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    天然气分布式能源的应用与发展

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    天然气分布式能源是分布在用户端的能源综合利用系统。它以气体燃料为主、可再生能源为辅,通过燃气轮机或者内燃机发电,将其尾部烟气通过能量转换设备生产出用户所需要的热能利用形式,如蒸汽、生活热水、采暖热水或制冷用热能等;按照“温度对口、梯级利用”的用能原则,使得天然气分布式能源的综合利用率大于70%。发展天然气分布式能源是降低能源成本、提升能源效率、改善大气环境的一种有效技术途经。天然气分布式能源在国外许多国家已经有了近40年的发展历程,尤其是近几年,由于制造水平和科学技术的发展,以及人类环境?;ひ馐兜脑銮?,天然气分布式能源得到迅速的发展和应用。而我国的天然气分布式能源产业虽然已经发展了近20年的时间,但其发展速度缓慢,由于关键设备制造等原因,近50个已建成的天然气分布式能源项目中只有不到一半在运行,而其余的项目由于效益不佳、电力并网审批,以及关键设备制造、维护等问题基本处于停运状态。所以,我国天然气分布式能源产业尚处于起步阶段。目前,我国政府相关部门正在积极制定天然气分布式能源的发展规划,引导我国天然气分布式能源的发展;同时,我国的一些能源企业也在制定分布式能源产业的发展战略。种种迹象表明,天然气分布式能源已越来越受到广泛重视。

    一 天然气分布式能源技术简介

    (一)天然气分布式能源的技术介绍

    1.分布式能源的概念

    分布式能源系统,是相对于传统的集中式供能系统而言的,是指建设在用户侧的综合供能系统。本系统一次能源以气体燃料为主、可再生能源为辅,生产出用户端所需要的热、电、冷等二次能源,真正实现了能量梯级利用,完全满足用户对多种能源的需求。分布式能源系统是1978年由美国公共事业管理政策法提出并推广应用的,分散化、小型化、多元化是其主要特征。

    国外的分布式能源系统按照其与电网的关系、发电系统形式、是否含有储能系统等内容加以区分,具体内容如表1所示。但是,这些内容通常在中文中是没有区别的。

    表1 国外分布式能源系统的区别

    其中,任何能发电的系统主要是指发电原动机为内燃机、燃气轮机、微燃机、燃料电池、太阳能发电、风力发电等发电系统。

    储能设备主要是指蓄电池、飞轮、超导磁力储存设备等系统。

    国外分布式能源系统之间的关系如图1所示。

    图1 DP、DG和DER的关系

    世界分布式能源联盟组织(World Alliance for Decentralized Energy,WADE)对分布式能源的概念做出了解释:分布式能源技术是在用户当地或附近产生电能和热能,它不受容量大小、燃料种类以及电能生产方式的限制,它可以采用并网或者孤网运行。WADE进一步指出,分布式能源(Decentralized Energy)包含三个主要部分:第一部分是高能源利用率的热电联产,它可以应用于个体家庭中,也可以应用到规模很大的冶炼厂中。热电联产技术现已非常成熟、可靠,它利用了火力发电过程中排放的烟气所携带的热量,这一技术现已被广泛地采用到人类日常生活与生产过程当中。第二部分包含可再生能源,主要涉及太阳能、风能、生物质能等可再生能源的发电技术。第三部分是工业生产过程中废能的回收利用及发电技术。主要是指通过余热锅炉或者循环流化床锅炉,对工业生产过程中所产生的废热或者可以燃烧的低热值可燃物携带的低位热能加以利用,生产出蒸汽并用以发电。

    从以上定义可以看出,不同机构对分布式能源的定义不尽相同,但均以能源站分散布置,靠近用户为定义核心,我国的分布式能源这一名称也是由此而来。

    通过以上对分布式能源现有概念的分析理解,可以发现,它们均包含技术设备、建设位置和容量、是否并网以及所需二次能源种类等内容,但是这样的定义方式对分布式能源的理解存在以下不足之处。

    第一,上述定义中,对其所涉及的系统技术和容量、建设位置、一次能源利用等内容的描述不尽相同,容易造成人们对分布式能源理解的混淆。

    第二,上述定义中,仅仅描述了分布式能源的定义核心,并没有揭示其能源系统概念的实质。

    目前在国内得到较广泛认可的分布式能源定义为:位于或邻近负荷中心,以规模小、近距离输送能源、节能环保为特点的发电系统或者冷、热、电多联产系统[1]被称为分布式能源系统。

    2.天然气分布式能源的概念

    分布式能源系统是相对于传统的集中式能源生产与供应模式(主要代表形式是“大电厂+大电网”)而言的,是靠近用户端直接向用户提供各种形式的能量的中小型终端供能系统。其便于实现能源综合梯级利用,在具有更高能源利用率的同时,具有更高供能安全性以及更好的环保性能。

    燃气冷热电多联供是分布式能源系统最重要的形式之一,一般以天然气作为燃料,以燃气轮机或燃气内燃机作为系统中的发电设备,利用其尾部排出的烟气余热生产冷热等产品就近满足用户的冷热负荷需求。

    (二)分布式能源的优势

    1.分布式能源系统具有较高的能源利用效率

    根据当前传统的供能方式,电能必须通过输配电网,才能供到电力用户;而热能通过供热管网输配至热用户。由于输配管网的存在,无法避免电力线损和热网的沿程损失。所以,常规火力发电厂发电效率一般为30%~40%,而采用燃气-蒸汽联合循环的电厂,最终用户端的能源利用率仅有30%~47%;而分布式能源系统恰恰避免了冷、热、电的远距离传输造成的能量损失,同时避免了建造能源输配线路的成本,并且能量利用满足梯级利用要求,故而分布式能源系统的能源利用率往往会达到70%以上。

    2.分布式能源系统能延缓输配电网的升级换代

    随着我国城市化进程的加快,电力负荷和安全供电的要求均会提高,同时国家电网规模急速发展,这就需要对输配电系统进行升级甚至需要建设新的变电站,这往往需要巨额资金作为支持。而分布式能源系统的出现,能够在满足用户的电力需求的同时,还满足用户的冷热负荷的需求。分布式能源系统与大电网及热网管线相辅相成,在为用户的用能保驾护航的同时,延缓了输配电网的升级换代,增加了电网运行稳定性,提高供电安全性。

    3.分布式能源系统建设时间短、成本低

    常规集中供能系统是由大容量的电厂和公共电网所组成的,大电厂和大电网的建设往往由于系统复杂、管线繁多等原因,需要投入大量的资金和建设时间。当今社会,工业进程的发展速度明显高于电厂及电网的建设速度,势必造成能源的供应无法满足能源需求,它们的发展速度始终无法同步。但是,分布式能源系统由于其系统简单,易于施工建设,针对各个独立的能源用户,所以不会出现能源供需不平衡的局面。另外,分布式能源系统是接近用户侧供能,大大减少了变电设备、供能管线、环热站等的投资,节约了设备投资成本。

    4.分布式能源系统合理进行能源转换,可提高能源利用率

    供能形式单一是常规集中式供能的主要特点,用户往往不能直接同时获得热、电、冷三种能量形式,需要通过空调等设备进行相互转化,这样会造成一次产品(如电能)的大量浪费。分布式能源系统,通过采用不同的热力学循环方式,将发电设备和余热利用设备有机地结合起来,生产出能够满足用户需要的能源负荷,这种方式还克服了冷能和热能无法远距离传输的困难。同时,这种方式真正实现了热能的“温度对口、梯级利用”,故而整个系统具有较高的能源利用率。

    5.分布式能源系统可以满足特殊场所的需求

    针对不适宜铺设电网的地区,如边远的海岛等地区或散布的用户,对供电安全稳定性要求较高的特殊用户,如医院、银行等,能源需求较为多样化的用户等,分布式能源系统可按需要方便、灵活安置在各种用户及特殊场所附近,满足各种需求。

    6.分布式能源系统具有良好的环保性能

    由于分布式能源系统采用清洁燃料,相对于燃烧煤炭等燃料来说,大量减少了二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳等温室气体以及粉尘、废水废渣等有害成分的排放;同时,在能源供应系统中,由于配送线路和设备的减少,电磁污染和噪声污染也会随之减少,因而具有良好的环保性能。

    7.分布式能源系统调峰性能好、操作简单

    风力、太阳能等可再生能源发电技术近年来得到了大力的发展,但是它们具有周期性和不稳定等特点,使得它们并网之后会对电网造成冲击,对电网的稳定性有很大的影响?;鹆Ψ⒌绯У牡鞣迥芰τ邢?,调节范围较窄,而分布式能源系统具有升、降负荷或启停速度较快的特点,其与风力、太阳能等新能源发电技术相互配合可以很好地解决它们对电网的冲击,能够解决它们的并网问题,这为可再生能源的发展指明了新方向。将分布式能源与电网配合使用,对用户来说,具有优良的调峰性能,可降低用户的运行成本。

    (三)发展分布式能源的必然性

    第一,分布式能源可大大提高一次能源利用率,减少大气污染,有效改善环境,是实现我国能源战略、走可持续发展之路的必然选择。

    我国是以燃煤为主的能源消费结构,致使我国能源平均利用率仅为30%~40%,远远低于发达国家的水平,而我国人均能源占有量仅为世界平均水平的一半。提高能源的开采、转换和利用水平的研究与实践成为我国能源行业发展必不可少的环节,能效的提高也成为我国能源战略可持续发展的重中之重。

    与此同时,由于现有的能源结构,我国现已成为世界上污染最为严重的国家之一。燃煤电厂所排放的CO2、NOx、SOx和微尘等污染物已成为我国大气污染的主要来源。

    天然气分布式能源系统具有高效能、低能耗、低排放等特点,能够与可再生能源(如风能、太阳能等)联合使用,有效地缓解了由电力能源结构所带来的日益突出的社会矛盾。天然气分布式能源能够提高资源效益、环境效益和经济效益,对于实施可持续发展战略具有重要意义。

    第二,新型能源消费结构需要分布式能源系统。

    图2 中国与世界一次能源消费结构对比

    从图2可以看出,中国天然气在一次能源消费结构中的比例只有7.23%,远远低于世界平均23.7%的水平,具有强劲的发展空间。近年来,我国有计划地调整了能源消费结构,以及加重了对企事业节能减排的考核力度,作为清洁能源的优秀代表——天然气的利用越来越受到相关单位的重视。我国政府已经加大了引进、开发和利用天然气的力度。根据当前一些发达国家的经验来看,采用燃气轮机、燃气内燃机、燃料电池等分布式能源系统是合理利用天然气的最佳方案之一,并且分布式能源系统具有较高的一次能源利用率、较好的经济效益、建设资金相对较少等优点,因此,分布式能源系统将成为适应世界能源消费结构变化的新型能量系统,天然气分布式能源行业的发展能够有效地促进天然气的消费市场。

    第三,分布式能源系统是对现有电力系统的重要补充,是电力发展、电网调峰的需要,能够提升电力系统的安全性。

    近年来,由于中国工业化进程的快速发展,电力的供应量已经远低于电力需求量,这导致经济发展较快的地区出现了电力供应短缺的现象。与此同时,用电高峰时段电力负荷的增长量尤为集中,电力峰谷差也会随之增大。为了解决这一问题,国家实施了“西电东送”、加大供电设施建设力度等措施,但仍无法快速满足现有电力的需求。天然气分布式能源的出现,能够实现电力的可中断、可调节性能,还能够实现多能源形式的供给,并结合储能等先进技术的利用,可缓解电力供应紧张的局面,调整了大电网用能的峰谷差。与此同时,分布式能源能够有效缓解天然气冬夏季峰谷差,提高夏季燃气设施的利用率,增强供气系统的安全性,减少了天然气储气设施的投资。

    集中式供能系统所面临的最重要的问题是供能的可靠性。而解决这一问题的途径除了维护供能网络管线和设备的升级换代外,分布式能源的出现也对此做出了很好的解答。而且分布式能源站的建设比改造供能管线来增加其安全性更加方便快捷。

    第四,技术进步促进了分布式能源产业的发展,带动一大批相关战略产业的兴起,刺激了新的经济增长点,并提供更多的就业机会。

    材料科学、电子通信技术、电力控制技术和生产工艺等一系列新技术的出现为分布式能源系统的可靠性、高效性提供了保障。在“西气东输”等工程的带动下,分布式能源会有长足的发展。与此同时,分布式能源站所必需的燃气轮机、燃气内燃机、余热锅炉、余热溴化锂机以及其他相关的设备、管道、控制系统会得到应用。这就会推动关键设备机械制造业的兴起,同时会向社会提供数以万计的就业机会,带动数以万亿元的流动资本金,这会成为新的经济增长点。

    第五,优化能源供应格局,减少电力交易环节,降低用能成本,让用户得到实惠。

    分布式能源的发展将会消耗大量的天然气,促使天然气在一次能源消耗结构中的比例增大,优化了能源供应格局。分布式能源系统位于用户侧,其能源输送线路的需求量很少,消除或减少能源输配线路的建造及维护成本,节省了投资,也减少了能源交易环节。同时,分布式能源系统可采用??榛杓频姆绞?,根据用户的用能要求,配置适当的能源系统,提高资金的利用率,降低能源成本。分布式能源系统在满足用户需求的同时,可起到削峰填谷的作用,有利于供能系统的安全、经济运行。

    由于工业化进程的提速,能源需求量的增长速度远远大于能源供应管网的建设速度,许多地区出现了能源供应紧张的情况。另外,由于能源市场不断增加的竞争压力,能源公司为了降低成本,往往采取降低系统备用容量的办法,这使某些能源供应系统的备用容量较低,停止供应能源的可能性必然增加。这会为用户带来巨大的经济损失,用户为了减少这一损失,提高用能的可靠性,降低企业经营对能源企业的依赖程度,在条件允许的情况下,均会建立自己的供能系统,减少能源成本,增加自己用能的可靠性和自主性。随着分布式能源系统设备成本的降低,这种用户自己安装分布式能源系统的发展趋势将不断加快。

    总之,能源消费结构的调整,提高能源利用率的迫切要求,技术的进步,以及能源产业面临严峻的环保问题推动了分布式能源系统的发展。

    (四)天然气分布式能源理论体系

    天然气是一种高质清洁能源,天然气燃烧时产生的温室气体远低于其他化石燃料?!拔露榷钥?、梯级利用”是分布式能源技术的核心理论。分布式能源技术的核心是科学用能,其主要包含三方面内容:一是能源使用的科学性;二是能源配置的科学性;三是能源管理的科学性??蒲в媚茉硎欠植际侥茉蠢砺厶逑档木?,采用各种先进技术,通过“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”的方式优化配置资源,提高一次能源利用效率。天然气分布式能源梯级利用原理如图3所示。

    图3 分布式能源天然气梯级利用原理

    图3中,燃料与空气混合后,排入燃机中进行燃烧,产生电能。燃机排气,进入余热锅炉产生蒸汽,该蒸汽一部分用于供热,一部分进入汽轮发电机组中进行发电,在汽轮机中,可抽出一部分蒸汽进行供热。汽轮机的排汽可以通过溴化锂空调机组或其他调峰设备进行余热利用,对外供冷或供热。这样就真正实现了“温度对口、梯级利用”。分布式能源可使天然气充分得到梯级综合利用,其综合利用效率可以超过80%。

    天然气在燃烧过程中几乎不排放烟尘与二氧化硫等有害物质,二氧化碳的排放量约为石油的54%、煤的48%。建设天然气分布式能源项目是天然气的最佳使用途径。由于实现了能量的梯级利用,分布式能源系统节能效果显著。与传统的电、热、冷分产系统相比,分布式能源系统的节能减排原理如图4所示。

    图4 分布式能源系统节能减排原理

    (五)天然气分布式能源主要形式

    燃气分布式能源系统主要有燃气轮机和内燃机两种形式,关于这两种技术的比较如表2所示。燃气轮机分布式能源系统中,中小型燃气轮机的发电效率较低,一般在35%左右,通常以联合循环作为基础进行冷热电系统扩展,其发电效率通常在45%左右。燃气轮机自身发电效率较低,其排烟温度通常在500℃左右,因此其供热、制冷能力较强,以联合循环为基底的燃气轮机分布式能源系统的供冷(热)/电在1.5~2.0范围内。相比燃气轮机分布式系统,内燃机分布式能源在简单循环发电效率、启动时间、安放位置和占地面积等方面具有优势,但内燃机分布式系统的容量规模较小,同时,其制冷供热能力相对于燃气轮机来说处于较低的水平,其供冷(热)/电比例为0.7~1.0。

    典型的燃气分布式能源主系统方案如下。

    表2 燃气分布式能源主要形式的比较

    1.方案一

    以燃气轮机、余热锅炉、汽轮机、蒸汽溴化锂吸收式制冷机等设备组成的天然气分布式能源系统,其构成如图5所示??掌ü蛊?,与天然气在燃烧室混合燃烧后,将高温烟气排入透平进行膨胀做功,产生电能。从燃气轮机排出的尾部烟气进入余热锅炉,用其热能加热锅炉的给水,从而产生高温高压的蒸汽,蒸汽通过汽轮机后,带动发电机转动,提供电能。夏季依靠蒸汽溴化锂吸收式制冷机制冷;冬季可以从汽轮机中抽汽对外供热。该方案适用于蒸汽需求量比较大,并且蒸汽品质要求比较高的用户,如医院、洗浴中心等。

    图5 方案一系统

    2.方案二

    以小型燃气轮机、余热锅炉、蒸汽溴化锂吸收式制冷机等设备组成的天然气分布式能源系统,其构成如图6所示??掌ü蛊?,与天然气在燃烧室混合燃烧后,将高温烟气排入透平进行膨胀做功,产生电能。从燃气轮机排出的尾部烟气进入余热锅炉,用其热能加热锅炉的给水,从而产生高温高压的蒸汽。蒸汽通过换热器换热,可以得到用户所需的生活热水以及冬季的采暖用水;夏季蒸汽通过溴化锂吸收式制冷机为用户提供所需的冷量。另外,系统中还需要安装一台备用锅炉。该方案适合蒸汽需求量较大、品质要求比较高的用户,还特别适用于热电厂或自备电厂的升级改造。

    图6 方案二系统

    3.方案三

    以微型燃气轮机、余热/直燃型溴化锂吸收式制冷机等设备组成的天然气分布式能源系统,其构成如图7所示。燃气轮机燃烧天然气发电后,将烟气直接排入余热/直燃溴化锂吸收式制冷机,对其热量进行回收利用。余热/直燃溴化锂机在冬季产生热水用于采暖;夏季通过溴化锂制冷剂的作用产生冷水制冷。在燃气轮机不运行时段,溴化锂吸收式制冷机直接燃烧天然气运行,起到了备用的作用,系统安全性较高。本方案适用于商业建筑、影院等无生活热水需求的场所。若在溴化锂机的高压发生器内加装换热器,则可提供生活热水,该方案可应用于写字楼及宾馆等场所。此方案相对于传统供能方式来说,减少了锅炉、换热器、化学水系统等设备,减少了占地面积,节省了建造成本、运行和维护成本。

    图7 方案三系统

    4.方案四

    以内燃机、烟气热水型溴化锂制冷机等设备组成的天然气分布式能源系统,其构成如图8所示。内燃机利用天然气发电,将内燃机的尾部烟气和缸套冷却水中所携带的余热,由烟气热水型溴化锂吸收式空调机组回收利用,冬季供暖,夏季制冷。内燃机中的冷却水通过换热器为用户提供生活用热水。本方案与方案三相似,本方案没有传统产能方式中的锅炉、化学水系统等设备,节约成本,减少占地,尤其适用于楼宇式的分布式能源项目,应用前景广阔。

    图8 方案四系统

    5.方案五

    以内燃机、烟气型溴化锂制冷机、热水型溴化锂机等设备组成的天然气分布式能源系统,其构成如图9所示。内燃机燃烧天然气发电,其尾部烟气直接排入烟气型溴化锂机组中,冬季采暖,夏季制冷。而其缸套水系统与热水型溴化锂机组相连,用于夏季制冷。内燃机的中冷器的冷却水通过换热器为用户提供生活热水。

    图9 方案五系统

    6.方案六

    以内燃机、热水余热锅炉、热水型溴化锂机等设备组成的天然气分布式能源系统,其构成如图10所示。内燃机利用天然气燃烧产生电能,将其尾部烟气排入热水型余热锅炉中产生热水,然后该热水和内燃机的缸套冷却水所携带的热能,由热水型溴化锂吸收式空调机组回收利用,夏季为用户提供所需冷量,内燃机中的冷却水可为用户提供生活热水。

    图10 方案六系统

    天然气分布式能源系统方案的配置需要根据用户的需求进行,可以采用燃气轮机、内燃机、余热锅炉、溴化锂机组等设备进行组合,从而产生不同的系统方案,故天然气分布式能源系统方案不仅仅局限于以上六种。需要根据实际情况确定,以达到方案最优化。

    二 天然气分布式能源的发展

    (一)国外天然气分布式能源发展现状

    1.美国分布式能源发展现状

    (1)分布式能源发展概况

    美国的分布式能源系统是以天然气为主要原料的热电联产系统,全年平均运行时间约5900小时,平均效率约66%。在美国,楼宇式分布式能源项目与区域性分布式能源项目的数量基本相同,但其装机容量远低于区域性分布式能源项目。区域性分布式能源项目主要由有政府背景的公司或者专业能源服务公司投资建设,而楼宇式分布式能源项目主要是业主自行投资。截至2000年,美国分布式能源站总装机容量约为5000万千瓦(见图11)。其中,楼宇式分布式能源站约为1000座,占总装机容量的9.7%;工业热电联产项目约1020座,占总装机容量的90.3%。截至2003年,美国发电总装机容量为800吉瓦,热电联产总装机为总量的7%,为5600万千瓦,但其提供了全美9%的消耗电能。截至2009年底,全美热电联产机组装机总量增长了2900万千瓦,装机总量的比例增长到9%,而热电联产系统所提供的发电量占全美电能产量的12%。2010年,美国的热电联产机组的装机总量达到了9300万千瓦左右,其所提供的发电量占到了总量的14%。根据美国能源署的规划,未来10年其装机容量将新增9500万千瓦。

    图11 美国天然气分布式能源分类型累计装机

    根据美国能源部的数据,1998~2006年,美国热电联产规模增长了一倍,为全美发电机总装机容量的8%,冷热电三联供电站项目已建成6000多个,年发电量1600亿千瓦时,占全美发电总量的4%。其中,天然气分布式能源项目的装机总量达到6200万千瓦,占热电联产项目发电机装机总量的70%。

    (2)美国对分布式能源的政策支持概况

    20世纪70年代末,美国发布了《公用事业监管政策法案》,鼓励热电联产的发展并允许小型电站并网,各个地方政府以此法案为依据,制定了各地方不同种类的电站所发电量上网标准,并且根据本州实际情况制定了分布式能源的补贴标准。例如,对于使用燃气轮机的分布式能源项目,政府补贴为500美元/千瓦,而对于使用燃料电池的分布式能源项目,政府补贴为3000美元/千瓦。

    美国政府为了维护分布式能源产业长期可持续性的健康发展,颁布执行了一系列相关的政策和法规,从而为分布式能源产业建立起较为完备的政策体系?;繁2棵呕够岣莞鞲龅胤降奈廴疚锛跖懦晒云洳扇〗背痛胧?,为分布式能源项目能够在各地方有序、长久、可持续地发展下去奠定了基础。

    同时,政府与电力公司协商,积极收购分布式能源项目的电力产品,为分布式能源项目的并网做好协调工作,其电价和收购电量往往会采用长期合同的形式进行约束。各地方政府减免了热电联产项目的税收,以及简化了项目立项建设等审批手续。美国能源部也积极推进天然气分布式能源系统发展为微电网,从而建立起以微电网为基础的职能电网系统。

    以美国某酒店分布式能源站项目为例,该项目为楼宇式分布式能源站。该能源站为酒店提供了70%的电负荷和80%的热能负荷,该系统共装配了11台65千瓦的微燃机,系统的一次能源利用率达到了75%以上,二氧化碳排放量每年减少1700万吨,氮氧化物的排放量每年减少10万吨。每年向酒店提供的电量为580万千瓦时,每年节省购电和蒸汽费用约50万美元,6年即可收回成本。

    2.欧盟分布式能源发展现状

    (1)欧盟分布式能源发展概况

    欧盟分布式能源发展已达到了世界领先水平,其装机量占整个欧盟发电装机总量的10%,其中丹麦、荷兰、芬兰、捷克等国分布式能源产业的发展速度最快。德国、荷兰和捷克分布式能源装机均已达38%,丹麦更高达53%。这是因为这几个国家对分布式能源制定了许多优惠政策,无论在建设、上网还是在运行调峰方面都有特殊政策扶持。

    欧洲燃料种类众多,但仍以天然气为主要燃料,并与可再生能源结合使用,建设成为多能源互补系统。天然气的利用形式主要包括微型热电冷联供(mCHP)系统、工业热电联产(CHP)系统等。

    德国的电力生产以燃煤机组和核能发电为主。但是,随着固体化石能源日益枯竭,在大气环境日益恶化的压力下,德国的能源方针发生了较大转变——大力发展可再生能源及低碳能源,减少煤炭的消费。尤其是在2011年日本“3·11”大地震后,德国逐步减少核电在能源结构中的比重,计划至2020年将全部停用德国境内核电站,天然气分布式能源在德国得到了迅猛发展。

    德国的四大能源巨头RWE、EnBW、Vattenfall和E.ON是其电力生产的主要支柱,而其热能的供应主要依赖地方的能源公司进行。在德国经济发达的地区,地方能源公司会把天然气分布式能源和集中供热结合起来,以保证供能的安全性。截至2005年,德国的天然气分布式能源项目大约有3000个,装机容量增至21吉瓦,发电量占整个国家总发电量的13%左右,供热量则占到了总量的15%。每个项目的装机容量达到了7兆瓦。德国政府希望新的能源政策的出台,能够促进天然气分布式能源产业的巨大发展,截至2020年,天然气分布式能源项目的发电量翻一番,达到25%。而各个地方能源公司在新的能源政策的刺激下,已经规划新建的天然气分布式能源项目的装机容量达到2200兆瓦,并有近30个公司对现有电厂进行了分布式能源项目的改造,改造项目的总容量达到了1250兆瓦。由于产业政策和经济效益的吸引,德国四大能源巨头纷纷开发并建设热电联产项目。E.ON和Vattenfall侧重于将单一供能的电厂改造为热电厂;而RWE、EnBW则侧重于在工业领域开发新的热电联产项目。相关研究机构评估了德国热电联产行业的发展潜力及其对环境的影响能力,并按照建筑类型及工业类型对能源的应用进行了划分。研究表明,德国的热电联产项目的发展空间巨大,每年的发电量可达到3000亿~5000亿千瓦时,占全德国用电量的37%,二氧化碳减排量可达8000万吨。按照用户类型,德国的供热方式可分为以下三大类。

    第一,对于宾馆、医院和商业建筑,以及能耗较高的企业,如冶金、化工行业,一般采用热电联产技术,提高一次能源利用率。

    第二,对于政府办公楼以及博物馆等公共建筑,一般采用集中供热系统,很少应用热电联产技术。

    第三,对于一般家庭,开发了微型热电联产技术。据统计,德国家庭用电量占总耗电量的30%左右,而家庭耗电的90%左右应用于采暖和生活热水。针对这种情况,厂家设计了5千瓦的分布式能源系统,并已应用于数千个家庭中。

    (2)欧盟各国对分布式能源的政策支持概况

    德国的天然气分布式能源产业的发展在整个欧洲处于领先地位。德国对mCHP政策的支持比较复杂,体现在多方面:在热电联供法案中规定,mCHP向公共电网售电实行“优先价格法”:①发电装机小于50千瓦的小型热电联产系统,在投运后的10年内,每度电均会享受5.26~5.66欧分的政府补贴;②出台相关税法,规定只要可以证明年总热效率超过70%,并且是冷热电多联产系统的,均可享受每度电0.55欧分的退税政策;③采取政府资助的方法,对于4千瓦以下的发电量,实行6200欧元的一次性补贴,而对于25~50千瓦的补贴金额为1250~2500欧元。另外,若氮氧化物和二氧化碳的排放指标达标的话,政府还会给予奖励。

    过去几十年,几家大型电力公司和输送电网运营商一直支配着德国的电力市场,通过战略定价,限制了分散式发电和市政发电行业的发展。虽然迄今为止激励政策和立法对工业CHP(热电联产)的影响不大,但是,为了实现应对气候变化的承诺,必将引入新的激励政策和立法措施。从技术方面看,未来德国分散式能源系统占发电市场的份额有可能超过50%,工业CHP将占较大的份额。

    2002年德国议会通过了《热电联产法》。该法规明确保障了热电联产系统所发电量的电网接入,不仅对上网电量给予补贴,而且对于非上网电量给予同样额度的补贴。该法规还规定,装机容量在2000千瓦及以下的热电联产机组系统每发一度电最高会得到3.1欧分的节能补贴。

    德国于2007年对《热电联产法》进行了修改,该法规明确规定了电网运营商有义务优先收购热电联产系统所发电量。原有的补贴措施截止时间延后至2016年,并将热电联产机组的容量划分为三档:①小于50千瓦的热电联产机组;②小于2000千瓦的热电联产机组;③大于2000千瓦的热电联产机组。另外,德国对对于传统供能系统进行热电联产改造的工业企业,若负荷率达到70%以上,可以免除环保税等。根据《可再生能源法》规定,德国新建大楼必须使用可再生能源进行供能。若使用天然气分布式能源项目,可以视同为可再生能源供能,并且享有《可再生能源法》中所规定的优惠政策。

    为了维护热电联产产业健康、有序的发展以及对其加大支持力度,德国政府按照审核、监管等功能对其各个部门进行了职责分工,分别由德国联邦经济技术部、环境自然保育及核能安全部、经济与出口管制局及能源署等部门各司其职,相互协调配合,推进热电联产产业的发展。

    英国政府一手抓减排义务,一手抓补贴跟进,虽然分布式能源系统所发电量占整个电力市场不足8%,但约有82000个微型热电冷联产系统应用于英国的工业及民用领域中。英国业界和政府采取的推动微型热电冷联产设备发展的主要措施有:一是碳减排目标,英国政府明确要求所有的能源企业必须承担碳减排义务,维护环境清洁,提高能源利用率,能源企业可以获得部分补贴减少消费者的费用。二是开发微型热电冷联产效率测量程序,如果采用微型热电冷联产技术后,系统节能率提高50%及以上,企业可以获得政府信贷。三是对微型热电冷联产设备的安装费用有5%的税收补贴。四是政府制定了智能计量的计划,支持家庭采用微型热电冷联产系统,多余电量可售卖给电力公司。

    在英国,20世纪90年代初,政府就积极推广工业分布式CHP技术,累计投资超过了20亿英镑。目前,英国CHP协会正与政府密切合作,研究确定新的举措,以帮助工业热电联产项目的发展。例如,免除气候变化税,免除商务税,高质量的热电联产项目可申请政府针对采用节约能源技术项目的补贴金。

    荷兰建立了热电联产促进机构保证热电联产系统所发电量优先上网。政府通过Smart gas能源公司推动微型热电冷联产项目的实施,该公司在2007年1月与政府签订了意向书,计划安装1万台热电联供设备,并得到了政府提供的1000万欧元的资金。另外,荷兰还开展了与微型热电冷联产相关的其他活动,如mCHP能源标签(HRe标签),大规模mCHP实地测试,确定mCHP电网效应等。

    在意大利,政府推广节能认证引导企业承担节能环保的义务。意大利政府用白皮证书和绿皮证书来鼓励mCHP和工业CHP的发展。绿皮证书是关于可再生能源设备的认证证书;白皮证书规定了意大利电力和天然气企业每年的节能目标以及意大利分布式能源项目的发展计划,旨在提高能源效率。通过白皮证书这种工具,对能源分配系统运营商自身开发的或能源服务公司开发的项目,以及能源研究课题所实现的节能情况进行核实、认证。白皮证书分为三种类型:类型1(节电)、类型2(节气)、类型3(其他燃料节约)。每份证书代表节约1吨油当量的一次能源。相关主体可从市场上购买白皮证书,当顺利履行义务之后,会得到奖励。

    意大利政府对分布式能源产业政策还包括:①分布式能源系统生产的电量,其上网电价为居民零售电价的1.5倍。②为分布式能源项目在税收和资金信贷方面提供优惠条件,并为微型热电联产系统的用户提供补贴。

    法国对热电联产项目的初始投资给予15%的政府补贴。

    3.日本分布式能源发展和政策支持概况

    (1)日本分布式能源发展概况

    日本分布式能源发展呈现波浪式。自1973年石油?;岳?,日本逐步由依赖石油(由原来的80%减少到现在的50%)转向天然气、核能和煤的使用。20世纪70年代起,燃气热电联产技术开始被使用,并在工业、民用两个领域得到了快速发展。据日本瓦斯(燃气)协会统计,截至2003年初,日本燃气热电联产项目大约有2100项,发电装机总量达到270万千瓦。日本天然气应用中心调查显示,到2010年3月末,日本分布式能源的装机总量约有9500兆瓦,占全国发电装机总量的4%左右。目前,日本政府鼓励分布式能源产业大力发展,将热电联产与太阳能、风能一起列为未来“新能源”形式,加以大力推广应用;在21世纪城市建设中大量应用分布式能源系统,为了支持该产业的发展,日本政府制定了相关的法律法规,并出台了一系列的优惠政策。

    热电联产和太阳能光伏发电是日本分布式发电的主要形式,总装机容量约3600万千瓦,占全国发电总装机容量的13.4%。其楼宇式分布式能源项目主要集中于商场、医院、公共休闲娱乐设施等领域;区域性分布式能源项目则主要应用于化工、电力、钢铁、机械制造等行业,其项目数量多于楼宇式分布式能源项目。

    近年来,分布式能源项目在日本得到了迅猛的发展,其中热电联产项目尤为突出。截至2006年,日本的热电联产装机量占日本电力装机总量的4%,达到了870万千瓦。其中,天然气分布式能源装机容量达到了450万千瓦,占热电联产总装机容量的51.2%,其在商业和工业中的应用如图12所示。

    图12 日本分布式市场分布

    (2)日本分布式能源政策

    为了使分布式能源产业在日本更好地发展,日本政府出台了有关的法律政策,并允许分布式能源系统所发电量有条件、有限度地上网,并给予该项目合理的环保节能补贴,以保证分布式能源项目的顺利实施,具体政策如下。

    第一,修订《电力事业法》,出台一系列鼓励分布式能源发展的法律以及规定,打破电力公司对售电业务的垄断,允许非电力公司的电力供应商对需求量大的用户售电。规定必须采用分布式能源系统对新建和改建3万平方米以上的建筑物供能。

    第二,日本政府鼓励金融机构对分布式能源项目给予支持。实行通融资金、低利息等优惠政策引导分布式能源的可持续发展。

    第三,分布式能源项目会得到日本政府减免税收的优惠政策,具体做法为:①分布式能源项目在投运后的第一年内可以得到7%的税收优惠。②分布式能源项目最高可有70%的投资额可以享受低息贷款。③免除供热设施占地的特别土地保有税和与设施有关的事业所得税。④区域供热工程费用、供热的固定资产税、区域供热用折旧资产税等给予优惠。

    第四,日本政府对分布式能源的支持力度之大还体现在以下两个方面:一是适用于项目业主。只要业主进行分布式能源项目的建设,就可向政府申请享受退税的优惠政策。退税金额最高由两部分组成,即7%的设备购置成本加上30%的项目总投资成本。二是针对分布式能源项目的专项补贴。该补贴有三种形式,如表3所示。

    表3 日本政府分布式能源专项补贴

    (二)国内天然气分布式能源发展

    北京、上海、广州在分布式能源建设方面走在了中国的前列。20世纪90年代,上海市建设了中国第一个天然气分布式能源项目。近几年来,由于雾霾天气的持续出现,并且随着天然气使用领域的扩展,北京市也已陆续建成了若干天然气分布式能源项目。表4至表6是对上海、广东、北京3个城市在最近十几年所有分布式能源项目的统计汇总。

    表4 上海地区天然气分布式能源项目统计

    表5 广东地区天然气分布式能源项目统计

    续表

    表6 北京地区天然气分布式能源项目统计

    续表

    (三)关于鼓励天然气分布式能源发展的相关政策

    1.国家相关政策

    为推动分布式能源的发展,我国政府及其相关部门制定并发布了一系列的政策文件,这为我国分布式能源的发展提供了适宜的环境和强有力的政治保障。

    2000年8月,原国家计划发展委员会、原国家经济贸易委员会、建设部、国家环境?;ぷ芫至戏⒉嫉摹豆赜谟》ⅰ垂赜诜⒄谷鹊缌墓娑ā档耐ㄖ罚苹 ?000〕1268号文)对热电联产和燃气-蒸汽联合循环进行了详细的规定,国家发展和改革委员会于2011年6月30日对其作了部分修改,为分布式能源的发展奠定了基础。

    2004年6月30日,国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议,讨论并原则通过《能源中长期发展规划纲要(2004~2020年)(草案)》;2004年11月,国家发改委发布了《节能中长期专项规划》。这都为发展分布式能源提供了法律保障。

    2007年9月,国家发改委下发《天然气利用政策》,将国内天然气的利用分为优先类、允许类、限制类和禁止类。其中,明确指出天然气利用的优先类,包括分布式热电联产、冷热电联产用户。

    2011年10月9日,国家发展改革委、财政部、住房和城乡建设部、国家能源局4部门发布了《关于发展天然气分布式能源的指导意见》(以下简称《指导意见》)。

    《指导意见》明确了相关主要任务:“十二五”初期启动一批天然气分布式能源示范项目,“十二五”期间建设1000个左右天然气分布式能源项目,并拟建设10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。未来5~10年内在分布式能源装备核心能力和产品研制应用方面取得实质性突破。初步形成具有自主知识产权的分布式能源装备产业体系。

    《指导意见》还确定了中长期目标:2015年前完成天然气分布式能源主要装备的研制。通过示范工程应用,当装机规模达到500万千瓦,解决分布式能源系统集成,装备自主化率达到60%;当装机规模达到1000万千瓦,基本解决中小型、微型燃气轮机等核心装备自主制造,装备自主化率达到90%。到2020年,在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统,装机规模达到5000万千瓦,初步实现分布式能源装备产业化。

    《指导意见》还确定了主要的政策措施,具体内容如下。

    (1)加强规划指导

    以能源总体规划及电能输送、供热、供冷、供燃气等专项规划为基础,由国家发改委、能源局、城建部门以及财政部门等单位共同研究制定国家的天然气分布式能源专项规划。各省市应从本地区实际情况出发,合理规划城镇燃气、分布式能源、集中式供热协调发展,构建本地区可靠、经济、清洁的供能系统网络,统筹安排集中供热、分布式能源、建筑工程等项目的建设进展。

    (2)建立健全财政税收扶持等政策

    天然气价格以及分布式能源核心设备价格居高不下,致使天然气分布式能源产业的投资和运营成本过高。国家和地方的财政及税收部门应根据本地区的经济状况,对天然气分布式能源产业出台具体的扶持政策,并给予相关产业一定的补贴或税收优惠。

    (3)完善并网及上网运行管理体系

    电网公司已出台相关文件,同意接纳了分布式电源并网运行,并给出了并网所允许的电压及系统发电装机的容量。国家发改委、能源局及相关的能源企业共同研究制定天然气分布式能源系统电网接入、并网运行、设计等技术标准和规范;而地方的财政、税收、工商等部门应会同能源企业研究天然气分布式能源上网电价、供热、供冷价格等问题。

    (4)充分发挥示范项目带动作用,坚持自主创新

    国家鼓励建设一批天然气分布式能源示范项目,从财政、审批程序、环保验收等方面给予支持。依托天然气分布式能源示范项目的建设,结合产、学、研等手段,实现核心装备的国产化、自主化,并且加大示范项目的考核力度,推动分布式能源核心设备的产业化。建立长久有效的研发、生产机制,攻克天然气分布式能源产业的关键难题,掌握其核心科技,加大分布式能源产业基础研究和应用研究的投入力度,并积极引导该产业采用新技术,提高产业的核心竞争力。

    (5)鼓励专业化公司发展,加强科技创新和人才培养

    鼓励各能源企业成立专业从事天然气分布式能源项目的开发、设计、建设及运营的公司,探索出适用于我国的天然气分布式能源产业商业化运营的产业模式。通过引进、吸收、消化国外先进的分布式能源行业的经验和技术,提高我国专业化人员的业务能力,并进行技术创新,提高天然气分布式能源行业的系统集成水平。

    2012年2月10日,国家能源局发布《新能源产业发展趋势研究报告》,指出以冷、热、电联合供应为主的天然气分布式能源,将是我国当前分布式能源发展的重点。

    2012年6月1日,国家发展改革委、财政部、住房和城乡建设部、国家能源局4部委联合发布《关于下达首批国家天然气分布式能源示范项目的通知》。指出:相关省市各单位应积极支持第一批天然气分布式能源示范项目建设,协助项目单位办理项目核准、审批、立项、建设、施工所需各文件,确保其在2012年内开工建设。国家财政将会对第一批示范项目给予适合的补贴。项目业主和有关省市要加强示范项目的组织协调和监督管理,确保示范项目建设进度、质量和示范效果。

    2014年10月23日,国家发改委、住房和城乡建设部,国家能源局三部委联合印发《天然气分布式能源示范项目实施细则》,就天然气分布式能源示范项目的申报、评选、实施验收、后评估,以及激励政策等做了一系列比较全面的规定,旨在完善天然气分布式能源示范项目审核、申报等管理程序,推动天然气分布式能源快速、健康有序发展。

    2012年7月19日,住房和城乡建设部印发《全国城镇燃气发展“十二五”规划的通知》,指出:到“十二五”期末,城市的燃气普及率达到94%以上,县城及小城镇的燃气普及率达到65%以上。

    2013年1月1日,国务院印发《能源发展“十二五”规划》,指出:根据常规天然气、煤层气、页岩气供应条件和用户能量需求,重点在能源负荷中心,加快建设天然气分布式能源系统。对开发规模较小或尚未联通管网的页岩气、煤层气等非常规天然气,优先采用分布式利用方式。创新体制机制,研究制定分布式能源标准,完善分布式能源价格机制和产业政策,努力实现分布式发电直供及无歧视、无障碍接入电网。

    《能源发展“十二五”规划》还指出:“十二五”时期分布式能源发展重点和目标为推进天然气分布式能源示范项目建设,在城市工业园区、旅游集中服务区、生态园区、大型商业设施等能源负荷中心,建设区域分布式能源系统和楼宇式分布式能源系统;到2015年,建成1000个左右天然气分布式能源项目、10个左右各具特色的天然气分布式能源示范区;完成天然气分布式能源主要装备研制,初步形成具有自主知识产权的分布式能源装备产业体系。

    2.地方政府对分布式能源的相关政策

    各地地方政府积极制定和开展了一系列有关分布式能源的政策和能源规划的编制工作。

    2004年,上海市政府办公厅转发《关于本市鼓励发展燃气空调和分布式供能系统的意见》(沪府办〔2004〕52号)。2005年,上海市发布了《分布式供能系统工程技术规程》。试行两年后,对该规程进行了修订,新版于2008年开始实行。该规程对分布式供能系统做了较为严格的限定,规定系统单机容量小于6兆瓦,系统总热效率年均不应小于70%,热电比年均不应小于75%,以系统运行情况来评价是否节能高效。该规程的制定为用户和能源服务公司提供了法规依据,促进了分布式供能系统的有序发展和推广应用。2008年11月15日,上海市发改委、市建设交通委、市经济信息化委、市科委、市财政局制订了《上海市分布式供能系统和燃气空调发展专项扶持办法》,从设备补贴、保障供应、优先排管、政府优先使用和支持电力并网5方面对建设分布式供能系统项目和燃气空调项目的单位给予政策支持。

    2012年9月10日,陕西省发改委组织编制的《陕西省天然气分布式能源发展规划》通过专家评审修改完善后,已上报国家能源局。据悉,陕西省将建设西安北客站、延安北新区等24个分布式能源项目,建成投产后,年发电量达67.4亿千瓦时,实现供热约3000万平方米。目前,西安北客站作为陕西省首个天然气分布式能源项目已核准,正处于加快征地、设备招标等施工准备阶段,已于2011年11月全面开工建设。

    2012年10月25日,重庆市发展和改革委员会拟开展全市天然气分布式发电规划,并委托中船重工集团第七一一研究所下属上海齐耀动力技术有限公司和重庆市启能科技有限公司开展全市星级酒店系统用能情况调研,深入细致地了解和掌握全市酒店天然气分布式发电资源的现状和需求情况。

    2012年10月31日,安徽省能源局对《安徽省天然气分布式能源发展规划》征求意见。

    2013年1月24日,山西省发改委在太原召开“山西省天然气分布式能源规划编制启动暨培训会”,启动并开展该省天然气分布式能源专项规划的编制工作。

    长沙市已根据本市实际情况编制了《长沙市天然气分布式能源中长期发展规划》,并制定了《长沙市促进天然气分布式能源产业发展实施办法》,已提交省发改委审批。

    3.相关行业在分布式能源方面的政策和技术规范

    相关行业也积极推动我国的分布式能源的发展,纷纷推出有关政策。

    第一,国家电网公司将促进新能源、分布式电源发展作为公司的政治责任和社会责任,大力推进分布式电源并网标准体系建设,先后编制了16项企业标准、8项行业标准、8项国家标准。2010年8月2日,国家电网公司发布了《分布式电源接入电网技术规定》,为分布式电源发展提供了技术上的支持。该规定适用于国家电网公司经营区域内以同步电机、感应电机、交流器等形式接入35千伏及以下电压等级电网的分布式电源。

    2013年2月27日,国家电网公司发布了《分布式电源并网服务工作意见》。把分布式电源界定为是位于用户附近,所发电能就地利用,以10千伏及以下电压等级接入电网,且单个并网点总装机容量不超过6兆瓦的发电项目,包括太阳能、天然气、生物质能、风能、地热能、海洋能、资源综合利用发电等类型。2013年3月1日之后,单位和个人不但能用分布式电源给自家供电,还可将用不完的电卖给国家电网。国家电网表示,将全力做好并网服务,为分布式电源项目接入电网提供便利条件,为接入系统工程建设开辟绿色通道。建于用户内部场所的分布式电源项目,发电量可以全部上网、全部自用或自发自用余电上网,由用户自行选择,用户不足电量由电网提供。上、下网电量分开结算,电价执行国家相关政策。公司免费提供关口计量装置和发电量计量用电能表。

    第二,通过建设和运行广州大学城分布式能源项目,华电集团率先捕捉到分布式能源这一新兴能源产业的先机?!傲恋愎こ獭北湮肮婺Pб妗?,华电集团加紧在北京、天津、上海、广州等经济发达、能源品质要求高的大中城市以及江西、四川等天然气供应有保障的内陆地区积极布点,提升市场竞争力,为今后的发展奠定基础。估计到2015年底,中国华电集团的天然气分布式能源站发电总装机容量将达到230万千瓦,年发电量超过100亿千瓦时,到2020年力争建成1000万千瓦分布式能源?;缂乓不渭右恍┫喙毓娣兜谋嘀?,这为分布式能源项目的设计和建设更加规范提供了有力的保障。

    第三,在2012年7月4日,由中国城市燃气协会倡导,中国华电新能源、中海油新能源、新奥燃气控股、上海航天能源股份有限公司和北京恩耐特分布式能源技术有限公司共同发起的中国城市燃气协会分布式能源专业委员会在北京召开成立大会,标志着筹备了两年之久的分布式能源专业委员会进入正式运营阶段。专业委员会作为政府与企业之间联系的纽带、业界之间信息沟通的平台、企业开拓市场和创新技术的助手,将为推动我国分布式能源产业的快速发展、促进能源利用模式的转变发挥其重要作用。

    第四,2013年2月22日,第三届国际智能电网建设分布式能源及储能技术设备展获商务部批准。由商务部外贸发展事务局、中国电机工程学会电力系统专业委员会、中国电机工程学会热电专业委员会共同主办的“第三届国际智能电网建设分布式能源及储能技术设备展览会”将于2013年6月16~18日在国家会议中心举行。这是迄今为止国内唯一获得国家部委批准举办的大型国际智能电网、分布式能源及储能领域的专业展览会。

    第五,上海燃气(集团)有限公司2010年发布了《关于调整燃气空调和分布式供能系统燃气销售价格的通知》。该通知指出:工业分布式供能系统用户,气量在0~80000立方米/月(含)以内,气价为2.83元/立方米;气量在80000立方米/月以上,气价为2.73元/立方米。该通知特别指出:分布式供能系统用户,在0~80000立方米/月(含)以内,气价为2.43元/立方米;气量在80000立方米/月以上,气价为2.33元/立方米。

    4.国内燃气分布式能源的技术规范及标准

    分布式能源逐步成为一个新兴行业,关于分布式能源中国已陆续编制了多部技术规程、技术规范及标准,主要列举如下。

    (1)《分布式供能系统工程技术规程》

    2008年7月1日,由上海市电力公司和上海燃气集团公司主编,上海电力设计院有限公司、华东建筑设计研究院有限公司、上海燃气工程设计研究有限公司、上?;亟ㄖ萍加邢薰?、上海久隆电力科技有限公司参编的《分布式供能系统工程技术规程》实施。

    该规程适用于:以天然气、沼气、轻柴油为燃料的输出电、热(冷)能的分布式供能系统;单机容量6.0兆瓦(含)以下的分布式供能系统的设计、施工和验收。该规程要求分布式能源系统总的年均一次能源利用率应高于70%,年均热点比应高于75%。需要并入电网的分布式能源站的发电总装机容量应以与其对应的电力接入点的上级变电站单台主变容量的30%为限。分布式能源站的建筑形式应根据现场规划才能确定,一般有露天布置和非露天布置两种形式。非露天布置还可以分为独立建筑布置和非独立建筑布置。

    (2)《燃气冷热电三联供工程技术规程》

    由城市设计研究院、北京市煤气热力设计有限公司主编,由中国华电工程(集团)有限公司、广州市煤气公司、深圳市燃气设计有限公司、武汉市燃气热力集团有限公司、江苏双良空调设备股份有限公司、川崎重工咨询(上海)有限公司参编的《燃气冷热电三联供工程技术规程》于2010年8月发布,2012年3月实施。

    该规程适用于以燃气为一次能源,发电机总容量小于或者等于15兆瓦的燃气分布式能源系统,给出了燃气三联供系统的定义:布置在用户附近,以燃气为一次能源发电,并利用发电余热制冷、供热,同时向用户输出电能、热(冷)能的分布式能源供应系统。该规程要求分布式供能系统的总热效率年均应大于70%,要求余热锅炉的烟气温度不高于120℃。

    (3)《分布式供能站设计规范》

    由中国华电工程(集团)有限公司、上海电力设计院有限公司主编,广东省电力设计研究院、上海艾能电力工程有限公司、内蒙古电力勘测设计院、上海绿色环保能源有限公司参编的《分布式供能站设计规范》是在认真总结分布式供能系统的实践经验,吸取相关科研成果,充分考虑我国分布式供能系统建设的实践经验,并广泛征求有关设计和设计管理单位意见的基础上,最后经专家审查并修改而定稿的。此规范由国家能源局负责管理,由电力规划设计总院提出,由能源行业发电设计标准化技术委员会负责日常管理,由上海电力设计院有限公司和中国华电工程(集团)有限公司负责具体技术内容的解释。

    此规范从站址选择、站区布置、冷热负荷分析、水工设施及系统、电气系统及设备、仪表及控制、环境?;?、消防等18个方面详细规定了分布式供能站设计应遵循的原则与要求,适用于新建、扩建和改建工程分布式供能站的设计。该规范适用于以天然气、沼气、煤层气、轻柴油为燃料,原动机单机发电容量≤50兆瓦且总发电容量≤200兆瓦的系统的分布式供能站。

    (4)《天然气分布式能源系统设计导则》

    华电分布式能源工程技术有限公司、上海电力设计院有限公司、上海艾能电力工程有限公司于2012年10月编制了《天然气分布式能源系统设计导则》。该导则包含站址选择、站区布置、冷热负荷分析、电气系统及设备、消防等10个方面的内容,适用于华电集团公司新建或扩建的天然气区域性分布式能源项目或楼宇式分布式能源项目。

    该导则指出:对于楼宇式分布式供能系统,冷热负荷分析以及预测的范围为供能站所在单体建筑物或能源站所对应的一个单位。对于区域性分布式供能系统,冷热负荷分析以及预测的范围为供能站所对应的多个用户,包括工业和民用用户。冷热负荷分析以及预测的目的是在科学分析冷热负荷的基础上确定分布式供能站的装机规模以及各制冷、供热设备容量的合理分配。冷热负荷分析以及预测的意义是分布式供能站能够高效、稳定、长期运行。

    5.燃气分布式能源发展面临的困难及解决方案

    (1)定义与范畴尚不明确

    虽然近些年各国都把发展分布式能源作为国家发展的一项重要内容,并且都相应地出台了法律法规以及各种优惠补贴政策,但各国对于分布式能源的定义并无统一标准,一定程度上限制了分布式能源的快速发展。只有明确了分布式能源的定义,统一分布式能源的范畴,将其与其他新能源区分开来,才能充分发挥分布式能源的优势。

    (2)分布式能源并网问题

    我国分布式能源项目的发展并不均衡,目前主要集中在经济发达的大中城市,以楼宇式分布式能源项目为主,多应用于医院、宾馆、商场及大学城等公共建筑,一般采用“孤网”或“并网不上网”的方式运行。分布式能源系统的发电量会受到用户冷热负荷的影响,这会造成其供电量的变化频繁甚至是频繁启停,若并网,则局部电网有可能会受到较大的冲击。

    随着我国宏观规划的实施,国家电网对分布式能源所发电量的接入和并网都制定了专门的政策。国家电网将积极配合,全力做好分布式电源项目并网工作。国家电网允许分布式能源系统并网和售电,地方政府给予直接补贴。2013年2月27日,国家电网公司发布了《分布式电源并网服务工作意见》,明确提出了分布式能源所发电能接入电网的条件为10千伏及以下电压等级,且单个并网点总装机容量不超过6兆瓦的发电项目。

    (3)天然气资源不足及价格过高

    据《2010~2015年中国燃气行业现状分析及市场发展趋势调研报告》预测,2015年,全国天然气需求量将增长至1600亿立方米,而我国仅能提供1200亿立方米,存在400亿立方米的天然气的供应缺口。到2020年我国可能需进口800亿立方米的天然气才能满足需要。

    上述数据说明,随着我国工业进程的加快,天然气资源缺口也会随之变大。天然气分布式能源的发展,将会导致天然气供需更为紧张。在这种情况下,天然气价格必然上升,这会严重影响分布式能源项目的效益以及项目投资者对该项目的热情。据业内人士分析,天然气价格的高低是分布式能源项目是否可行的主要因素,若要大力发展该项目,应给予气价5%~10%的优惠。

    国家应从国家能源安全的层面上合理有序地引进境外气源,对我国能源进行补充。加大西气东输的力度也会对东部缺气区域的气价有很大的影响。同时,应加大页岩气等替代气体燃料的开发。

    (4)核心设备依赖进口

    集生产冷、热、电于一体的分布式能源站,设备种类繁多。其中,燃气内燃机、燃气轮机等核心设备,几乎完全依靠进口,这必然导致该设备投资成本和维护费用高。应积极引导相关企业进行核心设备的研发,对核心设备完成进口、消化、吸收、生产等过程,提高设备的国产化水平,使得设备成本降低,提高项目的经济性和可行性。在此背景下,中国华电集团与GE集团合资成立了华电通用轻型燃机有限公司,致力于轻型航改机的国产化。

    (5)电价及冷价、热价较低

    相对于燃煤电厂的发电成本,分布式能源要高很多,这就使得分布式能源电价在市场上没有竞争优势。在一定的天然气价格下,冷、热、电联产的经济性随着电价的升高而快速增加,所以,在合理的天然气和电价比下,分布式能源会更加蓬勃地发展起来。另外,在我国很多城市还是采用燃煤锅炉集中供热,这不仅对环境污染有很大的影响,也直接导致整体的供热价格与分布式能源项目的供热成本不能合理匹配,使分布式能源项目的投资收益得不到保障。

    (6)地方政府对天然气分布式能源的支持力度不足

    在我国,分布式能源仍处在起步阶段。受到地域条件、对分布式的理解程度以及其他因素的影响,很多城市没有对分布式能源给予足够的重视,只有上海等少数几个城市出台了发展分布式能源的补贴政策。不过,随着国家发改委、财政部、住房和城乡建设部、国家能源局下达的《关于发展天然气分布式能源的指导意见》的进一步落实和其他国家宏观政策的制定,各个省市逐步对分布式能源给予了更多的关注。

    政府应该从制度上保证分布式能源的可持续健康发展。各级政府需要根据本地区的特点制定适合当地的天然气分布式能源专项规划,并与城镇燃气、供热等部门多方协调;制定合理的申办程序、科学合理的环保规定以及配套适用的消防条件,并给予优惠的土地价格;政府应在上网、电价、气价、供热价格等方面给予优惠;金融系统应大力支持积极贷款,保证资金供应,在利息上给予一定的优惠政策等。所有利好措施都会促使分布式能源更快地发展。

    三 典型案例研究

    (一)内燃机分布式能源案例

    1.北京燃气大厦分布式能源站

    (1)项目概况

    北京燃气集团指挥调度中心大楼建筑面积达3.2万平方米,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1640千瓦时;冷负荷3148.8千瓦;热负荷2296千瓦。

    (2)装机方案

    装机方案:1×卡特彼勒G3508+1×BZHR100Ⅷ的余热型直燃机;1×卡特彼勒G3512+1×BZHR200Ⅷ的余热型直燃机,发电总装机1205千瓦。

    (3)占地面积

    能源站建筑面积600平方米,地下布置,单位占地0.498平方米/千瓦。

    (4)主要指标及效益

    北京燃气大楼三联供系统为大楼提供电力10050.1千瓦时,供热20058.9千瓦时,耗气4286.7标准立方米,其中余热供热约占65%。与分供系统比较,年节约额99.8万元,年节能329.92吨标准煤。

    (5)工程投资。

    总投资约3000万元,单位投资2.490万元/千瓦。

    2.长沙黄花机场分布式能源站

    (1)项目概况

    分布式能源站主要为满足长沙黄花机场15.4万平方米的全年冷、热以及部分电力供应。工程设计冷负荷27兆瓦;热负荷18兆瓦。

    (2)装机方案

    能源站一期配备2×1160千瓦美国康明斯燃气内燃发电机组+2×4652千瓦的烟气热水型余热直燃机+1×4652千瓦的燃气直燃机+2×4571千瓦水冷离心式制冷机组+1×2.8兆瓦燃气热水锅炉。二期根据增加建筑物供能可以考虑烟气回收制备生活热水和冰蓄冷(热泵机组)。

    (3)占地面积

    能源站建筑面积3075平方米,长90米,宽33米,地下负一层布置,单位占地1.325平方米/千瓦。

    (4)主要指标及效益

    年耗气量为401万立方米;年发电量为1044万千瓦时;年发电收益为897.84万元;年节省能源费用为358.5万元。全系统节能率达46%,每年减少一次能源消耗折标煤约3314吨,减少CO2排放约8153.21吨。

    (4)工程投资

    总投资8500万元,单位投资3.664万元/千瓦。

    3.北京火车南站分布式能源站

    (1)项目概况

    北京南站主要建筑面积约为22万平方米,其中高架候车厅建筑面积约为4.8万平方米,地下1层转乘厅建筑面积约为6万平方米,办公楼建筑面积约为2.2万平方米,车库建筑面积约为9万平方米。能源站主要满足北京南站的采暖、制冷和部分电力负荷。工程最大冷、热负荷分别为12.5兆瓦和12兆瓦。

    (2)装机方案

    装机方案:2×1570GQMB型美国康明斯内燃机+2×YRB510型烟气热水型溴化锂制冷机组。

    (3)占地面积

    能源站建筑面积4000平方米,地面布置,单位占地1.274平方米/千瓦。

    (4)主要指标及效益

    能源站系统供电能力:3140千瓦,供冷能力:3240千瓦,供热能力:4140千瓦。双良设备每年能利用该系统中337957×1412660万千瓦烟气余热,相当于节约5633吨蒸汽,可节省电力0.13万千瓦时。与常规系统相比,将天然气使用效率从50%提高到90%以上,北京南站每年可节约600万元运行费用,减少2000吨CO2排放。

    (4)工程投资

    总投资8000万元,单位投资2.548万元/千瓦。

    4.北京清河医院分布式能源站

    (1)项目概况

    项目总建筑面积7.6万平方米,其中地上4.6万平方米,地下3万平方米。建筑高度23.80米,冷热供应总面积约为6.4万平方米。能源站主要满足清河医院的采暖、制冷和部分电力需求。工程设计冷负荷6014千瓦;热负荷4800千瓦;设计电负荷为4440千瓦;设计热水负荷为2642千瓦。

    (2)装机方案

    装机方案:2×颜巴赫JMS316GS-N.L型内燃机(836千瓦)+2×烟气热水型直燃机+3×真空热水锅炉+2×离心式制冷剂。发电总装机1672千瓦。

    (3)占地规模

    能源站面积1940平方米,地下布置,单位占地1.160平方米/千瓦。

    (4)主要指标及效益

    年供冷量约为32400吉焦,年供热量约为28440吉焦,年耗气量299.3万标准立方米。与传统的供能方式(燃气锅炉+电空调)相比,每年大约减排5424吨CO2、249吨SO2、116吨NOx和2258吨粉尘等污染物。

    (5)工程投资

    总投资4300万元,单位投资2.572万元/千瓦。

    5.华电丰台产业园分布式能源站

    (1)项目概况

    华电产业园包括商业办公楼、商务酒店、精品商务设施等,建筑面积25万平方米。其中,地上建筑规模大约17万平方米,地下面积约8万平方米。能源站主要满足产业园的采暖、制冷和部分电力需求。工程最大负荷设计为:供热负荷为8.024兆瓦,常规供冷负荷为10.470兆瓦,常年供冷负荷为1.531兆瓦,用电负荷为6.951兆瓦,生活热水负荷为1.069兆瓦。

    (2)装机方案

    2×颜巴赫JMS620(2×3349千瓦)+2×BHEY262X160/390型烟气热水余热型溴化锂机+2×300万大卡直燃机+2×烟气-热水换热器。

    (3)占地面积

    能源站建筑面积1400平方米,地下一层布置,局部三层,单位占地0.209平方米/千瓦。

    (4)主要指标及效益

    年发电量0.23847亿千瓦时,年供热量为38303吉焦,年供冷量为81436吉焦,年天然气总用量约为646.236万标准立方米,补水量为92.80吨/小时。工程与常规供能相比,可减排CO2排放量49.4%以上,可节约70%的水消耗以及60%左右的土地。

    (5)工程投资

    总投资9747万元,单位投资1.455万元/千瓦。

    (二)燃气轮机分布式能源站案例

    1.广州大学城分布式能源站

    (1)项目概况

    广州大学城一期含十所大学及中央商务区,总建筑面积约800万平方米。能源站一期工程主要满足大学城区的各种能源需求,包括:为大学城用户提供电力;向集中热水制备站提供生产生活热水的高温热媒水和加热用蒸汽热源等;并为原市头电厂的部分热用户提供工业供热热源。能源站设计最大热负荷为310吉焦/小时,最小热负荷为66吉焦/小时,平均热负荷为146吉焦/小时。

    (2)装机方案

    一期装机方案:2套联合循环热电冷联供机组,装机配置为:2×FT8-3型燃气轮机+2×卧式自然循环余热锅炉+2×CL18-3.43/0.5型抽凝式汽轮机+2×QFW/18/2型发电机。

    (3)占地面积

    项目一期用地面积为65748平方米。

    (4)主要指标及效益

    年发电量9.48亿千瓦时,年供热量69.2万吉焦,年天然气耗量16.5万吨。与传统供能方式相比,节省设备用房面积3.9万平方米,每年减排CO224万吨,减排SO26000吨,NOx比燃煤电厂减少80%,比燃气电厂减少36%。

    (5)工程投资

    工程静态投资75034万元,单位投资4810元/千瓦。

    2.广西南宁华南城分布式能源站

    (1)项目概况

    广西华电南宁华南城分布式能源工程厂址位于南宁市江南区沙井分区的东华南城规划地块内。主要为满足南宁华南城、富士康的冷热用能需求。该项目采用燃气发电,机组具备启停迅速的特点,可作为南宁市区电网的黑启动电源,满足电网极端事故期间的应急需要。

    (2)装机方案

    一期装机方案:2台美国GE公司LM6000PD+SPRINT燃气轮机+2台格菱动力设备(中国)有限公司供货的双压余热锅炉+2台南京汽轮电机(集团)有限责任公司供货的抽汽凝汽式汽轮机+9台9.1兆瓦蒸汽型溴化锂制冷机。发电总装机容量11.6万千瓦。

    (3)占地面积

    一期工程规划用地面积4.75万平方米。

    (4)主要指标及效益

    本工程采用燃气联合循环热电冷联供,年发电量为110473万千瓦时,发电气耗率为0.170标准立方米/千瓦时,年供热量为1767884吉焦,供热气耗率29.04标准立方米/吉焦,因此,联合循环机组发电供热总耗气量2.388亿立方米,折合标准煤为28.06万吨,全厂年总热效率为70%。比300兆瓦等级亚临界燃煤热电联产机组全年可节约标准煤约8.66万吨。

    (5)工程投资

    能源站静态总投资12.38亿元,静态单位造价为7115元/千瓦。

    3.上海莘庄分布式能源站

    (1)项目概况

    上?;巛纷ひ登计植际饺┕こ坛е肺挥谳纷ひ登诹谔烈阅?、北沙港以东、颛兴路以北。该工程主要满足莘庄工业园区及附近地区的工业用气和采暖(制冷)的任务和环保等方面的要求。

    (2)装机方案

    装机方案:2台燃气轮机采用GE公司生产的LM6000PF Sprint航改型燃气轮机+2台用东方日双压余热锅炉+2台南京汽轮电机(集团)有限责任公司生产的LC12-4.9/1.3型抽汽凝汽式汽轮机和发电机。发电总装机容量11.27万千瓦。

    (3)占地面积

    项目用地面积为73333平方米。

    (4)主要指标及效益

    本项目全年平均发电量为5.363亿千瓦时左右,以燃煤机组平均发电标准煤耗331.39克/千瓦时计算,常规燃煤发电机组需耗标准煤17.77万吨,而本项目所发电量仅需耗标准煤14.63万吨,可节约标准煤3.14万吨。

    (5)工程投资

    工程静态投资96058万元,单位投资8520元/千瓦。

    4.江西九江分布式能源站

    (1)项目概况

    九江城东港区主要以石油化工、船舶制造、金属冶炼、建筑材料、粮油加工为主导产业,规划用地面积20.73平方公里。工程主要集中向落户城东港区的产业项目提供工业生产蒸汽以及空调制冷蒸汽(或热水)、采暖热水和生活热水。

    工程设计工业热负荷为:最大70吨/小时,最小34吨/小时,平均63吨/小时;设计冷负荷为5.9兆瓦,热负荷为3.4兆瓦。

    (2)装机方案

    工程采用“二拖一”形式,装机配置:2×LM2500+G4型燃气轮机+2×余热锅炉+1×抽凝式汽轮机。发电装机8.67万千瓦。

    (3)占地规模

    工程总用地44505平方米,其中厂区用地35605平方米。

    (4)主要指标及效益

    年发电量5.544亿千瓦时,年供热量137.75万吉焦,年天然气耗量1.19448亿标准立方米,耗水率0.37立方米/吉焦。与采用热电分产相比,采用热电联产每年节约天然气耗量2676×104标准立方米,折算成标准煤为3.04×104吨。

    (5)工程概算

    发电工程静态投资51463万元,单位投资5936元/千瓦。

    5.厦门集美分布式能源站

    (1)项目概况

    厦门集美分布式能源站工程厂址拟选在集美后溪工业园区内,该工程的主要功能是为园区工业用户提供冷、热、电产品。其中,次中压蒸汽负荷全年平均热负荷35吨/小时,低压热负荷取正常运行日平均热负荷10.53吨/小时;空调冷负荷1.35兆瓦。

    (2)装机方案

    装机方案:工程规划容量为四套LM2500G4RD燃气发电机组。一期建设1×LM2500G4RD+1×余热锅炉+1×背压机。二期规划建设1×LM2500G4RD+1×余热锅炉+1×抽凝机。三期规划建设1×LM2500G4RD+1×余热锅炉+1×背压机。四期规划建设1×LM2500G4RD+1×余热锅炉+1×抽凝机。一期装机规模为33.212兆瓦,二期扩建后的装机容量70.424兆瓦,三期扩建后装机容量为103.636兆瓦,四期扩建后最终装机容量为140.848兆瓦。一期发电装机3.32万千瓦。

    (3)占地面积

    一期用地30000平方米。

    (4)主要指标及效益

    年发电量2.325亿千瓦时,年供蒸汽85.74万吉焦,年供冷量1.672万吉焦,年天然气耗量4.33万吨,耗水率0.78立方米/吉焦,每年可实现减排6.4634×104吨CO2。

    (5)工程投资

    工程静态投资26354万元,单位静态投资7935元/千瓦。

    (三)案例总结

    1.内燃机案例

    通过对上述内燃机案例的分析对比(见表7),可以发现,由于用户具有不同的负荷特性且均需要集中供能,因此燃气内燃机均适用。但是,由于分布式能源的建设条件不同、装机形式不同,单位占地指标与单位投资区别很大,需要根据实际情况具体分析。

    表7 内燃机案例对比

    2.燃气轮机案例

    通过对不同负荷特性用户的燃气轮机案例的对比(见表8),可以发现:由于国内的天然气价格较高,兆瓦级及以下级的燃气轮机分发电效率多在30%以下,该级别的燃机烟气量小,不适合匹配蒸汽轮机,采用简单循环时,发电输出比例过低,项目的经济性较差。所以,在国内燃气轮机项目多适合较大的分布式能源项目、较大区域的空调冷塔供应或者工业园区的工业企业的蒸汽供应。由于匹配的电制冷设备及汽轮机的形式不同,该种项目的单位投资及占地具有较大的差异,与常规火电厂不同。

    表8 燃气轮机案例对比

    标签: 天然气 理论体系 分布式能源 利用形式

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