國內天然氣分布式能源發展現狀與應用前景綜述

童家麟，呂洪坤，蔡潔聰，韓高巖，孫五一

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012）

0 引言

隨著國民經濟的高速發展，我國電力需求迅速增長，截至2016年末，全國發電裝機容量為16.5億kW，較2012年末增長約45%。在此過程中，我國能源供給方式占主導地位的一直是以煤炭、石油為主的一次能源及大規模集中并網發電[1-2]。這種方式既有能源互補、錯峰節能等優勢，也存在著污染嚴重、靈活性差、輸配電損耗高、發生故障容易導致大面積停電等問題[3]。而分布式能源發電，特別是清潔能源分布式發電是清潔能源利用較為經濟和現實的一種方式，具有輸配電損耗低、節能環保等優點，并可實現能源梯級利用，受到日益廣泛的關注。此外，“能源互聯網”的內涵也指出未來能源系統將是電力與天然氣等其他能源緊密耦合而形成的復雜多能互補系統[4]。

1 國內外分布式能源發展狀況

發達國家對分布式能源的研究和利用較早，已經取得了許多有意義的結果和較為廣泛的工程業績。當前幾乎所有的歐盟國家都在建立適合自身特點的分布式能源系統以及與之相配套的能源計劃[5]，歐盟分布式能源平均占電力市場比例可達10%。

德國是歐洲發展分布式能源最快的國家之一。德國的第一部關于可再生能源的法案EEG于2000年生效，該法案規定：在全國范圍內實行根據可再生能源的數量和輸入系統的不同稅收補貼計劃，來平衡電網運營商所支付的費用，并在各個區域采用不同的補償比例。為了適應新能源系統的發展，德國分別于2004年和2008年對可再生能源法案進行了修訂。

美國是全世界分布式能源發展最早的國家[6]。在發展初期，美國小型的分布式發電模式被稱為CHP（小型熱電聯產）或者DG（分布式發電），主要是在用戶端發電并使用。目前，美國分布式能源已經達到一定的規模，且單位裝機和總裝機容量不斷擴大，至2010年總裝機容量突破85 GW，約占全國總裝機容量的7.7%。美國政府把進一步推進CCHP（分布式冷熱電聯產系統）的發展列為長遠發展規劃，并制定了明確的戰略目標：力爭2020年將現有分布式裝機容量再翻一番，在50%的新建辦公樓或商用樓群中，采用分布式冷熱電聯產模式，將15%現有供能系統改建成分布式冷熱電聯產模式，由此可見美國政府對分布式能源有著良好的預期[7]。

日本分布式項目以CHP和太陽能光伏發電為主，分布式發電總裝機容量約3 600萬kW，占全國總量的13.4%，日本計劃在2030年前達到分布式發電量占總發電量20%的目標。日本對分布式發電系統的建設有資金和政策2個方面的支持，包括對城市分布式能源項目進行減稅或免稅，鼓勵國有銀行和私人財團對分布式發電系統進行投資，修訂包括《電力事業法》在內的一系列放寬管制的政策。

我國的分布式能源研究起步較晚，業績進程與發達國家相比還有不小差距。2011年起，國務院、國家能源局、地方政府均出臺了支持分布式能源發展的相關政策，但至今尚未形成完整的政策體系，其中部分政策缺失、政策相互沖突以及激勵不足是我國分布式能源建設過程中的突出問題。由于國家相關政策的推動和燃氣發電在環保、調峰等方面的優勢，天然氣發電量和裝機容量近年來呈現大幅增長的趨勢。圖1為2011—2017年我國燃氣發電裝機容量的比較，圖2為我國天然氣分布式能源項目建設數量-時間分布。由圖可知，2013年以來，天然氣發電裝機容量和分布式能源項目快速增長，在我國已處于實質性開發階段，另外以天然氣分布式能源為主的綜合供能體系集中推廣，助推了行業發展的可持續性。根據《天然氣發展“十三五”規劃》，到2020年我國天然氣發電規模預計達到1.1億kW以上，相對發電總裝機容量的占比超過5%，其中天然氣分布式發電裝機容量達到4 000萬kW。例如北京、上海、廣州等發達地區天然氣分布式能源發展較早，投產項目也較多，主要安裝在商業樓、寫字樓、醫院和大學城等，采用“不并網”或者“并網不上網”的方式運行[8]。因此，本文主要分析天然氣分布式能源的優勢、發展的必要性和可行性及主要制約因素，介紹北京、上海、廣州天然氣分布式能源的應用現狀，并對天然氣分布式能源的應用前景進行展望。

圖1 2011—2017年我國燃氣發電裝機容量

圖2 我國天然氣分布式能源項目建設數量-時間分布

2 天然氣分布式能源發展的優勢和瓶頸

2.1 天然氣分布式能源發展的優勢

分布式能源的發展有助于能源結構的優化和清潔發展[9]。近年來，我國經濟迅速發展，但環境污染問題日益嚴峻，以煤炭和石油為主的一次能源結構導致了嚴重的空氣污染和大面積水污染，同時影響了公民健康和國家形象。由于天然氣主要成分為CH4，其SO2和固體廢棄物的排放量微乎其微[10]，發展分布式能源具有明顯的環境保護效益。

分布式能源的發展提高了電網的安全性。2003年美國東北部和加拿大大停電事件、2012年印度停電事件、2008年湖南省大停電事件讓我國意識到了能源安全的重要性。日本總結2003年北美大停電事件后提出：相對于改造電網，發展分布式能源更加簡便快捷。此外，分布式能源站是一個相對獨立的能源控制系統，它可在發生電網崩潰和意外災害的情況下維持重要用戶（例如數據中心、醫院等）的供電，極大程度上提高了供電的可靠性[11-12]。

2.2 天然氣分布式能源發展的可行性

目前，國內天然氣分布式能源燃料來源日益增多[13]。根據國家《天然氣發展“十三五”規劃》，截至2015年底，我國常規天然氣地質資源量為68萬億m3，2015年全國天然氣產量1 350億m3；頁巖氣等非常規天然氣資源勘探取得了重大進展，“十二五”新增探明地質儲量5 441億m3，2015年產量達到46億m3；天然氣進口戰略通道格局基本形成，“十二五”期間累計進口天然氣超過2 500億m3，是“十一五”天然氣進口量的7.2倍，2015年進口天然氣614億m3；天然氣水合物開發取得突破性進展，在全球首次實現泥質粉沙型可燃冰的安全可控試采，2017年5月，我國首次試采了天然氣水合物，連續試氣點火60天，累計產氣30.9萬m3[14]。國內天然氣開采量增加、國際天然氣進口渠道暢通及頁巖氣、可燃冰等非常規天然氣取得突破，無疑為天然氣分布式能源項目的發展提供了良好的基礎。

此外，目前國內的能源企業相繼成立專業化服務公司以應對分布式能源的快速發展，如華電集團國家能源分布式能源技術研發（實驗）中心、中廣核節能產業發展有限公司、南方電網綜合能源有限公司、華能新能源股份有限公司等，其中華電集團走在分布式能源行業的前列，截至2016年，華電集團已投產天然氣分布式能源項目10個，累計裝機容量94萬kW；此外，還有在建天然氣分布式項目6個，合計裝機容量98萬kW；擬建項目7個，合計裝機78萬kW，在全國保持領先地位。

2.3 天然氣分布式能源發展的制約因素

我國天然氣分布式能源的發展已經取得了長足進步，但目前分布式能源產業的發展還受到以下幾個因素的束縛：

（1）運營管理經驗相對缺乏。分布式能源的理論綜合利用效率可達95%以上[15]，但設計施工、能源利用、運營管理對分布式能源有重要影響。目前我國運營項目較少，設計、管理經驗較為缺乏，導致部分已投產的分布式能源項目綜合能源利用率偏低，一定程度上影響了分布式能源的推廣利用和用戶投資的積極性。

（2）分布式能源設備的國產化程度較低。目前天然氣分布式能源系統的核心設備，如微型燃氣輪機、內燃機多是國外成套進口[16]，國產化程度較低。表1、表2為國外2家典型微型燃氣輪機、內燃機廠家設備主要參數。由表可知，國外廠家微型燃氣輪機、內燃機型號相對比較齊全，100—22 000 kW均有產品覆蓋，這為天然氣分布式能源的發展提供了強有力的技術支撐。國內自主研發的產品技術水平相對較低，可靠性差，一定程度上造成了天然氣分布式能源項目初投資較高。由于市場競爭激烈，近年來微型燃氣輪機、內燃機、溴化鋰機組的價格逐年下降，進口內燃機的價格已從3 500～3 800元/kW下降到1 850～3 000元/kW，煙氣型溴化鋰機組也降低到約600元/kW，相對而言，微型燃機輪機的價格稍高，約為5 000～6 000 元/kW[17-18]。

表1 索拉（美國）微型燃氣輪機主要參數

表2 曼海姆（德國）內燃機主要參數

3 天然氣分布式能源的應用現狀

3.1 北京市天然氣分布式能源的應用現狀

北京市從2003年起便逐步建成了一批天然氣分布式能源項目，雖然有些項目由于并網、設計復雜、設計裝機容量過大等原因無法正常運行，但也為該行業的發展積累了很多寶貴的經驗和相關技術儲備。

截至2015年底，北京市已實施和在建天然氣分布式能源項目三十余個，項目類型涉及醫院、賓館、產業園、火車站等。表3所示為截至2017年底，北京市已投產和在建的天然氣分布式能源項目裝機容量和投產時間。由表3可知，2010年前，北京市天然氣分布式能源項目規模較小，近年來裝機規模有迅速增大趨勢，特別是在建的海淀北部區域能源中心和通州運河核心區區域能源中心總裝機容量均達到了200 MW。究其原因，一方面是核心設備內燃機、微型燃氣輪機單位成本呈下降趨勢；另一方面北京市探索了一系列積極的激勵措施：針對項目裝機容量、設計節能減排量，給予一定比例的初始補貼，在項目建成并穩定運行一段時間之后，由專業第三方機構對項目的運行效果（節能總量、有害氣體減排量、項目售電量等）進行考核，給予階段性獎勵。

3.2 上海市天然氣分布式能源的應用現狀

上海市是我國天然氣分布式能源發展最早、配套政策最完善的城市，其投產的項目一定程度上可以反映我國天然氣分布式能源項目的發展歷程[19]。上海市天然氣分布式能源的發展最早可追溯到1998年，第一個分布式能源項目——黃浦區中心醫院天然氣分布式能源項目正式投入運行。其后十多年大多是以單體樓宇式項目為主，裝機規模也相對較小，在2013年后開始以辦公區域式項目為主，2015年開始工業園區項目建設，項目的裝機規模也不斷擴大。截至2016年，累計建成項目43個，覆蓋醫院、辦公樓、賓館、工業園區等，總裝機規模達150 MW。其中數量最多的是辦公樓分布式能源項目，占33%；其次為工業園區和醫院，均占23%。表4為上海已投產的天然氣分布式能源項目裝機容量和投產時間。

表3 截至2017年底北京已投產和在建的天然氣分布式能源項目

3.2.1 對分布式能源發電的扶持政策

上海市政府一直以來非常重視分布式能源的發展，表5為上海市燃氣分布式能源扶持政策的發展歷程[20]。早在2004年就推行第一個關于分布式能源的扶持政策，其后根據項目推行情況不斷完善。2017年《上海天然氣分布式供能系統和燃氣空調發展專項扶持方法》對分布式能源發電采取了以下扶持方式：

（1）在初投資方面給予補貼。對一般的天然氣分布式供能項目，按照1 000元/kW給予設備投資補貼；對年平均能源綜合利用效率和年利用小時達到一定標準的天然氣分布式供能項目，給予2 000元/kW的節能補貼；對年平均能源綜合利用效率和年利用小時更高的天然氣分布式供能項目，再給予500元/kW的節能補貼。

（2）優先保障天然氣分布式供能項目的天然氣供應，實施優惠氣價。鼓勵郊區天然氣分布式項目建設，實行上下游天然氣價格聯動調整。

（3）支持天然氣分布式供能項目采用“自發自用、自用為主、余電上網”的運營模式，上網電價政策由市物價部門另行制定。

表4 截止2016年底上海已投產天然氣分布式能源項目

表5 上海市燃氣分布式能源扶持政策

（4）對天然氣分布式供能項目從申請設備投資補貼起3年內開展評估，評估結果作為申請節能補貼和確定上網電價的依據。

3.2.2 分布式能源項目的制約因素

在已投產項目中，絕大部分項目正常運行，但有部分項目目前處在停運狀態。造成停運主要有以下原因，這都是未來新建分布式能源項目應該避免的：

（1）早期項目負荷預測方面的經驗不足，使得設計的機組容量偏大或者系統設計不合理，致使機組不能耦合負荷側的負荷變化，出現了“大馬拉小車”的情況。

（2）系統的經濟性不佳，業主使用意愿不強。

（3）市政動遷，造成原有系統無法正常運行。

（4）項目燃料來源匱乏，導致系統被迫停運。

3.3 廣州市天然氣分布式能源的應用現狀

廣州地區為海洋性亞熱帶季風氣候，全年高溫天數較多，供冷需求量較大，廣州市政府一直非常重視天然氣冷熱電三聯供項目。2017年廣州市政府辦公廳印發的《廣州市能源發展第十三個5年計劃（2016—2020年）》中強調，積極拓展天然氣氣源，統籌天然氣熱電聯產和分布式能源站建設，積極推進黃埔、花都、增城、廣州開發區等熱電聯產工程，建設一批各具特色的冷熱電三聯供天然氣分布式能源站。表6為廣州市2016—2020年已經或計劃建設開工的分布式能源站。由表可知，廣州市區域型分布式能源項目多為樓宇型分布式能源項目，與北京、上海相比，裝機規模上明顯更大，這與廣州市冷負荷需求量較大有關。值得注意的是，南方電網公司一直較為關注分布式能源的投資，早在2009年就有可能成為當時全國最大分布式能源站——廣州大學城分布式能源站（2×78 MW）的支持者和合作者[21]。2017年，由南方電網公司投建的“廣州超級計算機中心分布式能源站項目”順利投產，該項目是全國最大的地下室布置分布式能源項目，也是國內第一個配套脫硝設備的分布式能源項目。其主體全部布置于地下，一期工程已建成2臺4 300 kW燃氣內燃機組，發電后的高溫煙氣和高溫熱水進入溴化鋰制冷機進行制冷，實現冷電連供，能源綜合利用效率超過70%。2018年由南方電網綜合能源有限公司投資的肇慶三榕天然氣分布式能源項目（2×40 MW）也已開工建設，項目預計2019年投產。

表6 廣州市2017—2018年建設開工的分布式能源站

4 結語

天然氣分布式能源在發達國家已有數十年的發展，在我國也有約20年的歷史[22]。早期我國天然氣分布式能源受政策、核心設備等條件制約，發展相對較慢，近年來發展步伐明顯加快。根據國際能源署的研究，中國將會成為繼俄羅斯、德國之后分布式能源占比最高的國家，預計2030年可達到28%。此外，經過國內外分布式能源的發展實踐，已逐漸出現了一種分布式能源利用系統，它基于常規分布式能源技術，耦合了環境勢能、可再生能源、常規能源系統、新型區域綜合能源規劃、智能電網和智能通信控制技術等[23]，構成了一種新型能源分布系統，可以達到更好的環境、環境和經濟效益的統一。隨著國家對電網安全、環境保護的日益重視和天然氣、頁巖氣、可燃冰等勘探量、產量的不斷提高，天然氣分布式能源在我國必然有更為廣闊的前景[24-25]。