天然氣分布式CCHP系統的發展現狀及應用前景

陳裕興

（1.佛山市順德區港華燃氣有限公司，廣東 佛山 528300；2.華南理工大學，廣東 廣州 510640）

近年來，隨著國家經濟的迅速發展，各行各業對電力的需求高速增長，能源緊缺和環境污染問題日益凸顯。傳統以煤炭、石油為主的能源供給方式存在污染嚴重、靈活性差、輸配電損耗高等缺點[1]，而分布式冷熱電聯供系統（CCHP）是以能源梯級利用為基礎，能同時實現供冷、供熱和發電過程的一體化多聯產系統，與傳統集中式能源相比，其分布位置更接近負荷，不需要進行遠距離高壓輸送，顯著減少線損和運行費用，能達到更高的能源綜合利用率。當今，各個國家的能源結構發生轉型，非化石能源和天然氣在能源結構中的地位上升[2]。天然氣分布式CCHP系統，如圖1所示，指以天然氣作為燃料，通過冷熱電三聯產實現能源的梯級利用，實現較高的綜合能源利用效率，是天然氣高效利用的重要方式。

圖1 天然氣CCHP系統[3]

1 天然氣分布式CCHP系統在國內外的發展現狀

分布式能源站技術從20世紀70年代末期開始發展，目前已經成為美國、歐洲各國等國家能源結構的重要組成部分。早在1978年，美國為了提高能源利用率，促進分布式能源冷熱電聯產的發展，推出了《公共事業管理改制令》，幫助美國冷熱電聯產項目迎來發展高峰。此后，美國的分布式能源裝機容量呈現倍速增長趨勢。目前，美國已經構建了超過6 000座分布式能源站，包括風能、太陽能、水能、天然氣等，總發電量高達9.2×107kW，其中天然氣部分為8.3×107kW，約占總量的14%[4]。歐洲各國的天然氣分布式能源也起步較早，應用熱電聯產的電力比美國還多。歐盟在1997年就制定了冷熱電聯產系統的發展規劃，到2010年熱電聯產產生的總電量比例達到了18%[5]。

我國天然氣分布式能源發展起步較晚，2000年以前的供電模式大部分采用集中供電。近年來，國家對清潔能源越發重視?？紤]到我國的國情，天然氣儲備豐富，天然氣在中國發電領域中有良好的應用前景，政府制定了許多政策大力推行分布式能源。根據中國城市燃氣協會分布式能源專業委員會統計，截至2016年7月，共有288個項目的單機規模小于5×104kW，總裝機容量在2×105kW以下，其總裝機容量超過1.1×107kW[6]。可以看出，天然氣在我國能源結構中逐漸取得了無可替代的位置。

2 影響天然氣分布式CCHP系統發展的主要因素

2.1 政策因素

目前，還沒有全面實施和推廣天然氣分布式能源的政策。我國政策最早在《節能法》中提到國家鼓勵發展冷熱電聯產，而在后來的《可再生能源法》中，也僅僅說明了分布式能源項目的合法并網等問題，未對能源綜合利用等問題提出要求[7]。此外，國家出臺的政策都比較寬泛，大多只是做了原則性規定，相關鼓勵和補貼較少，在政策實施過程中針對性不強。相關補貼政策也較少，是導致“十二五”主要任務與目標均未實現的重要原因。

2.2 市場因素

導致我國天然氣價格體系混亂的原因主要是電力能源體制和市場化改革緩慢。電力并網難，從根本上限制了天然氣分布式能源的發展。而且，國內管道天然氣終端價格比煤炭高出6倍，使得天然氣在能源市場的競爭力較弱。因此，獲得天然氣價格補貼或者天然氣優惠價格是決定天然氣分布式能源初期發展是否順利的重要因素[8]。

此外，大多數分布式能源系統的開發商為中小型企業，在市場中話語權較弱。一旦發電和批發市場的開放程度有限，電網公司就可能對分布式能源開發商制造各種并網障礙。

2.3 技術因素

燃氣輪機和智能電網等關鍵技術有待突破。我國并未掌握燃氣輪機設計和高溫部件制造等核心技術的主動權，僅僅是與國外燃氣輪機制造廠商合作得到產品，缺乏自主知識產權，進口設備的采購價格昂貴，約占初投資的30%，對項目經濟性影響很大。因此，國家未來需自主研發有關燃氣輪機的核心技術和微電網自愈控制、智能互動用電等技術，從技術層面解決天然氣分布式能源存在的問題[9]。

2.4 利益因素

分布式能源系統并網需要向電網繳納兩部分費用：接入費和備用容量費。接入費是一次性收取，備用費是按月收取。分布式能源發電的高成本，再加上高昂的接入費和備用費，使得大多數分布式能源站只能選擇離網運行[10]。

3 天然氣分布式CCHP系統的應用前景

3.1 我國天然氣資源情況

我國天然氣資源豐富，常規天然氣資源量為68 萬億m3。“十二五”期間全國累計新增探明常規天然氣地質儲量約為3.9 萬億m3，累計產量比“十一五”期間增加約2 100 億m3[11]。此外，“十二五”期間，我國進口天然氣總量迅速增加，累計進口天然氣量是“十一五”的7.2倍，總量達到2 500 億m3，2015年進口天然氣量為614 億m3[12]。如此大總量的天然氣，成為推動我國未來分布式能源發展的有力保障。

3.2 天然氣分布式CCHP系統的市場需求

環境污染和能源緊缺促成了我國目前能源優化調整的階段，天然氣在能源改革中發揮重要作用。從此前分析可知，中國的天然氣消費水平相對偏低，未來還有巨大的發展空間?！笆濉钡囊巹澲赋?，我國實施的政策將重心偏向天然氣分布式能源系統的發展上。未來大量的制造業將實施煤改氣，天然氣發電供熱將大幅增長。未來天然氣的需求主要取決于經濟增長和天然氣的價格。

3.3 天然氣分布式CCHP系統的應用方向

天然氣分布式CCHP系統被應用在各行各業中，以下主要闡述分布式能源在陶瓷工業、工業園以及數據中心中的應用。

陶瓷工業屬于高能耗行業，大多數企業的能源成本占生產成本的30%以上，其中，粉碎、干燥、壓制材料等生產過程需要大量能源。因此，為了提高能源利用率、降低能耗，利用天然氣分布式能源技術替代傳統的陶瓷工藝技術是實現可持續發展的重要方法[13]。

工業園有較大的蒸汽負荷需求，熱電比較高，適合采用分布式供能系統。合理選擇分布式供能系統的運行方式，能有效降低用能成本。在天然氣供給充足的城市，采用天然氣分布式能源替代工業燃煤鍋爐，不僅能滿足工業園的用能需求，還不會產生大量有害氣體，能量利用率高，符合國家的可持續發展觀[14]。

數據中心一般全年不間斷運行，所帶來的能量消耗量非常巨大。統計結果表明，數據中心中IT設備的用電量占據了70%以上，電能全部轉化為熱能。以功率為10 kW高密度機架為例，其年耗電量為175 200 kW/h，一年用電花費14萬元。若采用天然氣分布式能源系統發電產生的余熱制冷，可以使數據中心內的空調主機幾乎不需能源成本，相當于降低了30%能源費用，且隨著天然氣價格制度完善，天然氣分布式能源在數據中心中的應用前景進一步擴大[15]。

4 結語

由上述論述可知，我國天然氣分布式CCHP系統的發展起步較晚，相關技術較其他發達國家還有一定距離。因此，我國急需掌握核心技術的主動權，適當減少進口燃氣輪機和內燃機等部件的使用，支持國產技術的發展。此外，能源危機及環境污染等問題推進了我國能源結構的轉型，天然氣分布式CCHP系統受到了國家的高度重視，國家推行了一系列政策力求扶持起我國的分布式能源技術。天然氣分布式能源的高效、清潔等優勢符合我國的科學發展觀，且分布式能源系統能應用在各式各樣的場合，設備較集中供電更為分散，受環境的約束更小，有巨大的應用前景?？梢灶A測，未來中國天然氣分布式CCHP系統的市場將快速拓寬，分布式能源技術的發展將走上高速路。