天然气冷热电联产系统的应用与发展

朱建文，石琳

(中海石油气电集团有限责任公司贸易分公司，北京 100027)

0 引言

在国家经济不断发展、人民生活水平不断提高的情况下，创建资源节约型、环境友好型社会愈加重要。控制能源消费总量，加强节能降耗，调整能源结构，支持低碳产业发展逐渐成为人们关注的热点。天然气冷热电联产是改善能源结构、降低环境污染的有效手段，但如何进一步发展天然气市场，促进天然气的高效合理利用仍需进一步研究。

1 我国能源消费结构现状

1.1 能源消费总量大

2013年我国能源消费总量世界第一，达37.5亿t标准煤(以下简称标煤)，约为全世界能源消费总量的1/5，与2001年相比，年均增速约7.9%。我国GDP年均增长率按7.5%、消费弹性系数按0.76计算，一次能源消费增长速度为5.7%。这就意味着到2030年我国一次能源消费总量将达到96亿t标煤，超过了目前全世界一次能源消费总量的一半，远超世界能源资源供应能力。即使未来我国能源需求增长减慢，按照英国石油公司(BP)发布的《2030年全球能源展望》的估测，到2030年，我国的能源消费需求增长也将占全球需求增长的43%。中国能源消费对世界能源安全供应的影响将会与日俱增。

1.2 二氧化碳与污染物过量排放

在我国一次能源消费结构比例中，煤炭占66%，石油占18%，而最清洁的天然气仅占6%。由于煤炭所占比重过高，导致我国碳排放量占全球碳排放总量的1/4，毫无疑问地成为最大的碳排放国家之一。除二氧化碳排放外，煤炭、燃料油等燃烧产生大量的硫氧化物、氮氧化物以及大量固体颗粒物，导致近年来我国频现酸雨和雾霾天气。调整能源消费结构和控制污染已成为当前面临的急迫问题。

1.3 石油对外依存度过高

自1993年首次出现石油净进口开始，我国石油对外依存度一路攀升至2013年的58.1%，已超过50%的国际警戒线。石油作为战略性能源，对外依存度过高已将我国置于越来越大的能源运输安全和国际价格波动风险之下。而增加天然气替代油品供应，是实现能源多元化、降低能源风险的有效手段。

2 推动天然气发电改善能源结构的可行性

为减少碳排放、调整能源结构，最理想的选择是用可再生能源替代对煤炭的需求。目前，太阳能、风能等可再生能源的利用均处于起步阶段，短期内难以满足我国快速增长的能源需求。用天然气发电部分替代煤炭发电，则是我国目前的现实选择。

在污染物排放方面, 煤炭发电污染物排放为0.755 9(t碳/t标煤)、石油发电污染物排放为0.618 5(t碳/t标煤)，天然气发电污染物排放仅为0.448 3(t碳/t标煤) 。对于天然气发电，不仅碳排放系数最低，而且基本不产生汞、铅等有毒物质，也不会产生氮氧化物、二氧化硫和烟尘等常见大气污染物，是最清洁、储量最丰富的化石能源。

天然气用于发电是天然气高效利用的方式之一。推广天然气发电，促进天然气对煤炭的替代，可以在保证电力供应的前提下有效减少煤炭消费，迅速改善我国能源消费结构，对减少碳排放、缓解大气污染、提高人民生活质量具有重要意义。2012年，我国发电用气占天然气消费总量的17.6%，天然气发电在我国天然气消费中的重要性正在与日俱增。但天然气发电上网电价机制尚未理顺，这对天然气发电进一步发展会受到消极影响。为改善天然气发电的经济性，天然气冷热电三联供(CCHP)系统应运而生。CCHP系统不仅能源利用率高，而且能实现天然气发电的经济性目标。

3 天然气CCHP系统的发展概况

天然气CCHP系统是指以天然气为主要燃料带动燃气轮机、微燃机或内燃机发电机等燃气发电设备运行产生的电力供应用户，系统发电后排出的余热通过余热回收利用设备(余热锅炉或者余热直燃机等)向用户供热和供冷。天然气CCHP系统实现了能源的阶梯级利用，综合能效可达90%以上。天然气CCHP系统可以提供并网电力作为能源互补，将成本分摊至供热、供冷和供电3个部分，减轻运营成本负担。因此与一般的天然气发电相比，天然气CCHP系统具有更高的能源利用效率和更好的经济性能。

天然气CCHP系统既可以独立建设为小范围电网难以到达的区域供电，又可以与电网相互支撑；既可以就近用户建设，又可以在就近资源地建设，实施灵活，便于能源利用和能源供应。与以风能、太阳能为代表的分布式可再生能源相比，天然气CCHP系统具有技术成熟、供能稳定、投资效益好的显著优势。

天然气CCHP系统在国外已有较好的发展，欧盟诸国2010年热电联产比例已占总发电量比例的18%；截至2010年3月，日本已有联供项目8 444个；美国于2012年11月签署总执行令，要求到2020年新增分布式能源装机40 GW，超过现有装机容量的50%。

对于我国来说，大力发展天然气冷热电联产不仅有利于进一步扩大天然气利用范围，实现能源结构调整，减少环境污染，还有利于满足不断增加的发电需求，缓解天然气管网调峰压力，也是解决南方冬季供暖、改善民生的重要手段。我国已提出要加快建设天然气分布式能源系统,统筹天然气和电力调峰需求，为合理选择天然气分布式能源利用方式，实现天然气和电力优化互济利用，天然气CCHP系统具有如下作用。

(1)促进天然气利用，实现能源结构调整。为实现国家发展和改革委员会能源局发布的《天然气发展“十二五”规划》提出天然气消费量2015年达到2 300亿m3的目标，积极推进天然气发电，逐步替代效率利用低、碳排放量高的传统能源项目，实现节能减排，因此，需要进一步提高天然气市场规模。在我国目前天然气市场尚未发育成熟的情况下，天然气CCHP系统用气量大、用量稳定，可作为启动和支撑天然气市场的重要用户类型，有利于供气项目的正常生产。

(2)满足电力需求。天然气CCHP系统有利于增加电力供应。根据国务院颁布的国发 〔2013〕 2号文《能源发展“十二五”规划》的要求，2015年我国全社会用电量将达61.5 MW·h，2020年全社会用电量有可能达到80.0～88.1 MW·h 。在煤电装机增长基本停滞的情况下，为在控制环境污染的前提下弥补发电需求缺口，一方面，我国需继续发展水电、核电、风电、太阳能等非化石能源发电装机，另一方面，由于燃气电厂尤其是天然气CCHP系统具有建设周期短、能源利用效率高的特点，快速发展燃气装机是解决近期发电需求的有效方法。

(3)适宜解决南方供暖问题。随着生活水平提高，我国南方的供暖需求日益强烈。由于低温时间较短、城市布局分散、建筑标准不同，南方并不适合北方的大规模集中供暖方式。天然气CCHP系统可作为我国南方供暖的有效方案。首先，天然气CCHP系统具有较好的灵活性，适合南方城市“整体分散，小范围集中”的发展格局。与大范围集中供暖相比，天然气CCHP系统可以减少管道等相关设备的投入，降低投资和运营成本。其次，天然气CCHP系统通过对能源及其产品的循环利用，经济性强，环保效果好，在满足供暖需求、提高人民生活水平的同时实现环境保护和能源低碳化。

(4)有效缓解天然气管网调峰压力。天然气CCHP系统不仅对天然气需求相对稳定，而且自身具有一定的天然气储存能力。天然气CCHP系统往往附带有小储罐或液化天然气(LNG)卫星站，可以对一定区域内的天然气需求进行储备和调峰，可有效缓解天然气大管网的安全供应压力。一个地区的多个天然气CCHP系统还可以相互呼应，建立起更为完整的多气源互补的安全供应网络。此外，南方推广天然气CCHP系统可以有效增加冬季用气量，减少季节性用气峰谷差，实现平稳用气，降低调峰压力，有利于天然气市场的进一步发展。

(5)有利于能源安全供应。天然气CCHP系统的发展有利于推动我国能源消费的多元化发展，提高我国能源安全保障。发展天然气CCHP系统，在扩大天然气消费的同时，也替代了包括石油在内的其他化石燃料。相对于石油的储量，天然气储量要丰富得多，据英国石油公司预测，截至2011年年底，世界石油探明储量能够满足现行需求54年，而全球天然气探明储量超过2×109m3，足以供消费60年以上，随着非常规天然气的进一步发展，这一时限还会进一步延长。从长远来看，天然气资源的供应是有保障的。

(6)减少污染排放。目前我国燃烧的煤炭量几乎是世界其他国家的总和，煤炭在生产、运输和存放过程中，会对邻近的地下水和空气产生污染，在燃烧过程中产生二氧化硫和二氧化氮，这些有毒、有害物质的粉尘排放到大气中会形成酸雾和酸雨，也是雾霾天气的元凶之一。与燃煤发电相比，天然气CCHP系统能源利用效率高，污染物排放种类和排放量少，环保效益非常明显。

4 积极落实天然气冷热电三联供的配套政策

天然气CCHP系统虽然具有诸多优势，但由于天然气CCHP系统在发展过程中仍需要相应的法律依据、资源保障和基础设施支持，因此，其快速发展仍需要政府部门的大力支持，需要出台相应的配套政策为天然气CCHP系统的发展提供政策支持。

美国联邦政府于1978年颁布的《公共事业管制政策法案》，允许公用设施单独购电，推动了天然气CCHP系统的大力发展。1980—1995年，全美国天然气CCHP系统装机从12.0 GW迅速增长到45.0 GW，平均每年新增装机2.2 GW。20世纪90年代中期，由于美国电力行业引入自由市场的概念，激烈的市场竞争和不稳定的电力市场一度阻碍了天然气CCHP系统的发展。鉴于发展天然气CCHP系统的重要性，美国联邦政府再次采取系列措施来促进其发展。1998年，美国能源部、环境保护协会以及热电联产协会共同制订了“CHP挑战计划”；2001年，美国能源部和环保署联合发布了《国家CHP规划》。2001年，美国成立了国家能源政策发展协会，通过免税鼓励增加清洁高效的天然气CCHP项目。截至2004年，美国的天然气CCHP系统装机容量总数已达80 GW，其中工业天然气CCHP系统1 189个，共装机65 621 MW；商用天然气CCHP系统1 540个，共装机9 024 MW。此外，在麻省理工学院、普林斯顿大学、马里兰大学等许多大学校园内建设了多个天然气CCHP系统示范基地。根据美国电力研究院预计，美国新增发电设备中将有20%～40%选择分布式能源(DES)发电系统，其中绝大多数为天然气CCHP系统。

欧盟也制定了多项法规，直接或间接地推动了天然气CCHP系统的发展(如联产指南，排放权交易制度，新电力、燃气指南，建筑性能与能源生产税制指南等)。1997年，天然气CCHP系统在欧盟国家的电力生产中所占比重为9%，2010年所占比重已达到18%。目前，在匈牙利、丹麦、芬兰、荷兰等国家，天然气CCHP系统得到了广泛应用，尤其在丹麦及荷兰，40%以上的电力来自天然气CCHP系统。这些国家除了在能源政策上大力支持天然气CCHP系统发展之外，还提供能源指导和数据分析，并实施奖励措施(例如相对增加上网电价、奖励投资等)。

日本由于缺乏资源，在天然气CCHP项目上给予了极大的重视，天然气CCHP系统在日本发展十分迅速，且在民用、商业、工业和国防等领域均有广泛应用。1995年，日本对电力法规进行了修改，允许私人自行发电且可以向公共电网或第三方售电，这打破了之前10家电力公司分辖区垄断日本电力供应的局面，迫使其对电价进行调整，以适应具有自行发电能力的电力用户。1997年，日本制定了“新能源推广特别措施法(新能源法)”，建立了鼓励新能源和新型燃料利用(包括天然气CCHP系统)的法律框架。同时，日本政府通过特别税收、低息贷款、投资补助等政策推动天然气CCHP系统的发展，电力市场改革和环境保护因素也都在一定程度上持续起到促进作用。日本由于自身资源、地域等因素的制约，其天然气CCHP系统规模主要以中小型为主，在商场、医院和写字楼等冷热负荷变化比较平稳的场所得到较为广泛的应用。据日本高级热电与能源利用中心(ACEUC)统计，截至2010年，日本已经有2 125个工业天然气CCHP系统，共装机7 473 MW；6 317个商用天然气CCHP系统，共装机1 967 MW。

我国的天然气CCHP系统的快速发展还面临着不少法规、政策上的障碍。首先是相关法规和机制并不适合天然气CCHP系统的发展。例如，《电力法》中规定“一个供电营业区内只设立一个供电营业机构”，这就基本上排除了天然气CCHP系统发电上网销售的可能性，从而极大地影响了天然气CCHP项目的经济性。虽然国家发展和改革委员会、财政部、住房城乡建设部共同发布了《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，国家各部委还应联合出台《分布式电源上网管理办法》《分布式电源上网意见》等一批配套支持政策，以破解法规障碍。目前，配套支持性政策迟迟未能出台，直接影响了我国天然气CCHP系统的发展。此外天然气CCHP系统作为供电侧，还存在如何计算上网电费，如何缴纳相关税费，如何定义天然气CCHP系统作为自备电源或自备电厂等系列相关问题。由于体制改革不可能一蹴而就，发展天然气CCHP项目，需要协调分布式能源规划、电网规划以及城市发展规划，协调政府部门、电网企业和天然气CCHP项目之间关系，并在体制、审批程序上给予相应支持。 天然气CCHP系统的发展目前缺乏相应的激励政策，我国天然气CCHP系统处于起步阶段，与单纯的燃煤发电项目相比，单位建设成本和运行成本均较高，复杂的审批程序也抬高了项目成本。而目前天然气上网电价系统既未考虑天然气CCHP系统在用电高峰时的调峰作用，也未考虑其减排效益，天然气CCHP项目仅能依靠自身的盈利能力进行维持，缺乏相应的地方财税政策和金融政策的支持。天然气CCHP系统的投资主体能力有限，相对于小型项目而言，大型天然气CCHP无论在经济性，还是在能效、减排等方面都更具优势，也更适应我国目前城镇化的发展趋势。但大型天然气CCHP项目投资额也相对较大，在法规和激励政策不完善的情况下，如果缺乏扶持和指导，一般投资者很难进入。天然气CCHP系统的资源供应缺乏保障，天然气CCHP系统的发展还需要落实可靠的天然气资源。在各地城市燃气基本垄断的格局下，天然气CCHP系统难以得到天然气长期供应保障。天然气CCHP设施一旦断气，不但影响其经济效益，更会对区域内民生造成负面影响。在国家能源局举办的分布式能源研讨会上也有领导和专家指出，发展分布式能源应在经济发达、天然气资源有保证的大中城市先行试点，这也从侧面反映出了稳定的资源供应对发展天然气CCHP系统的重要性。为此，作者提出如下建议：

(1)完善法规标准。为使天然气CCHP系统健康有序发展，应加快对相关法律进行修订，尽快出台与《关于发展天然气分布式能源的指导意见》相适应的配套法规，厘清天然气CCHP项目的法律定位，并制定相关技术标准和规范，支持天然气CCHP 系统的发展。

(2)出台配套政策。可参考美国、日本及欧洲诸国为推动天然气CCHP快速发展所进行的政策支持，尽快出台鼓励性财税政策，将发展天然气CCHP系统纳入城市发展规划，尤其是在区域发展规划中，依据当地情况，出台投资补助、气价补贴办法和土地政策等方面的配套措施，必要时可打破既有格局的制约，理顺供气企业、电网公司、城建公司、用户及地方政府的利益关系。

(3)以国有企业为主导，发展大型天然气CCHP项目。天然气CCHP项目同时涉及所在区域的供冷、供热和供电，影响范围较大。如果运营企业没有稳定可靠的天然气气源，当天然气出现季节性供应紧张或突然中断时，难以保障系统的稳定运营。对大型天然气CCHP项目而言，既需要稳定的天然气资源，也需要和电网建立稳定的长期关系。在目前供气、发电格局下，以国有电网公司和国有石油天然气公司为主导，有利于保障项目的安全稳定运营。

(4)与LNG接收站发展相结合。我国目前在东南沿海地区，已有多个LNG接收站正在运营，并有多个接收站在建，进口LNG已是东南沿海重要的天然气资源来源。目前进口LNG已实现供应多元化，在冬季用气高峰季节，可以起到与进口管道气相互弥补的作用，可成为天然气CCHP项目稳定的天然气源。此外LNG经过脱硫处理，比管道气更为洁净、高效。利用LNG发展天然气CCHP项目，将LNG的清洁环保优势直接带进社区，造福当地群众，既是LNG的最好的用途，也有利于清洁能源的高效利用。

5 结论

发展天然气冷热电联产，对于推动我国天然气市场发展、满足电力需求、缓解天然气应急调峰难题、实现南方地区供暖、减少环境污染以及实现我国能源安全稳定供应等具有重要意义，有助于缓解我国目前所面临的能源需求高、污染严重、石油对外依存度高等难题。目前我国有关天然气冷热电联产的法律定位不清、缺乏相关标准、规范和配套政策支持等问题，制约了天然气CCHP系统的快速发展。建议政府及时出台促进天然气CCHP的系统发展的相关配套政策，以国有企业为主导发展大型天然气CCHP项目，并将引进LNG与发展天然气CCHP系统相结合，通过多种手段推动天然气CCHP系统的快速发展。

参考文献：

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