发展天然气分布式能源优化山东电力能源结构的思考

郝龙俊

（国网能源开发有限公司，北京 100033）

1 天然气分布式能源简介

天然气分布式能源是指天然气为燃料、临近负荷、面向用户的电能生产以及在此基础上建立了热电冷三联供能源综合利用系统，通常认为，单机容量不超过50 MW。与传统集中的大电源、大电网相比，天然气分布式能源具有配置灵活、清洁高效、可靠稳定等优势，近些年随着对环境保护、供电安全的要求不断提升，天然气分布式能源在世界各国得到了广泛的发展。

美国的分布式能源起步较早，自1978年起就开始积极提倡发展小型热电联产系统，并一直努力发展洁净、高效、可靠，用户能够负担的分布式能源。根据有关资料，到2002年，美国分布式能源供应站已达到近6 000座，其中一半以上分布式能源与电网连接，部分分布式能源在电网供电中断时起备用作用。日本能源资源极度贫乏，石油对外依存度超过90%，天然气接近80%，煤炭接近100%。因此，日本非常重视节能工作，对节能系统的研究也十分深入，其中以天然气分布式能源系统发展最快，应用领域最为广泛。2000年，日本全国共有热电冷三联供项目1 413个，总装机容量2 212 MW，其中工业天然气分布式能源项目1 002个，总装机容量1 734 MW。目前，日本正积极推动采用小型燃气轮机、燃气内燃机和微型燃气轮机的楼宇式分布式能源项目的发展。

我国天然气分布式能源的发展刚刚起步，目前仅有北京燃气大楼、上海浦东国际机场、广州大学城等少量示范项目。根据2011年国家能源局联合四部委发布的《关于发展天然气分布式能源的指导意见》（发改能源［2011］2196 号），“十二五”期间，我国将大力发展天然气分布式能源，建设1 000个左右天然气分布式能源项目，规划到2020年，总装机容量达到5 000万kW，初步实现分布式能源装备的产业化。

天然气分布式能源系统由前端的发电装置和后端的余热回装置组成，采用温度对口、品质耦合的方式将高温热源用于产生高品质的电能，低温余热回收提供蒸汽、热水以及满足制冷需求，实现能量的梯级综合利用，能源综合利用效率可超过70%。应用于天然气分布式能源的发电装置主要有燃气轮机、燃气内燃机、微燃机以及燃料电池等，余热回收装置则包括余热锅炉、吸收式制冷机和配套的蓄能、除湿装置等，系统主要设备形式如图1所示。

图1 天然气分布式能源系统主要设备形式

采用不同发电装置的天然气分布式能源系统具有不同的运行与配置特性，其主要特性如表1所示。燃气轮机适用于较大型的天然气分布式能源系统，燃气内燃机更适用于小型的天然气分布式能源系统，采用微型燃气轮机和燃料电池的天然气分布式能源系统刚刚投入商业运行不久，其具有结构紧凑、循环效率高等优点，正不断得到更为广泛的应用。

表1 天然气分布式能源系统几种主要发电设备情况

2 山东电力能源结构现状

2.1 以煤为主为的电力能源结构

山东省是我国经济、工业大省，经济总量一直居于我国各省、市、自治区前列。随着经济的高速发展，山东能源生产与消费也呈快速增长趋势，据统计，2010年，山东一次能源消费总量达到了3.7亿t标准煤，其中约67.5%用于电力生产。2010年，山东电力消费约为3 300亿kWh，居全国各省、市、自治区的第三位，其中工业消费为2 555亿kWh，占总消费量的78%。山东电力以火电为主，总装机容量约为6 250万kW，其中火电装机为6 000万kW，占总装机规模的96%，2010年发电总量约为3 100亿kWh，其中火电发电量为3 060亿kWh，占发电总量的99%。

2.2 中小型火电机组比例偏高

山东火电装机中，中小型机组数量众多，比例偏高。据统计，2010年，山东省共有火电机组1 030台，总容量约5 800万kW，其中，30万kW（不含）以下的中小型机组总装机容量约2 600万kW，占全省总装机容量的45%，10万kW及以下的中小型机组总容量约1 400万kW，占全省总装机容量的24%。

2.3 热电联产机组居于重要地位

山东火电装机中，热电联产机组居于重要地位，占有相当比重。据统计，2010年，山东热电联产机组装机规模约3100万kW，占全省总装机容量的54%，供热量4.7亿GJ，供热面积3.2亿m2，占全省供热量的84%和集中供热面积的63%，是山东集中供热的主要形式。而其中，中小型热电机组比例较高，据统计，2010年，山东省30万kW（不含）以下的热电机组装机容量约1 600万kW，10万kW及以下的中小热电机组装机容量1 300万kW，供电、供热煤耗较高。

3 积极发展分布式能源是优化山东电力能源结构的有效途径

3.1 山东省面临严峻的节能减排形势

以煤为主的电力能源结构在支撑山东经济发展的同时，也带来严重的节能环保压力。根据国务院公布的《“十二五”节能减排综合工作方案》，2010年，山东SO2和NOX排放量分别为188.1万t和174.0万t，均居全国各省市自治区首位；在“十二五”期间，山东需将SO2和NOX排放量分别控制到160.1和146.0万t，削减比例分别14.9%和16.1%，节能减排形势严峻。

中小机组比例偏高的电源结构加大了山东节能减排的难度，根据国家环保总局公布的数据，2011年1至6月，山东SO2排放总量为92.64万t，比 2010年同期（94.06万 t）减少1.50%，削减幅度落后于全国平均的1.74%，NOX排放总量为90.45万t，比2010年同期（87.00万t）增长3.97%。 据统计，2010年，山东大量中小型机组（10万kW及以下）的供电平均煤耗达到了388 g/kWh，远远超过全国335 g/kWh的平均煤耗，有40%的热电企业供热煤耗超过40 kg/GJ，亟需通过优化能源结构的方式，改善各类污染物排放现状，促进能源利用效率的提升。

3.2 天然气供应状况积极改善

目前，山东天然气利用水平仍然较低，2010年，山东天然气消费量约47亿m3，不到山东一次能源消费总量的1%，远低于全国3%的平均水平。根据山东天然气“十二五”规划的要求，“十二五”期间，山东将建成“六纵四横、两环一库、三局域网四气源”的天然气供应体系，以西部气田气和东部油田气为主供气源，以调入LNG和近海气为辅助气源，全省天然气供应量到2015年将达到137亿m3，2020年达到205亿m3，天然气供应格局将得到有力改善，为天然气利用奠定了良好的基础。

3.3 热电联产基础良好

分布式能源系统通过热电冷供应的匹配，实现能源的综合利用，这就要求系统供能范围内具有对应的热电冷负荷。山东具有良好的热电联产基础，区域热电冷负荷集中，据统计，全省自备热电机组总装机容量616万kW，供热量1.89亿GJ。其中大部分机组为20万kW以下的中小型机组，供电、供热煤耗均较高，利用分布式能源系统对部分机组实现替代，可充分利用原有管网资源，在保证原有热电供给的同时，实现能源的综合利用和各项污染物排放的减少。同时，山东正在不断提高集中供热普及范围，规划到“十二五”末实现50%的供热普及率。而与之相矛盾的是城市内建设大型燃煤供热机组的难度加大，征地、环保、管网建设均面临压力，而分布式能源系统就近灵活布置的特点正式解决这一问题的有效途径。

3.4 建设分布式能源系统将带来良好的节能减排效益

天然气分布式能源系统在实现能源综合利用的同时，具有良好的节能减排效益，如表2所示，相比传统的燃煤发电形式，天然气分布式能源系统可减少50%以上的CO2、几乎100%的SO2和70%的NOX排放，几乎没有固体废弃物和废水的排放。同时，由于分布式能源系统靠近用户侧的布置特点，可进一步减少电能在输送、配置过程中的损耗，提高能源终端利用效率。

表2 天然气分布式能源系统污染物排放情况

根据天然气分布式能源系统热电冷匹配的特性，系统全年热电比一般为0.5～2，以热电比为1计算节能减排效果，根据以热定电的原则建设分布式能源系统。目前，山东装机容量在10万kW及以下热电机组的供热量约为3.88亿GJ，分别考虑替代10%、20%与30%供热量的天然气分布式能源系统建设方案，节能减排效益如表3所示。以替代20%供热量的建设方案为例，将每年减少CO2排放1 371.4 万 t，SO2排放 3.3 万 t，NOX排放 2.9 万 t，以2010年山东污染物排放情况计算，SO2与NOX的削减量将分别达到 《“十二五”节能减排综合工作方案》中要求削减总量的12%和10%，带来良好的节能减排效益。

表3 建设天然气分布式能源系统的节能减排效益

4 结语

天然气分布式能源系统具有清洁、高效、环保的特点，通过高温发电、低温供热、制冷的方式实现能源的梯级综合利用，能源综合利用效率可超过70%，相比传统燃煤发电，可减少50%以上的CO2、几乎100%的SO2和70%的NOX排放。

山东以煤为主的电力能源结构面临严峻的节能环保压力，目前，中小机组比例偏高的现状更加大了节能减排的难度。随着天然气供应格局的改善，积极建设分布式能源系统可带来良好的节能减排效益。以替代目前20%的小型热电机组供热量为基础，“以热定电”建设分布式能源系统，可每年减少 CO2排放 1 371.4 万 t，SO2排放 3.3 万 t，NOX排放 2.9 万 t。