基于區域能源場景的燃氣分布式供能系統減排實績分析

潘軍松

上海申能能源服務有限公司

0 前言

天然氣作為低碳、高效、安全的清潔能源是促進經濟增長、社會和環境可持續發展的重要物質基礎，在低碳經濟時代，燃氣分布式供能作為最高效的天然氣利用，在上海得到了快速發展。2020 年9 月，國家提出了“3060”雙碳目標，力爭CO2排放在2030 年前達到峰值，2060 年前實現碳中和。從碳減排國際經驗來看，天然氣將是我國碳中和行動中長期與零碳能源相伴的低碳能源。碳達峰階段天然氣的主要作用是減污降碳，碳中和階段是與可再生能源深度融合，成為可再生能源的有益補充，因此在今后較長時期內，天然氣分布式發電仍具有較大的發展空間。

本文基于區域能源中心燃氣分布式供能年度運行實績，分析其與傳統能源相比節能減排效果，實證天然氣分布式能源在城市能源領域應用推廣的重要作用，并對運行優化和控制指標提出了建議。

1 區域能源概況

1)能源中心概況

某能源中心設計供冷140 MW，供熱102 MW，采用分布式供能與傳統供能相結合的方式，由8 套發電能力為1.4 MW 的分布式供能系統為基本負荷設備，同時配置離心制冷機和鍋爐、12 000 m3的大型蓄冷水槽作調峰運行。目前該能源中心已連續運行8 年，在實現節能減排的同時提高了能源中心供能的可靠性、安全性和經濟性。圖1 為分布式供能系統圖。

圖1 分布式供能系統圖

2) 運行模式

為提高分布式供能的節能性和經濟性，余熱運行始終采用制熱優先的模式。各個時段的運行模式如下：

冬季熱負荷需求大于分布式系統制熱能力時，分布式系統制熱模式優先，燃氣鍋爐調節需求缺口，冷需求由離心機提供。

夏季冷負荷需求大于分布式系統制冷能力時，分布式系統制熱模式優先，多余部分投入制冷模式（通過臺數調節），并使用離心機協同供能。

過渡季為用能低谷時段，分布式系統供熱模式優先，多余制冷，不足部分由鍋爐和離心制冷機提供。

3)年度運行

全年能源中心產冷量147 765 MWh，產熱量895 68 MWh，外購氣 量2 002 萬m3，外 購電 量22 230 MWh，分布式系統上網電量31 733 MWh，凈購電量-4 973 MWh，其中，分布式供能系統全年用氣量153 萬m3，發電量5 983 MWh,上網電量31 733 MWh，自用電量18 909 MWh（含系統自耗，電制冷及其他站內用電）；分布式系統余熱制熱量32 445 MWh，制冷量21 548 MWh。

分布式系統分月運行數據見表1。

表1 分布式系統分月運行數據

2 運行實績分析

1)運行效率分析

系統年度機組運行發電效率為39.7%，熱效率42.3%，總效率81.9%，自耗電率9.68%，年度熱電比1.07。供熱模式運行總效率明顯高于制冷模式，5月到10月總效率平均為79.2%，11月到次年4月84.3%。

自用電率與產冷占比呈明顯相關性：5 月到10月主要為制冷模式，產冷量占比高（平均77.3%），自耗電率也高，平均16.4%；11月到次年4月主要為供熱模式，平均產熱率95.3%，自耗電率6.2%。制冷模式自耗率高的主要原因是在制冷工況下系統輔機耗電量也高，相比制熱模式增加了冷卻風機和水泵。

機組總效率只能體現機組運行的性能，并不能反映系統的真實有效輸出，因此引入了輸出效率的概念。輸出效率為扣除自耗電后冷、熱、電有效輸出占總輸入能量的百分比。項目年度平均為78.14%，其中5-10 月為72.9%，11 月到次年4 月81.9%，明顯地體現了制冷模式和制熱模式的效率差異。分布式系統分月輸出效率見表2。

表2 分布式系統分月輸出效率

2)系統節能分析

對分布式系統而言，輸入的能源為天然氣，輸出有冷、熱量和電力，系統發電有效輸出為上網電量和用于站內電制冷及其他電量，冷、熱量僅計算聯供余熱系統產生的轉換量。將有效電、熱、冷量產出按現行的能源折標系數計算總的替代能耗，節能量計算公式為：

節能量標煤=有效產出的替代能耗折算標煤-天然氣折標煤

節能率=節能量/有效產出的替代能耗折算標煤

余熱系統產熱量按燃氣鍋爐93%的效率折算為天然氣耗量，輸出冷量按電制冷COP 的5 折折算成電耗量，天然氣熱值取34 MJ/Nm3（上海實際計量數據：20 ℃時1 個標準大氣壓下的參數），折標系數取11.6 tce/萬m3，電力折標系數取2.8 tce/萬kWh。

分布式系統分月度節能量分析見表3。

表3 分布式系統分月度節能量分析（tce）

從表2、3 可知，該分布式系統全年產熱約為余熱量的60%，自耗電量占發電量的9.68%，年度節能量為2 622 tce，節能率14.3%。

從數據分析可看出,制熱模式主導時段（11 月到次年4月），節能率平均為20.8%，全供熱模式（產熱比100%）節能率超過27%，但在制冷模式主導時段（6月-10月），平均產熱比15%，節能率負值。

制冷模式下雖采用了高效離心制冷機制冷，但由于近年來電廠發電效率的提高及可再生能源的增加，電力折標系數和余熱制冷替代折標量大幅下降，此外分布式制冷增加了冷卻系統，自耗電增加，使有效輸出進一步降低，出現了不節能的現象。

3)CO2減排分析

在分布式系統中，實際排放量是天然氣燃燒做功后的排放，生產輸出的有效冷、熱、電量均按替代排放量計算（即為獲得等量的電、熱、冷的隱含排放量），系統減排量即為隱含排放量與實際排放量之差。

減排量=有效冷熱電的替代排放量-天然氣的排放量

減排率=減排量/有效冷熱電的替代排放量

有效冷、熱量僅計算分布式系統中余熱產生的轉換量，其中制冷量折算成電制冷的電量，有效電量為上網電量加上除自耗電以外的自用電（即上網電量與用于電制冷和其他用電量之和）。

參考《中國建筑節能年度發展研究報告——公共建筑運行階段碳減排核算方法》【1】（天然氣1.65 tCO2/tce、熱值34 MJ/Nm3），天然氣的排放因子取19.14 tCO2/萬Nm3。

熱量排放因子按燃氣鍋爐消耗的等量天然氣排放計算，鍋爐效率取93%，單位熱量排放計算為：19.14 t/（34×10×0.93）GJ=0.06 t/GJ。

電力排放因子逐年變化，因各地區電網情況不同。根據生態環境部《關于做好2023-2025年發電行業企業溫室氣體排放報告管理有關工作的通知》【2】，2022年度全國電網平均排放因子為0.570 3 tCO2/MWh。

2022年上海市生態環境局下發了《關于調整本市溫室氣體排放核算指南相關排放因子數值的通知》【3】，確定電力排放因子為0.42 tCO2/MWh、熱力0.06 tCO2/GJ，熱力排放因子的取值與天然氣鍋爐供熱折算值一致。本文分別按全國電網平均排放因子0.570 3 tCO2/MWh 和上海電力排放因子0.42 tCO2/MWh 計算CO2排放量，見表4 和表5。

表4 CO2減排分析——基于全國電力排放因子

表5 CO2減排分析——基于上海電力排放因子

按全國電力排放因子計算，有效產出替換量為35 550 t，年度減排量9 672 t，減排率27.2%；按上海電力排放因子計算，有效產出替換量28 033 t，年度減排量2 156 t,全年分布式系統排放量25 877 t，減排率7.7%。

年度數據分析表明，分布式系統減排效果明顯。由于各地電網情況不一樣，以下分析僅基于上海電力因子排放值。

同節能量分析一樣，按上海電力排放因子計算，夏季（5-10 月）出現了不減排現象，主要是夏季模式下余熱用于制冷，制冷的等效排放量也是折算成電力計算，因此在系統中的有效產出主要替代量實質上是替代等量電力的排放。

上海電網的電力相當一部分來源是煤電，其排放不僅僅只有CO2，還有SO2、煙塵等，因此即使在制冷模式下，分布式系統仍具有煤電無法比擬的環保性。系統節能減排主要參數匯總見表6。

表6 系統節能減排主要參數匯總

3 系統運行優化

對分布式系統而言，自耗電、余熱供熱占比是影響系統效率和減排率的重要因素。表7針對不同的自耗電、余熱供熱占比進行了計算,顯示其變動對節能減排的影響。

表7 自耗電、供熱占比與減排的關系

通過對不同自耗電和供熱占比的計算，可知在供熱占比50%以上、自耗電10%以下時，節能率和減排率為最優。供熱占比每提高1%，CO2減排量增加72 t，減排率提升0.28%；自耗電每降低1%，CO2減排量增加212 t，減排率提升0.82%,此外供熱占比的提高減少了制冷運行時間和制冷量，降低了自耗電比例，節能減排成效更加顯著。

因此優化運行主要要提高供熱占比，措施包括小時負荷轉移、跨季節負荷轉移和負荷站外轉移。

1)小時負荷轉移

通過對全站運行數據分析，發現供熱季仍有部分余熱用于制冷，制冷季燃氣鍋爐有時也運行，如將這兩部分熱量轉為余熱制熱供應，全年可增加供熱4 050 MWh，提高余熱占比7.5%,按制冷轉供熱自耗電減少10%計算，可減少自耗電370 MWh,全年減少自耗電率0.75%，綜合計算全年可增加減排量約700 tCO2，減排率提升2.7%。這部分供熱比的提升主要是在小時負荷運行層面的優化，可以在系統中合理引入儲熱系統，實現小時負荷的轉移和調節。

2)跨季節和站外熱負荷轉移

制冷季由于熱負荷總體需求較小，絕大部分余熱用于制冷，故需研究跨季節的儲熱設施或將余熱通過移動儲熱設施轉移至周邊需要供熱的客戶。

3)自耗電率管理

日常運行中進一步優化輔機系統，如對輔機系統進行變頻改造等，以降低自耗電率。

4)節能減排目標控制

為簡便日常運行管理，可以設定減排率目標。根據不同季節、不同時段的運行特性，繪制過渡季、制冷季、供熱季、月度、日運行的控制基準曲線，通過監控和調節達到減排目標。圖2 是控制目標為減排10%的控制圖，運行線右下方為運行達標區，表明可以減排10%以上，運行線左上方則是不達標區。

圖2 減排目標控制圖

4 總結和展望

上述分析表明，即使在普遍使用清潔能源的城市，天然氣分布式供能仍具有顯著的節能減排優勢。本文所分析的系統在大型區域供能場景中的應用，年度運行節能率超過14%，基于上海電力超低排放因子仍有7.7%的CO2減排率，優化運行后減排率有望超10%，全供熱模式下可達18%以上。由此可見，天然氣分布式供能在城市建筑領域中仍將有較大的發展空間，在實現“雙碳”目標進程中發揮積極作用。