天然氣分布式能源發展研究

張 松 偉

天然氣分布式能源發展研究

張 松 偉

（中石化中原石油工程設計有限公司， 河南 濮陽 457001）

天然氣分布式能源系統，是高效利用天然氣能源的綜合系統。詳細介紹了天然氣分布式能源系統的工作原理及分類，分析了該系統的社會效益和經濟效益。我國天然氣分布式能源系統發展面臨的主要挑戰是缺乏系統的規劃和完整的產業鏈。

天然氣；分布式能源；冷-熱-電聯供

近年，世界各國都將提高能源利用效率促進清潔能源發展作為能源優化結構調整的重要戰略方向。分布式能源作為科學高效用能方式蓬勃發展，得到廣泛重視和應用，成為能源產業的一個重要發展方向。分布式能源是近年來興起的利用小型設備向用戶提供能源供應的新型能源利用方式。天然氣電、熱、冷三聯供系統是目前典型的分布式能源利用方式，在發達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”報告把生態文明建設列入中國特色社會主義總體布局，提出建設美麗中國的新要求。因此，因地制宜發展天然氣分布式能源，積極推進天然氣高效利用，對于推動能源生產和消費革命，促進資源節約、節能降耗，緩解大氣環境壓力，解決當前愈演愈烈的霧霾污染，意義重大[2]。

1 國內外天然氣分布式能源發展現狀

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

我國的天然氣冷熱電聯產供能系統剛剛起步。國內天然氣產業發展近年快速發展，天然氣管網不斷完善，天然氣利用水平穩步提升，但是作為天然氣高效利用的分布式能源技術在我國尚處于起步階段。目前，全國電力總裝機規模11.4億kW，其中燃氣發電 3 827萬 kW，占發電總裝機的比例為3.35%，天然氣分布式能源站裝機規模更小，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目以上海浦東國際機場、湖南長沙黃花醫院、北京燃氣大樓等為例。這些項目建設較早，這些項目已經體現出了良好的節能、經濟、環保和社會綜合效益。

2 分布式能源系統概述

2.1 系統組成及工作原理

分布式能源系統具有種類繁多、能源來源廣泛等特點，其中以燃氣輪機或內燃機為核心的冷熱電聯產系統為代表，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。以天然氣和先進的燃氣（蒸汽）輪機、溴化鋰空調為基礎的冷熱電聯產系統是現代較為成熟的分布式能源系統。

天然氣冷熱電聯供系統的核心是燃機設備和發電設備，包括燃氣輪機、內燃機等。此外還包括重要的余熱利用設備，如：吸收式制冷機、余熱鍋爐、電制冷機、換熱裝置、燃氣鍋爐等。

分布式能源系統的基本原理是利用熱工設備產生的高品位的蒸汽或燃燒動力設備驅動發電機發電或利用燃料電池以及各種可再生能源技術供電，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向用戶供冷以及提供衛生熱水或其他用途熱能。

2.2 技術方案分類

天然氣分布式能源系統技術方案的分類詳見表1。

表1 技術方案詳表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主要應用在滿足以下全部或部分條件的場所[3]：

（1）有較為穩定的（冷）熱負荷；

（2）有利的上網電價和天然氣價格；

（3）較為嚴格的環境保護要求；

（4）需要有事故備用電源；

（5）天然氣供應能力充足。

2.4 天然氣分布式能源系統的分類

天然氣分布式能源系統按使用范圍可以分為區域式和樓宇式兩種。區域式分布式能源系統是指在各種工業園區、科技園區、大學城等人口相對密集、且地理較大的區域所建設的冷熱電能源供應中心。樓宇式分布式能源系統是指以建筑物為服務對象所建設的冷熱電供應系統，如寫字樓，商場，醫院等。

公用事業機構：其特點為滿足公共事業、服務居民生活。采用分布式能源站不僅減輕電網負擔，同時可以作為備用電力供應，保障其穩定運行。城市商業中心或企業：集中的商業區域，有大量高層商業建筑，具有較為穩定的熱電冷需求，適宜建立集中供熱供冷的分布式能源站。產業集中的工業園區：其特點為能耗大、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、減輕電網負擔。新開發的城區和大型的樓盤開發項目：在新開發的城鎮和新型農村社區，減少直燃供暖以及分體式或窗式空調，積極采用分布式能源站提供電力、供冷、熱負荷、蒸汽等。

樓宇式分布式能源一般采用微燃機+溴化鋰機組方案與燃氣發動機+溴化鋰機組方案，區域式分布式能源系統燃氣輪機+余熱鍋爐+溴化鋰機組方案與燃氣輪機+汽輪機+余熱鍋爐+溴化鋰機組方案。一般來說，以經濟效益為主要目標的分布式能源項目，投資回收期不宜超過12 a[4]。其他類型的分布式能源項目，如調峰天然氣電廠、保障民生為主的項目、追求環境和社會效益為主的燃氣類項目，根據當地規劃適當建設。

3 社會效益和經濟效益影響評價

3.1 社會效益影響評價

天然氣分布式能源系統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，其節能減排效果明顯，對于保護生態環境、改善生活質量，提高居民健康水平具有重要作用。

（1）環保節能并舉

天然氣分布式冷熱電聯供系統能效高，一般都可達70%以上。該系統采用的燃料主要是天然氣，是清潔產能系統，具有很好的環保性能，排放指標均達到相關環保標準，是目前最環保高效的能源供應方式之一。

天然氣分布式能源系統在降低 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]。這是解決現今各地區pm2.5指數高、霧霾天氣嚴重等問題的有效途徑。

（2）高品質城市功能

天然氣分布式能源的供電、供冷、供熱都是高品質的服務，可以滿足高品質的功能需求。規劃重點的工業園區項目偏離原有城市中心較遠，供能條件不優越且不穩定，極大限制了一些省、市級工業園區的發展，同時經濟新區建設步伐快速邁進，冷熱電的供需矛盾日益嚴重，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傳統供電、供熱的缺口。

（3）帶動相關產業發展

天然氣分布式能源的發展促進電力、天然氣服務、燃機等相關行業的發展，改善產業結構，延伸產業鏈，提高產品附加值，培育新的經濟增長點，對相關產業群體將會產生重大和深遠的影響。配套管道工程建設將采用大量的材料和設備，有利于帶動相關產業發展。這些都將增加新的就業機會，產生更多產業價值。

3.2 經濟效益影響評價

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

不同的地域和建筑物，通過優選技術方案，才能形成效益。對技術方案進行經濟評價時，可采用動態投資回收期法、現值法、內部收益率法、費用年值法等。在目前氣價高、電價低的形勢下，國內很多項目的資金回收年限都在10 a左右。

影響分布式能源系統經濟性的主要因素為冷、熱、電以及天然氣價格。根據分布式能源系統特性，供熱（冷）天數較長，供熱（冷）負荷較大，系統的能源利用率較高，經濟效益較好，一般要求供熱時間大于4 000 h/a。低于3 000 h/a的能源站機組利用率較低，投資回收期長，甚至可能虧損?？筛鶕ㄖO計院和供熱空調設計手冊上提供的數據來分析冷、熱、電以及天然氣價格對其經濟性的影響。

天然氣分布式能源系統綜合社會效益突出，其經濟效益主要受市場燃料與用電價格（電價、氣價、熱價）的影響，其推廣需要一定的優惠政策，必要時政府可給予一定的財政補貼或貸款準入、稅收方面的優惠。

4 天然氣分布式能源系統的優勢和面臨的挑戰

4.1 優勢

國家自 2010年開始推廣天然氣分布式能源系統工作。2011年10月9日，國家發改委、財政部、住房城鄉建設部、國家能源局聯合發布《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》，明確指出：“十二五”期間建設1 000個左右天然氣分布式能源項目，建設 10個左右各類典型特征的分布式能源示范區域，到2020年，在全國中型規模以上城市推廣使用分布式能源系統，裝機規模達到5 000萬kW，初步實現分布式能源裝備產業化。

天然氣分布式能源已經成為中國能源戰略關鍵一環，對調整能源結構、解決當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，對于保護生態環境、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務之急。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、運行、管理、服務的延伸，可以帶動較大數量的裝備生產和就業，對振興裝備制造業具有積極意義。

（1）能源綜合利用率高，減少了能源浪費

在目前技術水平下，集中供電方式的能源利用率可以達到40%～58%。分布式冷熱電三聯供其能源利用率可達80%以上。天然氣分布式能源系統通過燃氣輪機等驅動發電設備將30%～40%的能量轉化為電能，剩余能量用來制冷、制熱或直接供熱，從而實現能量的梯級利用，提高能源利用效率。

（2）具有削峰填谷作用，利于改善能源結構

電力部門根據用電負荷特性按照滿足夏冬季用電高峰配置發電和輸配電設施，在春秋季和節假日用電低谷時，發電和輸配電設施能力無法充分發揮，利用率降低。對于天然氣生產部門，夏季因用氣量需求量減少需要采取調峰措施，否則氣田需適當關井限產，輸氣量降低，導致效益降低。采用天然氣分布式能源系統，增加夏季的天然氣使用量，不僅可以調節天然氣季節峰谷差過大的問題，而且可以緩解電網調峰壓力。

（3）具有良好的經濟效益與環境效益

由于能源高效利用，余熱供冷供熱與發電成本共擔，三聯供系統具有更好的經濟效益和環境效益。天然氣分布式能源不但將部分高溫熱能轉化為用途廣泛的電能，而且利用中溫熱能驅動溴化鋰冷熱水機組，將部分環境中的熱能提升溫度，轉化為可以利用的熱能，同時實現對局部環境的降溫。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。與傳統能源供應方式，天然氣分布式能源系統二氧化碳、NOx、SO2排放大大減少，在目前碳排放壓力日增的國內形勢下，發展分布式能源具有積極意義[6]。

（4）提高能源供應的可靠性

冷熱電聯供系統設備安裝、運行簡單、便捷，安全性顯著增加。對于學校、醫院、數據中心等需要備用電源的用戶，分布式能源和電網可以一起多電源保障電力供應，可以大幅度提高建筑物電力供應可靠性。先進的分布式能源系統甚至可以將供電機組模塊化，單個模塊也可以靈活開停。

4.2 面臨的挑戰

（1）缺乏標準與系統規劃

國家目前尚未對天然氣分布式能源制定統一標準與行業規范，分布式能源系統的大規模利用還有很長的路要走。國內一些企業雖然對建設天然氣分布式能源站積極性較高，但由于沒有相應的產業統籌規劃和行業準入規范，項目布局存在很大的盲目性，生產經營有較大的風險。對此種新型功能體系，各地區認識普遍不夠全面，在無標準及系統規劃的情況下很難實現實質性突破，需要根據經濟社會發展情況和能源配套要求進行系統的規劃和研究，加強宏觀布局和管理，引導市場規范有序發展。

（2）相關部門缺乏協調

目前，天然氣分布式能源系統的發展除受資源制約外，還需要多方協調，避免電、熱、冷的供應與已有的供電、供熱、供冷體系產生沖突。對于天然氣分布式能源項目的政策支持，也需要能源、財政、土地、規劃等部門的協調推進。天然氣分布式能源站點的布局需要合理統籌推進，使之發揮更大的效益。

（3）未形成系統產業鏈

天然氣分布式能源是涉及建筑設計、供熱（冷）、發電及調度等的新型交叉行業，國內在這方面起步較晚，相關產業基礎薄弱、人才缺乏。一些關鍵設備尚未實現國產化，燃氣輪機和內燃機主要依賴進口，相關的科研技術攻關投入不足，專業服務人才缺乏，培養滯后。

（4）扶持政策需進一步細化

雖然國家下發了《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》，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展，目前在財政補貼、稅收優惠、電力上網并網等方面尚未出臺相應具體的扶持政策，在很大程度上影響和制約了天然氣分布式能源的發展，需要引起高度重視，加強系統研究，明確各項扶持政策。

5 結 論

天然氣分布式能源系統的社會效率和經濟效益明顯，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和發展，對減少環境污染、逐步改善大氣質量、提高居民的健康水平，促進節能減排和低碳經濟協調發展具有重大意義。我國天然氣分布式能源尚處于起步階段，發展面臨著機遇與挑戰。

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

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

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

［4］ Yuan Yina, Ruan Yingjun, Liu Qingrong, et al. Economic Analysis of Building Distributed Energy System (BDES) in the Chinese Different Cities[C]. Intelligent System Design and Engineering Applications (ISDEA), 2013 Third International Conference on, Hong Kong, 2013: 632-636.

［5］ 王衛琳，李潔，賴建波，等. 天然氣分布式能源系統節能減排效益分析[J]. 煤氣與熱力,2013,33(8): 23-26.

［6］ Akorede M F, Hizam H, Pouresmaeil E. Distributed Energy Resources and Benefits to the Environment[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(2): 724-734.

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年畢業于中國石油大學（華東）油氣儲運專業，研究方向：從事長輸管道研究設計工作。E-mail：zysjyzsw@163.com。