基于区域能源场景的燃气分布式供能系统减排实绩分析

潘军松

上海申能能源服务有限公司

0 前言

天然气作为低碳、高效、安全的清洁能源是促进经济增长、社会和环境可持续发展的重要物质基础，在低碳经济时代，燃气分布式供能作为最高效的天然气利用，在上海得到了快速发展。2020 年9 月，国家提出了“3060”双碳目标，力争CO2排放在2030 年前达到峰值，2060 年前实现碳中和。从碳减排国际经验来看，天然气将是我国碳中和行动中长期与零碳能源相伴的低碳能源。碳达峰阶段天然气的主要作用是减污降碳，碳中和阶段是与可再生能源深度融合，成为可再生能源的有益补充，因此在今后较长时期内，天然气分布式发电仍具有较大的发展空间。

本文基于区域能源中心燃气分布式供能年度运行实绩，分析其与传统能源相比节能减排效果，实证天然气分布式能源在城市能源领域应用推广的重要作用，并对运行优化和控制指标提出了建议。

1 区域能源概况

1)能源中心概况

某能源中心设计供冷140 MW，供热102 MW，采用分布式供能与传统供能相结合的方式，由8 套发电能力为1.4 MW 的分布式供能系统为基本负荷设备，同时配置离心制冷机和锅炉、12 000 m3的大型蓄冷水槽作调峰运行。目前该能源中心已连续运行8 年，在实现节能减排的同时提高了能源中心供能的可靠性、安全性和经济性。图1 为分布式供能系统图。

图1 分布式供能系统图

2) 运行模式

为提高分布式供能的节能性和经济性，余热运行始终采用制热优先的模式。各个时段的运行模式如下：

冬季热负荷需求大于分布式系统制热能力时，分布式系统制热模式优先，燃气锅炉调节需求缺口，冷需求由离心机提供。

夏季冷负荷需求大于分布式系统制冷能力时，分布式系统制热模式优先，多余部分投入制冷模式（通过台数调节），并使用离心机协同供能。

过渡季为用能低谷时段，分布式系统供热模式优先，多余制冷，不足部分由锅炉和离心制冷机提供。

3)年度运行

全年能源中心产冷量147 765 MWh，产热量895 68 MWh，外购气 量2 002 万m3，外 购电 量22 230 MWh，分布式系统上网电量31 733 MWh，净购电量-4 973 MWh，其中，分布式供能系统全年用气量153 万m3，发电量5 983 MWh,上网电量31 733 MWh，自用电量18 909 MWh（含系统自耗，电制冷及其他站内用电）；分布式系统余热制热量32 445 MWh，制冷量21 548 MWh。

分布式系统分月运行数据见表1。

表1 分布式系统分月运行数据

2 运行实绩分析

1)运行效率分析

系统年度机组运行发电效率为39.7%，热效率42.3%，总效率81.9%，自耗电率9.68%，年度热电比1.07。供热模式运行总效率明显高于制冷模式，5月到10月总效率平均为79.2%，11月到次年4月84.3%。

自用电率与产冷占比呈明显相关性：5 月到10月主要为制冷模式，产冷量占比高（平均77.3%），自耗电率也高，平均16.4%；11月到次年4月主要为供热模式，平均产热率95.3%，自耗电率6.2%。制冷模式自耗率高的主要原因是在制冷工况下系统辅机耗电量也高，相比制热模式增加了冷却风机和水泵。

机组总效率只能体现机组运行的性能，并不能反映系统的真实有效输出，因此引入了输出效率的概念。输出效率为扣除自耗电后冷、热、电有效输出占总输入能量的百分比。项目年度平均为78.14%，其中5-10 月为72.9%，11 月到次年4 月81.9%，明显地体现了制冷模式和制热模式的效率差异。分布式系统分月输出效率见表2。

表2 分布式系统分月输出效率

2)系统节能分析

对分布式系统而言，输入的能源为天然气，输出有冷、热量和电力，系统发电有效输出为上网电量和用于站内电制冷及其他电量，冷、热量仅计算联供余热系统产生的转换量。将有效电、热、冷量产出按现行的能源折标系数计算总的替代能耗，节能量计算公式为：

节能量标煤=有效产出的替代能耗折算标煤-天然气折标煤

节能率=节能量/有效产出的替代能耗折算标煤

余热系统产热量按燃气锅炉93%的效率折算为天然气耗量，输出冷量按电制冷COP 的5 折折算成电耗量，天然气热值取34 MJ/Nm3（上海实际计量数据：20 ℃时1 个标准大气压下的参数），折标系数取11.6 tce/万m3，电力折标系数取2.8 tce/万kWh。

分布式系统分月度节能量分析见表3。

表3 分布式系统分月度节能量分析（tce）

从表2、3 可知，该分布式系统全年产热约为余热量的60%，自耗电量占发电量的9.68%，年度节能量为2 622 tce，节能率14.3%。

从数据分析可看出,制热模式主导时段（11 月到次年4月），节能率平均为20.8%，全供热模式（产热比100%）节能率超过27%，但在制冷模式主导时段（6月-10月），平均产热比15%，节能率负值。

制冷模式下虽采用了高效离心制冷机制冷，但由于近年来电厂发电效率的提高及可再生能源的增加，电力折标系数和余热制冷替代折标量大幅下降，此外分布式制冷增加了冷却系统，自耗电增加，使有效输出进一步降低，出现了不节能的现象。

3)CO2减排分析

在分布式系统中，实际排放量是天然气燃烧做功后的排放，生产输出的有效冷、热、电量均按替代排放量计算（即为获得等量的电、热、冷的隐含排放量），系统减排量即为隐含排放量与实际排放量之差。

减排量=有效冷热电的替代排放量-天然气的排放量

减排率=减排量/有效冷热电的替代排放量

有效冷、热量仅计算分布式系统中余热产生的转换量，其中制冷量折算成电制冷的电量，有效电量为上网电量加上除自耗电以外的自用电（即上网电量与用于电制冷和其他用电量之和）。

参考《中国建筑节能年度发展研究报告——公共建筑运行阶段碳减排核算方法》【1】（天然气1.65 tCO2/tce、热值34 MJ/Nm3），天然气的排放因子取19.14 tCO2/万Nm3。

热量排放因子按燃气锅炉消耗的等量天然气排放计算，锅炉效率取93%，单位热量排放计算为：19.14 t/（34×10×0.93）GJ=0.06 t/GJ。

电力排放因子逐年变化，因各地区电网情况不同。根据生态环境部《关于做好2023-2025年发电行业企业温室气体排放报告管理有关工作的通知》【2】，2022年度全国电网平均排放因子为0.570 3 tCO2/MWh。

2022年上海市生态环境局下发了《关于调整本市温室气体排放核算指南相关排放因子数值的通知》【3】，确定电力排放因子为0.42 tCO2/MWh、热力0.06 tCO2/GJ，热力排放因子的取值与天然气锅炉供热折算值一致。本文分别按全国电网平均排放因子0.570 3 tCO2/MWh 和上海电力排放因子0.42 tCO2/MWh 计算CO2排放量，见表4 和表5。

表4 CO2减排分析——基于全国电力排放因子

表5 CO2减排分析——基于上海电力排放因子

按全国电力排放因子计算，有效产出替换量为35 550 t，年度减排量9 672 t，减排率27.2%；按上海电力排放因子计算，有效产出替换量28 033 t，年度减排量2 156 t,全年分布式系统排放量25 877 t，减排率7.7%。

年度数据分析表明，分布式系统减排效果明显。由于各地电网情况不一样，以下分析仅基于上海电力因子排放值。

同节能量分析一样，按上海电力排放因子计算，夏季（5-10 月）出现了不减排现象，主要是夏季模式下余热用于制冷，制冷的等效排放量也是折算成电力计算，因此在系统中的有效产出主要替代量实质上是替代等量电力的排放。

上海电网的电力相当一部分来源是煤电，其排放不仅仅只有CO2，还有SO2、烟尘等，因此即使在制冷模式下，分布式系统仍具有煤电无法比拟的环保性。系统节能减排主要参数汇总见表6。

表6 系统节能减排主要参数汇总

3 系统运行优化

对分布式系统而言，自耗电、余热供热占比是影响系统效率和减排率的重要因素。表7针对不同的自耗电、余热供热占比进行了计算,显示其变动对节能减排的影响。

表7 自耗电、供热占比与减排的关系

通过对不同自耗电和供热占比的计算，可知在供热占比50%以上、自耗电10%以下时，节能率和减排率为最优。供热占比每提高1%，CO2减排量增加72 t，减排率提升0.28%；自耗电每降低1%，CO2减排量增加212 t，减排率提升0.82%,此外供热占比的提高减少了制冷运行时间和制冷量，降低了自耗电比例，节能减排成效更加显著。

因此优化运行主要要提高供热占比，措施包括小时负荷转移、跨季节负荷转移和负荷站外转移。

1)小时负荷转移

通过对全站运行数据分析，发现供热季仍有部分余热用于制冷，制冷季燃气锅炉有时也运行，如将这两部分热量转为余热制热供应，全年可增加供热4 050 MWh，提高余热占比7.5%,按制冷转供热自耗电减少10%计算，可减少自耗电370 MWh,全年减少自耗电率0.75%，综合计算全年可增加减排量约700 tCO2，减排率提升2.7%。这部分供热比的提升主要是在小时负荷运行层面的优化，可以在系统中合理引入储热系统，实现小时负荷的转移和调节。

2)跨季节和站外热负荷转移

制冷季由于热负荷总体需求较小，绝大部分余热用于制冷，故需研究跨季节的储热设施或将余热通过移动储热设施转移至周边需要供热的客户。

3)自耗电率管理

日常运行中进一步优化辅机系统，如对辅机系统进行变频改造等，以降低自耗电率。

4)节能减排目标控制

为简便日常运行管理，可以设定减排率目标。根据不同季节、不同时段的运行特性，绘制过渡季、制冷季、供热季、月度、日运行的控制基准曲线，通过监控和调节达到减排目标。图2 是控制目标为减排10%的控制图，运行线右下方为运行达标区，表明可以减排10%以上，运行线左上方则是不达标区。

图2 减排目标控制图

4 总结和展望

上述分析表明，即使在普遍使用清洁能源的城市，天然气分布式供能仍具有显著的节能减排优势。本文所分析的系统在大型区域供能场景中的应用，年度运行节能率超过14%，基于上海电力超低排放因子仍有7.7%的CO2减排率，优化运行后减排率有望超10%，全供热模式下可达18%以上。由此可见，天然气分布式供能在城市建筑领域中仍将有较大的发展空间，在实现“双碳”目标进程中发挥积极作用。