發展天然氣分布式能源優化山東電力能源結構的思考

郝龍俊

（國網能源開發有限公司，北京 100033）

1 天然氣分布式能源簡介

天然氣分布式能源是指天然氣為燃料、臨近負荷、面向用戶的電能生產以及在此基礎上建立了熱電冷三聯供能源綜合利用系統，通常認為，單機容量不超過50 MW。與傳統集中的大電源、大電網相比，天然氣分布式能源具有配置靈活、清潔高效、可靠穩定等優勢，近些年隨著對環境保護、供電安全的要求不斷提升，天然氣分布式能源在世界各國得到了廣泛的發展。

美國的分布式能源起步較早，自1978年起就開始積極提倡發展小型熱電聯產系統，并一直努力發展潔凈、高效、可靠，用戶能夠負擔的分布式能源。根據有關資料，到2002年，美國分布式能源供應站已達到近6 000座，其中一半以上分布式能源與電網連接，部分分布式能源在電網供電中斷時起備用作用。日本能源資源極度貧乏，石油對外依存度超過90%，天然氣接近80%，煤炭接近100%。因此，日本非常重視節能工作，對節能系統的研究也十分深入，其中以天然氣分布式能源系統發展最快，應用領域最為廣泛。2000年，日本全國共有熱電冷三聯供項目1 413個，總裝機容量2 212 MW，其中工業天然氣分布式能源項目1 002個，總裝機容量1 734 MW。目前，日本正積極推動采用小型燃氣輪機、燃氣內燃機和微型燃氣輪機的樓宇式分布式能源項目的發展。

我國天然氣分布式能源的發展剛剛起步，目前僅有北京燃氣大樓、上海浦東國際機場、廣州大學城等少量示范項目。根據2011年國家能源局聯合四部委發布的《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》（發改能源［2011］2196 號），“十二五”期間，我國將大力發展天然氣分布式能源，建設1 000個左右天然氣分布式能源項目，規劃到2020年，總裝機容量達到5 000萬kW，初步實現分布式能源裝備的產業化。

天然氣分布式能源系統由前端的發電裝置和后端的余熱回裝置組成，采用溫度對口、品質耦合的方式將高溫熱源用于產生高品質的電能，低溫余熱回收提供蒸汽、熱水以及滿足制冷需求，實現能量的梯級綜合利用，能源綜合利用效率可超過70%。應用于天然氣分布式能源的發電裝置主要有燃氣輪機、燃氣內燃機、微燃機以及燃料電池等，余熱回收裝置則包括余熱鍋爐、吸收式制冷機和配套的蓄能、除濕裝置等，系統主要設備形式如圖1所示。

圖1 天然氣分布式能源系統主要設備形式

采用不同發電裝置的天然氣分布式能源系統具有不同的運行與配置特性，其主要特性如表1所示。燃氣輪機適用于較大型的天然氣分布式能源系統，燃氣內燃機更適用于小型的天然氣分布式能源系統，采用微型燃氣輪機和燃料電池的天然氣分布式能源系統剛剛投入商業運行不久，其具有結構緊湊、循環效率高等優點，正不斷得到更為廣泛的應用。

表1 天然氣分布式能源系統幾種主要發電設備情況

2 山東電力能源結構現狀

2.1 以煤為主為的電力能源結構

山東省是我國經濟、工業大省，經濟總量一直居于我國各省、市、自治區前列。隨著經濟的高速發展，山東能源生產與消費也呈快速增長趨勢，據統計，2010年，山東一次能源消費總量達到了3.7億t標準煤，其中約67.5%用于電力生產。2010年，山東電力消費約為3 300億kWh，居全國各省、市、自治區的第三位，其中工業消費為2 555億kWh，占總消費量的78%。山東電力以火電為主，總裝機容量約為6 250萬kW，其中火電裝機為6 000萬kW，占總裝機規模的96%，2010年發電總量約為3 100億kWh，其中火電發電量為3 060億kWh，占發電總量的99%。

2.2 中小型火電機組比例偏高

山東火電裝機中，中小型機組數量眾多，比例偏高。據統計，2010年，山東省共有火電機組1 030臺，總容量約5 800萬kW，其中，30萬kW（不含）以下的中小型機組總裝機容量約2 600萬kW，占全省總裝機容量的45%，10萬kW及以下的中小型機組總容量約1 400萬kW，占全省總裝機容量的24%。

2.3 熱電聯產機組居于重要地位

山東火電裝機中，熱電聯產機組居于重要地位，占有相當比重。據統計，2010年，山東熱電聯產機組裝機規模約3100萬kW，占全省總裝機容量的54%，供熱量4.7億GJ，供熱面積3.2億m2，占全省供熱量的84%和集中供熱面積的63%，是山東集中供熱的主要形式。而其中，中小型熱電機組比例較高，據統計，2010年，山東省30萬kW（不含）以下的熱電機組裝機容量約1 600萬kW，10萬kW及以下的中小熱電機組裝機容量1 300萬kW，供電、供熱煤耗較高。

3 積極發展分布式能源是優化山東電力能源結構的有效途徑

3.1 山東省面臨嚴峻的節能減排形勢

以煤為主的電力能源結構在支撐山東經濟發展的同時，也帶來嚴重的節能環保壓力。根據國務院公布的《“十二五”節能減排綜合工作方案》，2010年，山東SO2和NOX排放量分別為188.1萬t和174.0萬t，均居全國各省市自治區首位；在“十二五”期間，山東需將SO2和NOX排放量分別控制到160.1和146.0萬t，削減比例分別14.9%和16.1%，節能減排形勢嚴峻。

中小機組比例偏高的電源結構加大了山東節能減排的難度，根據國家環保總局公布的數據，2011年1至6月，山東SO2排放總量為92.64萬t，比 2010年同期（94.06萬 t）減少1.50%，削減幅度落后于全國平均的1.74%，NOX排放總量為90.45萬t，比2010年同期（87.00萬t）增長3.97%。 據統計，2010年，山東大量中小型機組（10萬kW及以下）的供電平均煤耗達到了388 g/kWh，遠遠超過全國335 g/kWh的平均煤耗，有40%的熱電企業供熱煤耗超過40 kg/GJ，亟需通過優化能源結構的方式，改善各類污染物排放現狀，促進能源利用效率的提升。

3.2 天然氣供應狀況積極改善

目前，山東天然氣利用水平仍然較低，2010年，山東天然氣消費量約47億m3，不到山東一次能源消費總量的1%，遠低于全國3%的平均水平。根據山東天然氣“十二五”規劃的要求，“十二五”期間，山東將建成“六縱四橫、兩環一庫、三局域網四氣源”的天然氣供應體系，以西部氣田氣和東部油田氣為主供氣源，以調入LNG和近海氣為輔助氣源，全省天然氣供應量到2015年將達到137億m3，2020年達到205億m3，天然氣供應格局將得到有力改善，為天然氣利用奠定了良好的基礎。

3.3 熱電聯產基礎良好

分布式能源系統通過熱電冷供應的匹配，實現能源的綜合利用，這就要求系統供能范圍內具有對應的熱電冷負荷。山東具有良好的熱電聯產基礎，區域熱電冷負荷集中，據統計，全省自備熱電機組總裝機容量616萬kW，供熱量1.89億GJ。其中大部分機組為20萬kW以下的中小型機組，供電、供熱煤耗均較高，利用分布式能源系統對部分機組實現替代，可充分利用原有管網資源，在保證原有熱電供給的同時，實現能源的綜合利用和各項污染物排放的減少。同時，山東正在不斷提高集中供熱普及范圍，規劃到“十二五”末實現50%的供熱普及率。而與之相矛盾的是城市內建設大型燃煤供熱機組的難度加大，征地、環保、管網建設均面臨壓力，而分布式能源系統就近靈活布置的特點正式解決這一問題的有效途徑。

3.4 建設分布式能源系統將帶來良好的節能減排效益

天然氣分布式能源系統在實現能源綜合利用的同時，具有良好的節能減排效益，如表2所示，相比傳統的燃煤發電形式，天然氣分布式能源系統可減少50%以上的CO2、幾乎100%的SO2和70%的NOX排放，幾乎沒有固體廢棄物和廢水的排放。同時，由于分布式能源系統靠近用戶側的布置特點，可進一步減少電能在輸送、配置過程中的損耗，提高能源終端利用效率。

表2 天然氣分布式能源系統污染物排放情況

根據天然氣分布式能源系統熱電冷匹配的特性，系統全年熱電比一般為0.5～2，以熱電比為1計算節能減排效果，根據以熱定電的原則建設分布式能源系統。目前，山東裝機容量在10萬kW及以下熱電機組的供熱量約為3.88億GJ，分別考慮替代10%、20%與30%供熱量的天然氣分布式能源系統建設方案，節能減排效益如表3所示。以替代20%供熱量的建設方案為例，將每年減少CO2排放1 371.4 萬 t，SO2排放 3.3 萬 t，NOX排放 2.9 萬 t，以2010年山東污染物排放情況計算，SO2與NOX的削減量將分別達到 《“十二五”節能減排綜合工作方案》中要求削減總量的12%和10%，帶來良好的節能減排效益。

表3 建設天然氣分布式能源系統的節能減排效益

4 結語

天然氣分布式能源系統具有清潔、高效、環保的特點，通過高溫發電、低溫供熱、制冷的方式實現能源的梯級綜合利用，能源綜合利用效率可超過70%，相比傳統燃煤發電，可減少50%以上的CO2、幾乎100%的SO2和70%的NOX排放。

山東以煤為主的電力能源結構面臨嚴峻的節能環保壓力，目前，中小機組比例偏高的現狀更加大了節能減排的難度。隨著天然氣供應格局的改善，積極建設分布式能源系統可帶來良好的節能減排效益。以替代目前20%的小型熱電機組供熱量為基礎，“以熱定電”建設分布式能源系統，可每年減少 CO2排放 1 371.4 萬 t，SO2排放 3.3 萬 t，NOX排放 2.9 萬 t。