童家麟，呂洪坤，蔡潔聰，韓高巖，孫五一

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國電力需求迅速增長，截至2016年末，全國發(fā)電裝機容量為16.5億kW，較2012年末增長約45%。在此過程中，我國能源供給方式占主導(dǎo)地位的一直是以煤炭、石油為主的一次能源及大規(guī)模集中并網(wǎng)發(fā)電[1-2]。這種方式既有能源互補、錯峰節(jié)能等優(yōu)勢，也存在著污染嚴(yán)重、靈活性差、輸配電損耗高、發(fā)生故障容易導(dǎo)致大面積停電等問題[3]。而分布式能源發(fā)電，特別是清潔能源分布式發(fā)電是清潔能源利用較為經(jīng)濟和現(xiàn)實的一種方式，具有輸配電損耗低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，并可實現(xiàn)能源梯級利用，受到日益廣泛的關(guān)注。此外，“能源互聯(lián)網(wǎng)”的內(nèi)涵也指出未來能源系統(tǒng)將是電力與天然氣等其他能源緊密耦合而形成的復(fù)雜多能互補系統(tǒng)[4]。

1 國內(nèi)外分布式能源發(fā)展?fàn)顩r

發(fā)達國家對分布式能源的研究和利用較早，已經(jīng)取得了許多有意義的結(jié)果和較為廣泛的工程業(yè)績。當(dāng)前幾乎所有的歐盟國家都在建立適合自身特點的分布式能源系統(tǒng)以及與之相配套的能源計劃[5]，歐盟分布式能源平均占電力市場比例可達10%。

德國是歐洲發(fā)展分布式能源最快的國家之一。德國的第一部關(guān)于可再生能源的法案EEG于2000年生效，該法案規(guī)定：在全國范圍內(nèi)實行根據(jù)可再生能源的數(shù)量和輸入系統(tǒng)的不同稅收補貼計劃，來平衡電網(wǎng)運營商所支付的費用，并在各個區(qū)域采用不同的補償比例。為了適應(yīng)新能源系統(tǒng)的發(fā)展，德國分別于2004年和2008年對可再生能源法案進行了修訂。

美國是全世界分布式能源發(fā)展最早的國家[6]。在發(fā)展初期，美國小型的分布式發(fā)電模式被稱為CHP（小型熱電聯(lián)產(chǎn)）或者DG（分布式發(fā)電），主要是在用戶端發(fā)電并使用。目前，美國分布式能源已經(jīng)達到一定的規(guī)模，且單位裝機和總裝機容量不斷擴大，至2010年總裝機容量突破85 GW，約占全國總裝機容量的7.7%。美國政府把進一步推進CCHP（分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)）的發(fā)展列為長遠發(fā)展規(guī)劃，并制定了明確的戰(zhàn)略目標(biāo)：力爭2020年將現(xiàn)有分布式裝機容量再翻一番，在50%的新建辦公樓或商用樓群中，采用分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)模式，將15%現(xiàn)有供能系統(tǒng)改建成分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)模式，由此可見美國政府對分布式能源有著良好的預(yù)期[7]。

日本分布式項目以CHP和太陽能光伏發(fā)電為主，分布式發(fā)電總裝機容量約3 600萬kW，占全國總量的13.4%，日本計劃在2030年前達到分布式發(fā)電量占總發(fā)電量20%的目標(biāo)。日本對分布式發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)有資金和政策2個方面的支持，包括對城市分布式能源項目進行減稅或免稅，鼓勵國有銀行和私人財團對分布式發(fā)電系統(tǒng)進行投資，修訂包括《電力事業(yè)法》在內(nèi)的一系列放寬管制的政策。

我國的分布式能源研究起步較晚，業(yè)績進程與發(fā)達國家相比還有不小差距。2011年起，國務(wù)院、國家能源局、地方政府均出臺了支持分布式能源發(fā)展的相關(guān)政策，但至今尚未形成完整的政策體系，其中部分政策缺失、政策相互沖突以及激勵不足是我國分布式能源建設(shè)過程中的突出問題。由于國家相關(guān)政策的推動和燃氣發(fā)電在環(huán)保、調(diào)峰等方面的優(yōu)勢，天然氣發(fā)電量和裝機容量近年來呈現(xiàn)大幅增長的趨勢。圖1為2011—2017年我國燃氣發(fā)電裝機容量的比較，圖2為我國天然氣分布式能源項目建設(shè)數(shù)量-時間分布。由圖可知，2013年以來，天然氣發(fā)電裝機容量和分布式能源項目快速增長，在我國已處于實質(zhì)性開發(fā)階段，另外以天然氣分布式能源為主的綜合供能體系集中推廣，助推了行業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性。根據(jù)《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，到2020年我國天然氣發(fā)電規(guī)模預(yù)計達到1.1億kW以上，相對發(fā)電總裝機容量的占比超過5%，其中天然氣分布式發(fā)電裝機容量達到4 000萬kW。例如北京、上海、廣州等發(fā)達地區(qū)天然氣分布式能源發(fā)展較早，投產(chǎn)項目也較多，主要安裝在商業(yè)樓、寫字樓、醫(yī)院和大學(xué)城等，采用“不并網(wǎng)”或者“并網(wǎng)不上網(wǎng)”的方式運行[8]。因此，本文主要分析天然氣分布式能源的優(yōu)勢、發(fā)展的必要性和可行性及主要制約因素，介紹北京、上海、廣州天然氣分布式能源的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對天然氣分布式能源的應(yīng)用前景進行展望。

圖1 2011—2017年我國燃氣發(fā)電裝機容量

圖2 我國天然氣分布式能源項目建設(shè)數(shù)量-時間分布

2 天然氣分布式能源發(fā)展的優(yōu)勢和瓶頸

2.1 天然氣分布式能源發(fā)展的優(yōu)勢

分布式能源的發(fā)展有助于能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和清潔發(fā)展[9]。近年來，我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，但環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，以煤炭和石油為主的一次能源結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了嚴(yán)重的空氣污染和大面積水污染，同時影響了公民健康和國家形象。由于天然氣主要成分為CH4，其SO2和固體廢棄物的排放量微乎其微[10]，發(fā)展分布式能源具有明顯的環(huán)境保護效益。

分布式能源的發(fā)展提高了電網(wǎng)的安全性。2003年美國東北部和加拿大大停電事件、2012年印度停電事件、2008年湖南省大停電事件讓我國意識到了能源安全的重要性。日本總結(jié)2003年北美大停電事件后提出：相對于改造電網(wǎng)，發(fā)展分布式能源更加簡便快捷。此外，分布式能源站是一個相對獨立的能源控制系統(tǒng)，它可在發(fā)生電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害的情況下維持重要用戶（例如數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院等）的供電，極大程度上提高了供電的可靠性[11-12]。

2.2 天然氣分布式能源發(fā)展的可行性

目前，國內(nèi)天然氣分布式能源燃料來源日益增多[13]。根據(jù)國家《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，截至2015年底，我國常規(guī)天然氣地質(zhì)資源量為68萬億m3，2015年全國天然氣產(chǎn)量1 350億m3；頁巖氣等非常規(guī)天然氣資源勘探取得了重大進展，“十二五”新增探明地質(zhì)儲量5 441億m3，2015年產(chǎn)量達到46億m3；天然氣進口戰(zhàn)略通道格局基本形成，“十二五”期間累計進口天然氣超過2 500億m3，是“十一五”天然氣進口量的7.2倍，2015年進口天然氣614億m3；天然氣水合物開發(fā)取得突破性進展，在全球首次實現(xiàn)泥質(zhì)粉沙型可燃冰的安全可控試采，2017年5月，我國首次試采了天然氣水合物，連續(xù)試氣點火60天，累計產(chǎn)氣30.9萬m3[14]。國內(nèi)天然氣開采量增加、國際天然氣進口渠道暢通及頁巖氣、可燃冰等非常規(guī)天然氣取得突破，無疑為天然氣分布式能源項目的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。

此外，目前國內(nèi)的能源企業(yè)相繼成立專業(yè)化服務(wù)公司以應(yīng)對分布式能源的快速發(fā)展，如華電集團國家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)（實驗）中心、中廣核節(jié)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司、南方電網(wǎng)綜合能源有限公司、華能新能源股份有限公司等，其中華電集團走在分布式能源行業(yè)的前列，截至2016年，華電集團已投產(chǎn)天然氣分布式能源項目10個，累計裝機容量94萬kW；此外，還有在建天然氣分布式項目6個，合計裝機容量98萬kW；擬建項目7個，合計裝機78萬kW，在全國保持領(lǐng)先地位。

2.3 天然氣分布式能源發(fā)展的制約因素

我國天然氣分布式能源的發(fā)展已經(jīng)取得了長足進步，但目前分布式能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還受到以下幾個因素的束縛：

（1）運營管理經(jīng)驗相對缺乏。分布式能源的理論綜合利用效率可達95%以上[15]，但設(shè)計施工、能源利用、運營管理對分布式能源有重要影響。目前我國運營項目較少，設(shè)計、管理經(jīng)驗較為缺乏，導(dǎo)致部分已投產(chǎn)的分布式能源項目綜合能源利用率偏低，一定程度上影響了分布式能源的推廣利用和用戶投資的積極性。

（2）分布式能源設(shè)備的國產(chǎn)化程度較低。目前天然氣分布式能源系統(tǒng)的核心設(shè)備，如微型燃氣輪機、內(nèi)燃機多是國外成套進口[16]，國產(chǎn)化程度較低。表1、表2為國外2家典型微型燃氣輪機、內(nèi)燃機廠家設(shè)備主要參數(shù)。由表可知，國外廠家微型燃氣輪機、內(nèi)燃機型號相對比較齊全，100—22 000 kW均有產(chǎn)品覆蓋，這為天然氣分布式能源的發(fā)展提供了強有力的技術(shù)支撐。國內(nèi)自主研發(fā)的產(chǎn)品技術(shù)水平相對較低，可靠性差，一定程度上造成了天然氣分布式能源項目初投資較高。由于市場競爭激烈，近年來微型燃氣輪機、內(nèi)燃機、溴化鋰機組的價格逐年下降，進口內(nèi)燃機的價格已從3 500～3 800元/kW下降到1 850～3 000元/kW，煙氣型溴化鋰機組也降低到約600元/kW，相對而言，微型燃機輪機的價格稍高，約為5 000～6 000 元/kW[17-18]。

表1 索拉（美國）微型燃氣輪機主要參數(shù)

表2 曼海姆（德國）內(nèi)燃機主要參數(shù)

3 天然氣分布式能源的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 北京市天然氣分布式能源的應(yīng)用現(xiàn)狀

北京市從2003年起便逐步建成了一批天然氣分布式能源項目，雖然有些項目由于并網(wǎng)、設(shè)計復(fù)雜、設(shè)計裝機容量過大等原因無法正常運行，但也為該行業(yè)的發(fā)展積累了很多寶貴的經(jīng)驗和相關(guān)技術(shù)儲備。

截至2015年底，北京市已實施和在建天然氣分布式能源項目三十余個，項目類型涉及醫(yī)院、賓館、產(chǎn)業(yè)園、火車站等。表3所示為截至2017年底，北京市已投產(chǎn)和在建的天然氣分布式能源項目裝機容量和投產(chǎn)時間。由表3可知，2010年前，北京市天然氣分布式能源項目規(guī)模較小，近年來裝機規(guī)模有迅速增大趨勢，特別是在建的海淀北部區(qū)域能源中心和通州運河核心區(qū)區(qū)域能源中心總裝機容量均達到了200 MW。究其原因，一方面是核心設(shè)備內(nèi)燃機、微型燃氣輪機單位成本呈下降趨勢；另一方面北京市探索了一系列積極的激勵措施：針對項目裝機容量、設(shè)計節(jié)能減排量，給予一定比例的初始補貼，在項目建成并穩(wěn)定運行一段時間之后，由專業(yè)第三方機構(gòu)對項目的運行效果（節(jié)能總量、有害氣體減排量、項目售電量等）進行考核，給予階段性獎勵。

3.2 上海市天然氣分布式能源的應(yīng)用現(xiàn)狀

上海市是我國天然氣分布式能源發(fā)展最早、配套政策最完善的城市，其投產(chǎn)的項目一定程度上可以反映我國天然氣分布式能源項目的發(fā)展歷程[19]。上海市天然氣分布式能源的發(fā)展最早可追溯到1998年，第一個分布式能源項目——黃浦區(qū)中心醫(yī)院天然氣分布式能源項目正式投入運行。其后十多年大多是以單體樓宇式項目為主，裝機規(guī)模也相對較小，在2013年后開始以辦公區(qū)域式項目為主，2015年開始工業(yè)園區(qū)項目建設(shè)，項目的裝機規(guī)模也不斷擴大。截至2016年，累計建成項目43個，覆蓋醫(yī)院、辦公樓、賓館、工業(yè)園區(qū)等，總裝機規(guī)模達150 MW。其中數(shù)量最多的是辦公樓分布式能源項目，占33%；其次為工業(yè)園區(qū)和醫(yī)院，均占23%。表4為上海已投產(chǎn)的天然氣分布式能源項目裝機容量和投產(chǎn)時間。

表3 截至2017年底北京已投產(chǎn)和在建的天然氣分布式能源項目

3.2.1 對分布式能源發(fā)電的扶持政策

上海市政府一直以來非常重視分布式能源的發(fā)展，表5為上海市燃氣分布式能源扶持政策的發(fā)展歷程[20]。早在2004年就推行第一個關(guān)于分布式能源的扶持政策，其后根據(jù)項目推行情況不斷完善。2017年《上海天然氣分布式供能系統(tǒng)和燃氣空調(diào)發(fā)展專項扶持方法》對分布式能源發(fā)電采取了以下扶持方式：

（1）在初投資方面給予補貼。對一般的天然氣分布式供能項目，按照1 000元/kW給予設(shè)備投資補貼；對年平均能源綜合利用效率和年利用小時達到一定標(biāo)準(zhǔn)的天然氣分布式供能項目，給予2 000元/kW的節(jié)能補貼；對年平均能源綜合利用效率和年利用小時更高的天然氣分布式供能項目，再給予500元/kW的節(jié)能補貼。

（2）優(yōu)先保障天然氣分布式供能項目的天然氣供應(yīng)，實施優(yōu)惠氣價。鼓勵郊區(qū)天然氣分布式項目建設(shè)，實行上下游天然氣價格聯(lián)動調(diào)整。

（3）支持天然氣分布式供能項目采用“自發(fā)自用、自用為主、余電上網(wǎng)”的運營模式，上網(wǎng)電價政策由市物價部門另行制定。

表4 截止2016年底上海已投產(chǎn)天然氣分布式能源項目

表5 上海市燃氣分布式能源扶持政策

（4）對天然氣分布式供能項目從申請設(shè)備投資補貼起3年內(nèi)開展評估，評估結(jié)果作為申請節(jié)能補貼和確定上網(wǎng)電價的依據(jù)。

3.2.2 分布式能源項目的制約因素

在已投產(chǎn)項目中，絕大部分項目正常運行，但有部分項目目前處在停運狀態(tài)。造成停運主要有以下原因，這都是未來新建分布式能源項目應(yīng)該避免的：

（1）早期項目負荷預(yù)測方面的經(jīng)驗不足，使得設(shè)計的機組容量偏大或者系統(tǒng)設(shè)計不合理，致使機組不能耦合負荷側(cè)的負荷變化，出現(xiàn)了“大馬拉小車”的情況。

（2）系統(tǒng)的經(jīng)濟性不佳，業(yè)主使用意愿不強。

（3）市政動遷，造成原有系統(tǒng)無法正常運行。

（4）項目燃料來源匱乏，導(dǎo)致系統(tǒng)被迫停運。

3.3 廣州市天然氣分布式能源的應(yīng)用現(xiàn)狀

廣州地區(qū)為海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候，全年高溫天數(shù)較多，供冷需求量較大，廣州市政府一直非常重視天然氣冷熱電三聯(lián)供項目。2017年廣州市政府辦公廳印發(fā)的《廣州市能源發(fā)展第十三個5年計劃（2016—2020年）》中強調(diào)，積極拓展天然氣氣源，統(tǒng)籌天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)和分布式能源站建設(shè)，積極推進黃埔、花都、增城、廣州開發(fā)區(qū)等熱電聯(lián)產(chǎn)工程，建設(shè)一批各具特色的冷熱電三聯(lián)供天然氣分布式能源站。表6為廣州市2016—2020年已經(jīng)或計劃建設(shè)開工的分布式能源站。由表可知，廣州市區(qū)域型分布式能源項目多為樓宇型分布式能源項目，與北京、上海相比，裝機規(guī)模上明顯更大，這與廣州市冷負荷需求量較大有關(guān)。值得注意的是，南方電網(wǎng)公司一直較為關(guān)注分布式能源的投資，早在2009年就有可能成為當(dāng)時全國最大分布式能源站——廣州大學(xué)城分布式能源站（2×78 MW）的支持者和合作者[21]。2017年，由南方電網(wǎng)公司投建的“廣州超級計算機中心分布式能源站項目”順利投產(chǎn)，該項目是全國最大的地下室布置分布式能源項目，也是國內(nèi)第一個配套脫硝設(shè)備的分布式能源項目。其主體全部布置于地下，一期工程已建成2臺4 300 kW燃氣內(nèi)燃機組，發(fā)電后的高溫?zé)煔夂透邷責(zé)崴M入溴化鋰制冷機進行制冷，實現(xiàn)冷電連供，能源綜合利用效率超過70%。2018年由南方電網(wǎng)綜合能源有限公司投資的肇慶三榕天然氣分布式能源項目（2×40 MW）也已開工建設(shè)，項目預(yù)計2019年投產(chǎn)。

表6 廣州市2017—2018年建設(shè)開工的分布式能源站

4 結(jié)語

天然氣分布式能源在發(fā)達國家已有數(shù)十年的發(fā)展，在我國也有約20年的歷史[22]。早期我國天然氣分布式能源受政策、核心設(shè)備等條件制約，發(fā)展相對較慢，近年來發(fā)展步伐明顯加快。根據(jù)國際能源署的研究，中國將會成為繼俄羅斯、德國之后分布式能源占比最高的國家，預(yù)計2030年可達到28%。此外，經(jīng)過國內(nèi)外分布式能源的發(fā)展實踐，已逐漸出現(xiàn)了一種分布式能源利用系統(tǒng)，它基于常規(guī)分布式能源技術(shù)，耦合了環(huán)境勢能、可再生能源、常規(guī)能源系統(tǒng)、新型區(qū)域綜合能源規(guī)劃、智能電網(wǎng)和智能通信控制技術(shù)等[23]，構(gòu)成了一種新型能源分布系統(tǒng)，可以達到更好的環(huán)境、環(huán)境和經(jīng)濟效益的統(tǒng)一。隨著國家對電網(wǎng)安全、環(huán)境保護的日益重視和天然氣、頁巖氣、可燃冰等勘探量、產(chǎn)量的不斷提高，天然氣分布式能源在我國必然有更為廣闊的前景[24-25]。