国际分布式供能系统在工业领域的发展及启示

本刊特约记者 苏 毅

工业领域的不少企业存在的高能耗和高污染一直是我国实现可持续发展和保障能源安全的重要难题之一。2 0 1 2年，工业能耗占全国能源消费总量的7 3%，而工业G D P的比重仅为4 0%。燃煤工业锅炉作为工业生产的重要装备，其消耗的煤炭约占煤炭总消耗量的四分之一，大部分锅炉设备老旧、效率低下、由此造成严重的能源浪费和环境污染问题。为此，我国《工业节能十二五规划》要求到2 0 1 5年规模以上工业增加值能耗比2 0 1 0年下降2 1%左右，十二五期间实现节能6.7亿吨标准煤。上海市要求在2 0 1 5年前所有分散燃煤锅炉全部以清洁能源替代。这意味着工业领域的能源生产将发生深刻的变化，以天然气为燃料的分布式供能系统面临一个新的发展机遇期。

1 分布式供能系统概述

分布式供能是相对于单独集中式能量系统而言，小型的，孤立的或与配电网联系较小的，不以远距离能量输送为主要目的的能量系统。分布式供能系统主要包括燃料供应、燃烧发电设备、余热利用设备和其他辅助设备等。如图1所示，燃气发电设备主要有内燃机、燃气轮机、外燃机和燃料电池等。燃烧设备产生的电力主要通过区域电网供用户使用，也可在负荷较低时向公用电网传输。余热利用设备将燃烧设备的高温废气及冷却水根据用户需要转化为蒸汽、热水和冷风等，用于生产、供热及制冷。

图1 分布式供能系统基本构成

分布式供能系统的能量利用率超过7 0%，远远高于传统的集中供能系统；分布式供能用户就在发电设备附近，节约了电力输配成本；分布式供能的建设周期短，节约投资；采用燃气轮机的分布式供能系统比燃气锅炉节省能源成本约4 3%，相应C O2排放也大幅降低。

2 国外工业分布式供能系统的发展概况

（1）日本

日本分布式供能起步较早，发展时间较长。截止2 0 1 2年，分布式供能原动机数量达到1 3 2 9 8台，平均装机容量7 0 7 k W/台，总装机容量为9 4 0 2 MW。其中工业用原动机4 1 4 1台，装机容量7 4 0 2 MW，占总装机容量的7 8.7%。工业用燃气轮机的装机容量为总装机容量的4 8%。工业用户主要为化工、制药、橡胶以及机械、能源和电子电气等领域（参见图2）。

图2 日本分布式供能用户分布状况（以发电量为基准）

日本政府对分布式供能项目的政策扶植力度非常大。符合条件的项目可以获得占投资总额的1/3至1/2的投资补贴，经投资补贴后，投资回收期大幅缩短。除此之外，业主建设分布式供能项目还可享受减免税收以及专项基金补助，因此大大提高了业主建设分布式供能项目的积极性。

图3 日本典型工业分布式供能系统

日本典型工业分布式供能系统——大型造纸厂（图3）。系统采用一台日本川崎G P C 7 0（7 MW）燃气轮机，以天然气为燃料，附带补燃装置，采用燃气蒸汽联合循环发电，同时向用户提供电力和蒸汽。

（2）美国

美国的分布式供能系统自上世纪7 0年代起开始大规模建设，截止2 0 1 3年初，全美C H P（热电联产）装机容量为8 2 G W，共4 2 0 0个项目，约占全美发电机组总装机的9%。其中7 1%采用天然气为燃料，占天然气总供应量的1 8%。计划到2 0 3 0年实现分布式能源装机占全美发电机组总装机的2 0%，预计约2.4亿k W。

美国的C H P项目主要应用于工业领域，且增速较快（图4）。其中应用最多的是化工、精炼和造纸等领域（图5）。

图4 CHP在美国工业和商业领域的增长趋势

图5 CHP在美国不同领域的分布

对于美国现有的工业、商业、公用设施而言，C H P的技术性增量约为1 3 0 G W，9 5%的项目规模小于1 0 0 MW。其中5 0%为工业应用，5 0%为商业和公用设施应用。

在技术应用方面，美国分布式供能约5 0%采用燃气蒸汽联合循环，3 4%采用锅炉直接燃烧配合蒸汽轮机发电，1 3%直接采用燃气轮机燃烧，仅3%采用内燃机等往复式发动机（图6）。

美国典型分布式供能系统——加州尔湾制药厂（图7）。采用两台美国索拉公司半人马 4 0（3.5～4.6 MW）燃气轮机。余热锅炉配有管道补燃器。饱和蒸汽压力6 8 2 k P a，蒸汽流量8 1 6 5～1 8 1 4 4 k g/h r，系统效率7 2%。

图6 美国热电联产采用的技术（根据装机容量）

图7 美国加州尓湾制药厂CHP

（3）德国

德国2 0 1 0年分布式供能系统的总装机容量为2 3.2 G W，C H P发电量占德国总发电量的1 5.4%，预计2 0 2 0年德国C H P的发电量将达到2 5%。在所有C H P项目中，工业C H P项目约占4 3.1%。

德国C H P项目所使用的燃料较为广泛。以发电和供热为目标的C H P项目主要采用煤为燃料；工业用C H P天然气使用比例最高，为4 1%，其次为生物质3 4%，煤2 5%；小型户用C H P燃料主要以生物质为主，占比7 3%，其余为天然气和油（图8）。

图8 德国CHP使用的燃料占比

德国国内在C H P方面的激励政策法规主要有2 0 1 2C H P法规、生态环境税收法、再生能源法、再生热能法、建筑节能规范、欧盟排放贸易法规等。2 0 1 2年德国政府又在2 0 0 9版的基础上补充完善了新的C H P激励法规,主要是为了满足2 0 2 0年的目标,进一步在法律层面加大支持。法规进一步优化提高了C H P电价的激励费用；进一步明确了C H P电力和热力优先进网的措施；进一步提高了热管网建设的补贴费用；首次增加了热能贮备方面的补贴费用。在这些政策激励下，德国的分布式供能得到快速发展。

图9 德国奔驰汽车工厂CHP

德国典型分布式供能系统——奔驰汽车工厂C H P（图9）。奔驰汽车工厂燃气轮机C H P电站采用德国MT U o n s i t ee n e r g y公司的燃气轮机，电力输出为3 0 MW，热力输出为4 2 MW。废气锅炉产生蒸气1 0 0 t/h，高压用于发电，低压用于生产。总投资约3 0 0 0万欧元，包括1 0万h的维护保养，每年计划运行8 0 0 0 h，电站的噪音<8 0 d b。

3 国外CHP与我国分布式供能系统的异同

国外C H P与我国分布式供能的基本概念相同，即以热定电、热电联产、梯级利用，能源综合利用率最大化，不低于7 0%。分布式供能系统的选址与用户紧临。产生的热和电就地消费、能源输送损失最小化。

但是与国内相比，国外C H P起步较早，发展历史较长。从日本、美国和德国的情况来看，分布式供能系统的发电量已经接近或超过国内总发电量的1 0%。德国更提出了2 0 2 0年实现占比达到2 5%的目标。而我国分布式供能起步较晚，目前装机容量不足总装机容量的1%。国外对C H P的内涵更加广泛，包括了燃煤机组热电联产、燃气蒸汽联合循环，国内分布式供能主要指燃气热电联产。国外的C H P包含1 0 0 MW以上的机组，而国内目前分布式供能指1 0 MW以下的机组。

目前国外工业领域C H P的发展较为成熟，广泛应用于化工、钢铁、食品、大型制造业等领域。美国、日本、澳大利亚等国工业C H P的装机容量超过分布式供能总装机容量的8 0%。由于工业C H P的年运行时间较长，容量较大，因此投资回收期短，经济效益较好。我国工业领域的分布式供能尚未形成规模，长期以来主要以小型燃煤锅炉，少量燃气和燃油锅炉生产供热，能耗较高，污染问题十分严重。

4 上海市工业领域发展分布式供能面临的机遇

目前国家对节能减排的政策支持和行政强制措施力度不断加大，为天然气分布式供能的发展创造了良好的条件。另一方面上海市目前已经形成了较稳定的天然气气源，并且制定和完善了天然气定价规则，加大了分布式供能系统的用气和设备购置补贴，为本市实施分布式供能系统的建设提供了保障。

上海市对于分布式能源的需求强烈。根据2 0 0 9年热电联产规划研究课题估计，上海市有集中供热2 0 0 0 MW的需求，但目前尚不足8 0 0 Mw。另外，上海市尚有2 0 0 0多台分散燃煤锅炉，年消耗煤炭量3 0 0多万t。这些锅炉将于2 0 1 5年前完成清洁能源改造或者调整关停。燃煤集中供热将于2 0 1 7年前完成清洁能源改造。

政策条件和市场需求显示，上海市发展燃气分布式供能的潜力巨大。

5 上海市工业领域发展分布式供能的建议

分布式供能热电联产，系统能源利用效率高，在供热的同时生产电力，比燃气锅炉的经济效益好，但是投资较大，并不适用于所有的工业企业。

按照环境效益和企业经济效益相统一的观点看：容量较小且断续供热的用户，可以考虑使用电锅炉；容量较大且断续供热的用户，可以考虑使用燃气锅炉；容量较大且连续供热的用户，适宜使用燃气分布式供能。具体来说，满足以下条件的企业才能够实现节能和经济效益“双赢”：

（1）企业不违背本市产业发展方向的；

（2）年供热超过4 0 0 0 h（一般为二班制或三班制），热负荷平稳连续的；

（3）具备燃气和电网接入条件的；

（4）厂区内具有安装场地的。

为了加快推进上海市工业领域分布式供能的发展，建议在2 0 1 5年前，选择5 0家企业，示范建设分布式供能。估计容量可达2 5 0 MW左右，每年可压减燃煤量约1 0 0万t，改建为分布式供能后的年节能量超过2 0万t标准煤，减排C O 2约4 5万t。总投资约2 5亿元，投资内部回报率可以达到8.5%。只要做好前期的相关工作，实施分布式供能的企业就可能既降低能耗，又提高经济效益。

6 总结

分布式供能技术能源效率高，减排效果显著，经济效益好。发展分布式供能技术是实现我国工业领域节能减排的重要途径之一。国外工业领域的分布式供能技术发展较成熟，取得了良好的节能效益、环境效益和经济效益，对于我国发展工业分布式供能技术提供了良好的借鉴意义。上海市具有良好政策条件和市场条件，燃气分布式供能系统发展潜力巨大。但是以往的经验发现盲目上马分布式供能项目非但不能节能反而造成资源和资金浪费。本文建议能源需求量大，连续供热超过4 0 0 0 h/a，热负荷平稳并具备燃气电网接入条件的工业企业实施燃气分布式供能项目。建议在2 0 1 5年前，选择5 0家具有代表性的企业，建设分布式供能示范工程，促进上海市推广和应用工业分布式供能系统。