發(fā)展天然氣分布式能源優(yōu)化山東電力能源結構的思考

郝龍俊

（國網(wǎng)能源開發(fā)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(chǎn)以及在此基礎上建立了熱電冷三聯(lián)供能源綜合利用系統(tǒng)，通常認為，單機容量不超過50 MW。與傳統(tǒng)集中的大電源、大電網(wǎng)相比，天然氣分布式能源具有配置靈活、清潔高效、可靠穩(wěn)定等優(yōu)勢，近些年隨著對環(huán)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(fā)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(fā)展小型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并一直努力發(fā)展?jié)崈?、高效、可靠，用戶能夠負擔的分布式能源。根?jù)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(wǎng)連接，部分分布式能源在電網(wǎng)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(jié)能工作，對節(jié)能系統(tǒng)的研究也十分深入，其中以天然氣分布式能源系統(tǒng)發(fā)展最快，應用領域最為廣泛。2000年，日本全國共有熱電冷三聯(lián)供項目1 413個，總裝機容量2 212 MW，其中工業(yè)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(fā)展。

我國天然氣分布式能源的發(fā)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(jù)2011年國家能源局聯(lián)合四部委發(fā)布的《關于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見》（發(fā)改能源［2011］2196 號），“十二五”期間，我國將大力發(fā)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(guī)劃到2020年，總裝機容量達到5 000萬kW，初步實現(xiàn)分布式能源裝備的產(chǎn)業(yè)化。

天然氣分布式能源系統(tǒng)由前端的發(fā)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(chǎn)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(xiàn)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(fā)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(tǒng)主要設備形式如圖1所示。

圖1 天然氣分布式能源系統(tǒng)主要設備形式

采用不同發(fā)電裝置的天然氣分布式能源系統(tǒng)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(tǒng)，燃氣內燃機更適用于小型的天然氣分布式能源系統(tǒng)，采用微型燃氣輪機和燃料電池的天然氣分布式能源系統(tǒng)剛剛投入商業(yè)運行不久，其具有結構緊湊、循環(huán)效率高等優(yōu)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(tǒng)幾種主要發(fā)電設備情況

2 山東電力能源結構現(xiàn)狀

2.1 以煤為主為的電力能源結構

山東省是我國經(jīng)濟、工業(yè)大省，經(jīng)濟總量一直居于我國各省、市、自治區(qū)前列。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，山東能源生產(chǎn)與消費也呈快速增長趨勢，據(jù)統(tǒng)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(chǎn)。2010年，山東電力消費約為3 300億kWh，居全國各省、市、自治區(qū)的第三位，其中工業(yè)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(guī)模的96%，2010年發(fā)電總量約為3 100億kWh，其中火電發(fā)電量為3 060億kWh，占發(fā)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(shù)量眾多，比例偏高。據(jù)統(tǒng)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(lián)產(chǎn)機組居于重要地位

山東火電裝機中，熱電聯(lián)產(chǎn)機組居于重要地位，占有相當比重。據(jù)統(tǒng)計，2010年，山東熱電聯(lián)產(chǎn)機組裝機規(guī)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(jù)統(tǒng)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(fā)展分布式能源是優(yōu)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(jié)能減排形勢

以煤為主的電力能源結構在支撐山東經(jīng)濟發(fā)展的同時，也帶來嚴重的節(jié)能環(huán)保壓力。根據(jù)國務院公布的《“十二五”節(jié)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(qū)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(jié)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(jié)能減排的難度，根據(jù)國家環(huán)保總局公布的數(shù)據(jù)，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(jù)統(tǒng)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(yè)供熱煤耗超過40 kg/GJ，亟需通過優(yōu)化能源結構的方式，改善各類污染物排放現(xiàn)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(jù)山東天然氣“十二五”規(guī)劃的要求，“十二五”期間，山東將建成“六縱四橫、兩環(huán)一庫、三局域網(wǎng)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(lián)產(chǎn)基礎良好

分布式能源系統(tǒng)通過熱電冷供應的匹配，實現(xiàn)能源的綜合利用，這就要求系統(tǒng)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(lián)產(chǎn)基礎，區(qū)域熱電冷負荷集中，據(jù)統(tǒng)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(tǒng)對部分機組實現(xiàn)替代，可充分利用原有管網(wǎng)資源，在保證原有熱電供給的同時，實現(xiàn)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(guī)劃到“十二五”末實現(xiàn)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(huán)保、管網(wǎng)建設均面臨壓力，而分布式能源系統(tǒng)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(tǒng)將帶來良好的節(jié)能減排效益

天然氣分布式能源系統(tǒng)在實現(xiàn)能源綜合利用的同時，具有良好的節(jié)能減排效益，如表2所示，相比傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電形式，天然氣分布式能源系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)污染物排放情況

根據(jù)天然氣分布式能源系統(tǒng)熱電冷匹配的特性，系統(tǒng)全年熱電比一般為0.5～2，以熱電比為1計算節(jié)能減排效果，根據(jù)以熱定電的原則建設分布式能源系統(tǒng)。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(tǒng)建設方案，節(jié)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(jié)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(jié)能減排效益。

表3 建設天然氣分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能減排效益

4 結語

天然氣分布式能源系統(tǒng)具有清潔、高效、環(huán)保的特點，通過高溫發(fā)電、低溫供熱、制冷的方式實現(xiàn)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(tǒng)燃煤發(fā)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(jié)能環(huán)保壓力，目前，中小機組比例偏高的現(xiàn)狀更加大了節(jié)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(tǒng)可帶來良好的節(jié)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(tǒng)，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。