需求较低时，多余电力可以出售给Con Edison公司（当地电力公司）。该系统平均运行效率达到75%左右，与传统的电网购电并使用燃气锅炉供热的方式相比，可节省27%的燃料，每年可为纽约大学节约超过500万美元的能源成本。该项目的节能减排效果也非常显著，每年可减排二氧化碳约43400吨，相当于减少超过4900户用电家庭的减排量。此外，通过就近供应电力，提高了供电安全的同时减少了现有输电及配电设施。

同样，在2008年发生的中国南方大规模冰雪灾害中，分布式能源也充分发挥出安全可靠的优势。据悉，2008年南方冰雪灾害造成直接经济损失1516.5亿元，其中很大一部分是由于电网大规模瘫痪造成的，贵阳和南昌在一片黑暗中仅有的亮光就来源于分布式热电厂。

昆山福伊特分布式能源站在极端天气市电电力供应异常的情况下满足工厂用能需求，保障工厂正常生产，避免企业停工及生产损失。实现了平时服务，灾时应急。

该项目为福伊特造纸织物（中国）有限公司提供电力、冷、热能源，满足其部分能源需求。项目于2013年9月交付投产，系统年综合能源利用效率可达80%，按正常工作时间计算每年可实现预计系统年运行经济效益118.3万元，可节约标准煤475.5吨，减排二氧化碳1214.87吨。2016年1月，百年一遇的极寒天气导致昆山电网大检修，市电电力供应严重不足，只保证不到100千瓦的照明及消防等应急用电额度。在此期间，分布式能源站满负荷运行，充分满足工厂的用电及用热需求，保障工厂正常生产运作，为企业挽回上百万的停工及生产损失。

昆山福伊特不仅有稳定的电力需求，而且其办公区全年有舒适性空调需求，其生产用辊子全年有交替冷、热需求，这为分布式能源系统提供了发挥空间。工程一期发电总装机容量为600kW，系统主要由1台燃气内燃机发电机组、1台热水补燃型溴化锂吸收式制冷机组、1台烟气/导热油换热器、多台水-水换热器、1套CCHP智能控制系统和水泵、阀组、冷却塔等组成。所发电力以并网不上网的方式接入工厂变压器低压端母排（400V侧），与市政电网一起满足工厂的电负荷需求，发电机组产生的电力全部由工厂自用；发电机组发电产生的高温冷却水夏季通过水/水换热器加热溴化锂空调热源水，热水补燃型溴化锂机组生产空调冷水，经地下管道输送至冷水水箱；发电机组发电产生的高温烟气通过烟气/导热油换热器加热导热油后再进入烟气/热水型换热器继续加热空调热源水，之后排出至室外。（资料来源：上海航天能源股份有限公司）

医院属于应急建筑，尤其成为这次抗击疫情的主战场，但应急建筑并不是“急中生智”那么简单，更多的是未雨绸缪。湖南妇女儿童医院分布式能源站结合医院用能特点，满足医院多种能源需求的过程中，充分显示出其供能稳定、安全可靠的优势。

湖南妇女儿童医院按国际JCI标准建设运营，提供互联网＋智慧医疗就诊体验及全生命周期管家式服务。医院规划总建筑面积40万平方米，规划床位1500张。其中一期建筑面积15万平方米，包含医疗综合楼以及后勤综合楼，医疗综合楼含地下建筑 2 层，门诊裙楼 4 层，住院塔楼 15 层，开放床位 350 张。

医院用能定位为高效、稳定、安全的分布式冷热电三联供系统，以燃气、市电双能源作为驱动能源，实现能源的灵活利用。

根据医院设计用能特点及定位要求，分布式能源站为医院一期提供冷、热（含卫生热水）、电及蒸汽供能服务。能源站机房独立设置，位于医院西北角地下室内。机房配置1兆瓦国外进口燃气内燃式发电机，为医院提供部分电力供应，同时与远大吸收式溴化锂余热机组匹配完成燃气发电机的余热利用。能源站采用了两台磁悬浮离心冷水机组，一台冷凝热回收式溴化锂直燃机及一台单热型直燃机，以满足医院全年空调冷、热及卫生热水的需求。另外，两台小型蒸汽锅炉为医院特殊区域提供消毒蒸汽等供能。同时采用远大智能化能耗监控平台实现主机与输配系统的优化运行。

分布式能源冷热电三联供系统在结合医院用能特点，满足医院用能需求的过程中，充分显示出其安全可靠的优势。分布式能源站在设计时增加了一路自发电系统，特殊情况下可以保证能源站及其它部分重要负荷供电。因此，可通过电力和燃气两种能源保障建筑能源供应，确保了用户的供电安全。同时，制冷设备既有燃气设备也有电空调设备，可互为备用。因此，采用冷热电联供系统，既减少了能源站的用电容量，又减轻了电网的供电压力，提高了供能的可靠性。另外，分布式能源亦可作为非常时期的能源供应设施，增强城市的防灾能力。本项目分布式能源采用燃气、电双能源制冷供热，能够减少对单一能源的依赖，一定程度上缓解能源危机的扩大，能源站独立设置，不易受意外灾害或突发事件的影响，具有抵御市政临时停电的风险。（资料来源：远大能源利用管理有限公司）

某酒店分布式能源系统

成都某度假酒店分布式能源系统既实现了机组在并网和孤岛模式之间的无扰切换，也实现了项目现场无人值守和远程巡检，可以在突发公共事件，工作人员不便进入项目现场的情况下保障用户用能。另外，这种模式还具有非常重要的推广价值，尤其在医院等重点负荷推广采用，可以在发生自然灾害或突发公共事件等应急场景时提供用能保障。

能源站一期安装一台装机容量为1165千瓦的中压燃气发电机组。额定工况下可回收热负荷为1226千瓦，可产95℃热水约35吨/小时。发电机组所发电力直接并入能源站开关站内10千伏母线，经降压变降压后供酒店使用。发电机组的余热回收采用板式换热器和烟气换热器串联形式，回收发电机组缸套水和烟气余热，实现总能源利用效率大于80%。由于酒店供电的可靠性较差，机组具备黑启动功能。

该项目的分布式能源系统除了采用集中监控系统，实现机组的就地和远程启停外，现场还设计安装了数据转发模块。通过模块将集中监控系统中的数据通过因特网实时发送至城市天然气分布式能源智能监测及综合服务平台。该平台将现场数据与监测中心有机联系起来，实现现场实时数据的采集和监测。同时该平台对系统的运行状况进行评价，通过负荷预测、能效分析、财务分析、节能与减排计算、故障诊断等功能来对比项目运行情况，给出项目最佳运行模式，得到最佳的运行方案。在已有数据的基础上服务平台还可建立优化模型，及时预测与发现系统的异常状态，为现场系统的可靠运行提供保障，这一装置大大方便了用户和维护人员的对现场情况的掌握。优化后的项目运行方案植入项目现场集控模块，实现了项目现场无人值守和远程巡检。

该项目在运行模式上，除了实现分布式机组通常要求的并网不上网功能同时，还需满足酒店孤岛运行的要求。实现孤岛和并网的无扰切换，即在孤岛和并网模式转换之间保证酒店的连续供电。机组通过对GCB和MCB的控制，配合自动甩负荷装置，实现机组在并网和孤岛模式之间的无扰切换。（资料来源：上海齐耀动力技术有限公司）

五 结语

在漫长的人类发展历史上，各类的天灾人祸是无法避免的经历。随着全球气候变暖，各种极端天气出现的频率越来越高，很多自然灾害的出现让人类措手不及，每一次灾难都考验着人类的应对能力，都提醒人类要不断总结和反思。面对本次突发疫情，我们有太多的工作需要完善。能源作为基础行业，关系到国计民生，关系到抗灾的成败，需要抓紧建立能源应急管理体系，并把其纳入到国家整个应急管理体系当中，更多地体现灵活高效以及安全可靠的供能服务保障。充分发挥分布式能源的优势，建设以天然气分布式为支撑的分布式能源微网，逐步形成区域能源微网，最终实现能源互联网。将分布式能源微网与现有突发公共事件应急系统集成，实现应急能源和信息的共享，构建协调互动的城市应急能源联动机制，将城市能源应急处理纳入城市总体应急管理体系之中。

（本文刊登于中国城市燃气协会分布式能源专业委员会主办的《分布式能源》2020年第1期/总第29期）