燃氣冷熱電三聯供發展現狀及前景展望

韓高巖，呂洪坤，蔡潔聰，童家麟，李 劍

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

現階段，能源環保問題在我國變得空前重要，碳排放也進入總量控制階段，這促使能源消費結構優化變得尤為緊迫。天然氣作為清潔高效的低碳能源，其快速發展可有效改善環境、減少CO2排放、優化能源結構，尤其是燃氣冷熱電三聯供可實現能源梯級利用，具有輸配電損耗低、能效利用高、供能安全可靠、節能環保及個性化強等優點，成為現階段能源發展的一大熱點[1-2]。國家發改委發布的《關于加快推進天然氣利用的意見》中提出要大力發展天然氣分布式能源，建立天然氣分布式能源示范項目。燃氣冷熱電三聯供項目由于處在我國油氣和電力體制改革機遇期，且能與生物質、風能、太陽能、地熱能、余壓余熱余氣等能源形式耦合互補,在未來必將得到迅速發展，成為能源利用重要組成部分[3-6]。

浙江省為創建清潔能源示范省，一方面要控制煤炭消費總量，加快淘汰燃煤鍋（窯）爐，努力擴大電力、天然氣等的消費；另一方面要積極推動電力和油氣體制改革等。浙江省天然氣發展3年行動計劃（2018—2020年）提出要推進天然氣供給、消費、體制革命，開展天然氣分布式能源示范試點，并以此為基礎推進天然氣冷熱電三聯供核心設備科技攻關，為浙江省燃氣冷熱電三聯供發展開創良好機遇和環境。

1 燃氣冷熱電三聯供簡介

1.1 燃氣三聯供原理及典型系統流程

燃氣冷熱電三聯供是指以天然氣為主要燃料帶動燃氣輪機或內燃機等燃氣發電設備運行，產生電力以滿足用戶電力需求，而系統排出的廢熱則通過余熱鍋爐或溴化鋰等設備向用戶供熱、供冷。三聯供系統實現能源的梯級利用，其能源綜合利用效率高達80%以上，典型能量梯級利用如圖1所示。

圖1 能量階梯利用

燃氣冷熱電三聯供按照供能對象可分為區域型和樓宇型。區域型一般適用于冷、熱、電需求較大的工業園區和大型商務區等；樓宇型一般適用于二次能源需求性質相近且用戶相對集中的樓宇（群），包括賓館、學校、醫院等。按發電機組不同主要可分為燃氣輪機、燃氣內燃機、微燃機3種，3類典型發電機組特點如表1所示[7-9]。

表1 典型發電機組特點

燃氣三聯供系統主要由燃氣供應系統、動力系統、供配電系統、余熱利用系統、給排水系統、通風系統、消防系統等組成，其中動力系統和余熱利用系統是三聯供系統的核心部分。目前，國內較常用的三聯供系統主要是燃氣內燃機和燃氣輪機為發電機組的三聯供系統，其典型流程如圖2和圖3所示。

1.2 燃氣冷熱電三聯供優勢

（1）提高能源供應可靠性。在出現不可抗自然災害或電網事故導致大面積停電時，燃氣冷熱電三聯供系統可為樓宇或者工業區提供穩定不間斷的電力負荷、熱負荷和冷負荷。

（2）節能減排，環境友好。天然氣燃燒過程幾乎不產生SOX和灰塵，且生成CO2和NOX也較其它化石燃料少。燃氣冷熱電三聯供由于能效利用高，比先進的火力發電廠可節能約1/3。

（3）經濟性較好。三聯供系統雖然初投資較高，但其減少市電接入費用，并且由于余熱利用，可節省用于供熱、制冷的燃氣用量。據測算，當采用余熱利用進行供熱、制冷時，發電成本可降低至 0.4～0.6 元/kWh。

（4）利于電力調峰。由于電負荷在夏季出現高峰，用氣則通常為低谷。燃氣冷熱電三聯供在滿足高峰用電時，還可利用余熱制冷，進一步減緩電制冷機對電負荷需求。同時，燃氣三聯供項目的燃氣輪機或燃氣內燃機具有較好負荷響應特性，也有利于電網的瞬間調節。

（5）可與其他能源友好耦合。燃氣冷熱電三聯供技術先進成熟，具有較強的集成性，可以友好地與生物質、太陽能、地熱能、余壓余熱余氣等多種能源形式實現耦合互補，進而帶動新能源的消納。

圖2 典型燃氣內燃機三聯供系統流程

圖3 典型燃氣輪機三聯供系統流程

2 發展現狀

2.1 國外發展現狀

燃氣冷熱電三聯供在國外已有30多年發展歷史，在美國、日本等國家得到大力發展和推廣。當前，幾乎所有的歐盟國家正在建立適合自身特點的天然氣分布式能源系統以及與之相配套的能源計劃[10]。美國的燃氣冷熱電三聯供裝機規模發展趨勢如圖4所示，其在各行業中的占比情況如圖5所示。

圖4 美國燃氣三聯供發展趨勢

圖5 美國燃氣三聯供在各行業的占比

美、日等國家均出臺了促進燃氣冷熱電三聯供發展的優惠和補貼政策。某些國家燃氣冷熱電三聯供單位造價和我國相近，但由于政府給予的補貼和支持力度較大，得到較好發展。部分典型國家的燃氣冷熱電三聯供部份支持政策有[11-12]：

（1）美國在政策支持、審批簡化、信息服務等方面提供法律法規支持和技術支持，支持分布式能源項目并網，并制定激勵政策包括財政補貼、稅收減免、低息貸款等。

（2）德國對mCHP（小型熱電聯供）售電實行：優先價格法；能效大于70%，享受退稅優惠；50 kW的mCHP設備，環境部將在10年期間提供400萬歐元的財政支持。

（3）丹麥采用鼓勵措施，制定了《供熱法》《電力供應法》、全國天然氣供應法等，在法律上明確了保護和支持立場。電網公司必須優先購買熱電聯產的電能。

（4）日本發布《并網技術要求指導方針》，實現分布式能源合法并網發電、允許多余電能出售給電力公司，稅收減免，專項基金補貼。

國外燃氣三聯供發展初期，通過政府制定法規標準、給予一定補貼，并從氣價、電價等方面完善市場機制，使燃氣冷熱電三聯供在市場應用中存在盈利。同時，政府鼓勵燃氣三聯供關鍵裝備及技術研發，有效降低一次投資和運維費用；使企業在發展中探索合理的商業模式，加速項目盈利，推動了該行業進入良性的發展。

2.2 國內發展現狀

就國內而言，燃氣冷熱電三聯供研究起步較晚，近年在煤電、水電等平穩發展的情況下，燃氣發電裝機容量卻呈現大幅增長。《天然氣分布式能源產業發展報告2016》中指出，我國近幾年燃氣分布式發電裝機容量和燃氣分布式能源項目建設數量隨時間變化如圖6和圖7所示。

圖6 我國天然氣分布式發電裝機容量變化

2015年以來，天然氣分布式能源在我國已經進入實質性開發階段，據統計，截至2015年底，我國天然氣分布式能源已建和在建項目約288個，裝機規模約1 112萬kW。從區域分布來看，長三角、川渝地區、京津冀魯、珠三角裝機容量占全國總裝機容量的75.9%。從用戶分布來看，主要用戶為工業園區、生態園區、綜合商業體、數據中心、學校、交通樞紐、辦公樓等，其中工業園區裝機規模占比達到76.3%。

圖7 我國天然氣分布式能源項目建設數量

當前，國內能源企業也已相繼成立了針對燃氣冷熱電三聯供的專業化服務公司，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前列，截至2016年，華電集團已投產燃氣冷熱電三聯供項目10個，累計裝機容量94萬kW；在建項目6個，合計裝機容量98萬kW，擬建項目7個，合計裝機容量78萬kW。作為電力服務商的南方電網公司也早已開始布局發展燃氣冷熱電三聯供項目，僅2017年7月—2018年7月，規劃和簽訂的區域燃氣冷熱電三聯供項目就達6個。據不完全統計，在我國2017年6—10月建設和簽約的燃氣三聯供項目就有18個，投資額超過100億元。國家在政策方面也支持天然氣分布式能源行業的進一步發展，根據《天然氣發展“十三五”規劃》，到2020年，天然氣分布式發電裝機規模將達到4 000萬kW。另外，根據《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》，我國將建設約1 000個燃氣分布式能源項目，擬建設約10個各類典型特征的分布式能源示范區。

2.3 浙江省發展現狀

現階段，浙江省燃氣冷熱電三聯供發展相對較為落后。截至2017年，臨近浙江省的上海市共計有約47個投產的燃氣冷熱電項目，而臨近的江蘇省投產和核準的此類項目共有約20個。而據不完全統計，浙江省處于建設或運行的區域型燃氣冷熱電三聯供項目僅2個，處于前期可研規劃的主要有浙能長興和平鎮城南工業園天然氣分布式能源站、海正藥業（杭州）有限公司天然氣分布式能源、寧波科元塑膠有限公司分布式能源和石浦前塘工業區多能互補智慧能源4個項目。浙江省樓宇型燃氣冷熱電三聯供項目則包含杭燃七堡天然氣分布式能源站、寧波市委黨校天然氣分布式能源項目、杭州城市能源小和山搶修中心、杭州濱江特迅大樓共4個。在浙江省投資燃氣冷熱電三聯供的企業主要包括浙能興源投資有限公司、龍游中機新奧智慧能源有限公司、華電集團等。浙江省投運或調試的燃氣三聯供部分項目介紹如表2所示。此外，湖州和杭州等地的一些醫院也已積極開展燃氣冷熱電三聯供的規劃。在國家電力體制改革形勢下，允許企業燃氣冷熱電項目電量自發自用，甚至余電可向周邊用戶直接交易，此類趨勢將利于燃氣三聯供的發展。

表2 浙江省投運或調試燃氣三聯供部分項目

3 發展趨勢

3.1 與智能微電網融合

燃氣冷熱電三聯供在未來可融入智能微電網，通過智能微電網的智能管理和協調控制，更好地發揮天然氣三聯供的個性化設計、運行靈活、能效高等優勢。通過微電網還可融入風電、太陽能、生物質能、地源熱泵、水源熱泵、蓄熱蓄冷裝置等構建的多能互補能源系統，實現能源供應的耦合集成和互補利用是天然氣分布式能源的重要發展方向之一。目前，擬由華潤電力投資的寧波市石浦前塘工業區多能互補智慧能源項目已處于規劃可研階段，本項目擬以燃氣熱電聯供為核心，配套屋頂光伏、儲能系統、電動汽車充電樁、園區智能微電網改造等內容，總投資約2.7億，園區每年7 500 kWh用電量預計可全部由本項目供應。

3.2 帶動智能冷熱氣網技術發展

燃氣冷熱電三聯供的發展，還將帶動天然氣管網、供冷/熱管網的智能控制及蓄能技術的發展，形成以天然氣分布式能源為基礎的智能供能區域。通過智能熱（冷）網，連接分布式能源站、換熱站和用戶，形成三位一體的集成智能供熱（冷）系統，實現少人值守、遠程監控，降低運行成本；采用氣候補償技術，根據室外溫度變化情況及時調整熱（冷）網調度順序；對換熱站二次側實施動態監控，實時掌控能耗狀況，對能耗數據進行統計、分析，優化控制策略，通過調節閥調整一次側流量、溫度，合理調節各用戶供熱（冷）溫度，避免供熱溫度過高或過低；結合熱計量推廣，采用大數據和全智能控制策略，根據監控數據、用能時段及用能區域的不同，提高熱源和熱網全系統對單個用戶的需求響應和分級控制，實現獨立控制、分時分區供能。

3.3 區域一體化綜合能源服務

大多數燃氣冷熱電三聯供項目服務于新建的工業園區和公共建筑，具有開展增量配電和售電業務的有利條件。通過開展配售電業務，成立區域售電、售熱、售冷一體化能源服務公司，實現發、配、售一體化，實現區域綜合能源服務，進而更好地滿足用戶多樣化和定制化的需求，是燃氣冷熱電三聯供項目未來的重要發展方向。例如上海迪士尼園區天然氣分布式供能，能源中心向樂園提供冷、熱、電、生活熱水等多種能量，實現迪士尼園區一體化綜合能源服務。

3.4 大用戶自備能源站

對于有冷熱需求的優質客戶，在政策支持、鼓勵以及燃氣冷熱電三聯供經濟性逐漸改善的趨勢下，當其具有一定的資金實力時，便會主動投資建設能源站，以滿足自身的電力和其他能源需求，并給企業帶來較大的經濟效益。

4 發展前景展望

4.1 燃料保障

目前，我國的天然氣進口戰略通道格局基本形成，西北戰略通道逐步完善，天然氣水合物開發取得突破[13-14]。國內天然氣開采量增加、國際天然進口渠道暢通及頁巖氣、可燃冰等非常規天然氣技術突破，為燃氣冷熱電項目的發展提供了良好的燃料保障。我國天然氣“十三五”規劃也指出我國天然氣供求將進入寬平衡狀態。

4.2 國內相關支持政策

為了推進燃氣冷熱電三聯供的發展，國家及部分省市陸續出臺了一系列能源扶持、天然氣優惠及專項補貼政策，比如上海、青島和長沙等地都已出臺了實質性補貼政策：

（1）上海市采取電網電價投資補貼的政策。天然氣分布式發電機組臨時結算單一電價0.765 5元/kWh。對分布式供電項目按照1 000元/kW給予設備補貼；對于年平均能源利用效率達到70%及以上且年利用小時在2 000 h及以上的分布式供能項目再給予2 000元/kW的補貼；綜合效率達到80%及利用3 000 h以上的再給予500元/kW的節能補貼。每個項目享受的補貼金額最高不超過5 000萬元。

（2）長沙市采取投資補貼的政策。按照發電機組裝機容量，天然氣分布式能源專項資金支持標準為2 000元/kW，單個樓宇型天然氣分布式能源項目最高享受不超過500萬元的補貼金額，單個區域型項目最高享受不超過1 500萬元的補貼金額。

（3）青島市采取投資補貼的政策。對新建天然氣分布式能源供熱項目，按照1 000元/kW的標準給予設備投資補貼；年平均能源綜合利用效率達到70%及以上的再給予1 000元/kW的補貼。每個項目享受的補貼金額最高不超過3 000萬元，并給予每立方米用氣補貼1.32元。

（4）江蘇省采取上網電價的政策。天然氣發電上網電價采取與天然氣門站價格聯動，包括固定部分和氣價聯動部分。對單機容量不超過10 MW的樓宇式分布式機組，在熱電聯產上網電價基礎上加0.2元/kWh，目前樓宇式分布式機組上網電價為0.771元/kWh。

（5）福建省采取上網電價的政策。福建省物價局經研究制定了華電廈門集美天然氣分布式能源站上網電價為0.651 2元/kWh。

從目前相關政策可發現，國家及有關省市對于天然氣分布式項目都給予了大力支持。特別是近幾年，國家推動電力改革、油氣改革，更為燃氣冷熱電三聯供發展創造了條件和機遇。

4.3 投資造價及天然氣價格

近年來，隨著市場競爭愈趨激烈及設備國產化率的提高，燃氣冷熱電三聯供的核心裝備采購價格逐年下降。比如進口內燃機價格已從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600元/kW左右；相對而言，微型燃氣輪機的價格稍高，約為5 000～6 000元/kW[15-16]。三聯供項目綜合投資約7 500～10 000元/kWh。當前，我國天然氣價格仍然偏高，工業用氣價格約為每立方米3元，具體價格波動也較大。天然氣價格是制約燃氣冷熱電三聯供發展的重要因素之一，我國工業氣價和居民用氣價格相近，而從美國典型終端用氣價格比較中可看出，我國工業用氣價格具備降價潛力。美國典型終端用氣價格如表3所示。

表3 美國典型終端用氣價格比較元/m3

目前，浙江省的發電用天然氣價格每立方米在2.2元左右。其中，向華電杭州半山發電有限公司銷售天然氣的門站價格為每立方米2.12元，向其他天然氣發電企業銷售天然氣的門站價格為每立方米2.21元，此價格自2017年9月1日開始執行。

4.4 主要投資主體優劣勢分析

目前，燃氣冷熱電三聯供的投資主體主要為油氣公司、能源企業、投資公司和供電企業（南方電網綜合能源服務公司）等。對于油氣公司，由于其具有一定的天然氣壟斷優勢，因此可降低燃氣冷熱電三聯供項目燃料成本，但是在相關人才儲備和運維管理方面存在不足。油氣公司投資燃氣冷熱電三聯供項目，一方面是為擴大天然氣消耗，增加企業的收入；另一方面，在電力體制改革、能源發展形勢變化機遇下，投資燃氣冷熱電三聯供項目在未來還可以通過供電、供冷、供熱等服務獲得可觀利潤。對于能源企業，投資燃氣冷熱電三聯供項目拓展了已有業務，由發電企業逐步轉變為向客戶直接提供多種用能服務的能源服務商，搶占未來的能源服務市場。能源企業具有一定的相關專業人才優勢和運行管理經驗，但在燃氣供應及并網方面則處于劣勢，但對于同時擁有天然氣和發電業務的部分能源企業，在投資此類項目時具有較大優勢。對于一些投資公司，特別是私人企業，在激烈的能源服務競爭中看好燃氣冷熱電三聯供發展前景，業務開展較早，具有一定項目投資經驗和技術積累，在燃料供應和售電并網上處于劣勢。對于供電企業，投資此類項目時首先是在燃氣冷熱電三聯供并網及網源協調方面具有優勢，同時也可為能源站提供應急和備用服務，減少能源站冗余電力設施投入，降低能源站投資成本，但供電企業在相關專業的人才儲備以及燃料供應方面處于相對劣勢。此外，供電企業在全國各市縣具有下屬公司，掌握著當地用戶詳細的用能信息，便于優質服務客戶的快速篩選，從而可以快速布局燃氣三聯供項目。

4.5 經濟性

現階段，燃氣冷熱電三聯供的經濟性仍偏弱，主要是由于核心設備價格和維護成本較高、天然氣價格偏貴、冷熱電三聯供項目對上網電價和冷熱價格的議價能力較弱所導致。隨著國家推動油氣和電力體制改革，出臺系列扶持政策等措施，必將推動燃氣冷熱電三聯供項目的迅速發展，進而助推我國燃氣輪機、燃氣內燃機等核心設備的技術進步與國產化，從而進一步降低設備成本，以增強燃氣三聯供項目對于電價和冷熱價格的議價能力。同時，隨著我國天然氣管路及進口戰略通道格局基本形成、國內天然氣開采量增加、非常規天然氣中頁巖氣和可燃冰開采技術的突破、天然氣定價機制的改進，相信在未來，天然氣價格會有所緩和。總體上，燃氣冷熱電三聯供的經濟性會逐步得到改善。

5 結語

建議緊抓國家能源發展機遇期，積極爭取冷、熱、電需求旺盛的優質客戶，主動迎合能源技術發展趨勢，加快對燃氣冷熱電三聯供項目的市場及政策研究，采取多種形式，積極布局燃氣冷熱電三聯供發展，加快推進投資示范項目落地，以積累人才、技術、管理經驗，探索發展道路。

鑒于目前燃氣冷熱電三聯供存在問題和發展趨勢，建議重點加強相關關鍵技術的科研攻堅投入，鼓勵研究燃氣三聯供與微電網、多種新能源（風、光、生物質、地熱等）、儲能的融合互補以及區域源網荷協調優化關鍵技術，開發自主新技術，引領該領域技術發展。

由于我國燃氣冷熱電領域起步較晚，建議各投資主體積極結合自身優勢，加強相互間的交流合作，實現互利共贏。政府完善相應法規標準，給予一定補貼及相關優惠政策，共同推動燃氣冷熱電三聯供走上良性發展的道路。