天然氣分布式CCHP系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及應用前景

陳裕興

（1.佛山市順德區(qū)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(jīng)濟的迅速發(fā)展，各行各業(yè)對電力的需求高速增長，能源緊缺和環(huán)境污染問題日益凸顯。傳統(tǒng)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(lián)供系統(tǒng)（CCHP）是以能源梯級利用為基礎，能同時實現(xiàn)供冷、供熱和發(fā)電過程的一體化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)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(fā)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(tǒng)，如圖1所示，指以天然氣作為燃料，通過冷熱電三聯(lián)產(chǎn)實現(xiàn)能源的梯級利用，實現(xiàn)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(tǒng)[3]

1 天然氣分布式CCHP系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

分布式能源站技術從20世紀70年代末期開始發(fā)展，目前已經(jīng)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(lián)產(chǎn)的發(fā)展，推出了《公共事業(yè)管理改制令》，幫助美國冷熱電聯(lián)產(chǎn)項目迎來發(fā)展高峰。此后，美國的分布式能源裝機容量呈現(xiàn)倍速增長趨勢。目前，美國已經(jīng)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(fā)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(lián)產(chǎn)的電力比美國還多。歐盟在1997年就制定了冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃，到2010年熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)生的總電量比例達到了18%[5]。

我國天然氣分布式能源發(fā)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(fā)重視?？紤]到我國的國情，天然氣儲備豐富，天然氣在中國發(fā)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(jù)中國城市燃氣協(xié)會分布式能源專業(yè)委員會統(tǒng)計，截至2016年7月，共有288個項目的單機規(guī)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(tǒng)發(fā)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(jié)能法》中提到國家鼓勵發(fā)展冷熱電聯(lián)產(chǎn)，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(wǎng)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(guī)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(xiàn)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(wǎng)難，從根本上限制了天然氣分布式能源的發(fā)展。而且，國內(nèi)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(yōu)惠價格是決定天然氣分布式能源初期發(fā)展是否順利的重要因素[8]。

此外，大多數(shù)分布式能源系統(tǒng)的開發(fā)商為中小型企業(yè)，在市場中話語權較弱。一旦發(fā)電和批發(fā)市場的開放程度有限，電網(wǎng)公司就可能對分布式能源開發(fā)商制造各種并網(wǎng)障礙。

2.3 技術因素

燃氣輪機和智能電網(wǎng)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(chǎn)品，缺乏自主知識產(chǎn)權，進口設備的采購價格昂貴，約占初投資的30%，對項目經(jīng)濟性影響很大。因此，國家未來需自主研發(fā)有關燃氣輪機的核心技術和微電網(wǎng)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(tǒng)并網(wǎng)需要向電網(wǎng)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(fā)電的高成本，再加上高昂的接入費和備用費，使得大多數(shù)分布式能源站只能選擇離網(wǎng)運行[10]。

3 天然氣分布式CCHP系統(tǒng)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(guī)天然氣資源量為68 萬億m3?！笆濉逼陂g全國累計新增探明常規(guī)天然氣地質(zhì)儲量約為3.9 萬億m3，累計產(chǎn)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(fā)展的有力保障。

3.2 天然氣分布式CCHP系統(tǒng)的市場需求

環(huán)境污染和能源緊缺促成了我國目前能源優(yōu)化調(diào)整的階段，天然氣在能源改革中發(fā)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(fā)展空間?！笆濉钡囊?guī)劃指出，我國實施的政策將重心偏向天然氣分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展上。未來大量的制造業(yè)將實施煤改氣，天然氣發(fā)電供熱將大幅增長。未來天然氣的需求主要取決于經(jīng)濟增長和天然氣的價格。

3.3 天然氣分布式CCHP系統(tǒng)的應用方向

天然氣分布式CCHP系統(tǒng)被應用在各行各業(yè)中，以下主要闡述分布式能源在陶瓷工業(yè)、工業(yè)園以及數(shù)據(jù)中心中的應用。

陶瓷工業(yè)屬于高能耗行業(yè)，大多數(shù)企業(yè)的能源成本占生產(chǎn)成本的30%以上，其中，粉碎、干燥、壓制材料等生產(chǎn)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(tǒng)的陶瓷工藝技術是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要方法[13]。

工業(yè)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(tǒng)。合理選擇分布式供能系統(tǒng)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(yè)燃煤鍋爐，不僅能滿足工業(yè)園的用能需求，還不會產(chǎn)生大量有害氣體，能量利用率高，符合國家的可持續(xù)發(fā)展觀[14]。

數(shù)據(jù)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(tǒng)計結果表明，數(shù)據(jù)中心中IT設備的用電量占據(jù)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(tǒng)發(fā)電產(chǎn)生的余熱制冷，可以使數(shù)據(jù)中心內(nèi)的空調(diào)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(shù)據(jù)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(tǒng)的發(fā)展起步較晚，相關技術較其他發(fā)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(nèi)燃機等部件的使用，支持國產(chǎn)技術的發(fā)展。此外，能源危機及環(huán)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(tǒng)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(yōu)勢符合我國的科學發(fā)展觀，且分布式能源系統(tǒng)能應用在各式各樣的場合，設備較集中供電更為分散，受環(huán)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(tǒng)的市場將快速拓寬，分布式能源技術的發(fā)展將走上高速路。