天然气分布式能源在大型园区的规模化研究

摘要：分析了大型园区供能现状及存在的问题，结果表明天然气分布式能源应用于大型园区具有环保、经济性好、可靠性高的优点。分别对不同规模高新技术区和工业区采用天然气分布式能源系统进行了技术经济性分析，400万m2以上的高新技术区和100万m2以上的工业区均可满足投资项目的可行性要求，全厂热效率均可达到70%以上。

关键词： 分布式能源；大型园区；技术经济性

中图分类号：F407文献标识码： A

我国的一次能源以煤为主，然而煤的能源利用率低，SO2、NOx的排放给自然环境带来不利影响；燃煤机组是CO2排放大户，到2020年我国单位GDP 的CO2 排放要比2005 年下降40%至45%，因此碳减排也成为燃煤电厂面临的重要任务。天然气是清洁能源，而天然气分布式能源系统具有较高的能源利用率，极具应用前景，而我国也具备了大力发展的条件。

中国有丰富的天然气资源，近年来，中国在塔里木、鄂尔多斯、四川盆地及海域天然气勘探连续取得了重大突破，相继发现了一批大中型气田，天然气产量不断增长。“陕京一线”、“陕京二线”、“西气东输”等长输骨干管线的建成，也为天然气分布式能源的发展创造了条件。

2011年10月，由国家发改委、财政部、住建部和国家能源局联合下发了《关于发展天然气分布式能源的指导意见》；2012年6月，国家发展和改革委员会、财政部、住房和城乡建设部、国家能源局四部委以文件联合下发《关于下达首批国家天然气分布式能源示范项目的通知》（发改能源[2012]1571号），批准了首批四个示范项目；2013年2月27日国家电网公司在京召开促进分布式电源并网新闻会，向社会《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》。随着国家节能政策的逐步出台，分布式能源正在迎来发展的春天。

目前，北京、上海和广州等地率先开展了多个分布式冷热电联供系统的示范性建设项目，如北京燃气集团、华电集团、中海油集团、重庆燃气集团等都在进行大力推广和发展。

1分布式能源系统

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（数kW至50 MW）、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，而燃气冷热电三联供是分布式能源最主要的发展方式之一。在保障城市基础热力设施建设的同时，我国的电力工业也急需分布式能源能源系统作为支撑力量来适应建设发展的需要。

目前，国内发展的天然气分布式能源系统主要包含以下三类：

1）大型高效的燃气-蒸汽联合循环系统。主要采用以重型燃气轮机为主的热电联供系统，单机功率在几万kW~几十万kW，同时结合余热锅炉和蒸汽轮机的应用，以集中供应蒸汽或高温热水为前提，所发电力主要在电力系统中承担中间负荷和基本负荷。特点是功率大、效率高、能够长期地稳定运行，力求启停次数少，以保证机组的使用寿命和很高的可用率。但重型燃气轮机的启动加载性能较大，在热态下从启动到加载至满负荷工况的耗时不少于25分钟[1]，适用于热力和电力需求均较大的城市或区域。

2）中型冷热电三联供系统。主要采用以航机改型的轻型燃气轮机，此类机型有快速启动和加载能力，单机功率从几千kW~几万kW，发电效率较高（部分机型能到40%以上）。通过采用余热锅炉回收燃气轮机排气用于供应蒸汽，部分负荷下的性能有所降低，因此一般满足部分稳定的负荷需求，并结合调峰锅炉的应用。

3）适用于楼宇的小型热电冷三联供系统。主要采用小型的燃气内燃机，此类机型对负荷和气候条件的适用性较强，单机功率从几kW~几千kW，某些特殊的厂家（如芬兰的瓦锡兰公司）其单机出力达到1万多kW。通过采用烟气热水型的余热机回收烟气和缸套水余热用以直接供热、制冷，其能源综合利用效率可达80%以上，最有效的利用了天然气资源。

2大型园区的供能现状及问题

区域集中供热是我国政府长期以来积极鼓励的供热方式，其发展主要集中在华北地区与东北地区。集中供热从热源角度主要分为热电联产和区域锅炉房集中供热方式，从产品角度分为蒸汽和热水。由于我国的能源结构以煤为主，许多设备陈旧老化，目前燃煤锅炉房效率平均水平仅为60％-65％左右，一些地区的热网损失(包括保温隔热、热水泄漏、系统调节控制等)商达20％-50％，影响了集中供热节能环保性能的发挥[3]。

目前大型园区的能源供应形式比较单一，一次能源主要都来自于煤和天然气。其中电力主要由燃煤发电供应，天然气绝大部分用于冬季采暖，而夏季制冷绝大部分由电制冷解决。这种能源结构造成了电力和天然气巨大的负荷峰谷差，而过于单一的能源结构又抑制了新能源技术的发展，给能源供应的可靠性和经济性也带来了不利因素。

3大型园区的供能趋势

现代化大型园区应该是生态与环保相结合的综合性多功能园区，应采用先进的理念和技术来构建综合园区的能源系统，并按照“安全可靠、经济环保、节能、可实施、可推广”的原则进行整体能源规划。

随着目前各种工业、科技、商业等开发区发展模式在国内的兴起，传统的供能方式已经不能完全适应在综合性开发区中能源供应模式多样化和能源消耗模式多样化的特点，不能满足新的发展形式下对整个区域整节能减排的要求。因此，为充分保障区域能源系统的可操作性，将分布式能源应用于区域或城市的整体能源规划，在综合考虑全部能源的输入、生产、传递、转化、消耗、排放和输出等过程后，构建一个在结构、规模、经济、节能和环保方面最优化、合理、安全和先进的，同时又完全具有可实施性的区域能源体系[2]。这种区域能源体系为大规模发展燃气冷热电三联供创造了条件，将是最主要的区域供能方式之一。

天然气与燃煤相比，在环境保护上具有明显的优势。但是，如何才能在大型园区中合理地采用天然气分布式能源系统，进而推动清洁燃料的市场发展，优化园区能源结构，是当前迫切需要解决的问题。

4天然气分布式能源在大型园区的应用

大多数综合性园区结合了商业、工业等不同类型建筑，对冬季采暖、夏季制冷，以及全年工业蒸汽及生活热水都有需求，因此为充分体现冷热电联供的特点，可采用以下几种方式：一方面在热负荷中心设置适度规模的区域性分布式能源站，供能面积可达几百万平米；一方面在商业中心合理配置小规模的建筑性分布能源站，供能面积可达几十万平米。该方式能充分体现分布式能源模块化的特点，可根据负荷变化进行灵活性调整。

随着合同能源管理在我国的正式实施，这将进一步推动分布式能源产业发展，因此，在区域供能中体系中，适当规模的燃气-蒸汽联合循环系统在综合考虑热力与电力需求的同时（按照以热定电并结合优化运行的原则，所发电力除自用外全部上网），更能引入一家能源服务公司，全面保障区域能源供应，促进园区的节能减排工作。

分别以100万～900万平方米的高新技术区和工业园区为例，结合区域内的冬季采暖热负荷、夏季制冷负荷及工业生产热负荷。为满足区域分期发展的要求，以南京汽轮机厂生产的PG6581B（ISO工况下为42 MW）和GE公司生产的6FA（ISO工况下为76 MW）和LM2500（ISO工况下为32MW）型燃气轮机为初步选型，以及配套余热锅炉及蒸汽轮机的应用能够满足项目要求。

测算条件：20%的资金由投资方出资，80%采用国内银行贷款；天然气价格（含税）2.28元/Nm3（平均低位热值8500kcal/Nm3）下的上网电价0.638元/kWh；热价（含税）18元/平米+55.56元/GJ以及冷价120元/GJ；项目经营期20年；平均材料费15元/MWh，其他费用18元/MWh，以及其他法定费率和税率。高新技术区和工业区分布式项目评价指标计算结果分别如表1和表2所示。

表1 高新技术区分布式项目的评价指标

项目 单位 建筑面积（万m2）

100 300 500 700 900

冷负荷 MW 44.8 121.5 182 227.5 259.2

热负荷 MW 45 127.5 200 262.5 315

蒸汽负荷 t/h 8 22.8 36 47.6 57.6

装机规模 MW 44 120 180 220 260

推荐设备 1×LM2500 1×6FA 4×LM2500 5×LM2500 6×LM2500

初投资 亿元 2.3 5.9 8.6 10.4 12.2

年发电量 GWh 208.2 520.7 732.7 907.4 1116.2

年供热量 万GJ 43.6 119.7 181.6 230.1 266.3

年运行费用 万元 12540.2 31281.6 43781.6 54260.4 64395.2

小时燃气用量 Nm3/h 8532 21930 34127 42658 51190

年耗燃气量 万Nm3 4579 11840 16447 20473 24855

全投资内部收益率（税后） 6.3% 7.6% 8.2% 8.8% 10.4%

资本金内部收益率 6.3% 9.1% 10.7% 12.1% 15.8%

投资回收期 年 11.4 10.3 9.8 9.4 8.54

系统效率 % 72.8% 72.9% 76.1% 76.4% 75.5%

节能（标煤） 万吨 4.6 11.5 17.1 21.3 25.77

节能率（标煤） % 45.2% 44.5% 46.1% 46.1% 46.1%

减排CO2 万吨 15.4 38.9 56.7 70.6 85.57

年化成本 元/kWh 0.466 0.455 0.445 0.442 0.433

表2 工业区分布式项目的评价指标

项目 单位 建筑面积（万m2）

100 300 500 700 900

冷负荷 MW 33.6 89.7 132 161.7 180

热负荷 MW 40 112.5 175 227.5 270

蒸汽负荷 t/h 40.8 112.2 170 214.2 244.8

装机规模 MW 60 220 330 440 440

推荐设备 1×6B 2×6FA 3×6FA 4×6FA 4×6FA

初投资 亿元 3.1 10.4 15.2 20.0 20.0

年发电量 GWh 333.6 1033.6 1631.4 2238.1 2229.1

年供热量 万GJ 253.6 282.5 425.1 532.1 604.5

年运行费用 万元 33582.9 62979.8 97723.0 131415.6 135071.6

小时燃气用量 Nm3/h 13003.0 43859.3 65788.9 87718.6 87718.6

年耗燃气量 万Nm3 13372.3 24241.1 37799.2 50882.9 52512.0

全投资内部收益率（税后） 8.8% 10.8% 11.9% 12.2% 12.6%

资本金内部收益率 12.2% 17.0% 19.9% 20.7% 21.8%

投资回收期 年 9.5 8.3 7.8 7.7 7.5

系统效率 78.5% 75.9% 75.3% 73.9% 75.3%

节能（标煤） 万吨 9.0 24.1 37.6 50.3 51.5

节能率（标煤） 35.6% 45.0% 45.1% 44.9% 44.7%

减排CO2 万吨 34.3 81.0 126.4 169.3 173.8

年化成本 元/kWh 0.490 0.442 0.440 0.440 0.440

从表1和表2可以看出，以办公和可研为主的高新技术区适宜采用发电效率较高的轻型燃气轮机，而以生产制造为主的工业区适宜采用余热较多的重型燃气轮机。如图1所示，当以全投资内部收益率为8%作为项目的投资可行性指标，则高新技术区的供能面积需要在400万m2以上，而100万m2以上的工业区即可满足可行性要求。

图1 全投资内部收益率随建筑面积的变化规律

根据对国内项目的调研和分析，燃气价格对上网电价的影响最大，其次为总投资，而供热价和年发电量变化对电价的影响相对较小。近年来随着燃气价格的不断上涨，合理的上网电价才能保证园区分布式能源项目的经济性，因此对系统的优化设计和合理规模匹配也显得尤为重要。

5结论

综上所述，相对于传统以燃煤为主的能源系统，天然气分布式能源系统较在经济、节能、环保等方面均具有一定的优势，在合理的燃气价格下具有较强的盈利能力和财务生存能力，符合国家鼓励发展的分布式能源政策。

为了满足区域园区不断增长的热力及电力负荷需求，以及规划区内对环境条件越来越高的要求，有必要建设以天然气分布式能源为主的区域供能系统，能够进一步推进园区的节能减排工作，并具有较好的经济效益和社会效益。天然气分布式能源系统的建设符合区域化能源建设的基本方针，有利于提高清洁能源在能源结构中的比重，有利于改善区域良好的生态环境。随着国家能源政策的推进，天然气分布式能源系统将在大型园区中得到进一步的发展和应用。

参考文献

[1]清华大学热能工程系动力机械与工程研究所，深圳南山热电股份有限公司。燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置[M]，北京：中国电力出版社，2007

[2]冯江华．天然气在中国建立能源公社中的重要作用[C]．首届中国城市燃气论坛，深圳，2008.11

[3]周总瑛。中国天然气资源特点与发展建议[J],新疆石油地质，2009年12月，第30卷第6期

[4]康艳冰，张建国，张扬，我国热电联产集中供热的发展现状、问题与建议[J]．中国能源，2008.10

作者简介：

杨玲，（1983-），女，工程师，从事燃气分布式能源设计与优化工作

田志叶，（1980-），女，工程师，从事暖通设计工作