國際分布式供能系統在工業領域的發展及啟示

本刊特約記者 蘇 毅

工業領域的不少企業存在的高能耗和高污染一直是我國實現可持續發展和保障能源安全的重要難題之一。2 0 1 2年，工業能耗占全國能源消費總量的7 3%，而工業G D P的比重僅為4 0%。燃煤工業鍋爐作為工業生產的重要裝備，其消耗的煤炭約占煤炭總消耗量的四分之一，大部分鍋爐設備老舊、效率低下、由此造成嚴重的能源浪費和環境污染問題。為此，我國《工業節能十二五規劃》要求到2 0 1 5年規模以上工業增加值能耗比2 0 1 0年下降2 1%左右，十二五期間實現節能6.7億噸標準煤。上海市要求在2 0 1 5年前所有分散燃煤鍋爐全部以清潔能源替代。這意味著工業領域的能源生產將發生深刻的變化，以天然氣為燃料的分布式供能系統面臨一個新的發展機遇期。

1 分布式供能系統概述

分布式供能是相對于單獨集中式能量系統而言，小型的，孤立的或與配電網聯系較小的，不以遠距離能量輸送為主要目的的能量系統。分布式供能系統主要包括燃料供應、燃燒發電設備、余熱利用設備和其他輔助設備等。如圖1所示，燃氣發電設備主要有內燃機、燃氣輪機、外燃機和燃料電池等。燃燒設備產生的電力主要通過區域電網供用戶使用，也可在負荷較低時向公用電網傳輸。余熱利用設備將燃燒設備的高溫廢氣及冷卻水根據用戶需要轉化為蒸汽、熱水和冷風等，用于生產、供熱及制冷。

圖1 分布式供能系統基本構成

分布式供能系統的能量利用率超過7 0%，遠遠高于傳統的集中供能系統；分布式供能用戶就在發電設備附近，節約了電力輸配成本；分布式供能的建設周期短，節約投資；采用燃氣輪機的分布式供能系統比燃氣鍋爐節省能源成本約4 3%，相應C O2排放也大幅降低。

2 國外工業分布式供能系統的發展概況

（1）日本

日本分布式供能起步較早，發展時間較長。截止2 0 1 2年，分布式供能原動機數量達到1 3 2 9 8臺，平均裝機容量7 0 7 k W/臺，總裝機容量為9 4 0 2 MW。其中工業用原動機4 1 4 1臺，裝機容量7 4 0 2 MW，占總裝機容量的7 8.7%。工業用燃氣輪機的裝機容量為總裝機容量的4 8%。工業用戶主要為化工、制藥、橡膠以及機械、能源和電子電氣等領域（參見圖2）。

圖2 日本分布式供能用戶分布狀況（以發電量為基準）

日本政府對分布式供能項目的政策扶植力度非常大。符合條件的項目可以獲得占投資總額的1/3至1/2的投資補貼，經投資補貼后，投資回收期大幅縮短。除此之外，業主建設分布式供能項目還可享受減免稅收以及專項基金補助，因此大大提高了業主建設分布式供能項目的積極性。

圖3 日本典型工業分布式供能系統

日本典型工業分布式供能系統——大型造紙廠（圖3）。系統采用一臺日本川崎G P C 7 0（7 MW）燃氣輪機，以天然氣為燃料，附帶補燃裝置，采用燃氣蒸汽聯合循環發電，同時向用戶提供電力和蒸汽。

（2）美國

美國的分布式供能系統自上世紀7 0年代起開始大規模建設，截止2 0 1 3年初，全美C H P（熱電聯產）裝機容量為8 2 G W，共4 2 0 0個項目，約占全美發電機組總裝機的9%。其中7 1%采用天然氣為燃料，占天然氣總供應量的1 8%。計劃到2 0 3 0年實現分布式能源裝機占全美發電機組總裝機的2 0%，預計約2.4億k W。

美國的C H P項目主要應用于工業領域，且增速較快（圖4）。其中應用最多的是化工、精煉和造紙等領域（圖5）。

圖4 CHP在美國工業和商業領域的增長趨勢

圖5 CHP在美國不同領域的分布

對于美國現有的工業、商業、公用設施而言，C H P的技術性增量約為1 3 0 G W，9 5%的項目規模小于1 0 0 MW。其中5 0%為工業應用，5 0%為商業和公用設施應用。

在技術應用方面，美國分布式供能約5 0%采用燃氣蒸汽聯合循環，3 4%采用鍋爐直接燃燒配合蒸汽輪機發電，1 3%直接采用燃氣輪機燃燒，僅3%采用內燃機等往復式發動機（圖6）。

美國典型分布式供能系統——加州爾灣制藥廠（圖7）。采用兩臺美國索拉公司半人馬 4 0（3.5～4.6 MW）燃氣輪機。余熱鍋爐配有管道補燃器。飽和蒸汽壓力6 8 2 k P a，蒸汽流量8 1 6 5～1 8 1 4 4 k g/h r，系統效率7 2%。

圖6 美國熱電聯產采用的技術（根據裝機容量）

圖7 美國加州尓灣制藥廠CHP

（3）德國

德國2 0 1 0年分布式供能系統的總裝機容量為2 3.2 G W，C H P發電量占德國總發電量的1 5.4%，預計2 0 2 0年德國C H P的發電量將達到2 5%。在所有C H P項目中，工業C H P項目約占4 3.1%。

德國C H P項目所使用的燃料較為廣泛。以發電和供熱為目標的C H P項目主要采用煤為燃料；工業用C H P天然氣使用比例最高，為4 1%，其次為生物質3 4%，煤2 5%；小型戶用C H P燃料主要以生物質為主，占比7 3%，其余為天然氣和油（圖8）。

圖8 德國CHP使用的燃料占比

德國國內在C H P方面的激勵政策法規主要有2 0 1 2C H P法規、生態環境稅收法、再生能源法、再生熱能法、建筑節能規范、歐盟排放貿易法規等。2 0 1 2年德國政府又在2 0 0 9版的基礎上補充完善了新的C H P激勵法規,主要是為了滿足2 0 2 0年的目標,進一步在法律層面加大支持。法規進一步優化提高了C H P電價的激勵費用；進一步明確了C H P電力和熱力優先進網的措施；進一步提高了熱管網建設的補貼費用；首次增加了熱能貯備方面的補貼費用。在這些政策激勵下，德國的分布式供能得到快速發展。

圖9 德國奔馳汽車工廠CHP

德國典型分布式供能系統——奔馳汽車工廠C H P（圖9）。奔馳汽車工廠燃氣輪機C H P電站采用德國MT U o n s i t ee n e r g y公司的燃氣輪機，電力輸出為3 0 MW，熱力輸出為4 2 MW。廢氣鍋爐產生蒸氣1 0 0 t/h，高壓用于發電，低壓用于生產?？偼顿Y約3 0 0 0萬歐元，包括1 0萬h的維護保養，每年計劃運行8 0 0 0 h，電站的噪音<8 0 d b。

3 國外CHP與我國分布式供能系統的異同

國外C H P與我國分布式供能的基本概念相同，即以熱定電、熱電聯產、梯級利用，能源綜合利用率最大化，不低于7 0%。分布式供能系統的選址與用戶緊臨。產生的熱和電就地消費、能源輸送損失最小化。

但是與國內相比，國外C H P起步較早，發展歷史較長。從日本、美國和德國的情況來看，分布式供能系統的發電量已經接近或超過國內總發電量的1 0%。德國更提出了2 0 2 0年實現占比達到2 5%的目標。而我國分布式供能起步較晚，目前裝機容量不足總裝機容量的1%。國外對C H P的內涵更加廣泛，包括了燃煤機組熱電聯產、燃氣蒸汽聯合循環，國內分布式供能主要指燃氣熱電聯產。國外的C H P包含1 0 0 MW以上的機組，而國內目前分布式供能指1 0 MW以下的機組。

目前國外工業領域C H P的發展較為成熟，廣泛應用于化工、鋼鐵、食品、大型制造業等領域。美國、日本、澳大利亞等國工業C H P的裝機容量超過分布式供能總裝機容量的8 0%。由于工業C H P的年運行時間較長，容量較大，因此投資回收期短，經濟效益較好。我國工業領域的分布式供能尚未形成規模，長期以來主要以小型燃煤鍋爐，少量燃氣和燃油鍋爐生產供熱，能耗較高，污染問題十分嚴重。

4 上海市工業領域發展分布式供能面臨的機遇

目前國家對節能減排的政策支持和行政強制措施力度不斷加大，為天然氣分布式供能的發展創造了良好的條件。另一方面上海市目前已經形成了較穩定的天然氣氣源，并且制定和完善了天然氣定價規則，加大了分布式供能系統的用氣和設備購置補貼，為本市實施分布式供能系統的建設提供了保障。

上海市對于分布式能源的需求強烈。根據2 0 0 9年熱電聯產規劃研究課題估計，上海市有集中供熱2 0 0 0 MW的需求，但目前尚不足8 0 0 Mw。另外，上海市尚有2 0 0 0多臺分散燃煤鍋爐，年消耗煤炭量3 0 0多萬t。這些鍋爐將于2 0 1 5年前完成清潔能源改造或者調整關停。燃煤集中供熱將于2 0 1 7年前完成清潔能源改造。

政策條件和市場需求顯示，上海市發展燃氣分布式供能的潛力巨大。

5 上海市工業領域發展分布式供能的建議

分布式供能熱電聯產，系統能源利用效率高，在供熱的同時生產電力，比燃氣鍋爐的經濟效益好，但是投資較大，并不適用于所有的工業企業。

按照環境效益和企業經濟效益相統一的觀點看：容量較小且斷續供熱的用戶，可以考慮使用電鍋爐；容量較大且斷續供熱的用戶，可以考慮使用燃氣鍋爐；容量較大且連續供熱的用戶，適宜使用燃氣分布式供能。具體來說，滿足以下條件的企業才能夠實現節能和經濟效益“雙贏”：

（1）企業不違背本市產業發展方向的；

（2）年供熱超過4 0 0 0 h（一般為二班制或三班制），熱負荷平穩連續的；

（3）具備燃氣和電網接入條件的；

（4）廠區內具有安裝場地的。

為了加快推進上海市工業領域分布式供能的發展，建議在2 0 1 5年前，選擇5 0家企業，示范建設分布式供能。估計容量可達2 5 0 MW左右，每年可壓減燃煤量約1 0 0萬t，改建為分布式供能后的年節能量超過2 0萬t標準煤，減排C O 2約4 5萬t?？偼顿Y約2 5億元，投資內部回報率可以達到8.5%。只要做好前期的相關工作，實施分布式供能的企業就可能既降低能耗，又提高經濟效益。

6 總結

分布式供能技術能源效率高，減排效果顯著，經濟效益好。發展分布式供能技術是實現我國工業領域節能減排的重要途徑之一。國外工業領域的分布式供能技術發展較成熟，取得了良好的節能效益、環境效益和經濟效益，對于我國發展工業分布式供能技術提供了良好的借鑒意義。上海市具有良好政策條件和市場條件，燃氣分布式供能系統發展潛力巨大。但是以往的經驗發現盲目上馬分布式供能項目非但不能節能反而造成資源和資金浪費。本文建議能源需求量大，連續供熱超過4 0 0 0 h/a，熱負荷平穩并具備燃氣電網接入條件的工業企業實施燃氣分布式供能項目。建議在2 0 1 5年前，選擇5 0家具有代表性的企業，建設分布式供能示范工程，促進上海市推廣和應用工業分布式供能系統。