天然气分布式CCHP系统的发展现状及应用前景

陈裕兴

（1.佛山市顺德区港华燃气有限公司，广东 佛山 528300；2.华南理工大学，广东 广州 510640）

近年来，随着国家经济的迅速发展，各行各业对电力的需求高速增长，能源紧缺和环境污染问题日益凸显。传统以煤炭、石油为主的能源供给方式存在污染严重、灵活性差、输配电损耗高等缺点[1]，而分布式冷热电联供系统（CCHP）是以能源梯级利用为基础，能同时实现供冷、供热和发电过程的一体化多联产系统，与传统集中式能源相比，其分布位置更接近负荷，不需要进行远距离高压输送，显著减少线损和运行费用，能达到更高的能源综合利用率。当今，各个国家的能源结构发生转型，非化石能源和天然气在能源结构中的地位上升[2]。天然气分布式CCHP系统，如图1所示，指以天然气作为燃料，通过冷热电三联产实现能源的梯级利用，实现较高的综合能源利用效率，是天然气高效利用的重要方式。

图1 天然气CCHP系统[3]

1 天然气分布式CCHP系统在国内外的发展现状

分布式能源站技术从20世纪70年代末期开始发展，目前已经成为美国、欧洲各国等国家能源结构的重要组成部分。早在1978年，美国为了提高能源利用率，促进分布式能源冷热电联产的发展，推出了《公共事业管理改制令》，帮助美国冷热电联产项目迎来发展高峰。此后，美国的分布式能源装机容量呈现倍速增长趋势。目前，美国已经构建了超过6 000座分布式能源站，包括风能、太阳能、水能、天然气等，总发电量高达9.2×107kW，其中天然气部分为8.3×107kW，约占总量的14%[4]。欧洲各国的天然气分布式能源也起步较早，应用热电联产的电力比美国还多。欧盟在1997年就制定了冷热电联产系统的发展规划，到2010年热电联产产生的总电量比例达到了18%[5]。

我国天然气分布式能源发展起步较晚，2000年以前的供电模式大部分采用集中供电。近年来，国家对清洁能源越发重视。考虑到我国的国情，天然气储备丰富，天然气在中国发电领域中有良好的应用前景，政府制定了许多政策大力推行分布式能源。根据中国城市燃气协会分布式能源专业委员会统计，截至2016年7月，共有288个项目的单机规模小于5×104kW，总装机容量在2×105kW以下，其总装机容量超过1.1×107kW[6]。可以看出，天然气在我国能源结构中逐渐取得了无可替代的位置。

2 影响天然气分布式CCHP系统发展的主要因素

2.1 政策因素

目前，还没有全面实施和推广天然气分布式能源的政策。我国政策最早在《节能法》中提到国家鼓励发展冷热电联产，而在后来的《可再生能源法》中，也仅仅说明了分布式能源项目的合法并网等问题，未对能源综合利用等问题提出要求[7]。此外，国家出台的政策都比较宽泛，大多只是做了原则性规定，相关鼓励和补贴较少，在政策实施过程中针对性不强。相关补贴政策也较少，是导致“十二五”主要任务与目标均未实现的重要原因。

2.2 市场因素

导致我国天然气价格体系混乱的原因主要是电力能源体制和市场化改革缓慢。电力并网难，从根本上限制了天然气分布式能源的发展。而且，国内管道天然气终端价格比煤炭高出6倍，使得天然气在能源市场的竞争力较弱。因此，获得天然气价格补贴或者天然气优惠价格是决定天然气分布式能源初期发展是否顺利的重要因素[8]。

此外，大多数分布式能源系统的开发商为中小型企业，在市场中话语权较弱。一旦发电和批发市场的开放程度有限，电网公司就可能对分布式能源开发商制造各种并网障碍。

2.3 技术因素

燃气轮机和智能电网等关键技术有待突破。我国并未掌握燃气轮机设计和高温部件制造等核心技术的主动权，仅仅是与国外燃气轮机制造厂商合作得到产品，缺乏自主知识产权，进口设备的采购价格昂贵，约占初投资的30%，对项目经济性影响很大。因此，国家未来需自主研发有关燃气轮机的核心技术和微电网自愈控制、智能互动用电等技术，从技术层面解决天然气分布式能源存在的问题[9]。

2.4 利益因素

分布式能源系统并网需要向电网缴纳两部分费用：接入费和备用容量费。接入费是一次性收取，备用费是按月收取。分布式能源发电的高成本，再加上高昂的接入费和备用费，使得大多数分布式能源站只能选择离网运行[10]。

3 天然气分布式CCHP系统的应用前景

3.1 我国天然气资源情况

我国天然气资源丰富，常规天然气资源量为68 万亿m3。“十二五”期间全国累计新增探明常规天然气地质储量约为3.9 万亿m3，累计产量比“十一五”期间增加约2 100 亿m3[11]。此外，“十二五”期间，我国进口天然气总量迅速增加，累计进口天然气量是“十一五”的7.2倍，总量达到2 500 亿m3，2015年进口天然气量为614 亿m3[12]。如此大总量的天然气，成为推动我国未来分布式能源发展的有力保障。

3.2 天然气分布式CCHP系统的市场需求

环境污染和能源紧缺促成了我国目前能源优化调整的阶段，天然气在能源改革中发挥重要作用。从此前分析可知，中国的天然气消费水平相对偏低，未来还有巨大的发展空间。“十三五”的规划指出，我国实施的政策将重心偏向天然气分布式能源系统的发展上。未来大量的制造业将实施煤改气，天然气发电供热将大幅增长。未来天然气的需求主要取决于经济增长和天然气的价格。

3.3 天然气分布式CCHP系统的应用方向

天然气分布式CCHP系统被应用在各行各业中，以下主要阐述分布式能源在陶瓷工业、工业园以及数据中心中的应用。

陶瓷工业属于高能耗行业，大多数企业的能源成本占生产成本的30%以上，其中，粉碎、干燥、压制材料等生产过程需要大量能源。因此，为了提高能源利用率、降低能耗，利用天然气分布式能源技术替代传统的陶瓷工艺技术是实现可持续发展的重要方法[13]。

工业园有较大的蒸汽负荷需求，热电比较高，适合采用分布式供能系统。合理选择分布式供能系统的运行方式，能有效降低用能成本。在天然气供给充足的城市，采用天然气分布式能源替代工业燃煤锅炉，不仅能满足工业园的用能需求，还不会产生大量有害气体，能量利用率高，符合国家的可持续发展观[14]。

数据中心一般全年不间断运行，所带来的能量消耗量非常巨大。统计结果表明，数据中心中IT设备的用电量占据了70%以上，电能全部转化为热能。以功率为10 kW高密度机架为例，其年耗电量为175 200 kW/h，一年用电花费14万元。若采用天然气分布式能源系统发电产生的余热制冷，可以使数据中心内的空调主机几乎不需能源成本，相当于降低了30%能源费用，且随着天然气价格制度完善，天然气分布式能源在数据中心中的应用前景进一步扩大[15]。

4 结语

由上述论述可知，我国天然气分布式CCHP系统的发展起步较晚，相关技术较其他发达国家还有一定距离。因此，我国急需掌握核心技术的主动权，适当减少进口燃气轮机和内燃机等部件的使用，支持国产技术的发展。此外，能源危机及环境污染等问题推进了我国能源结构的转型，天然气分布式CCHP系统受到了国家的高度重视，国家推行了一系列政策力求扶持起我国的分布式能源技术。天然气分布式能源的高效、清洁等优势符合我国的科学发展观，且分布式能源系统能应用在各式各样的场合，设备较集中供电更为分散，受环境的约束更小，有巨大的应用前景。可以预测，未来中国天然气分布式CCHP系统的市场将快速拓宽，分布式能源技术的发展将走上高速路。