论不同形式天然气分布式能源在我国的应用

引言

在国际上，经济发展带动电力负荷持续增长，对供电可靠性、电能质量的要求不断提高，新型发电技术和储能技术得到发展和应用，电力市场化逐步推行，环境保护问题日益突出。在这些因素综合作用下，具有较高能源利用效率的分布式系统得到了快速发展，发达国家纷纷将发展分布式系统作为国策大力推广。美国是全世界分布式能源发展最早的国家，在发展初期将这种分散的小型发电模式称之为小型热电联产（CHP：combined heating and power）或者称为分布式发电（DG：Distributed Generation） 不同国家由于自身资源禀赋特性差异，选取的分布式能源发展类型不同，荷兰根据其自身能源结构，积极推动以小型热电联产为主的分布式能源系统，到20世纪末，热电联产机组装机容量已达其国内发电总装机容量的48.2%。研究探索最适宜我国现状与发展趋势的分布式能源类型，是我国能源行业前十年与后十年内的一项重要任务。

1、分布式能源简介

1.1分布式能源介绍

所谓“分布式能源”（distributed energy resources）是指分布在用户端的能源综合利用系统。相对与追求规模效应以降低生产过程消耗的传统大型集中能源生产系统，分布式能源系统的显著特征即是牺牲一定程度的规模效应，以换取与用户侧能源负荷的高度匹配。根据《关于发展天然气分布式能源的指导意见》（发改能源[2011]2196号）文件的定义，天然气分布式能源是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供（Combined Cooling Heating and Power）等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式。与传统集中式供能方式相比，天然气分布式能源具有能效高、清洁环保、安全性好、削峰填谷、经济效益好等优点。由于我国能源行业的法规与现状，目前我国建设的分布式能源项目主要可分为“楼宇型”与“区域型”两类。

1.2楼宇型分布式能源介绍

楼宇型分布式能源即针对单一楼宇或单一楼宇群进行供能的分布式能源系统。供能面积一般不超过50万平米，并以二十万平米以下的情况居多。此类项目多采用内燃机作为核心，辅以溴化锂热泵、板式换热器等设备，实现冷热电三联供，供能规模较大的项目也有采用小型的轻型燃气轮机作为发动机的案例。楼宇型分布式能源项目主要采取“自发自用”、“用户侧上网”的模式接入公共电网，接入电压等级多为380V。特点是负荷高度匹配、能源直接供应，但效率较低，一般发电效率在30%—35%。为提高系统效率，故此类项目一般采用“欠匹配”原则配置内燃机与发电机，即按照冷热、电中较低负荷装机，不足部分采用天然气补燃、电制冷、外购电等方式予以补足。

1.3区域型分布式能源介绍

区域型分布式能源即针对规模较大的区域进行供能的分布式能源系统。供能面积一般在100万平米以上，最大有约千万平米供能规模的案例。此类项目多采用燃气—蒸汽联合循环系统为核心，辅以调峰热源、高温热网（热水或蒸汽管网），并在末端单独建设冷热站，设置溴化锂热泵、板式换热器实现冷热电三联供。受限于目前的电力法限制，区域型分布式能源项目主要采用集中高压上网的形式接入公共电网，接入电压等级多为110KV或220KV，规模较小的项目也有35KV接入电网的案例。特点是高效率，联合循环发电效率可达到50%以上，近年来的高效机型可以达到55%。但能源供应需接入电网、热网，无法实现能源的直接供应。由于区域型分布式能源系统采用发电上网的模式运营，为提高总体效率，此类项目一般采用“以热定电”配置联合循环机组。即按照区域内基础采暖/制冷负荷装机，辅以燃气调峰锅炉、电制冷/冰蓄冷设备，同时确保在全部设备满负荷运转时满足区域供能需求。

2、楼宇型分布式能源系统优劣分析

2.1楼宇型分布式能源系统案例分析

2.1.1案例一：（1）项目概况。某酒店项目总建筑面积94791.18m2，地上5层、地下2层。酒店大楼的设计最大用电负荷9000kWh；最大冷负荷9200kW；最大热负荷6400kW。分布式能源站满足大楼部分制冷、采暖和供电需求。该项目实现了“并网不上网”的运行模式，采用400V电压等级并网，发电完全在酒店内部消纳。成为低压并网的的成功案例。（2）装机方案。1台566kW的燃气内燃机发电机组，占总设计电负荷5%左右，配有1台烟气热水型溴化锂冷温水机65万大卡（不带补燃，制冷量715kW，供热量670kW）；1台烟气冷凝回收器。余热供应的冷热负荷占总负荷的比例小于10%。（3）占地面积。能源站建筑面积400m2，地下布置，占地比例折合约4.22%。（4）主要指标及效益。节能指标：年供电量约为345.7万kWh，供热量5316GJ/年，制冷量10075GJ/年，生活热水5595t/年，CO2减排量为1700t/年。单位减排能力18kg/m2经济指标：最大发电效率42%，全年发电气耗约0.28立方米/千瓦时。（5）工程投资。总投资约1447万元；按照发电能力计算，单位投资25565元/kW，按照供能面积计算，折合100%供能能力，单位投资约1500元/平方米。

2.1.2案例二：（1）项目概况。某办公项目建筑面积3.2万m2，建筑物高度42米，地上10层，地下2层。能源站主要满足大楼的供电、采暖和制冷需求。工程设计用电负荷1640kWh；冷负荷3148.8kW；热负荷2296kW。（2）装机方案。1×卡特彼勒G3508+1×BZHR100Ⅷ余热型直燃机；1×卡特彼勒G3512+1×BZHR200Ⅷ的余热型直燃机，发电总装机为1205kW。（3）占地面积。能源站建筑面积为640m2，地下布置，占地比例为2%。（4）主要指标及效益。节能指标：根据常规能源供应方式测算，每平方米综合能耗为50.34千克标煤/m2，经测试，该项目采用三联供方式年每平方米综合能耗为40.03千克标煤/m2，年节能量为329.92吨标煤，可减排二氧化碳864.3904吨。单位减排能力27kg/m2经济指标：最大发电效率35.58%。全年发电气耗约0.32立方米/千瓦时。（5）工程投资。总投资约3000万元；按照发电能力计算，单位投资2.490万元/kW，按照供能面积计算，单位投资938元/平方米。

2.2楼宇型分布式能源系统优势分析

2.2.1总投资体量较小。楼宇型分布式能源站一般投资不高于5000万元。门槛较低，便于中小企业投资运营。2.2.2销售电价较高。根据现行电网公司销售峰谷电价，折合约1.1-1.2元/KWh。楼宇型分布式能源为自发自用，比照考虑。2.2.3负荷匹配率高。楼宇型分布式能源可完全按照负荷变化情况调节出力，配置高水平自控系统后可实现负荷完全匹配。2.2.4对于规划层面要求较低。楼宇型分布式能源站建设较为独立，仅需落实用能建筑需求情况，对区域规划无特殊要求。具备现有建筑改造的条件。

2.3楼宇型分布式能源系统劣势分析

2.3.1单位投资较大。楼宇型分布式能源单位投资约2.5万元/kW，约为大型燃煤机组单位投资的7倍，固定成本较高。2.3.2发电成本高。楼宇型分布式能源发电气耗一般在0.3立方米/千瓦时左右，目前我国发达地区天然气价格基本为3.5-4.8元/立方米，度电成本约1-1.3元/千瓦时。相较销售电价，燃料成本较高，负担较重。2.3.3设备利用率较低。除少数酒店等业态外，多数采用用能建筑每日折合满负荷利用时间约6小时，年均利用小时仅2000余小时。供能业态有酒店、公寓的项目利用小时一般也在3000-4000小时。2.3.4不具备独立供能能力。为尽量提高设备利用率，楼宇型分布式能源项目一般采用欠匹配原则装机，部分负荷依靠传统能源方式，无法完成自给自足。2.3.5节能效果较低。由于楼宇型分布式能源项目装机量偏低，且不具备规模效应。节能总量与单位节能能力均低于区域型分布式能源项目。

3、区域型分布式能源系统优劣分析

3.1区域型分布式能源系统案例分析

案例一：项目概况：某项目供能建筑面积约800万平米，采用3台套6B级联合循环机组作为核心，同步建设调峰热水锅炉、区域热网等配套设施。热负荷约400MW，集中供冷负荷约300MW。按照双回220KV接入电网。装机方案：3台套6B级燃气蒸汽联合循环机组+2台116MW调峰热水锅炉+配套热力管网。采用末端热水型溴化锂机组制冷。占地面积：约5.03公顷。考虑末端换热站、制冷站后占地比例约2%。主要指标及效益：年供电量约10亿千瓦时，年供热量约300万吉焦，消耗天然气约3亿立方米.全年发电效率约55%，发电气耗约0.2立方米/千瓦时。每年减排二氧化碳约50万吨。单位减排能力71kg/m2工程投资：总投资约19亿元，单位投资8225元/kW。

案例二：项目概况：某项目供能建筑面积约700万平米，采用西门子V94.2型燃气——蒸汽联合循环机组作为核心，同步建设调峰热水锅炉、区域热网等配套设施。按照双回220KV接入电网。装机方案：3台套6B级燃气蒸汽联合循环机组+4台58MW调峰热水锅炉+配套热力管网。采用场内蒸汽型溴化锂机组制冷。占地面积：约6公顷，考虑末端换热站后占地比例约1.5%主要指标及效益：年供电量约10亿千瓦时，年供热量约260万吉焦，消耗天然气约3亿立方米。全年发电效率约57%，发电气耗约0.19立方米/千瓦时。每年减排二氧化碳约45万吨，单位减排能力64.3kg/m2工程投资：总投资约17亿元，单位投资7143元/kW。

3.2区域型分布式能源系统优势分析

3.2.1单位投资较低。区域型分布式能源系统单位投资一般不高于9000元/kW。为大型燃煤机组的2-3倍，固定成本一般项目可以承受。

3.2.2发电成本较低。区域型分布式能源项目发电气耗一般不高于0.2立方米/千瓦时，按照发达地区天然气价格计算，度电成本约0.7-0.8元。较现行天然气发电价格存在一定收益空间。

3.2.3设备利用率高。由于区域型分布式能源项目供能范围较宽，通过住宅、公寓、酒店等项目的夜间负荷补充，可以达到供暖/供冷期全天运行的效果，此类项目年利用小时一般可以达到5000小时左右。

3.2.4具备独立供能能力。由于区域型分布式能源项目配备调峰设施，并采用以热定电的原则装机，可以独立满足供能需求，并可在大网故障时实现独立运行。

3.2.5节能效果明显。由于区域型分布式能源项目规模、体量大，节能总量与单位节能能力均强于楼宇型项目。

3.3区域型分布式能源系统劣势分析

3.3.1总投资体量大。区域型分布式能源项目总投资一般在几亿元到二十亿元不等，投资规模较大，门槛较高。仅大型企业具备投资的能力。

3.3.2销售电价较低。由于电力法限制，目前发电项目不可直接售电，上网电价含补贴一般在0.9-1元/千瓦时。

3.3.3负荷匹配能力较低。由于区域型分布式能源项目采用规模较大的联合循环热电联产方案，为保证机组效率，必须工作在较高负荷率下。不具备完全按照负荷情况调节运行工况的能力。

3.3.4规划要求高。由于区域型分布式能源项目的规模较大，企业主体不具备独立进行供能市场开发的能力。必须要求借助政府行政能力，从规划层面落实这一供能方式。故一般仅对新建区域适用。不适于现状区域的用能替代。

4、相关政策与导向影响

分布式能源领域的政策出台始于2011年，《关于发展天然气分布式能源的指导意见》（发改能源[2011]2196号）首次正式提出了鼓励发展分布式能源的倡导，并在规划、税收、并网及补贴四个方面明确了对分布式能源系统的支持。自此拉开了我国分布式能源快速发展的序幕。

此后，政府对这一技术的重视日趋加深，在2013年发布了《分布式发电管理暂行办法》（发改能源〔2013〕1381号），将2011年指导意见中的各项内容进行了明确，使得分布式能源的开发建设有据可循。同时，也对解决楼宇型分布式能源项目“并网难，上网更难”的困难提供了帮助。

2014年以来，随着电力体制改革的深化，也对区域型分布式能源系统产生了利好影响，根据《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》（中发〔2015〕9号）第三条第（五）部分内容，“一方面多途径培育市场主体，允许符合条件的发电企业投资和组建售电主体进入售电市场，从事售电业务。另一方面赋予市场主体相应的权责，售电主体可以采取多种方式通过电力市场购电，包括向发电企业购电、通过集中竞价购电、向其他售电商购电等。”同时最新电力法也放松了对售电主体的限制。可以判断，在未来的一段时间中，分布式能源直接售电的限制将逐渐消失。

5、结论

根据上述情况，本文认为分布式能源项目具有节能减排效益明显、负荷匹配度高的优点，并符合国家战略规划与政策导向，是符合我国发展现状的先进用能方式，值得大力推进。而在实施过程中，区域型分布式能源项目在单位造价、经济性、节能减排能力上均相对楼宇型分布式能源项目有着明显的优势。同时在未来放开售电主体限制后可具备更大的经济回报能力，更适宜在经济发达地区的新建用能集中地使用。而楼宇型分布式能源项目更适合在不具备建设区域型分布式能源项目的地区广泛应用，作为传统用能形式的替代与改革。

（作者单位：北京华电北燃能源有限公司）

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