張 松 偉

天然氣分布式能源發(fā)展研究

張 松 偉

（中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司， 河南 濮陽 457001）

天然氣分布式能源系統(tǒng)，是高效利用天然氣能源的綜合系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了天然氣分布式能源系統(tǒng)的工作原理及分類，分析了該系統(tǒng)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。我國天然氣分布式能源系統(tǒng)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)是缺乏系統(tǒng)的規(guī)劃和完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

天然氣；分布式能源；冷-熱-電聯(lián)供

近年，世界各國都將提高能源利用效率促進(jìn)清潔能源發(fā)展作為能源優(yōu)化結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要戰(zhàn)略方向。分布式能源作為科學(xué)高效用能方式蓬勃發(fā)展，得到廣泛重視和應(yīng)用，成為能源產(chǎn)業(yè)的一個重要發(fā)展方向。分布式能源是近年來興起的利用小型設(shè)備向用戶提供能源供應(yīng)的新型能源利用方式。天然氣電、熱、冷三聯(lián)供系統(tǒng)是目前典型的分布式能源利用方式，在發(fā)達(dá)國家已得到比較廣泛的推廣利用，在我國仍處于起步階段[1]。

黨的“十八大”報(bào)告把生態(tài)文明建設(shè)列入中國特色社會主義總體布局，提出建設(shè)美麗中國的新要求。因此，因地制宜發(fā)展天然氣分布式能源，積極推進(jìn)天然氣高效利用，對于推動能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，促進(jìn)資源節(jié)約、節(jié)能降耗，緩解大氣環(huán)境壓力，解決當(dāng)前愈演愈烈的霧霾污染，意義重大[2]。

1 國內(nèi)外天然氣分布式能源發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代末，天然氣冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)首先在美國發(fā)展起來，由于對能源實(shí)現(xiàn)了高效利用，西方國家迅速大規(guī)模推廣。截止到2010年，美國分布式能源站6 000多座，總裝機(jī)更是達(dá)到9 200萬kW，占全國發(fā)電量14%；日本熱電（冷）聯(lián)供項(xiàng)目總量達(dá)到了8 000多個，總裝機(jī)量達(dá)944萬kW，占日本全國電力總裝機(jī)容量的近3.4%；2008年歐盟27國全年發(fā)電總量為370.1萬億度，其中熱電（冷）聯(lián)供裝機(jī)容量為1.002億kW，占總發(fā)電量的 11.0%，其中，荷蘭和丹麥的分布式能源所占比重最大，分別接近全國總發(fā)電量的40%和50%。

我國的天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)剛剛起步。國內(nèi)天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展近年快速發(fā)展，天然氣管網(wǎng)不斷完善，天然氣利用水平穩(wěn)步提升，但是作為天然氣高效利用的分布式能源技術(shù)在我國尚處于起步階段。目前，全國電力總裝機(jī)規(guī)模11.4億kW，其中燃?xì)獍l(fā)電 3 827萬 kW，占發(fā)電總裝機(jī)的比例為3.35%，天然氣分布式能源站裝機(jī)規(guī)模更小，約500萬 kW，且主要分布在北上廣等大中型城市，我國典型的天然氣分布式能源項(xiàng)目以上海浦東國際機(jī)場、湖南長沙黃花醫(yī)院、北京燃?xì)獯髽堑葹槔?。這些項(xiàng)目建設(shè)較早，這些項(xiàng)目已經(jīng)體現(xiàn)出了良好的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會綜合效益。

2 分布式能源系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

分布式能源系統(tǒng)具有種類繁多、能源來源廣泛等特點(diǎn)，其中以燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)為核心的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為代表，還包括新型燃料和電池可再生能源等組成的綜合能源利用系統(tǒng)。以天然氣和先進(jìn)的燃?xì)猓ㄕ羝┹啓C(jī)、溴化鋰空調(diào)為基礎(chǔ)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是現(xiàn)代較為成熟的分布式能源系統(tǒng)。

天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的核心是燃機(jī)設(shè)備和發(fā)電設(shè)備，包括燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等。此外還包括重要的余熱利用設(shè)備，如：吸收式制冷機(jī)、余熱鍋爐、電制冷機(jī)、換熱裝置、燃?xì)忮仩t等。

分布式能源系統(tǒng)的基本原理是利用熱工設(shè)備產(chǎn)生的高品位的蒸汽或燃燒動力設(shè)備驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電或利用燃料電池以及各種可再生能源技術(shù)供電，同時冬季利用抽汽或排汽向用戶供熱，夏季利用余熱吸收式制冷機(jī)向用戶供冷以及提供衛(wèi)生熱水或其他用途熱能。

2.2 技術(shù)方案分類

天然氣分布式能源系統(tǒng)技術(shù)方案的分類詳見表1。

表1 技術(shù)方案詳表Table 1 The technical scheme

2.3 天然氣分布式能源的適用條件

天然氣分布式能源系統(tǒng)主要應(yīng)用在滿足以下全部或部分條件的場所[3]：

（1）有較為穩(wěn)定的（冷）熱負(fù)荷；

（2）有利的上網(wǎng)電價(jià)和天然氣價(jià)格；

（3）較為嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)要求；

（4）需要有事故備用電源；

（5）天然氣供應(yīng)能力充足。

2.4 天然氣分布式能源系統(tǒng)的分類

天然氣分布式能源系統(tǒng)按使用范圍可以分為區(qū)域式和樓宇式兩種。區(qū)域式分布式能源系統(tǒng)是指在各種工業(yè)園區(qū)、科技園區(qū)、大學(xué)城等人口相對密集、且地理較大的區(qū)域所建設(shè)的冷熱電能源供應(yīng)中心。樓宇式分布式能源系統(tǒng)是指以建筑物為服務(wù)對象所建設(shè)的冷熱電供應(yīng)系統(tǒng)，如寫字樓，商場，醫(yī)院等。

公用事業(yè)機(jī)構(gòu)：其特點(diǎn)為滿足公共事業(yè)、服務(wù)居民生活。采用分布式能源站不僅減輕電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，同時可以作為備用電力供應(yīng)，保障其穩(wěn)定運(yùn)行。城市商業(yè)中心或企業(yè)：集中的商業(yè)區(qū)域，有大量高層商業(yè)建筑，具有較為穩(wěn)定的熱電冷需求，適宜建立集中供熱供冷的分布式能源站。產(chǎn)業(yè)集中的工業(yè)園區(qū)：其特點(diǎn)為能耗大、對電力需求大，用能時間長，采用分布式能源站可降低能源成本、提高效益、減輕電網(wǎng)負(fù)擔(dān)。新開發(fā)的城區(qū)和大型的樓盤開發(fā)項(xiàng)目：在新開發(fā)的城鎮(zhèn)和新型農(nóng)村社區(qū)，減少直燃供暖以及分體式或窗式空調(diào)，積極采用分布式能源站提供電力、供冷、熱負(fù)荷、蒸汽等。

樓宇式分布式能源一般采用微燃機(jī)+溴化鋰機(jī)組方案與燃?xì)獍l(fā)動機(jī)+溴化鋰機(jī)組方案，區(qū)域式分布式能源系統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)+余熱鍋爐+溴化鋰機(jī)組方案與燃?xì)廨啓C(jī)+汽輪機(jī)+余熱鍋爐+溴化鋰機(jī)組方案。一般來說，以經(jīng)濟(jì)效益為主要目標(biāo)的分布式能源項(xiàng)目，投資回收期不宜超過12 a[4]。其他類型的分布式能源項(xiàng)目，如調(diào)峰天然氣電廠、保障民生為主的項(xiàng)目、追求環(huán)境和社會效益為主的燃?xì)忸愴?xiàng)目，根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)劃適當(dāng)建設(shè)。

3 社會效益和經(jīng)濟(jì)效益影響評價(jià)

3.1 社會效益影響評價(jià)

天然氣分布式能源系統(tǒng)采用能源梯級利用的原理，將高品味能量和低品位能量綜合利用，有效提高了能量利用效率，其節(jié)能減排效果明顯，對于保護(hù)生態(tài)環(huán)境、改善生活質(zhì)量，提高居民健康水平具有重要作用。

（1）環(huán)保節(jié)能并舉

天然氣分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能效高，一般都可達(dá)70%以上。該系統(tǒng)采用的燃料主要是天然氣，是清潔產(chǎn)能系統(tǒng)，具有很好的環(huán)保性能，排放指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，是目前最環(huán)保高效的能源供應(yīng)方式之一。

天然氣分布式能源系統(tǒng)在降低 SOx、NOx、COx等污染物的排放方面潛力很大。與燃煤的熱電分產(chǎn)相比，CO2排放量可減少 1/3左右，SO2減少接近100%，NOx減少約80%，固體顆粒排放幾乎為零[5]。這是解決現(xiàn)今各地區(qū)pm2.5指數(shù)高、霧霾天氣嚴(yán)重等問題的有效途徑。

（2）高品質(zhì)城市功能

天然氣分布式能源的供電、供冷、供熱都是高品質(zhì)的服務(wù)，可以滿足高品質(zhì)的功能需求。規(guī)劃重點(diǎn)的工業(yè)園區(qū)項(xiàng)目偏離原有城市中心較遠(yuǎn)，供能條件不優(yōu)越且不穩(wěn)定，極大限制了一些省、市級工業(yè)園區(qū)的發(fā)展，同時經(jīng)濟(jì)新區(qū)建設(shè)步伐快速邁進(jìn)，冷熱電的供需矛盾日益嚴(yán)重，集中供暖問題尤為突出。天然氣分布式能源完全有能力彌補(bǔ)傳統(tǒng)供電、供熱的缺口。

（3）帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

天然氣分布式能源的發(fā)展促進(jìn)電力、天然氣服務(wù)、燃機(jī)等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，改善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，提高產(chǎn)品附加值，培育新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，對相關(guān)產(chǎn)業(yè)群體將會產(chǎn)生重大和深遠(yuǎn)的影響。配套管道工程建設(shè)將采用大量的材料和設(shè)備，有利于帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。這些都將增加新的就業(yè)機(jī)會，產(chǎn)生更多產(chǎn)業(yè)價(jià)值。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益影響評價(jià)

天然氣分布式能源系統(tǒng)主要有三種產(chǎn)品：電、熱、冷。三種產(chǎn)品均可產(chǎn)生效益，但是由于市場條件不完善和機(jī)制不成熟，盲目發(fā)展容易造成某些天然氣分布式能源系統(tǒng)高成本、低回收。

不同的地域和建筑物，通過優(yōu)選技術(shù)方案，才能形成效益。對技術(shù)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價(jià)時，可采用動態(tài)投資回收期法、現(xiàn)值法、內(nèi)部收益率法、費(fèi)用年值法等。在目前氣價(jià)高、電價(jià)低的形勢下，國內(nèi)很多項(xiàng)目的資金回收年限都在10 a左右。

影響分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的主要因素為冷、熱、電以及天然氣價(jià)格。根據(jù)分布式能源系統(tǒng)特性，供熱（冷）天數(shù)較長，供熱（冷）負(fù)荷較大，系統(tǒng)的能源利用率較高，經(jīng)濟(jì)效益較好，一般要求供熱時間大于4 000 h/a。低于3 000 h/a的能源站機(jī)組利用率較低，投資回收期長，甚至可能虧損?？筛鶕?jù)建筑設(shè)計(jì)院和供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊上提供的數(shù)據(jù)來分析冷、熱、電以及天然氣價(jià)格對其經(jīng)濟(jì)性的影響。

天然氣分布式能源系統(tǒng)綜合社會效益突出，其經(jīng)濟(jì)效益主要受市場燃料與用電價(jià)格（電價(jià)、氣價(jià)、熱價(jià)）的影響，其推廣需要一定的優(yōu)惠政策，必要時政府可給予一定的財(cái)政補(bǔ)貼或貸款準(zhǔn)入、稅收方面的優(yōu)惠。

4 天然氣分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)

4.1 優(yōu)勢

國家自 2010年開始推廣天然氣分布式能源系統(tǒng)工作。2011年10月9日，國家發(fā)改委、財(cái)政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》，明確指出：“十二五”期間建設(shè)1 000個左右天然氣分布式能源項(xiàng)目，建設(shè) 10個左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域，到2020年，在全國中型規(guī)模以上城市推廣使用分布式能源系統(tǒng)，裝機(jī)規(guī)模達(dá)到5 000萬kW，初步實(shí)現(xiàn)分布式能源裝備產(chǎn)業(yè)化。

天然氣分布式能源已經(jīng)成為中國能源戰(zhàn)略關(guān)鍵一環(huán)，對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、解決當(dāng)前愈演愈烈的霧霾污染有著重要的意義。與煤炭和石油相比，天然氣是一種非常清潔的能源，不僅碳排放低，而且污染物排放少。大力推廣天然氣的使用，對于保護(hù)生態(tài)環(huán)境、提高居民健康水平具有重要作用。但是，我國能源消耗大、天然氣資源不足，最大限度地提高能源的利用效率，特別是天然氣的利用效率是當(dāng)務(wù)之急。分布式能源對天然氣的利用率高，是目前最高效的利用途徑。此外，天然氣分布式能源建設(shè)、運(yùn)行、管理、服務(wù)的延伸，可以帶動較大數(shù)量的裝備生產(chǎn)和就業(yè)，對振興裝備制造業(yè)具有積極意義。

（1）能源綜合利用率高，減少了能源浪費(fèi)

在目前技術(shù)水平下，集中供電方式的能源利用率可以達(dá)到40%～58%。分布式冷熱電三聯(lián)供其能源利用率可達(dá)80%以上。天然氣分布式能源系統(tǒng)通過燃?xì)廨啓C(jī)等驅(qū)動發(fā)電設(shè)備將30%～40%的能量轉(zhuǎn)化為電能，剩余能量用來制冷、制熱或直接供熱，從而實(shí)現(xiàn)能量的梯級利用，提高能源利用效率。

（2）具有削峰填谷作用，利于改善能源結(jié)構(gòu)

電力部門根據(jù)用電負(fù)荷特性按照滿足夏冬季用電高峰配置發(fā)電和輸配電設(shè)施，在春秋季和節(jié)假日用電低谷時，發(fā)電和輸配電設(shè)施能力無法充分發(fā)揮，利用率降低。對于天然氣生產(chǎn)部門，夏季因用氣量需求量減少需要采取調(diào)峰措施，否則氣田需適當(dāng)關(guān)井限產(chǎn)，輸氣量降低，導(dǎo)致效益降低。采用天然氣分布式能源系統(tǒng)，增加夏季的天然氣使用量，不僅可以調(diào)節(jié)天然氣季節(jié)峰谷差過大的問題，而且可以緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力。

（3）具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益

由于能源高效利用，余熱供冷供熱與發(fā)電成本共擔(dān)，三聯(lián)供系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。天然氣分布式能源不但將部分高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為用途廣泛的電能，而且利用中溫?zé)崮茯?qū)動溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組，將部分環(huán)境中的熱能提升溫度，轉(zhuǎn)化為可以利用的熱能，同時實(shí)現(xiàn)對局部環(huán)境的降溫。分布式能源電能“就地直供”，可以減少輸電線損，同時大大減少能源消耗。與傳統(tǒng)能源供應(yīng)方式，天然氣分布式能源系統(tǒng)二氧化碳、NOx、SO2排放大大減少，在目前碳排放壓力日增的國內(nèi)形勢下，發(fā)展分布式能源具有積極意義[6]。

（4）提高能源供應(yīng)的可靠性

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備安裝、運(yùn)行簡單、便捷，安全性顯著增加。對于學(xué)校、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心等需要備用電源的用戶，分布式能源和電網(wǎng)可以一起多電源保障電力供應(yīng)，可以大幅度提高建筑物電力供應(yīng)可靠性。先進(jìn)的分布式能源系統(tǒng)甚至可以將供電機(jī)組模塊化，單個模塊也可以靈活開停。

4.2 面臨的挑戰(zhàn)

（1）缺乏標(biāo)準(zhǔn)與系統(tǒng)規(guī)劃

國家目前尚未對天然氣分布式能源制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)規(guī)范，分布式能源系統(tǒng)的大規(guī)模利用還有很長的路要走。國內(nèi)一些企業(yè)雖然對建設(shè)天然氣分布式能源站積極性較高，但由于沒有相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)統(tǒng)籌規(guī)劃和行業(yè)準(zhǔn)入規(guī)范，項(xiàng)目布局存在很大的盲目性，生產(chǎn)經(jīng)營有較大的風(fēng)險(xiǎn)。對此種新型功能體系，各地區(qū)認(rèn)識普遍不夠全面，在無標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)規(guī)劃的情況下很難實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性突破，需要根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情況和能源配套要求進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃和研究，加強(qiáng)宏觀布局和管理，引導(dǎo)市場規(guī)范有序發(fā)展。

（2）相關(guān)部門缺乏協(xié)調(diào)

目前，天然氣分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展除受資源制約外，還需要多方協(xié)調(diào)，避免電、熱、冷的供應(yīng)與已有的供電、供熱、供冷體系產(chǎn)生沖突。對于天然氣分布式能源項(xiàng)目的政策支持，也需要能源、財(cái)政、土地、規(guī)劃等部門的協(xié)調(diào)推進(jìn)。天然氣分布式能源站點(diǎn)的布局需要合理統(tǒng)籌推進(jìn)，使之發(fā)揮更大的效益。

（3）未形成系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈

天然氣分布式能源是涉及建筑設(shè)計(jì)、供熱（冷）、發(fā)電及調(diào)度等的新型交叉行業(yè)，國內(nèi)在這方面起步較晚，相關(guān)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱、人才缺乏。一些關(guān)鍵設(shè)備尚未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)主要依賴進(jìn)口，相關(guān)的科研技術(shù)攻關(guān)投入不足，專業(yè)服務(wù)人才缺乏，培養(yǎng)滯后。

（4）扶持政策需進(jìn)一步細(xì)化

雖然國家下發(fā)了《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》，但是具體的扶持政策尚未形成體系。對天然氣分布式能源發(fā)展，目前在財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠、電力上網(wǎng)并網(wǎng)等方面尚未出臺相應(yīng)具體的扶持政策，在很大程度上影響和制約了天然氣分布式能源的發(fā)展，需要引起高度重視，加強(qiáng)系統(tǒng)研究，明確各項(xiàng)扶持政策。

5 結(jié) 論

天然氣分布式能源系統(tǒng)的社會效率和經(jīng)濟(jì)效益明顯，是提高天然氣這一清潔能源的利用比重和利用效率的有效途徑。加大推廣天然氣分布式能源的建設(shè)和發(fā)展，對減少環(huán)境污染、逐步改善大氣質(zhì)量、提高居民的健康水平，促進(jìn)節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重大意義。我國天然氣分布式能源尚處于起步階段，發(fā)展面臨著機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

［1］ 胡小堅(jiān)，張雪梅，蔡路茵. 冷熱電分布式能源（CCHP）的優(yōu)化研究進(jìn)展[J]. 能源研究與管理, 2010( 2):13-14.

［2］ 林世平. 分布式能源系統(tǒng)中能源與環(huán)境耦合特性及優(yōu)化集成模型研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2011.

［3］ 林世平. 分布式能源系統(tǒng)中能源與環(huán)境耦合特性及優(yōu)化集成模型研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2011.

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Study on Development of Gas Distributed Energy System

ZHANG Song-wei
（Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Corporation, Henan Puyang 457001，China）

The gas distributed energy system is a comprehensive system to effectively utilize natural gas energy. In this paper, the principle and types of the distributed energy system were introduced, and its social and economic benefits were analyzed. It’s pointed out that the main challenge to development of the gas distributed energy system is the lack of system planning and complete industry chain.

Natural gas; Distributed energy; Cooling-heating-power supply

TE 9

： A

： 1671-0460（2015）04-0766-04

2015-03-04

張松偉（1986-），男，河南濮陽人，初級工程師，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運(yùn)專業(yè)，研究方向：從事長輸管道研究設(shè)計(jì)工作。E-mail：zysjyzsw@163.com。