燃气冷热电三联供——天然气利用新方向.doc

燃气冷热电三联供天然气利用新方向国家发改委能源研究所高级顾问 周凤起摘要：本文选自2005年11月在北京举办的2005中国天然气国际峰会上国家发改委能源研究所高级顾问周凤起先生的主题发言。发言从燃气冷热电三联供的概念、系统分类、特点（优越性）等全面地论述了燃气冷热电三联供的分布式能源是洁净高效最具经济性的供能方式。介绍了分布式供能理念的发展、国内外热电联产以及燃气冷热电三联产近年在国际和国内的发展状况，进而分析了国内市场的状况、政策环境和其广阔前景，以及自己对其发展的建议。 关键词：天然气应用 分布式能源 冷热电联供 2005中国天然气国际峰会发言人简介：周凤起，国家发改委能源研究所高级顾问，研究员；1959年毕业于清华大学电机工程系。1981年成为能源研究所副所长，1987年至1999年为能源研究所所长。现任能源研究所高级顾问，中国能源研究会顾问、中国节能协会、中国能源投资学会副理事长，国家发展计划委员会学术委员会委员，中国科学院能源委员会委员,中国政府 世界银行 全球环境基金合作的中国可再生能源规模化发展项目办公室主任，原能源工业部和原电力工业部高级咨询委员, 原中国能源研究会副理事长兼秘书长。在国际上担任日本亚太能源研究中心顾问，中国环境与发展国际合作委员会能源战略与技术工作组中方专家，联合国政府间气候变化专门委员会第2次、第3次第4次评论报告和技术转让特别报告主要撰稿人，曾任世界银行能源和环境指导委员会委员，世界银行示范碳基金(PCF)技术顾问组顾问，2000年世界能源评论报告主要撰稿人。多年来广泛地参与能源各领域的研究工作，包括能源规划、能源发展战略、能源政策、节能、可再生能源、清洁煤技术、能源和环境等。前 言n 燃气冷热电三联供分布式能源燃气冷热电三联供（CCHP,以下简称三联供）属于分布式能源，是传统热电联产的一种进化和发展，它以机组更加小型化、分散化的形式布置在用户附近，同时向用户输出冷、热、电能， 它从二十世纪八十年代开始兴起发展，到现在已经成为一种技术成熟的能源供应方式n 冷热电三联供最具经济潜力的组合方式据美国对商用楼宇终端能源的消费统计，采暖用能占22%，热水供应占7%，制冷空调用能占18%； 普通热电联产只能解决建筑29%的用能及提供电力供应，而冷热电三联供可以提供47%的用能及电力； 冷热电三联供被视为21世纪最具经济潜力的组合方式；n 天然气作为一种清洁高效的能源为三联供提供了资源基础 能源供应和环保问题已经成为制约中国经济发展的主要瓶颈，国家为此将实行“建设资源节约型社会、环境友好型社会、循环经济”的可持续发展战略，天然气作为一种清洁、高效的能源，是中国政府推动能源优质化的重点领域。西气东输工程的竣工标志着中国天然气时代的开始，为三联供提供了资源基础1、 三联供概念n 燃气冷热电三联供燃气冷热电三联供，即CCHP（Combined Cooling, Heating and Power），是指以天然气为主要燃料带动燃气轮机或内燃机发电机等燃气发电设备运行，产生的电力满足用户的电力需求，系统排出的废热通过余热回收利用设备(余热锅炉或者余热直燃机等)向用户供热、供冷；n 梯级利用提高能源利用效率 经过能源的梯级利用使能源利用效率从常规发电系统的40%左右提高到80%左右，大量节省了一次能源。能源梯级利用示意如图1所示电 能驱动热泵驱动吸收式制冷机除 湿生活热水排 放高温段中温段低温段环境温度燃 料图1 燃气冷热电三联动示意图n 燃气冷热电三联供是分布式能源的先进技术 分布式能源是相对于传统的集中供电方式而言，是指将冷热电系统以小规模、小容量 （几千瓦至50MW）、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出冷、热、电能 （Cooling, Heating, & Power）的系统 分布式能源的先进技术包括太阳能利用、风能利用、燃料电池和燃气冷热电三联供等多种形式，其中燃气冷热电三联供因其技术成熟、建设简单、投资相对较低和经济上有竞争力，已经在国际上得到了迅速地推广。2. 燃气冷热电三联供系统分类按照供应范围三联供可以分为区域型（DCHP）和楼宇型（BCHP）两种 2.1 区域型系统 主要是针对各种工业、商业或科技园区等较大的区域，设备一般采用容量较大的机组，还要考虑冷热电供应的外网设备，往往是需要建设独立的能源供应中心。 2.2 楼宇型系统 是针对具有特定功能的建筑物，如写字楼、商厦、医院及某些综合性建筑所建设的冷热电供应系统，一般仅需容量较小的机组，机房往往布置在建筑物内部，不需考虑外网建设。3. 燃气冷热电三联供系统设备燃气冷热电三联供系统所采用的发电设备主要有燃气轮机、燃气内燃机和燃气微燃机等，所采用的余热利用设备主要有余热锅炉以及蒸汽型吸收制冷机、热水型吸收制冷机和烟气型吸收式制冷机等。根据所选用的发电设备和余热利用设备可以得到不同的系统组织形式4. 燃气冷热电三联供系统特点4.1 能源综合利用率较高 由于冷能、热能随传输距离的增大，损耗加大；在目前技术水平下集中供电方式发电效率虽然最高可以达到40%-50%，但是由于距离终端用户过远，其余5060%的能量很难充分利用；而冷热电三联供由于建设在用户附近，不但可以获得40%左右的发电效率，还能将中温废热回收利用供冷、供热，其综合能源利用率可达80%以上。另外，与传统长距离输电相比，它还能减少6-7%的线损； 从能量品质的角度看，燃气锅炉的热效率虽然也能达到90%，但是它的最终产出能量形式为低品位的热能，而三联供系统中将有35左右的高品位电能产出。电能的作功能力是相同数量热能的2倍以上，所以三联供系统的综合能源利用效率比燃气锅炉直接燃烧天然气供热高得多；4.2 对燃气和电力有双重削峰填谷作用我国大部分地区冬季需要采暖，夏季需要制冷。大量的空调用电使得夏季电负荷远远超过冬季，一方面给电网带来巨大的压力，另一方面造成冬季发电设施大量闲置，发电设备和输配设施利用率降低。北京为例，电力供应2002年夏季峰值用电负荷达824万千瓦，而冬季峰值只有580万千瓦。夏季峰值是冬季峰值的1.4倍，并且负荷差逐年加大。燃气使用的高峰则出现在冬季。目前50%以上的天然气消费量用于冬季采暖，而夏季天然气最大日使用量仅为冬季约1/9，造成夏季天然气管网的利用率极低，还需要设法储存。采用燃气三联供系统，夏季燃烧天然气制冷，增加夏季的燃气使用量，减少夏季电空调的电负荷，同时系统的自发电也可以降低大电网的供电压力4.3 具有良好的经济性三联供系统和燃气锅炉供热方式每消耗1立方米天然气所能得到的经济效益如表1-1所示 ：方案蒸汽价 元/kWh电价 元/kWh供热量kWh供电量kWh产出元燃气锅炉0.2310.958.7782.026冷热电三联供3.9322.9063.669表1 1立方米天然气供热经济性比较注：蒸汽价格按照150元/蒸吨（0.8MPa）折算，电价为北京商业类电价峰段和平段电价的平均值根据美国的调查数据，采用冷热电三联供系统分布式能源，写字楼类建筑可减少运营成本12%，商场类建筑可减少运营成本11%，医院类建筑可减少运营成本21%，体育场馆类建筑可减少运营成本32%，酒店类建筑可减少运营成本23%。美国不同类型建筑采用分布式供能系统运行成本比较见图2 图2 美国不同类型建筑采用分布式供能系统运行成本比较4.4 具有良好的环保效益天然气是清洁能源，燃气发电机均采用先进的燃烧技术，燃气三联供系统的排放指标均能达到相关的环保标准。根据相关研究，与煤电相比，天然气发电的环境价值为8.964分/kWh。考虑了环境价值后，三联供系统将具有更好的经济性。天然气发电的环境价值见表2 项目SO2NOXCO2COTSP灰渣合计环境价值（分/kWh）5.1322.0500.9680.0130.3100.6270.1438.964表2 天然气发电的环境价值根据美国的调查数据，采用冷热电三联供系统分布式能源，写字楼类建筑可减少温室气体排放22.7%，商场类建筑可减少温室气体排放34.4%，医院类建筑可减少温室气体排放61.4%，体育场馆类建筑可减少温室气体排放22.7%，酒店类建筑可减少温室气体排放34.3%。美国不同类型建筑采用分布式供能系统温室气体减排图见图3图3 美国不同类型建筑采用分布式供能系统温室气体减排图4.5 增强建筑物能源供应的安全性 冷热电三联供系统安装、运行相对比较简单、便捷，可以大幅度提高建筑物用能的电力供应安全性。尤其对于学校、医院等本来就需要备用电源，采用三联供可以兼做备用电源。 随着我国能源形势日益严峻，电力供应的安全性已经凸现，美国、日本、英国等国相继出现的“大面积停电”造成的严重负面影响已经给我们敲响了警钟。5.燃气冷热电三联供的发展5.1 分布式供能的发展观念：在能源供应的历史上，随着生产的进步、集中供电方式缺陷的逐渐突出和分布式供电技术的不断成熟，电力供应的发展经历了从分布式供电到集中式供电，又回到分布式供电方式的演变。现在的分布式供能已经不是最初意义上的小火电、小油机等简单的分布式发电，而是建立在信息化、天然气管网化、供电系统网络化和能源供应多元化的基础之上，其技术水平高，能源利用充分，环境友好、能源供应安全。随着科技的进步，人们对能源的利用已经从规模决定经济的理念逐步向经济决定规模理念转变，不再片面地认为规模越大越经济，而是根据能源的实际需求，从经济的角度确定能源供应的规模。世界各国都以热电联产的分布式供能作为节约能源，改善环境的重要措施，制订有关法律法规，积极鼓励各种形式的分布式供能的发展。5.2 热电联产的发展国际： 欧美各国都认为热电联产既节能，又环保，从政策上大力支持。如从法律上解决分布式热电上网的问题、减免各项税收、给予相关补贴等等。这些措施有力的推动了热电联产的迅速发展。美国热电联产装机容量2000年已占总装机容量的7%，计划2010年占总装机容量的14%，2020年占总装机容量的29%。欧共体在90年代支持了45项热电联产工程，2000年热电联产发电量已占总发电量的9%，计划2010年达到18%。1992年，丹麦热电联产供热已占区域供热的60%，热电装机容量占总装机容量的56%，计划2005年提高到66%以上。我国：到2001年底为止，6000千瓦及以上热电联产供热机组总容量占同容量火电装机总容量的13.37% ；国家发展改革委员会在2010年热电联产发展规划及2020年远景发展目标中提出：到2020年，全国热电联产总装机容量将达到2亿千瓦，其中城市集中供热和工业生产用热的热电联产装机容量都约为1亿千瓦；预计2020年，全国总发电装机容量将达到9亿千瓦左右，热电联产将占全国发电总装机容量的22%，在火电机组中的比例为37%左右。5.3 燃气冷热电三联供的发展国际：由于天然气分布式能源可以达到很高的能量利用效率，所以在国外发展非常迅速。从上个世纪70 年代末期开始发展，到现在美国已经有6000 多座分布式能源站，仅大学校园就有200 多个。英国只有5000 多万人口，但是分布式能源站就有1000 多座。英国女王的白金汉宫、首相的唐宁街10 号官邸，都采用了燃气轮机分布式能源站。20 多年来，丹麦国民生产总值翻了一番，但能源消耗却未增加，环境污染也未加剧。其奥妙之一就在于丹麦积极发展冷、热、电联产，提倡科学用能，扶植分布式能源，靠提高能源利用效率支持国民经济的发展。目前丹麦没有一个火电厂不供热，也没有一个供热锅炉房不发电，将冷、热、电产品的分别生产，变为高科技的冷、热、电联产，使科学技术变成生产力。世界上很多国家都非常重视冷热电三联供的发展，制定了一系列相关的鼓励政策，日本规定三联供项目的上网电价高于火力发电；法国对于三联供项目投资给予15%的政策补贴；美国加州采用法律规定来保证冷热电三联供项目的并网权；美国正在积极发展高效利用能源的小型冷热电三联供，现有冷热电三联供系统110余座，美国能源部规划2005年要建立200个示范点；2010年20%的新建商用、写字楼类建筑物使用小型冷热电三联供；2020年50%新建商用、写字楼类建筑采用小型冷热电三联供。日本由于资源比较缺乏，所以对三联供研究十分重视。目前，日本三联供系统是仅次于燃气、电力的第三大公用事业，到2000年底已建冷热电三联供系统1413个，平均容量477kW，广泛应用于医院、办公楼、宾馆及其它一些综合设施当中进行区域冷热供应。在欧洲，2000年时丹麦、芬兰和荷兰等国冷热电三联供的发电量都已超过该国总发电量的30%，澳大利亚、德国、葡萄牙和意大利等国冷热电三联供也都有较大的比例。我国：虽然热电联产在我国已经广泛应用，但是小型燃气冷热电三联供的应用尚处于起步阶段，而且主要集中在上海、北京、广州等地。在相关政府部门和专业公司的推动下，国内已经建成了几个三联供项目，其中影响较大的有北京燃气集团指挥调度中心，浦东国际机场等三联供系统。根据浦东机场项目的经济性分析，在三联供系统合理配置，运行时间足够的情况下，每年可以为用户节省大量的运行费用。当然，也有对三联供技术认识不足而失败的案例，如上海黄浦医院三联供项目失败。上海闵行医院三联供项目延误多年。6.燃气冷热电三联供市场分析6.1 国内支持发展冷热电三联供2004年9月国家发改委向温家宝总理提交国家发展改革委关于分布式能源系统有关问题的报告，其中明确提到：2020年经济相对发达地区天然气发电装机达6000万千瓦，将研究支持天然气热电联产等小型分布能源系统发展的政策和措施。2004年9月13日上海市出台沪发改能源（2004）18号文件，其中提出了一系列的鼓励措施： 对燃气三联供系统给予一定设备投资补贴：-燃气空调100元/kW制冷量，-分布式供能系统700元/kW； 实行季节性差异气价； 设备经批准免征关税和进口环节增值税； 政府投资的建设项目优先使用燃气空调； 电力企业应支持分布式供能系统并网； 市委组织开展高效燃气空调和分布式功能系统新技术的攻关； 有关部门各尽其责，促进燃气空调和分布式供能系统的推广应用6.2 具有可靠的技术保障在国外冷热电三联供系统已应用了二十多年，经过多年的技术改进，已形成了规范的技术体系，设备制造技术也已成熟。不论是发电机组部分还是余热回收机组部分在国内外都有商品供应。三联供技术、建设和运用管理经验已被国内的专业公司所掌握。上海浦东机场和北京燃气大楼等项目的成功已为三联供项目的建设和管理培养了技术队伍，积累了丰富的经验.国内的一些专业公司已具备了独立完成项目的策划、设计、建设、调试和运营管理的能力。根据一批冷热电三联供项目的成功经验，结合国外资料，上海已经出台了相关技术规范分布式供能系统工程技术规程。6.3 冷热电三联供的目标市场冷热电三联供将首先应用在满足以下条件的场所：（1）有较为稳定的（冷）热负荷；（2）较高的电价和较低的天然气价格；（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；主要是宾馆、医院、大型商用建筑、写字楼、部分高档居民小区、医院、机场、学校以及部分工业用户等等。因为这些建筑和场所的热负荷相对比较稳定，对供电稳定性的要求很高。宾馆、商场、写字楼等商业用电价格也高。6.4 三联供在中国具有广阔市场前景根据国家发展改革委员会编制的2010年热电联产发展规划及2020年远景目标: 把（冷）热电联产作为采暖地区大气环境治理的重要手段； 把（冷）热电联产作为提高发电效率的重要措施； 把（