国内天然气分布式能源发展现状与应用前景综述

童家麟，吕洪坤，蔡洁聪，韩高岩，孙五一

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310012）

0 引言

随着国民经济的高速发展，我国电力需求迅速增长，截至2016年末，全国发电装机容量为16.5亿kW，较2012年末增长约45%。在此过程中，我国能源供给方式占主导地位的一直是以煤炭、石油为主的一次能源及大规模集中并网发电[1-2]。这种方式既有能源互补、错峰节能等优势，也存在着污染严重、灵活性差、输配电损耗高、发生故障容易导致大面积停电等问题[3]。而分布式能源发电，特别是清洁能源分布式发电是清洁能源利用较为经济和现实的一种方式，具有输配电损耗低、节能环保等优点，并可实现能源梯级利用，受到日益广泛的关注。此外，“能源互联网”的内涵也指出未来能源系统将是电力与天然气等其他能源紧密耦合而形成的复杂多能互补系统[4]。

1 国内外分布式能源发展状况

发达国家对分布式能源的研究和利用较早，已经取得了许多有意义的结果和较为广泛的工程业绩。当前几乎所有的欧盟国家都在建立适合自身特点的分布式能源系统以及与之相配套的能源计划[5]，欧盟分布式能源平均占电力市场比例可达10%。

德国是欧洲发展分布式能源最快的国家之一。德国的第一部关于可再生能源的法案EEG于2000年生效，该法案规定：在全国范围内实行根据可再生能源的数量和输入系统的不同税收补贴计划，来平衡电网运营商所支付的费用，并在各个区域采用不同的补偿比例。为了适应新能源系统的发展，德国分别于2004年和2008年对可再生能源法案进行了修订。

美国是全世界分布式能源发展最早的国家[6]。在发展初期，美国小型的分布式发电模式被称为CHP（小型热电联产）或者DG（分布式发电），主要是在用户端发电并使用。目前，美国分布式能源已经达到一定的规模，且单位装机和总装机容量不断扩大，至2010年总装机容量突破85 GW，约占全国总装机容量的7.7%。美国政府把进一步推进CCHP（分布式冷热电联产系统）的发展列为长远发展规划，并制定了明确的战略目标：力争2020年将现有分布式装机容量再翻一番，在50%的新建办公楼或商用楼群中，采用分布式冷热电联产模式，将15%现有供能系统改建成分布式冷热电联产模式，由此可见美国政府对分布式能源有着良好的预期[7]。

日本分布式项目以CHP和太阳能光伏发电为主，分布式发电总装机容量约3 600万kW，占全国总量的13.4%，日本计划在2030年前达到分布式发电量占总发电量20%的目标。日本对分布式发电系统的建设有资金和政策2个方面的支持，包括对城市分布式能源项目进行减税或免税，鼓励国有银行和私人财团对分布式发电系统进行投资，修订包括《电力事业法》在内的一系列放宽管制的政策。

我国的分布式能源研究起步较晚，业绩进程与发达国家相比还有不小差距。2011年起，国务院、国家能源局、地方政府均出台了支持分布式能源发展的相关政策，但至今尚未形成完整的政策体系，其中部分政策缺失、政策相互冲突以及激励不足是我国分布式能源建设过程中的突出问题。由于国家相关政策的推动和燃气发电在环保、调峰等方面的优势，天然气发电量和装机容量近年来呈现大幅增长的趋势。图1为2011—2017年我国燃气发电装机容量的比较，图2为我国天然气分布式能源项目建设数量-时间分布。由图可知，2013年以来，天然气发电装机容量和分布式能源项目快速增长，在我国已处于实质性开发阶段，另外以天然气分布式能源为主的综合供能体系集中推广，助推了行业发展的可持续性。根据《天然气发展“十三五”规划》，到2020年我国天然气发电规模预计达到1.1亿kW以上，相对发电总装机容量的占比超过5%，其中天然气分布式发电装机容量达到4 000万kW。例如北京、上海、广州等发达地区天然气分布式能源发展较早，投产项目也较多，主要安装在商业楼、写字楼、医院和大学城等，采用“不并网”或者“并网不上网”的方式运行[8]。因此，本文主要分析天然气分布式能源的优势、发展的必要性和可行性及主要制约因素，介绍北京、上海、广州天然气分布式能源的应用现状，并对天然气分布式能源的应用前景进行展望。

图1 2011—2017年我国燃气发电装机容量

图2 我国天然气分布式能源项目建设数量-时间分布

2 天然气分布式能源发展的优势和瓶颈

2.1 天然气分布式能源发展的优势

分布式能源的发展有助于能源结构的优化和清洁发展[9]。近年来，我国经济迅速发展，但环境污染问题日益严峻，以煤炭和石油为主的一次能源结构导致了严重的空气污染和大面积水污染，同时影响了公民健康和国家形象。由于天然气主要成分为CH4，其SO2和固体废弃物的排放量微乎其微[10]，发展分布式能源具有明显的环境保护效益。

分布式能源的发展提高了电网的安全性。2003年美国东北部和加拿大大停电事件、2012年印度停电事件、2008年湖南省大停电事件让我国意识到了能源安全的重要性。日本总结2003年北美大停电事件后提出：相对于改造电网，发展分布式能源更加简便快捷。此外，分布式能源站是一个相对独立的能源控制系统，它可在发生电网崩溃和意外灾害的情况下维持重要用户（例如数据中心、医院等）的供电，极大程度上提高了供电的可靠性[11-12]。

2.2 天然气分布式能源发展的可行性

目前，国内天然气分布式能源燃料来源日益增多[13]。根据国家《天然气发展“十三五”规划》，截至2015年底，我国常规天然气地质资源量为68万亿m3，2015年全国天然气产量1 350亿m3；页岩气等非常规天然气资源勘探取得了重大进展，“十二五”新增探明地质储量5 441亿m3，2015年产量达到46亿m3；天然气进口战略通道格局基本形成，“十二五”期间累计进口天然气超过2 500亿m3，是“十一五”天然气进口量的7.2倍，2015年进口天然气614亿m3；天然气水合物开发取得突破性进展，在全球首次实现泥质粉沙型可燃冰的安全可控试采，2017年5月，我国首次试采了天然气水合物，连续试气点火60天，累计产气30.9万m3[14]。国内天然气开采量增加、国际天然气进口渠道畅通及页岩气、可燃冰等非常规天然气取得突破，无疑为天然气分布式能源项目的发展提供了良好的基础。

此外，目前国内的能源企业相继成立专业化服务公司以应对分布式能源的快速发展，如华电集团国家能源分布式能源技术研发（实验）中心、中广核节能产业发展有限公司、南方电网综合能源有限公司、华能新能源股份有限公司等，其中华电集团走在分布式能源行业的前列，截至2016年，华电集团已投产天然气分布式能源项目10个，累计装机容量94万kW；此外，还有在建天然气分布式项目6个，合计装机容量98万kW；拟建项目7个，合计装机78万kW，在全国保持领先地位。

2.3 天然气分布式能源发展的制约因素

我国天然气分布式能源的发展已经取得了长足进步，但目前分布式能源产业的发展还受到以下几个因素的束缚：

（1）运营管理经验相对缺乏。分布式能源的理论综合利用效率可达95%以上[15]，但设计施工、能源利用、运营管理对分布式能源有重要影响。目前我国运营项目较少，设计、管理经验较为缺乏，导致部分已投产的分布式能源项目综合能源利用率偏低，一定程度上影响了分布式能源的推广利用和用户投资的积极性。

（2）分布式能源设备的国产化程度较低。目前天然气分布式能源系统的核心设备，如微型燃气轮机、内燃机多是国外成套进口[16]，国产化程度较低。表1、表2为国外2家典型微型燃气轮机、内燃机厂家设备主要参数。由表可知，国外厂家微型燃气轮机、内燃机型号相对比较齐全，100—22 000 kW均有产品覆盖，这为天然气分布式能源的发展提供了强有力的技术支撑。国内自主研发的产品技术水平相对较低，可靠性差，一定程度上造成了天然气分布式能源项目初投资较高。由于市场竞争激烈，近年来微型燃气轮机、内燃机、溴化锂机组的价格逐年下降，进口内燃机的价格已从3 500～3 800元/kW下降到1 850～3 000元/kW，烟气型溴化锂机组也降低到约600元/kW，相对而言，微型燃机轮机的价格稍高，约为5 000～6 000 元/kW[17-18]。

表1 索拉（美国）微型燃气轮机主要参数

表2 曼海姆（德国）内燃机主要参数

3 天然气分布式能源的应用现状

3.1 北京市天然气分布式能源的应用现状

北京市从2003年起便逐步建成了一批天然气分布式能源项目，虽然有些项目由于并网、设计复杂、设计装机容量过大等原因无法正常运行，但也为该行业的发展积累了很多宝贵的经验和相关技术储备。

截至2015年底，北京市已实施和在建天然气分布式能源项目三十余个，项目类型涉及医院、宾馆、产业园、火车站等。表3所示为截至2017年底，北京市已投产和在建的天然气分布式能源项目装机容量和投产时间。由表3可知，2010年前，北京市天然气分布式能源项目规模较小，近年来装机规模有迅速增大趋势，特别是在建的海淀北部区域能源中心和通州运河核心区区域能源中心总装机容量均达到了200 MW。究其原因，一方面是核心设备内燃机、微型燃气轮机单位成本呈下降趋势；另一方面北京市探索了一系列积极的激励措施：针对项目装机容量、设计节能减排量，给予一定比例的初始补贴，在项目建成并稳定运行一段时间之后，由专业第三方机构对项目的运行效果（节能总量、有害气体减排量、项目售电量等）进行考核，给予阶段性奖励。

3.2 上海市天然气分布式能源的应用现状

上海市是我国天然气分布式能源发展最早、配套政策最完善的城市，其投产的项目一定程度上可以反映我国天然气分布式能源项目的发展历程[19]。上海市天然气分布式能源的发展最早可追溯到1998年，第一个分布式能源项目——黄浦区中心医院天然气分布式能源项目正式投入运行。其后十多年大多是以单体楼宇式项目为主，装机规模也相对较小，在2013年后开始以办公区域式项目为主，2015年开始工业园区项目建设，项目的装机规模也不断扩大。截至2016年，累计建成项目43个，覆盖医院、办公楼、宾馆、工业园区等，总装机规模达150 MW。其中数量最多的是办公楼分布式能源项目，占33%；其次为工业园区和医院，均占23%。表4为上海已投产的天然气分布式能源项目装机容量和投产时间。

表3 截至2017年底北京已投产和在建的天然气分布式能源项目

3.2.1 对分布式能源发电的扶持政策

上海市政府一直以来非常重视分布式能源的发展，表5为上海市燃气分布式能源扶持政策的发展历程[20]。早在2004年就推行第一个关于分布式能源的扶持政策，其后根据项目推行情况不断完善。2017年《上海天然气分布式供能系统和燃气空调发展专项扶持方法》对分布式能源发电采取了以下扶持方式：

（1）在初投资方面给予补贴。对一般的天然气分布式供能项目，按照1 000元/kW给予设备投资补贴；对年平均能源综合利用效率和年利用小时达到一定标准的天然气分布式供能项目，给予2 000元/kW的节能补贴；对年平均能源综合利用效率和年利用小时更高的天然气分布式供能项目，再给予500元/kW的节能补贴。

（2）优先保障天然气分布式供能项目的天然气供应，实施优惠气价。鼓励郊区天然气分布式项目建设，实行上下游天然气价格联动调整。

（3）支持天然气分布式供能项目采用“自发自用、自用为主、余电上网”的运营模式，上网电价政策由市物价部门另行制定。

表4 截止2016年底上海已投产天然气分布式能源项目

表5 上海市燃气分布式能源扶持政策

（4）对天然气分布式供能项目从申请设备投资补贴起3年内开展评估，评估结果作为申请节能补贴和确定上网电价的依据。

3.2.2 分布式能源项目的制约因素

在已投产项目中，绝大部分项目正常运行，但有部分项目目前处在停运状态。造成停运主要有以下原因，这都是未来新建分布式能源项目应该避免的：

（1）早期项目负荷预测方面的经验不足，使得设计的机组容量偏大或者系统设计不合理，致使机组不能耦合负荷侧的负荷变化，出现了“大马拉小车”的情况。

（2）系统的经济性不佳，业主使用意愿不强。

（3）市政动迁，造成原有系统无法正常运行。

（4）项目燃料来源匮乏，导致系统被迫停运。

3.3 广州市天然气分布式能源的应用现状

广州地区为海洋性亚热带季风气候，全年高温天数较多，供冷需求量较大，广州市政府一直非常重视天然气冷热电三联供项目。2017年广州市政府办公厅印发的《广州市能源发展第十三个5年计划（2016—2020年）》中强调，积极拓展天然气气源，统筹天然气热电联产和分布式能源站建设，积极推进黄埔、花都、增城、广州开发区等热电联产工程，建设一批各具特色的冷热电三联供天然气分布式能源站。表6为广州市2016—2020年已经或计划建设开工的分布式能源站。由表可知，广州市区域型分布式能源项目多为楼宇型分布式能源项目，与北京、上海相比，装机规模上明显更大，这与广州市冷负荷需求量较大有关。值得注意的是，南方电网公司一直较为关注分布式能源的投资，早在2009年就有可能成为当时全国最大分布式能源站——广州大学城分布式能源站（2×78 MW）的支持者和合作者[21]。2017年，由南方电网公司投建的“广州超级计算机中心分布式能源站项目”顺利投产，该项目是全国最大的地下室布置分布式能源项目，也是国内第一个配套脱硝设备的分布式能源项目。其主体全部布置于地下，一期工程已建成2台4 300 kW燃气内燃机组，发电后的高温烟气和高温热水进入溴化锂制冷机进行制冷，实现冷电连供，能源综合利用效率超过70%。2018年由南方电网综合能源有限公司投资的肇庆三榕天然气分布式能源项目（2×40 MW）也已开工建设，项目预计2019年投产。

表6 广州市2017—2018年建设开工的分布式能源站

4 结语

天然气分布式能源在发达国家已有数十年的发展，在我国也有约20年的历史[22]。早期我国天然气分布式能源受政策、核心设备等条件制约，发展相对较慢，近年来发展步伐明显加快。根据国际能源署的研究，中国将会成为继俄罗斯、德国之后分布式能源占比最高的国家，预计2030年可达到28%。此外，经过国内外分布式能源的发展实践，已逐渐出现了一种分布式能源利用系统，它基于常规分布式能源技术，耦合了环境势能、可再生能源、常规能源系统、新型区域综合能源规划、智能电网和智能通信控制技术等[23]，构成了一种新型能源分布系统，可以达到更好的环境、环境和经济效益的统一。随着国家对电网安全、环境保护的日益重视和天然气、页岩气、可燃冰等勘探量、产量的不断提高，天然气分布式能源在我国必然有更为广阔的前景[24-25]。