分布式能源系统对中国天然气下游市场开拓的重要性.doc

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1、分布式能源系统对中国天然气下游市场开拓的重要性1. 中国和世界天然气下游市场用户分布的分析比较天然气具有洁净、高效、储藏丰富、价格稳定等特点，目前全球天然气消费量已高达每年2.6万亿Nm3，占世界一次能源消费总量的24.3%。因环境压力和石油资源限制等因素，预计几十年后天然气将超过石油在世界一次能源消费中占据第一位。1.1 世界天然气消费的市场分布除了天然气工业部门的自我消费以外，天然气利用主要包括城市燃气、化工原料、采暖空调设备、燃气汽车、工业燃料、发电等多种用途。2000年世界天然气的消费构成见表11：表1 2000年世界天然气消费构成世界天然气消费的地域分布大致是：欧洲、中亚、日本、韩国

2、和北美，其中2000年美国天然气的消费构成见表21：表2 2000年美国天然气消费构成由以上表中可以看出，世界天然气的平均消费主要用作能源，包括发电、民用、工业三大块，而美国主要是集中在民用、工业和化工原料三块，这主要是由于美国天然气利用已经比较成熟，发电以煤为主，天然气发电主要用来调峰，同时人们生活质量的提高和环境保护的需要，天然气日渐集中用于化工原料和工业燃料等较高层次的利用。1.2 中国天然气下游市场现状2004年我国天然气产量保持稳定增长态势，全年产量(规模以上企业)达到341.28亿立方米，比上年增长4.6%，占我国终端能源消费结构约3。从消费地区结构来看，中国天然气消费主要以产地消

3、费为主，主要集中在西南、东北、和西北地区，即四川省、黑龙江省、辽宁省和新疆，它们占全国消费量的80%以上。随着我国对天然气开发和利用的重视，天然气作为清洁燃料用作城市燃气也在发展，目前许多大中城市都用上了管道天然气，但是总体份量不大。表32给出了19962000年我国天然气的消费构成。表3 19962000年中国天然气消费结构根据规划，预计2010年,天然气在能源总需求构成中的比重约为6%,需求量将达到900亿m3。2020年,需求量将达到2000亿3，届时天然气将占整个能源消费构成的12%左右。我国未来15年内的天然气消费构成的发展目标如表41所示：表4 我国天然气消费结构的发展目标 分析表

4、4同表3的数据，可能有两点原因：第一，今后天然气市场的扩展，主要是在东南发达地区；不论是建设长输送管线还是LNG海路船运、港口接收，项目投资都要求有一定的规模，数百亿元的投资。同时，也要求保证立即，至少在极短时间内，有同样规模的市场用户。否则，不仅管线或LNG项目的投资难以回收，天然气用户也难以承受高昂的折旧费用。相对来说，只有大型天然气发电项目和已经具有管网设施的城市煤气用户能够签定与管道或LNG项目总量相匹配的照付不议的用气合同。第二，不论长输管道气还是LNG项目气，价格都比天然气井口气价高出数倍。用做化工原料，显然缺乏竞争力。天然气化工只能在气田附近发展。这就是表4中规划天然气用户中发电

5、和燃气占70%的苦衷。具体到项目，更是突出。例如，我国第一个进口LNG的大鹏项目规划，发电占60%，城市燃气占40%。1.3 我国天然气消费结构目前存在的问题但是，上述办法，存在着两个问题。第一，我国能源以煤为主，劳动力成本低廉使等热值煤与天然气的比价在0.3到0.5左右,低于发达国家。因此,尽管天然气发电效率可达5060,有明显的效率和环保优势,但仍无法与煤电竞争。与水电比较，也无竞争优势。国际上与LNG项目配套的燃气轮机电站与电网公司都有保持项目不致亏损的保底上网电价协议。而由于我国电力生产结构和煤与天然气比价的特殊性，与大鹏配套的燃气轮机电站至今还未能获得这样的协议保证。此外，也是由于价

6、格限制，天然气电站一般只作为调峰电站，年运行时间只有4000-4500小时，给均衡供气造成难度。换句话说，在中国，把发电作为奠立天然气下游市场的基础并不是很可靠和很经济的。第二，居民生活用的城市燃气在使用时间上和空间上都比较分散，用量有限，不足以作为项目的主要用户。世界各国城市燃气占天然气用量均不到1/4。而且，新上的项目管网覆盖面不可能太大。以广东大鹏项目来说，也仅覆盖东莞、广州、佛山、中山四市，初期广州也没有包括清远、从化二区。远离LNG接受站和输气干线的中小型城市和农村在一段时期内都不具备使用管道天然气的条件。这种情况，对市场发育的初期带来很大的困难和两难的局面。由表1 可见，世界天然气

7、下游最大用户是直接作为工商业的燃料，如工业用锅炉、酒店的热水锅炉和空调用直燃机、北方城市冬季采暖锅炉等等。我国进京陕气主要用于冬季采暖。北方城市冬季供暖以前都用燃煤锅炉，价格便宜，但是环境污染严重。用天然气烧工业锅炉直接产生生活热水或低压蒸汽，热力学第二定律效率只有10%左右，既是不合理的“高能低用”，也不经济。尽管政府给予了一定补贴，但是用户的平均采暖费用仍大幅上涨，居民负担加大。2分布式能源是天然气高效利用的最佳途径21 分布式能源分布式能源系统(Distributed Energy System，简称DES)是在有限区域内采用冷热电三联供（Combined Cold Heat and P

8、ower, 简称CCHP）技术通过管网和电缆向用户同时提供电力、蒸汽、热水和空调用冷冻水服务的综合能源供应系统,所以总称“冷热电联供,DES/CCHP”。这里须强调，“联产”（Cogeneratoin or Trigeneration）是侧重于提高一次能源转换效率-通过“联合生产”不同品位的二次能源：功和热或冷来实现（Production)。而“联供”（ Combined Cold, Heat and Power Supply）则着眼于提高终端能源供应的效率-一次能源经过各种转换方式组合，最经济、高效地提供用户所需要的空调、采暖、生活热水、蒸汽等各种终端能源服务。在一些城市商业中心、居民区和一

9、些工业园区，其电力负荷和冷、热负荷密度都比较大，用户集中。而目前的能源解决方式都是采用分产方式，能量利用效率低，经济性差。利用DES/CCHP，将天然气发电后余热按照梯级用能的模式供给吸收制冷、蒸汽和热水用户，能源转换过程中的不可逆损失少，能源利用效率可以高达70%到90%。并且因余热供冷供热与发电共同分摊能源成本，而使发电成本比联合循环电站低；对天然气的价格变化相对不敏感，经济性大大提高。这是它的第一大优势。第二大优势是：DES/CCHP发电在10kV电压下就地直供，避免了升降压和远程传输的设备投资的电力损失以及运营费用；依靠大电网的巨大容量保证用户的供电负荷、电压和频率的稳定并可作为事故备

10、用电源。第三，分布式能源站资金密集度相对较低、建设快，因而容易上马；而且全年运行时间可长达50006000小时，天然气需求稳定，是天然气高效利用的一个极为重要的途径，也是天然气下游市场开发的一个主要渠道。2.2 国外分布式冷热电联供系统的发展概况自1978年美国开始发展CCHP以来，进展很快。目前，美国、日本和欧洲都有较为成熟的应用经验，近年来各国又进一步加大了其发展力度。根据2000年的统计资料，美国在商业、公共建筑中的DES/CCHP为980座，总装机容量4.9GW， 72用天然气2 工业CCHP系统有1016座，总装机容量45.5GW，其中64用天然气3。加州电力危机后美国进一步加大了D

11、ES/CCHP建设力度，至2003年，美国DES/CCHP总装机容量为56GW，占全美电力总装机容量的7，年发电总量为310亿kWh，占终端电力消耗量的9。美国能源部计划2010年DES/CCHP的发电装机容量达 到92GW， 占全国总用电量的14； 20102020十年期间，还会新增95GW容量，占到全国总用电量的29。截止2003年3月，日本全国冷热电总装机容量6.5GW。其中建筑项目2915个，总装机容量1.43GW，52.8以城市燃气为燃料；工业联产项目共计1600个，总装机容量5GW， 30.7以城市燃气为燃料。（参见表4 和表5） 欧洲一直重视分布式冷热电联产系统的发展，1992年

12、丹麦热电联产的发电量占总发电量的40，供热量占区域供热的60，20年间国民生产总值增长43但能耗实现了零增长。2000年底的能源效率比1989年提高了22.3%。 1988年，荷兰启动了一个CCHP激励计划， 到1998年，CCHP就由2.7GW 猛增到 7GW， 占总发电量的48.2。2000年英国新CCHP项目共1536个,总装机容量达到4.76GW，希望到2010年可以达到10GW。表4 美国建筑冷热电联产的不同系统形式比较表5 日本冷热电联产系统主要应用的建筑类型类型 商场 医院 酒店 办公建筑 运动场所 学校 区域供冷供热规模MW 264 213 219 193 94 42 81数量

13、 497 460 440 289 236 77 213 中国分布式能源的适宜规模31中国发展DES/CCHP的特殊条件中国建筑用能的数据列于表6：表6 我国建筑能耗各部分所占的比例【4】分析表4、5中的各种DES/CCHP项目，可以发现，他们的大多数规模较小。象日本的商场、医院等的400多个DES，总共不过200多MW，平均每个不到500kW。而且，在这些中、小型DES/CCHP项目中，不论采用什么样的机组配置，余热“联产”的冷和热量的比例，很难与用户对冷、热、电的需求比例在不同季节和时段都保持一致。这就要求增加系统的设置和投资。从表4、5还可以发现，很少有用于住宅的DES/CCHP项目。这是

14、与他们的国情分不开的。反观中国，中国建筑用能的特点是：（1）、人口稠密，居住集中；（2）、随着人民生活水平提高，空调负荷迅速增加；（3）、生活热水需求快速上升； （4）、城市居民大多住于公寓而不是别墅中，并且越来越多集中于住宅小区；（5）、住宅与商业、办公建筑交织。因此，除了如表4、5所列的各种中、小型DES/CCHP项目之外，中国还具有建设大型的、集酒店、商厦、住宅等用户于一体的区域DCS/CCHP的好条件。这种区域集成的大型DCS/CCHP，可以利用不同用户对冷、热、电的需求在季节和一天中各个时段的区别性和互补性，而使CCHP机组有更高的效率和更长的运行时间，并且由于规模效应而具有更好的经

15、济性。中国正在加速城市化和城市能源气体化的进程，每年增加1620亿m2建筑面积，是发展DES 的极好机会。另外，冷热电三联供并不局限于余热采暖或吸收制冷，燃气轮机或直供电驱动的压缩制冷有时更为经济。从根本上说，各种原动机与各种制冷、供热方式（包括热泵等）形成的各种组合，都是“三联供”系统。但只有那些最充分考虑具体情况、组合最优的，才有最好的经济效益和最高的能源利用效率。各项终端供能的经济直供范围大致为：电，10kV，12公里；空调冷水，11.6公里；1 MPa 蒸汽，1-2公里；60左右采暖和生活热水，45公里。所相应的最大经济供应范围为612平方公里7。中国城市人口众多、居住密集，DES/C

16、CHP因此不能完全照搬美、欧、日目前的分布式能源的模式。此外，化工、炼油、食品、造纸等大型过程工业和工业园区，电子、家电、轻工等离散制造业工业园区，原来的用于保障区域供电的小型柴油机和燃气轮机电站改造，现有城区内的工业烧煤的热电联产的机组改造为DES/CCHP等，都是中国目前特有的发展大型DES/CCHP的机会。以炼油工业为例：中国炼油量目前3亿吨/年-4亿吨/年，以能耗65kgEo/t计，部分替代烧掉的重油和炼厂气中的氢气+乙烷乙烯，约需1300万吨/年天然气。（某沿海新建1200万吨/年炼油厂就需天然气75-80万吨/年）。充分发挥这些天然气的高效CCHP作用，就可以使中国沿海炼油厂能源效

17、率大大提高。按照上述经济供能半径并根据用户的实际负荷需求，在工业园区和城市商业（住宅）区域可发展50-100MW左右规模的DES/CCHP；而在一些单独的商业建筑或工厂可以建立数百到数千千瓦的DES/CCHP。国际能源署也建议中国发展50MW左右的DES/CCHP。作为天然气下游高效利用的重要途径。十多年内，中国的天然气将快速发展，特别是陆续建设的一批LNG接受站，在下游市场开拓规划上，可以考虑结合周边工业、商业、城建的规划，把3-5个5001000MW 的联合循环电站，分散为十来个50100MW的DES/CCHP；在中国的大、中城市，建设一批50100MW的DES，既解决联合循环电站缺乏竞争

18、力问题，又可以解决工业用天然气做锅炉和加热炉燃料承受能力问题。不仅大大提高能源利用效率，而且节省大量资金。32 典型较大DES/CCHP案例介绍（1） 广州大学城分布式能源站简介广州大学城一期面积18平方公里，服务对象是大学城的20万大学生和10万居民的洗澡和生活热水； 设计指标是学生每人每天40升60度热水，居民每人每天60升60度热水；生产与供应原则是连续生产，分散储存，容量保证集中使用需求。目前大学城的集中供冷和集中供生活热水系统已经部分投入运行。早期的分布能源系统规划拟选用2台GE公司的PG6391E燃气轮机，单台燃气轮机发电出力为41780kw，燃机效率35.5。系统形式考虑燃气蒸汽

19、联合循环三联供系统，其基本流程如下： 图1 广州大学城分布式能源站系统流程图由于大学城目前规划人口增加，用电负荷和热负荷将有所增加。因此在最新的燃气轮机招标工作中，选用了2台FT8 Twin燃气轮机，单台发电出力为51.35MW，一次发电效率为38.4，联合循环全凝发电出力为66.7MW，发电效率50.4。由于FT8 Twin型燃气轮机是由两台FT8燃机并联组合而成，带一台发电机、一台余热锅炉和一台汽轮机，因此在实际运行中，相当于有4台FT8燃气轮机联合运行，因而其负荷调节非常灵活，即使在夜间低负荷工况，DES/CCHP的发电和总效率也不会有大的波动。3.2 广东某城区分布式能源站简介广东某城

20、区为集酒店、旅游景区、高尚住宅、文化设施、科技研发为一体的社区，该城区总占地面积为5平方公里，05年实际居住人口6-7万，建筑面积250万平方米。至2015年，该城区规划最大控制人口为8.5万人，规划建筑面积为380万平方米。由于该城区内电、冷和生活热水的负荷随季节和昼夜波动较大，为保证在不同的负荷需求条件下系统都能够高效的运行，初步考虑用三台燃气内燃机三联供系统方案(单台燃气内燃机额定发电功率8700kw，发电效率46)，系统基本流程如下图所示：图2 燃气内燃机联合循环分布式冷热电三联供系统基本流程由上图所示，天然气首先进入燃气内燃机发电，燃气内燃机产生的高温烟气进入余热锅炉产生12.5ba

21、r，280的中压蒸汽，蒸汽继续进入汽轮机发电；单压余热锅炉排放的烟气温度仍在157左右，可继续利用其热能产生高温热水供吸收式制冷机用。生活热水可由润滑油冷却器产生，并输送给城区内各生活热水用户。4 天然气市场开拓中分布式能源的作用4.1 用DES/CCHP开拓天然气下游用户的市场即使对经营天然气的城市煤气公司，DES也是他们拓展天然气市场重要方向。例如，广州煤气公司与大鹏签订的一期合同为41万m3/d，远景120万m3/d ；但2006年只给12.8万m3/d，只能满足十来万用户。作为广州煤气公司的一个用户，广州大学城DES的需求就有12万m3/d。DES的用气量比民用燃气大得多。已经有天然气

22、项目的地区，通过发展DES项目开拓市场的步伐，会大得多。还没有天然气项目的地区，在一开始就统筹规划，发展DES/CCHP项目，便可以不必面对只考虑联合循环电站和城市煤气的两难局面。对于有LNG项目的沿海地区，还可以采用罐厢运输与管网输送协调配合的办法，使市场不受管网覆盖范围的限制；是天然气市场培育和开拓的最好途径；LNG罐厢运输，从我国第一个LNG设施濮阳和目前最大的新疆广汇LNG厂用汽车罐厢运输运到山东、福建终端再汽化，已有成熟经验。拖罐厢的汽车采用LNG发动机后还可以进一步降低运输费用。等到市场培育到一定规模再修建管道，能够避免管道能力前余后紧的尴尬局面；因此可以获得更好的投资效益。广州地

23、区的市场调查见下表：表7 2010年和2020年广州对天然气的需求用途 发电 民用燃气 工业 化工原料 其它 备 注广州2010 24 (35) 25 (36) 28(40) 17 (25) 6 (9) 括号内为量/万吨/年预期2020 20（5） 24（6） 30（25） 20 6（汽车）括号内为分布式能源占的百分比 这里对于可能发展的DES/CCHP的估计都是有根据的。例如，环保要求小锅炉改烧气，采用小型分布式能源可以避免经济损失；南沙开发区、广州经济技术开发区的工业园区、新建的汽车、石化、冶金等大企业，工业用气2011年将达60万吨/年，采用大型DES/CCHP是节能、环保、提高经济效益

24、的必由之路。对广州市来说，未来十几年内大力建设DES/CCHP，可以节约上百万kVA的电网和变电站建设费用，节省上百万kW输送损耗和调度费用；冷热电联供高效利用LNG的社会效益上十亿元计；并可利用上百亿元计的社会资本，节省国家财政开支；DES用户以大电网作后备补充，可靠性更高；还将带动燃气轮机、余热锅炉、大型制冷机等制造业发展，拉动上百亿元/年GDP增长。4.2 国际分布式联盟对中国电力发展的分析82004年10月在北京召开的国际分布式能源联盟（WADE）年会，国际分布式能源联盟对未来满足我国20年电力增长的两个方案（全集中+全分散）进行了比较，其比较数据如表8所示：表8 满足我国20年电力增

25、长方案（100集中和100分散）的比较 根据WADE的分析，如表5所示，在投资、能源消耗以及CO2排放方面，DES/CCHP较全集中供电方式都有一定的优势。当然，集中式电源系统和DES/CCHP是互为补充的，分布式能源的发展不能脱离大电网系统的支持和补充。因此，两者的发展应该确定一个合理的规模，确保分布式能源的生存空间，以降低电网投资、输变电损失，提高能源利用效率和减少环境排放，这对于我国电力事业的发展是有利的。4.3 大型联合循环电站与分布式三联供系统发电投资效益的比较利用天然气发电是目前天然气利用的重点领域，利用天然气联合循环发电效率可达5060。其发电有两种途径，一是建大型的联合循环电厂

26、，集中发电上网；二是建DES/CCHP，在一些冷、热、电的负荷中心或单独的建筑（工厂）采用分布式三联供系统。表9 大型分布式冷热电联供能源与联合循环电站的比较项目 联合循环电站： 大型城区或工业DES/CCHP： 规模 500-1000MW， 100-300MW，运行时间 4000h/a, 5000-6000h/a，效率 55-60%； 70-80%；单位投资 4000元/kW; 4000-4500元/kW;（另有电网投资5000元/kW）如表9所示，尽管大型联合循环电厂设备投资低，但是DES/CCHP由于输变电投资相对较少，在整体投资仍具有一定的优势。且由于DES/CCHP考虑了区域直供电，

27、在区域内上10kV电网即可，不需要上高压电网，避免了输变电投资和距离输送损失和运营费用。此外，DES/CCHP综合考虑了区域内的冷、热负荷，避免了能源的低效率利用，其整体效益要高于联合循环电厂。4.4 DES/CCHP是各方得益的优化选择我国能源消耗的持续增长，以及能源和环保压力，产生了对DES/CCHP巨大的需求，DES/CCHP也是各方得益的优化选择。对天然气公司来说，在目前开拓天然气用户下游市场的条件下，如果有一批数十MW的、年运行时间达60007000小时的DES/CCHP作为稳定的燃气用户，对于保证天然气稳定供应是非常有利的。对终端用户来说， DES/CCHP效率高，且电力为直供形式

28、，因此用户可以得到比常规分产系统便宜而且方便的供冷、供热价格。另一方面，DES/CCHP与电网一起共同保障用电的安全，更加可靠。对投资和运营商来说，可以集中社会资金和银行贷款建设，通常810年可以回收投资。在20年的特许经营期内，通过能源的高效利用和科学管理，可以获得公平合理的回报。对电网公司来说，DES/CCHP并不会对电网造成冲击，也不会减少电网公司的盈利。因为目前中国电力处于供不应求的状况，长距离输电投资和损耗都很大。而DES/CCHP通过就地直供电和供冷供热，减少电网的负担，并为电网起到一个调峰填谷的作用。此外，由于DES/CCHP需要电网对频率和安全性的保障，电网可以适当的向DES/

29、CCHP收取一定的保障费用，两者是互相协调、互相补充，共同发展的的关系。对政府来说，DES/CCHP节约了能源，保护了环境，减少了政府在公用事业上的投资。如上所述，DES/CCHP是政府、电网、燃气公司、投资运营商和用户五方共赢、共同获益的的一种优化选择。5 燃气、电网、城建公司和政府联手开创新机制在我国能源形式日益紧张的条件下，分布式冷热电三联供系统作为一种最高效率的能源利用技术，在我国得到了越来越多的重视。政府、用户、投资商呼声都很高，但是目前仍受到一些机制的约束，使得我国DES/CCHP发展较为缓慢。因此，在现阶段，需要燃气公司、电网、政府和城建公司共同的努力，联手促进分布式能源事业在我

30、国的发展。对天然气公司，应该优先考虑向DES/CCHP供气，并提供与联合循环电厂相同的价格。对电网公司来说，应该看到DES/CCHP产生的长远利益，创造出有利于DES/CCHP发展的空间环境，并将DES/CCHP纳入电网规划之内。政府的作用最为重要；1、政府首先应该积极引导，修改阻碍DES/CCHP发展的旧法律法规，出台鼓励性的新法规；2、其次，在贷款、准入和税收方面给予优惠，特别是对区域供冷和余热集中供应生活热水的服务，应当免税；因为居民用电空调和热水器是不用缴税的，如果对合理用能的区域供冷和余热集中供应生活热水的服务项目征收17%的增值税和33%的所得税，投资者将完全无利可图，因而DES/

31、CCHP将不可能发展；3、将DES/CCHP纳入到国家的电力规划、天然气发展规划、城市化规划和具体的城市建设规划中；对一些新的工业园区和城区建设，应该考虑到能源综合利用和规划，通过分析确定合理的供能方案，这一点上，城市建设、规划部门应该充分考虑DES/CCHP的可行性。总的来说，在我国当前形势下，政府牵头，联合相关部门制定促进DES/CCHP的相关法法律和规划，培养适应DES/CCHP生长的土壤，通过投资方、建设方和运营方的共同参与，分布式冷热电联供事业在我国就会迅速发展起来。参考文献：1 汪寿建. 天然气综合利用评价（上）. 化肥设计，1999，37（5）：592 李华启，刘爱国. 中国天然

32、气的发展趋势和政策趋向. 国际石油经济，2002，10（8）：27293 华贲,岳永魁,赖元楷. 天然气能源利用技术在中国的发展战略探讨. 天然气工业, 2004, 24(7):14 武涌，关于充分发挥政府公共管理职能推进建筑节能工作的思考，建筑节能，2002年38卷，1215 U.S. Department of Energy, Energy Information Administration. The Market and Technical Potential for Combined Heat and Power in the Commercial/ Institutional Se

33、ctor. Washington, January 2000.6 U.S. Department of Energy, Energy Information Administration. The Market and Technical Potential for Combined Heat and Power in the Industrial Sector. Washington, January 2000.吴大为,王如竹. 分布式能源定义及其与冷热电联产关系的探讨. 制冷与空调,2005,5(5):4。7 华贲，给热电联产和分布式能源正名，能源政策研究2005年第5期，pp.21-25，北京。8 Thomas R. Casten，Closing Comments, 第5届世界热电联产和分布式能源大会论文集，2004年10月28-30，北京。（本文发表于沈阳工程学院学报（自然科学版），2（2），97103，2006。