天然气分布式能源发展研究.pdf

第 4 4卷第 4 期 2 0 1 5年 4月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 4． N O ． 4 A p r i l ，2 0 1 5 天然气分布式能源发展研究 张 松 伟 中石化 中原石油工程设计有限公司， 河南 濮阳 4 5 7 0 0 1 摘 要天然气分布式能源系统，是高效利用天然气能源的综合系统。详细介绍了天然气分布式能源系统 的工作原理及分类，分析了该系统的社会效益和经济效益。我国天然气分布式能源系统发展面临的主要挑战是 缺乏系统的规划和完整的产业链。 关键词天然气；分布式能源；冷一 热一 电联供 中图分类号T E 9 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 50 4 0 7 6 6 0 4 S t ud y o n De v e l o pm e nt o f Ga s Di s t r i bu t e d Ene r g y S y s t e m ZHANG So n g- we i S i n o p e c Z h o n g y u a n P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g Co r p o r a t i o n ， He n a n P u y a n g 4 5 7 0 0 1 ，Ch i n a Ab s t r a c t T h e g a s d i s t rib u t e d e n e r g y s y s t e m i s a c o mp r e h e n s i v e s y s t e m t o e f f e c t i v e l y u t i l i z e n a t u r a l g a s e n e r g y ． I n t h i s p a p e r , t h e p r i n c i p l e a n d t y p e s o f t h e d i s t r i b u t e d e n e r g y s y s t e m we r e i n t r o d u c e d ， a n d i t s s o c i a l a n d e c o n o m i c b e n e fi t s we r e a n a l y z e d ． I t ’ S p o i n t e d o u t t h a t t h e ma i n c h a l l e n g e t o d e v e l o p m e n t o f t h e g a s d i s tr i b u t e d e n e r gy s y s t e m i s t h e l a c k o f s y s t e m p l a n n i n g a n d c o mp l e t e i n d u s t r y c h a i n ． Ke y wo r d s Na t u r a l g a s ； Di s t r i b u t e d e n e r g y ； Co o l i n g - h e a t i n g p o we r s u p p l y 近年 ，世界各国都将提高能源利用效率促进清 洁能源发展作为能源优化结构调整的重要战略方 向。分布式能源作为科学高效用能方式蓬勃发展 ， 得到广泛重视和应用 ，成为能源产业的一个重要发 展方向。分布式能源是近年来兴起的利用小型设备 向用户提供能源供应的新型能源利用方式。天然气 电 、热、冷三联供系统是 目前典型的分布式能源利 用方式 ，在发达 国家已得到比较广泛的推广利用 ， 在我国仍处于起步阶段 。 党的 “ 十八大”报告把生态文明建设列入 中国 特色社会主义总体布局，提出建设美丽中国的新要 求 。因此 ，因地制宜发展天然气分布式能源 ，积极 推进天然气高效利用，对于推动能源生产和消费革 命 ， 促进资源节约 、 节能降耗 ， 缓解大气环境压力 ， 解决当前愈演愈烈的雾霾污染 ，意义重大口 ] 。 1 国内外天然气分布式能源发展现状 2 0世纪 7 0年代末，天然气冷热电联供分布式 能源系统首先在美国发展起来，由于对能源实现了 高效利用， 西方国家迅速大规模推广。 截止到 2 0 1 0 年 ，美 国分布式能源站 6 0 0 0多座 ，总装机更是达 到 9 2 0 0万 k W， 占全 国发电量 1 4 ％； 日本热电 冷 联供项 目总量达到了 8 0 0 0多个，总装机量达 9 4 4 万 k W， 占E t 本全国电力总装机容量 的近 3 ． 4 ％； 2 0 0 8 年欧盟 2 7国全年发电总量为‘ 3 7 0 ． 1 万亿度， 其中热 电 冷 联供装机容量为 1 ．0 0 2 亿 k W，占总发电量 的 1 1 ．0 ％， 其中，荷兰和丹麦的分布式能源所占比 重最大，分别接近全国总发电量的4 0 ％和 5 0 ％。 我国的天然气冷热电联产供能系统刚刚起步 。 国内天然气产业发展近年快速发展 ，天然气管网不 断完善，天然气利用水平稳步提升，但是作为天然 气高效利用的分布式能源技术在我国尚处于起步阶 段。目 前，全国电力总装机规模 1 1 ．4亿 k W，其中 燃气发电 3 8 2 7万 k W，占发 电总装机 的 比例为 3 ． 3 5 ％，天然气分布式能源站装机规模更小 ，约 5 0 0 万 k W，且主要分布在北上广等大中型城市，我国 典型 的天然气分布式能源项 目以上海浦东 国际机 场、湖南长沙黄花医院、北京燃气大楼等为例。这 些项 目建设较早 ，这些项 目已经体现出了良好的节 能 、经济、环保和社会综合效益。 2 分布式能源系统概述 2 ． 1 系统组成及工作原理 分布式能源系统具有种类繁多 、能源来源广泛 等特点 ，其中以燃气轮机或 内燃机为核心的冷热电 联产系统为代表 ，还包括新型燃料和电池可再生能 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 3 - 0 4 作者简介 张松伟 1 9 8 6 一 ，男，河南濮阳人，初级工程师，2 0 1 0年毕业于中国石油大学 华东 油气储运专业，研究方 向从事长输管道研 究设计工作。E - m a i l z y s j y z s w 1 6 3 ． c o m 。 第 4 4卷第 4期 张松伟天然气分布式能源发展研究 7 6 7 源等组成 的综合能源利用 系统。以天然气和先进 的 产生的高品位 的蒸汽或燃烧动力设备驱动发电机发 燃气 蒸汽 轮机、溴化锂空调为基础的冷热电联 电或利用燃料电池以及各种可再生能源技术供电， 产系统是现代较为成熟的分布式能源系统。 同时冬季利用抽汽或排汽向用户供热，夏季利用余 天然气冷热电联供系统的核心是燃机设备和发 热吸收式制冷机向用户供冷以及提供卫生热水或其 电设备 ，包括燃气轮机 、内燃机等。此外还包括重 他用途热能。 要的余热利用设备， 如 吸收式制冷机、 余热锅炉、 2 ．2 技术方案分类 电制冷机、换热装置、燃气锅炉等。 天然气分布式能源系统技术方案的分类详见 分布式能源系统的基本原理是利用热工设备 表 1 。 表 1 技术 方案 详表 Ta bl e 1 The t e c hni c al s c he m e 2 ． 3 天然气分布式能源的适用条件 天然气分布式能源系统主要应用在满足以下全 部或部分条件的场所 1 有较为稳定的 冷 热负荷 ； 2 有利的上网电价和天然气价格； 3 较为严格的环境保护要求； 4 需要有事故备用 电源 ； 5 天然气供应能力充足。 2 ． 4 天然气分布式能源系统的分类 天然气分布式能源系统按使用范围可以分为区 域式和楼宇式两种。区域式分布式能源系统是指在 各种工业园区、 科技园区、 大学城等人口相对密集、 且地理较大的区域所建设 的冷热电能源供应 中心。 楼宇式分布式能源系统是指 以建筑物为服务对象所 建设的冷热电供应系统， 如写字楼， 商场， 医院等。 公用事业机构 其特点为满足公共事业 、服务 居民生活。采用分布式能源站不仅减轻电网负担， 同时可以作为备用电力供应，保障其稳定运行。城 市商业中心或企业集中的商业区域，有大量高层 商业建筑，具有较为稳定的热电冷需求，适宜建立 集中供热供冷的分布式能源站。产业集中的工业园 区 其特点为能耗大、 对电力需求大， 用能时间长， 采用分布式能源站可降低能源成本、提高效益、减 轻电网负担。 新开发的城区和大型的楼盘开发项 目 在新开发的城镇和新型农村社区，减少直燃供暖以 及分体式或窗式空调，积极采用分布式能源站提供 电力、供冷、热负荷、蒸汽等。 楼宇式分布式能源一般采用微燃机 溴化锂机 组方案与燃气发动机 溴化锂机组方案 ，区域式分 布式能源系统燃气轮机 余热锅炉 溴化锂机组方 案与燃气 轮机 汽轮机 余 热锅炉 溴化锂 机组方 案。一般来说 ，以经济效益为主要 目 标的分布式能 源项 目， 投资 回收期不宜超过 1 2 a 。其他类型的分 布式能源项目，如调峰天然气电厂、保障民生为主 的项 目、追求环境和社会效益为主的燃气类项目， 根据当地规划适当建设 。 3 社会效益和经济效益影响评价 3 ． 1 社会效益影响评价 天然气分布式能源系统采用能源梯级利用的原 理，将高品味能量和低品位能量综合利用，有效提 高了能量利用效率 ， 其节能减排效果明显，对于保 护生态环境 、改善生活质量 ，提高居民健康水平具 有重要作用。 1 环保节能并举 天然气分布式冷热电联供系统能效高， 一般都 7 6 8 当 代 化 工 2 0 1 5 年 4月 可达 7 0 ％以上。该 系统采用 的燃料主要是天然气 ， 是清洁产能系统 ，具有很好的环保性能 ，排放指标 均达到相关环保标准 ，是 目前最环保高效的能源供 应方式之一。 天然气分布式能源系统在降低 S O 、N O 、C O 等污染物的排放方面潜力很大。与燃煤的热电分产 相 比，C O 排放量可减少 1 ／ 3左右 ，S O 减少接近 1 0 0 ％，N O 减少约 8 0 ％，固体颗粒排放几乎为零 。 这是解决现今各地区 p m 2 ． 5指数高 、雾霾天气严重 等问题的有效途径。 2高品质城市功能 天然气分布式能源的供电、 供冷、 供热都是高 品质的服务 ，可 以满足高品质的功能需求 。规划重 点的工业园区项 目 偏离原有城市中心较远 ，供能条 件不优越且不稳定 ，极大限制 了一些省 、市级工业 园区的发展，同时经济新区建设步伐快速迈进，冷 热电的供需矛盾 日 益严重， 集中供暖问题尤为突出。 天然气分布式能源完全有能力弥补传统供电、供热 的缺 口。 3 带动相关产业发展 天然气分布式能源的发展促进电力 、天然气服 务、燃机等相关行业的发展，改善产业结构，延伸 产业链，提高产品附加值，培育新的经济增长点， 对相关产业群体将会产生重大和深远的影响。配套 管道工程建设将采用大量的材料和设备，有利于带 动相关产业发展 。这些都将增加新的就业机会 ，产 生更多产业价值 。 3 ． 2经济效益影响评价 天然气分布式能源系统主要有三种产品电、 热 、冷 。三种产品均可产生效益 ，但是 由于市场条 件不完善和机制不成熟，盲目发展容易造成某些天 然气分布式能源系统高成本、低回收。 不同的地域和建筑物 ，通过优选技术方案 ，才 能形成效益。对技术方案进行经济评价时 ，可采用 动态投资 回收期法 、现值法 、内部收益率法 、费用 年值法等。在目前气价高、电价低的形势下，国内 很多项 目的资金 回收年限都在 1 0 a 左右。 影响分布式能源系统经济性的主要因素为冷、 热、电以及天然气价格 。 根据分布式能源系统特性 ， 供热 冷 天数较长 ，供热 冷 负荷较大，系统 的能源利用率较高，经济效益较好，一般要求供热 时间大于 4 0 0 0 h ／ a 。低于 3 0 0 0 h ／ a 的能源站机组利 用率较低，投资回收期长，甚至可能亏损。可根据 建筑设计院和供热空调设计手册上提供的数据来分 析冷 、热 、电以及天然气价格对其经济性的影响。 天然气分布式能源系统综合社会效益突出，其 经济效益主要受市场燃料与用 电价格 电价 、 气价 、 热价 的影响，其推广需要一定的优惠政策 ，必要 时政府可给予一定的财政补贴或贷款准入、税收方 面的优惠。 4 天然气分布式能源系统的优势和面 临 的挑战 4 ． 1 优势 国家自 2 0 1 0年开始推广天然气分布式能源系 统工作。2 0 1 1 年 1 0月 9日，国家发改委 、财政部 、 住房城乡建设部、国家能源局联合发布 关于发展 天然气分布式能源的指导意见 ，明确指出 “ 十二 五” 期间建设 1 0 0 0 个左右天然气分布式能源项目， 建设 1 0个左右各类典型特征的分布式能源示范区 域 ， 到 2 0 2 0年 ， 在全 国中型规模 以上城市推广使用 分布式能源系统 ， 装机规模达到 5 0 0 0万 k W， 初步 实现分布式能源装备产业化。 天然气分布式能源已经成为中国能源战略关键 一 环 ，对调整能源结构 、解决当前愈演愈烈的雾霾 污染有着重要的意义 。与煤炭和石油相 比，天然气 是一种非常清洁的能源，不仅碳排放低，而且污染 物排放少。大力推广天然气的使用，对于保护生态 环境、提高居民健康水平具有重要作用。但是， 我 国能源消耗大、天然气资源不足，最大限度地提高 能源的利用效率 ，特别是天然气的利用效率是当务 之急。分布式能源对天然气的利用率高，是目前最 高效的利用途径。此外 ，天然气分布式能源建设 、 运行 、管理、服务的延伸 ，可以带动较大数量的装 备生产和就业，对振兴装备制造业具有积极意义。 1 能源综合利用率高 ，减少 了能源浪费 在 目 前技术水平下， 集中供电方式的能源利用 率可以达到 4 0 ％ 5 8 ％。分布式冷热电三联供其能 源利用率可达 8 0 ％以上。天然气分布式能源系统通 过燃气轮机等驱动发电设备将 3 0 ％一4 0 ％的能量转 化为电能，剩余能量用来制冷 、制热或直接供热 ， 从而实现能量的梯级利用 ，提高能源利用效率。 2具有削峰填谷作用 ，利于改善能源结构 电力部 门根据用 电负荷特性按照满足夏冬季 用电高峰配置发电和输配电设施 ，在春秋季和节假 日 用电低谷时，发电和输配电设施能力无法充分发 挥，利用率降低。对于天然气生产部门，夏季因用 气量需求量减少需要采取调峰措施，否则气田需适 当关井限产，输气量降低，导致效益降低。采用天 然气分布式能源系统 ，增加夏季的天然气使用量 ， 第4 4卷第 4期 张松伟天然气分布式能源发展研究 7 6 9 不仅可以调节天然气季节峰谷差过大的问题 ， 可 以缓解 电网调峰压力。 3具有 良好 的经济效益与环境效益 而且 的效益。 3 未形成系统产业链 由于能源高效利用， 余热供冷供热与发电成本 共担， 三联供系统具有更好的经济效益和环境效益。 天然气分布式能源不但将部分高温热能转化为用途 广泛的电能 ，而且利用中温热能驱动溴化锂冷热水 机组，将部分环境中的热能提升温度，转化为可以 利用的热能，同时实现对局部环境的降温。分布式 能源电能 “ 就地直供” ， 可 以减少输 电线损 ，同时大 大减少能源消耗。与传统能源供应方式，天然气分 布式能源系统二氧化碳 、N O 、S O 排放大大减少 ， 在目前碳排放压力日增的国内形势下，发展分布式 能源具有积极意义 。 4 提高能源供应的可靠性 冷热电联供系统设备安装、运行简单、便捷， 安全性显著增加。对于学校 、医院、数据 中心等需 要备用电源的用户，分布式能源和电网可以一起多 电源保障电力供应，可以大幅度提高建筑物电力供 应可靠性。先进的分布式能源系统甚至可以将供电 机组模块化，单个模块也可以灵活开停。 4 ． 2面临的挑战 1 缺乏标准与系统规划 国家 目前尚未对天然气分布式能源制定统一标 准与行业规范，分布式能源系统的大规模利用还有 很长的路要走。国内一些企业虽然对建设天然气分 布式能源站积极性较高，但由于没有相应的产业统 筹规划和行业准入规范，项 目布局存在很大的盲 目 性 ， 生产经营有较大的风险。 对此种新 型功能体系 ， 各地区认识普遍不够全面，在无标准及系统规划的 情况下很难实现实质性突破 ，需要根据经济社会发 展情况和能源配套要求进行系统的规划和研究，加 强宏观布局和管理，引导市场规范有序发展。 2 相关部门缺乏协调 目 前，天然气分布式能源系统的发展除受资源 制约外，还需要多方协调，避免电、热、冷的供应 与已有的供电、供热、供冷体系产生冲突。对于天 然气分布式能源项目的政策支持，也需要能源、财 政 、土地 、规划等部门的协调推进。天然气分布式 能源站点的布局需要合理统筹推进，使之发挥更大 天然气分布式能源是涉及建筑设计 、 供热 冷 、 发电及调度等的新型交叉行业 ，国内在这方面起步 较晚，相关产业基础薄弱 、人才缺乏。一些关键设 备尚未实现国产化，燃气轮机和内燃机主要依赖进 口，相关 的科研技术攻关投入不足 ，专业服务人才 缺乏 ，培养滞后 。 4 扶持政策需进一步细化 虽然 国家下发了 关于发展天然气分布式能源 的指导意见 ，但是具体的扶持政策尚未形成体系。 对天然气分布式能源发展 ，目前在财政补贴、税收 优惠、电力上网并网等方面尚未出台相应具体的扶 持政策 ，在很大程度上影响和制约了天然气分布式 能源的发展，需要引起高度重视，加强系统研究， 明确各项扶持政策。 5 结 论 天然气分布式能源系统的社会效率和经济效益 明显，是提高天然气这一清洁能源的利用比重和利 用效率的有效途径。加大推广天然气分布式能源的 建设和发展 ， 对减少环境污染、 逐步改善大气质量、 提高居 民的健康水平 ，促进节能减排和低碳经济协 调发展具有重大意义。我国天然气分布式能源 尚处 于起步阶段，发展面临着机遇与挑战。 参考文献 [ 1 ] 胡小坚 ，张雪梅，蔡路茵． 冷热电分布式能源 C C HP 的优化研 究进展【 J ] ． 能源研究与管理， 2 0 1 0 2 1 3 1 4 ． [ 2 ] 林世平． 分布式能源系统中能源与环境耦合特性及优化集成模型 研究[ D ] ．武汉 武汉理工大学， 2 0 1 1 ． [ 3 ] 林世平． 分布式能源系统中能源与环境耦合特性及优化集成模型 研究【 D ] ． 武汉 武汉理工大学， 201 1 ． [ 4] Y u a n Y i n a ， R u a n Y i n g j u n ， L i u Q i n g r o n g ， e t a 1 ． E c o n o m i c A n a l y s i s o f B u i l d i n g D i s t r i b u t e d E n e r g y S y s t e m B D E S i n t h e C h i n e s e D i f f e r e n t C i ti e s [ C ] ．I n t e ll i g e n t S y s t e m D e s i g n a n d E n g i n e e r i n g A p p l i c a t i o n s I S D E A ， 2 0 1 3 T h i r d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n ， H o n g K o n g ， 2 0 1 3 6 3 2 - 6 3 6 ． [ 5 ] 王卫琳 ，李洁，赖建波，等． 天然气分布式能源系统节能减排效 益分析[ J 】 ． 煤气与热力，2 0 1 3 ， 3 3 8 2 3 2 6 ． [ 6] A k o r e d e M F ， Hiz a m H ， P o u r e s m a e i l E ． D i s t r i b u t e d E n e r g y R e s o u r c e s a n d B e n e f i t s t o t h e E n v i r o n me n t [ J ] ． R e n e w a b l e a n d S u s t a i n abl e E n e r g y Re v i e ws ， 2 0 1 0 ，1 42 7 2 4 7 3 4 ．