國際分布式供能系統(tǒng)在工業(yè)領域的發(fā)展及啟示

本刊特約記者 蘇 毅

工業(yè)領域的不少企業(yè)存在的高能耗和高污染一直是我國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和保障能源安全的重要難題之一。2 0 1 2年，工業(yè)能耗占全國能源消費總量的7 3%，而工業(yè)G D P的比重僅為4 0%。燃煤工業(yè)鍋爐作為工業(yè)生產(chǎn)的重要裝備，其消耗的煤炭約占煤炭總消耗量的四分之一，大部分鍋爐設備老舊、效率低下、由此造成嚴重的能源浪費和環(huán)境污染問題。為此，我國《工業(yè)節(jié)能十二五規(guī)劃》要求到2 0 1 5年規(guī)模以上工業(yè)增加值能耗比2 0 1 0年下降2 1%左右，十二五期間實現(xiàn)節(jié)能6.7億噸標準煤。上海市要求在2 0 1 5年前所有分散燃煤鍋爐全部以清潔能源替代。這意味著工業(yè)領域的能源生產(chǎn)將發(fā)生深刻的變化，以天然氣為燃料的分布式供能系統(tǒng)面臨一個新的發(fā)展機遇期。

1 分布式供能系統(tǒng)概述

分布式供能是相對于單獨集中式能量系統(tǒng)而言，小型的，孤立的或與配電網(wǎng)聯(lián)系較小的，不以遠距離能量輸送為主要目的的能量系統(tǒng)。分布式供能系統(tǒng)主要包括燃料供應、燃燒發(fā)電設備、余熱利用設備和其他輔助設備等。如圖1所示，燃氣發(fā)電設備主要有內(nèi)燃機、燃氣輪機、外燃機和燃料電池等。燃燒設備產(chǎn)生的電力主要通過區(qū)域電網(wǎng)供用戶使用，也可在負荷較低時向公用電網(wǎng)傳輸。余熱利用設備將燃燒設備的高溫廢氣及冷卻水根據(jù)用戶需要轉(zhuǎn)化為蒸汽、熱水和冷風等，用于生產(chǎn)、供熱及制冷。

圖1 分布式供能系統(tǒng)基本構成

分布式供能系統(tǒng)的能量利用率超過7 0%，遠遠高于傳統(tǒng)的集中供能系統(tǒng)；分布式供能用戶就在發(fā)電設備附近，節(jié)約了電力輸配成本；分布式供能的建設周期短，節(jié)約投資；采用燃氣輪機的分布式供能系統(tǒng)比燃氣鍋爐節(jié)省能源成本約4 3%，相應C O2排放也大幅降低。

2 國外工業(yè)分布式供能系統(tǒng)的發(fā)展概況

（1）日本

日本分布式供能起步較早，發(fā)展時間較長。截止2 0 1 2年，分布式供能原動機數(shù)量達到1 3 2 9 8臺，平均裝機容量7 0 7 k W/臺，總裝機容量為9 4 0 2 MW。其中工業(yè)用原動機4 1 4 1臺，裝機容量7 4 0 2 MW，占總裝機容量的7 8.7%。工業(yè)用燃氣輪機的裝機容量為總裝機容量的4 8%。工業(yè)用戶主要為化工、制藥、橡膠以及機械、能源和電子電氣等領域（參見圖2）。

圖2 日本分布式供能用戶分布狀況（以發(fā)電量為基準）

日本政府對分布式供能項目的政策扶植力度非常大。符合條件的項目可以獲得占投資總額的1/3至1/2的投資補貼，經(jīng)投資補貼后，投資回收期大幅縮短。除此之外，業(yè)主建設分布式供能項目還可享受減免稅收以及專項基金補助，因此大大提高了業(yè)主建設分布式供能項目的積極性。

圖3 日本典型工業(yè)分布式供能系統(tǒng)

日本典型工業(yè)分布式供能系統(tǒng)——大型造紙廠（圖3）。系統(tǒng)采用一臺日本川崎G P C 7 0（7 MW）燃氣輪機，以天然氣為燃料，附帶補燃裝置，采用燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，同時向用戶提供電力和蒸汽。

（2）美國

美國的分布式供能系統(tǒng)自上世紀7 0年代起開始大規(guī)模建設，截止2 0 1 3年初，全美C H P（熱電聯(lián)產(chǎn)）裝機容量為8 2 G W，共4 2 0 0個項目，約占全美發(fā)電機組總裝機的9%。其中7 1%采用天然氣為燃料，占天然氣總供應量的1 8%。計劃到2 0 3 0年實現(xiàn)分布式能源裝機占全美發(fā)電機組總裝機的2 0%，預計約2.4億k W。

美國的C H P項目主要應用于工業(yè)領域，且增速較快（圖4）。其中應用最多的是化工、精煉和造紙等領域（圖5）。

圖4 CHP在美國工業(yè)和商業(yè)領域的增長趨勢

圖5 CHP在美國不同領域的分布

對于美國現(xiàn)有的工業(yè)、商業(yè)、公用設施而言，C H P的技術性增量約為1 3 0 G W，9 5%的項目規(guī)模小于1 0 0 MW。其中5 0%為工業(yè)應用，5 0%為商業(yè)和公用設施應用。

在技術應用方面，美國分布式供能約5 0%采用燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)，3 4%采用鍋爐直接燃燒配合蒸汽輪機發(fā)電，1 3%直接采用燃氣輪機燃燒，僅3%采用內(nèi)燃機等往復式發(fā)動機（圖6）。

美國典型分布式供能系統(tǒng)——加州爾灣制藥廠（圖7）。采用兩臺美國索拉公司半人馬 4 0（3.5～4.6 MW）燃氣輪機。余熱鍋爐配有管道補燃器。飽和蒸汽壓力6 8 2 k P a，蒸汽流量8 1 6 5～1 8 1 4 4 k g/h r，系統(tǒng)效率7 2%。

圖6 美國熱電聯(lián)產(chǎn)采用的技術（根據(jù)裝機容量）

圖7 美國加州尓灣制藥廠CHP

（3）德國

德國2 0 1 0年分布式供能系統(tǒng)的總裝機容量為2 3.2 G W，C H P發(fā)電量占德國總發(fā)電量的1 5.4%，預計2 0 2 0年德國C H P的發(fā)電量將達到2 5%。在所有C H P項目中，工業(yè)C H P項目約占4 3.1%。

德國C H P項目所使用的燃料較為廣泛。以發(fā)電和供熱為目標的C H P項目主要采用煤為燃料；工業(yè)用C H P天然氣使用比例最高，為4 1%，其次為生物質(zhì)3 4%，煤2 5%；小型戶用C H P燃料主要以生物質(zhì)為主，占比7 3%，其余為天然氣和油（圖8）。

圖8 德國CHP使用的燃料占比

德國國內(nèi)在C H P方面的激勵政策法規(guī)主要有2 0 1 2C H P法規(guī)、生態(tài)環(huán)境稅收法、再生能源法、再生熱能法、建筑節(jié)能規(guī)范、歐盟排放貿(mào)易法規(guī)等。2 0 1 2年德國政府又在2 0 0 9版的基礎上補充完善了新的C H P激勵法規(guī),主要是為了滿足2 0 2 0年的目標,進一步在法律層面加大支持。法規(guī)進一步優(yōu)化提高了C H P電價的激勵費用；進一步明確了C H P電力和熱力優(yōu)先進網(wǎng)的措施；進一步提高了熱管網(wǎng)建設的補貼費用；首次增加了熱能貯備方面的補貼費用。在這些政策激勵下，德國的分布式供能得到快速發(fā)展。

圖9 德國奔馳汽車工廠CHP

德國典型分布式供能系統(tǒng)——奔馳汽車工廠C H P（圖9）。奔馳汽車工廠燃氣輪機C H P電站采用德國MT U o n s i t ee n e r g y公司的燃氣輪機，電力輸出為3 0 MW，熱力輸出為4 2 MW。廢氣鍋爐產(chǎn)生蒸氣1 0 0 t/h，高壓用于發(fā)電，低壓用于生產(chǎn)?？偼顿Y約3 0 0 0萬歐元，包括1 0萬h的維護保養(yǎng)，每年計劃運行8 0 0 0 h，電站的噪音<8 0 d b。

3 國外CHP與我國分布式供能系統(tǒng)的異同

國外C H P與我國分布式供能的基本概念相同，即以熱定電、熱電聯(lián)產(chǎn)、梯級利用，能源綜合利用率最大化，不低于7 0%。分布式供能系統(tǒng)的選址與用戶緊臨。產(chǎn)生的熱和電就地消費、能源輸送損失最小化。

但是與國內(nèi)相比，國外C H P起步較早，發(fā)展歷史較長。從日本、美國和德國的情況來看，分布式供能系統(tǒng)的發(fā)電量已經(jīng)接近或超過國內(nèi)總發(fā)電量的1 0%。德國更提出了2 0 2 0年實現(xiàn)占比達到2 5%的目標。而我國分布式供能起步較晚，目前裝機容量不足總裝機容量的1%。國外對C H P的內(nèi)涵更加廣泛，包括了燃煤機組熱電聯(lián)產(chǎn)、燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)，國內(nèi)分布式供能主要指燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)。國外的C H P包含1 0 0 MW以上的機組，而國內(nèi)目前分布式供能指1 0 MW以下的機組。

目前國外工業(yè)領域C H P的發(fā)展較為成熟，廣泛應用于化工、鋼鐵、食品、大型制造業(yè)等領域。美國、日本、澳大利亞等國工業(yè)C H P的裝機容量超過分布式供能總裝機容量的8 0%。由于工業(yè)C H P的年運行時間較長，容量較大，因此投資回收期短，經(jīng)濟效益較好。我國工業(yè)領域的分布式供能尚未形成規(guī)模，長期以來主要以小型燃煤鍋爐，少量燃氣和燃油鍋爐生產(chǎn)供熱，能耗較高，污染問題十分嚴重。

4 上海市工業(yè)領域發(fā)展分布式供能面臨的機遇

目前國家對節(jié)能減排的政策支持和行政強制措施力度不斷加大，為天然氣分布式供能的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。另一方面上海市目前已經(jīng)形成了較穩(wěn)定的天然氣氣源，并且制定和完善了天然氣定價規(guī)則，加大了分布式供能系統(tǒng)的用氣和設備購置補貼，為本市實施分布式供能系統(tǒng)的建設提供了保障。

上海市對于分布式能源的需求強烈。根據(jù)2 0 0 9年熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃研究課題估計，上海市有集中供熱2 0 0 0 MW的需求，但目前尚不足8 0 0 Mw。另外，上海市尚有2 0 0 0多臺分散燃煤鍋爐，年消耗煤炭量3 0 0多萬t。這些鍋爐將于2 0 1 5年前完成清潔能源改造或者調(diào)整關停。燃煤集中供熱將于2 0 1 7年前完成清潔能源改造。

政策條件和市場需求顯示，上海市發(fā)展燃氣分布式供能的潛力巨大。

5 上海市工業(yè)領域發(fā)展分布式供能的建議

分布式供能熱電聯(lián)產(chǎn)，系統(tǒng)能源利用效率高，在供熱的同時生產(chǎn)電力，比燃氣鍋爐的經(jīng)濟效益好，但是投資較大，并不適用于所有的工業(yè)企業(yè)。

按照環(huán)境效益和企業(yè)經(jīng)濟效益相統(tǒng)一的觀點看：容量較小且斷續(xù)供熱的用戶，可以考慮使用電鍋爐；容量較大且斷續(xù)供熱的用戶，可以考慮使用燃氣鍋爐；容量較大且連續(xù)供熱的用戶，適宜使用燃氣分布式供能。具體來說，滿足以下條件的企業(yè)才能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能和經(jīng)濟效益“雙贏”：

（1）企業(yè)不違背本市產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向的；

（2）年供熱超過4 0 0 0 h（一般為二班制或三班制），熱負荷平穩(wěn)連續(xù)的；

（3）具備燃氣和電網(wǎng)接入條件的；

（4）廠區(qū)內(nèi)具有安裝場地的。

為了加快推進上海市工業(yè)領域分布式供能的發(fā)展，建議在2 0 1 5年前，選擇5 0家企業(yè)，示范建設分布式供能。估計容量可達2 5 0 MW左右，每年可壓減燃煤量約1 0 0萬t，改建為分布式供能后的年節(jié)能量超過2 0萬t標準煤，減排C O 2約4 5萬t。總投資約2 5億元，投資內(nèi)部回報率可以達到8.5%。只要做好前期的相關工作，實施分布式供能的企業(yè)就可能既降低能耗，又提高經(jīng)濟效益。

6 總結

分布式供能技術能源效率高，減排效果顯著，經(jīng)濟效益好。發(fā)展分布式供能技術是實現(xiàn)我國工業(yè)領域節(jié)能減排的重要途徑之一。國外工業(yè)領域的分布式供能技術發(fā)展較成熟，取得了良好的節(jié)能效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，對于我國發(fā)展工業(yè)分布式供能技術提供了良好的借鑒意義。上海市具有良好政策條件和市場條件，燃氣分布式供能系統(tǒng)發(fā)展?jié)摿薮?。但是以往的?jīng)驗發(fā)現(xiàn)盲目上馬分布式供能項目非但不能節(jié)能反而造成資源和資金浪費。本文建議能源需求量大，連續(xù)供熱超過4 0 0 0 h/a，熱負荷平穩(wěn)并具備燃氣電網(wǎng)接入條件的工業(yè)企業(yè)實施燃氣分布式供能項目。建議在2 0 1 5年前，選擇5 0家具有代表性的企業(yè)，建設分布式供能示范工程，促進上海市推廣和應用工業(yè)分布式供能系統(tǒng)。