天然氣冷熱電聯產系統的應用與發展

朱建文，石琳

(中海石油氣電集團有限責任公司貿易分公司，北京 100027)

0 引言

在國家經濟不斷發展、人民生活水平不斷提高的情況下，創建資源節約型、環境友好型社會愈加重要。控制能源消費總量，加強節能降耗，調整能源結構，支持低碳產業發展逐漸成為人們關注的熱點。天然氣冷熱電聯產是改善能源結構、降低環境污染的有效手段，但如何進一步發展天然氣市場，促進天然氣的高效合理利用仍需進一步研究。

1 我國能源消費結構現狀

1.1 能源消費總量大

2013年我國能源消費總量世界第一，達37.5億t標準煤(以下簡稱標煤)，約為全世界能源消費總量的1/5，與2001年相比，年均增速約7.9%。我國GDP年均增長率按7.5%、消費彈性系數按0.76計算，一次能源消費增長速度為5.7%。這就意味著到2030年我國一次能源消費總量將達到96億t標煤，超過了目前全世界一次能源消費總量的一半，遠超世界能源資源供應能力。即使未來我國能源需求增長減慢，按照英國石油公司(BP)發布的《2030年全球能源展望》的估測，到2030年，我國的能源消費需求增長也將占全球需求增長的43%。中國能源消費對世界能源安全供應的影響將會與日俱增。

1.2 二氧化碳與污染物過量排放

在我國一次能源消費結構比例中，煤炭占66%，石油占18%，而最清潔的天然氣僅占6%。由于煤炭所占比重過高，導致我國碳排放量占全球碳排放總量的1/4，毫無疑問地成為最大的碳排放國家之一。除二氧化碳排放外，煤炭、燃料油等燃燒產生大量的硫氧化物、氮氧化物以及大量固體顆粒物，導致近年來我國頻現酸雨和霧霾天氣。調整能源消費結構和控制污染已成為當前面臨的急迫問題。

1.3 石油對外依存度過高

自1993年首次出現石油凈進口開始，我國石油對外依存度一路攀升至2013年的58.1%，已超過50%的國際警戒線。石油作為戰略性能源，對外依存度過高已將我國置于越來越大的能源運輸安全和國際價格波動風險之下。而增加天然氣替代油品供應，是實現能源多元化、降低能源風險的有效手段。

2 推動天然氣發電改善能源結構的可行性

為減少碳排放、調整能源結構，最理想的選擇是用可再生能源替代對煤炭的需求。目前，太陽能、風能等可再生能源的利用均處于起步階段，短期內難以滿足我國快速增長的能源需求。用天然氣發電部分替代煤炭發電，則是我國目前的現實選擇。

在污染物排放方面, 煤炭發電污染物排放為0.755 9(t碳/t標煤)、石油發電污染物排放為0.618 5(t碳/t標煤)，天然氣發電污染物排放僅為0.448 3(t碳/t標煤) 。對于天然氣發電，不僅碳排放系數最低，而且基本不產生汞、鉛等有毒物質，也不會產生氮氧化物、二氧化硫和煙塵等常見大氣污染物，是最清潔、儲量最豐富的化石能源。

天然氣用于發電是天然氣高效利用的方式之一。推廣天然氣發電，促進天然氣對煤炭的替代，可以在保證電力供應的前提下有效減少煤炭消費，迅速改善我國能源消費結構，對減少碳排放、緩解大氣污染、提高人民生活質量具有重要意義。2012年，我國發電用氣占天然氣消費總量的17.6%，天然氣發電在我國天然氣消費中的重要性正在與日俱增。但天然氣發電上網電價機制尚未理順，這對天然氣發電進一步發展會受到消極影響。為改善天然氣發電的經濟性，天然氣冷熱電三聯供(CCHP)系統應運而生。CCHP系統不僅能源利用率高，而且能實現天然氣發電的經濟性目標。

3 天然氣CCHP系統的發展概況

天然氣CCHP系統是指以天然氣為主要燃料帶動燃氣輪機、微燃機或內燃機發電機等燃氣發電設備運行產生的電力供應用戶，系統發電后排出的余熱通過余熱回收利用設備(余熱鍋爐或者余熱直燃機等)向用戶供熱和供冷。天然氣CCHP系統實現了能源的階梯級利用，綜合能效可達90%以上。天然氣CCHP系統可以提供并網電力作為能源互補，將成本分攤至供熱、供冷和供電3個部分，減輕運營成本負擔。因此與一般的天然氣發電相比，天然氣CCHP系統具有更高的能源利用效率和更好的經濟性能。

天然氣CCHP系統既可以獨立建設為小范圍電網難以到達的區域供電，又可以與電網相互支撐；既可以就近用戶建設，又可以在就近資源地建設，實施靈活，便于能源利用和能源供應。與以風能、太陽能為代表的分布式可再生能源相比，天然氣CCHP系統具有技術成熟、供能穩定、投資效益好的顯著優勢。

天然氣CCHP系統在國外已有較好的發展，歐盟諸國2010年熱電聯產比例已占總發電量比例的18%；截至2010年3月，日本已有聯供項目8 444個；美國于2012年11月簽署總執行令，要求到2020年新增分布式能源裝機40 GW，超過現有裝機容量的50%。

對于我國來說，大力發展天然氣冷熱電聯產不僅有利于進一步擴大天然氣利用范圍，實現能源結構調整，減少環境污染，還有利于滿足不斷增加的發電需求，緩解天然氣管網調峰壓力，也是解決南方冬季供暖、改善民生的重要手段。我國已提出要加快建設天然氣分布式能源系統,統籌天然氣和電力調峰需求，為合理選擇天然氣分布式能源利用方式，實現天然氣和電力優化互濟利用，天然氣CCHP系統具有如下作用。

(1)促進天然氣利用，實現能源結構調整。為實現國家發展和改革委員會能源局發布的《天然氣發展“十二五”規劃》提出天然氣消費量2015年達到2 300億m3的目標，積極推進天然氣發電，逐步替代效率利用低、碳排放量高的傳統能源項目，實現節能減排，因此，需要進一步提高天然氣市場規模。在我國目前天然氣市場尚未發育成熟的情況下，天然氣CCHP系統用氣量大、用量穩定，可作為啟動和支撐天然氣市場的重要用戶類型，有利于供氣項目的正常生產。

(2)滿足電力需求。天然氣CCHP系統有利于增加電力供應。根據國務院頒布的國發 〔2013〕 2號文《能源發展“十二五”規劃》的要求，2015年我國全社會用電量將達61.5 MW·h，2020年全社會用電量有可能達到80.0～88.1 MW·h 。在煤電裝機增長基本停滯的情況下，為在控制環境污染的前提下彌補發電需求缺口，一方面，我國需繼續發展水電、核電、風電、太陽能等非化石能源發電裝機，另一方面，由于燃氣電廠尤其是天然氣CCHP系統具有建設周期短、能源利用效率高的特點，快速發展燃氣裝機是解決近期發電需求的有效方法。

(3)適宜解決南方供暖問題。隨著生活水平提高，我國南方的供暖需求日益強烈。由于低溫時間較短、城市布局分散、建筑標準不同，南方并不適合北方的大規模集中供暖方式。天然氣CCHP系統可作為我國南方供暖的有效方案。首先，天然氣CCHP系統具有較好的靈活性，適合南方城市“整體分散，小范圍集中”的發展格局。與大范圍集中供暖相比，天然氣CCHP系統可以減少管道等相關設備的投入，降低投資和運營成本。其次，天然氣CCHP系統通過對能源及其產品的循環利用，經濟性強，環保效果好，在滿足供暖需求、提高人民生活水平的同時實現環境保護和能源低碳化。

(4)有效緩解天然氣管網調峰壓力。天然氣CCHP系統不僅對天然氣需求相對穩定，而且自身具有一定的天然氣儲存能力。天然氣CCHP系統往往附帶有小儲罐或液化天然氣(LNG)衛星站，可以對一定區域內的天然氣需求進行儲備和調峰，可有效緩解天然氣大管網的安全供應壓力。一個地區的多個天然氣CCHP系統還可以相互呼應，建立起更為完整的多氣源互補的安全供應網絡。此外，南方推廣天然氣CCHP系統可以有效增加冬季用氣量，減少季節性用氣峰谷差，實現平穩用氣，降低調峰壓力，有利于天然氣市場的進一步發展。

(5)有利于能源安全供應。天然氣CCHP系統的發展有利于推動我國能源消費的多元化發展，提高我國能源安全保障。發展天然氣CCHP系統，在擴大天然氣消費的同時，也替代了包括石油在內的其他化石燃料。相對于石油的儲量，天然氣儲量要豐富得多，據英國石油公司預測，截至2011年年底，世界石油探明儲量能夠滿足現行需求54年，而全球天然氣探明儲量超過2×109m3，足以供消費60年以上，隨著非常規天然氣的進一步發展，這一時限還會進一步延長。從長遠來看，天然氣資源的供應是有保障的。

(6)減少污染排放。目前我國燃燒的煤炭量幾乎是世界其他國家的總和，煤炭在生產、運輸和存放過程中，會對鄰近的地下水和空氣產生污染，在燃燒過程中產生二氧化硫和二氧化氮，這些有毒、有害物質的粉塵排放到大氣中會形成酸霧和酸雨，也是霧霾天氣的元兇之一。與燃煤發電相比，天然氣CCHP系統能源利用效率高，污染物排放種類和排放量少，環保效益非常明顯。

4 積極落實天然氣冷熱電三聯供的配套政策

天然氣CCHP系統雖然具有諸多優勢，但由于天然氣CCHP系統在發展過程中仍需要相應的法律依據、資源保障和基礎設施支持，因此，其快速發展仍需要政府部門的大力支持，需要出臺相應的配套政策為天然氣CCHP系統的發展提供政策支持。

美國聯邦政府于1978年頒布的《公共事業管制政策法案》，允許公用設施單獨購電，推動了天然氣CCHP系統的大力發展。1980—1995年，全美國天然氣CCHP系統裝機從12.0 GW迅速增長到45.0 GW，平均每年新增裝機2.2 GW。20世紀90年代中期，由于美國電力行業引入自由市場的概念，激烈的市場競爭和不穩定的電力市場一度阻礙了天然氣CCHP系統的發展。鑒于發展天然氣CCHP系統的重要性，美國聯邦政府再次采取系列措施來促進其發展。1998年，美國能源部、環境保護協會以及熱電聯產協會共同制訂了“CHP挑戰計劃”；2001年，美國能源部和環保署聯合發布了《國家CHP規劃》。2001年，美國成立了國家能源政策發展協會，通過免稅鼓勵增加清潔高效的天然氣CCHP項目。截至2004年，美國的天然氣CCHP系統裝機容量總數已達80 GW，其中工業天然氣CCHP系統1 189個，共裝機65 621 MW；商用天然氣CCHP系統1 540個，共裝機9 024 MW。此外，在麻省理工學院、普林斯頓大學、馬里蘭大學等許多大學校園內建設了多個天然氣CCHP系統示范基地。根據美國電力研究院預計，美國新增發電設備中將有20%～40%選擇分布式能源(DES)發電系統，其中絕大多數為天然氣CCHP系統。

歐盟也制定了多項法規，直接或間接地推動了天然氣CCHP系統的發展(如聯產指南，排放權交易制度，新電力、燃氣指南，建筑性能與能源生產稅制指南等)。1997年，天然氣CCHP系統在歐盟國家的電力生產中所占比重為9%，2010年所占比重已達到18%。目前，在匈牙利、丹麥、芬蘭、荷蘭等國家，天然氣CCHP系統得到了廣泛應用，尤其在丹麥及荷蘭，40%以上的電力來自天然氣CCHP系統。這些國家除了在能源政策上大力支持天然氣CCHP系統發展之外，還提供能源指導和數據分析，并實施獎勵措施(例如相對增加上網電價、獎勵投資等)。

日本由于缺乏資源，在天然氣CCHP項目上給予了極大的重視，天然氣CCHP系統在日本發展十分迅速，且在民用、商業、工業和國防等領域均有廣泛應用。1995年，日本對電力法規進行了修改，允許私人自行發電且可以向公共電網或第三方售電，這打破了之前10家電力公司分轄區壟斷日本電力供應的局面，迫使其對電價進行調整，以適應具有自行發電能力的電力用戶。1997年，日本制定了“新能源推廣特別措施法(新能源法)”，建立了鼓勵新能源和新型燃料利用(包括天然氣CCHP系統)的法律框架。同時，日本政府通過特別稅收、低息貸款、投資補助等政策推動天然氣CCHP系統的發展，電力市場改革和環境保護因素也都在一定程度上持續起到促進作用。日本由于自身資源、地域等因素的制約，其天然氣CCHP系統規模主要以中小型為主，在商場、醫院和寫字樓等冷熱負荷變化比較平穩的場所得到較為廣泛的應用。據日本高級熱電與能源利用中心(ACEUC)統計，截至2010年，日本已經有2 125個工業天然氣CCHP系統，共裝機7 473 MW；6 317個商用天然氣CCHP系統，共裝機1 967 MW。

我國的天然氣CCHP系統的快速發展還面臨著不少法規、政策上的障礙。首先是相關法規和機制并不適合天然氣CCHP系統的發展。例如，《電力法》中規定“一個供電營業區內只設立一個供電營業機構”，這就基本上排除了天然氣CCHP系統發電上網銷售的可能性，從而極大地影響了天然氣CCHP項目的經濟性。雖然國家發展和改革委員會、財政部、住房城鄉建設部共同發布了《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》，國家各部委還應聯合出臺《分布式電源上網管理辦法》《分布式電源上網意見》等一批配套支持政策，以破解法規障礙。目前，配套支持性政策遲遲未能出臺，直接影響了我國天然氣CCHP系統的發展。此外天然氣CCHP系統作為供電側，還存在如何計算上網電費，如何繳納相關稅費，如何定義天然氣CCHP系統作為自備電源或自備電廠等系列相關問題。由于體制改革不可能一蹴而就，發展天然氣CCHP項目，需要協調分布式能源規劃、電網規劃以及城市發展規劃，協調政府部門、電網企業和天然氣CCHP項目之間關系，并在體制、審批程序上給予相應支持。 天然氣CCHP系統的發展目前缺乏相應的激勵政策，我國天然氣CCHP系統處于起步階段，與單純的燃煤發電項目相比，單位建設成本和運行成本均較高，復雜的審批程序也抬高了項目成本。而目前天然氣上網電價系統既未考慮天然氣CCHP系統在用電高峰時的調峰作用，也未考慮其減排效益，天然氣CCHP項目僅能依靠自身的盈利能力進行維持，缺乏相應的地方財稅政策和金融政策的支持。天然氣CCHP系統的投資主體能力有限，相對于小型項目而言，大型天然氣CCHP無論在經濟性，還是在能效、減排等方面都更具優勢，也更適應我國目前城鎮化的發展趨勢。但大型天然氣CCHP項目投資額也相對較大，在法規和激勵政策不完善的情況下，如果缺乏扶持和指導，一般投資者很難進入。天然氣CCHP系統的資源供應缺乏保障，天然氣CCHP系統的發展還需要落實可靠的天然氣資源。在各地城市燃氣基本壟斷的格局下，天然氣CCHP系統難以得到天然氣長期供應保障。天然氣CCHP設施一旦斷氣，不但影響其經濟效益，更會對區域內民生造成負面影響。在國家能源局舉辦的分布式能源研討會上也有領導和專家指出，發展分布式能源應在經濟發達、天然氣資源有保證的大中城市先行試點，這也從側面反映出了穩定的資源供應對發展天然氣CCHP系統的重要性。為此，作者提出如下建議：

(1)完善法規標準。為使天然氣CCHP系統健康有序發展，應加快對相關法律進行修訂，盡快出臺與《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》相適應的配套法規，厘清天然氣CCHP項目的法律定位，并制定相關技術標準和規范，支持天然氣CCHP 系統的發展。

(2)出臺配套政策?？蓞⒖济绹?、日本及歐洲諸國為推動天然氣CCHP快速發展所進行的政策支持，盡快出臺鼓勵性財稅政策，將發展天然氣CCHP系統納入城市發展規劃，尤其是在區域發展規劃中，依據當地情況，出臺投資補助、氣價補貼辦法和土地政策等方面的配套措施，必要時可打破既有格局的制約，理順供氣企業、電網公司、城建公司、用戶及地方政府的利益關系。

(3)以國有企業為主導，發展大型天然氣CCHP項目。天然氣CCHP項目同時涉及所在區域的供冷、供熱和供電，影響范圍較大。如果運營企業沒有穩定可靠的天然氣氣源，當天然氣出現季節性供應緊張或突然中斷時，難以保障系統的穩定運營。對大型天然氣CCHP項目而言，既需要穩定的天然氣資源，也需要和電網建立穩定的長期關系。在目前供氣、發電格局下，以國有電網公司和國有石油天然氣公司為主導，有利于保障項目的安全穩定運營。

(4)與LNG接收站發展相結合。我國目前在東南沿海地區，已有多個LNG接收站正在運營，并有多個接收站在建，進口LNG已是東南沿海重要的天然氣資源來源。目前進口LNG已實現供應多元化，在冬季用氣高峰季節，可以起到與進口管道氣相互彌補的作用，可成為天然氣CCHP項目穩定的天然氣源。此外LNG經過脫硫處理，比管道氣更為潔凈、高效。利用LNG發展天然氣CCHP項目，將LNG的清潔環保優勢直接帶進社區，造福當地群眾，既是LNG的最好的用途，也有利于清潔能源的高效利用。

5 結論

發展天然氣冷熱電聯產，對于推動我國天然氣市場發展、滿足電力需求、緩解天然氣應急調峰難題、實現南方地區供暖、減少環境污染以及實現我國能源安全穩定供應等具有重要意義，有助于緩解我國目前所面臨的能源需求高、污染嚴重、石油對外依存度高等難題。目前我國有關天然氣冷熱電聯產的法律定位不清、缺乏相關標準、規范和配套政策支持等問題，制約了天然氣CCHP系統的快速發展。建議政府及時出臺促進天然氣CCHP的系統發展的相關配套政策，以國有企業為主導發展大型天然氣CCHP項目，并將引進LNG與發展天然氣CCHP系統相結合，通過多種手段推動天然氣CCHP系統的快速發展。

參考文獻：

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