力發(fā)展分布式能源系統(tǒng)
分布式能源系統(tǒng)(Distributed Energy System,簡稱DES)是在有限區(qū)域內(nèi)采用熱電冷三聯(lián)供技術(shù)通過管網(wǎng)和電纜向用戶同時提供電力、蒸汽、熱水和空調(diào)用冷凍水服務(wù)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)。目前國外擁有的上萬個分布式能源站,絕大多數(shù)使用天然氣作為主要驅(qū)動能源。能源利用效率高于聯(lián)合循環(huán)電廠,可以達(dá)到80%左右或更高。
作為天然氣下游市場的重要用戶,分布式能源站因能源利用效率高、資金密集度相對較低、建設(shè)快,因而容易上馬;并且經(jīng)濟(jì)效益好,投資回收期短,終端能量價格也低。例如建設(shè)中的100 MW廣州大學(xué)城DES計劃向用戶供應(yīng)電、空調(diào)冷水和生活熱水等,價格都比市場價低5%~10%。不論是我國北方還是南方,都有發(fā)展DES熱電聯(lián)供的極好條件,技術(shù)成熟;因而分布式能源是天然氣市場的最好的開拓、培育者。
分布式能源站的另一個重要特點是發(fā)電在區(qū)域內(nèi)直供,聯(lián)網(wǎng)但不上網(wǎng)銷售,依靠大電網(wǎng)的巨大容量保證用戶的供電負(fù)荷、電壓和頻率的穩(wěn)定并可作為事故備用電源。而對于大電網(wǎng)來說,分布式能源站不僅減少了它的供電負(fù)擔(dān),而且也減少了用電制冷空調(diào)、加熱熱水的負(fù)荷。換句話說,天然氣在聯(lián)合循環(huán)電廠只能以50%的效率發(fā)電上網(wǎng),而用于分布式能源站,則可以近100%的效率節(jié)省網(wǎng)電!由于分布式能源站近距離直供和聯(lián)產(chǎn)的高效率,總體的投資和運行效益都優(yōu)于建設(shè)大電廠和電網(wǎng)。特別是在我國電力持續(xù)緊張的近一段時期,作為一個重大策略,在未來10~20年內(nèi)在全國建設(shè)數(shù)十吉瓦的分布式能源系統(tǒng)來代替同等規(guī)模的電廠和電網(wǎng),將凸現(xiàn)出以下重大效果:①節(jié)約數(shù)十吉伏安的110 kV以上高壓電網(wǎng)和110~10 kV的變電站建設(shè)費用;②節(jié)省數(shù)十吉瓦電力上網(wǎng)的輸送損耗和調(diào)度費用,從而降低輸配電成本;③分布式能源站以冷熱電聯(lián)產(chǎn)形式每年高效利用數(shù)千萬噸的天然氣,有數(shù)以百億元計的社會經(jīng)濟(jì)效益;④分布式能源站比大型發(fā)電廠投資少、效益好、建設(shè)快,設(shè)備開工時間長;⑤分布式能源站以大電網(wǎng)作為后備補(bǔ)充,用電可靠性高。同時大電網(wǎng)負(fù)擔(dān)減小,可靠性也得以改善;⑥帶動燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、大型制冷機(jī)等制造業(yè)的發(fā)展,每年增加數(shù)千億元的GDP;以上各項總的社會經(jīng)濟(jì)效益將達(dá)上千億元。
我國可以建設(shè)的分布式能源系統(tǒng)有下幾種類型。
(1)離散和過程工業(yè)園區(qū)熱電聯(lián)供分布式能源站
我國東部沿海地區(qū)工業(yè)發(fā)達(dá)、人口稠密,為滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求,建起了大大小小的燃煤、燃油鍋爐和小型燃油發(fā)電機(jī)組,不僅能源效率低下,導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染,還加重了用戶經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。這些用戶多半需要供暖或供冷,也需要熱水和蒸汽。若集中起來建立天然氣DES,用燃?xì)廨啓C(jī)或柴油機(jī)發(fā)電的同時聯(lián)產(chǎn)蒸汽和熱水,可以大大提高能量利用效率,降低工廠的能量成本。
已有的小型柴油機(jī)電站和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電站,也可以改造為熱電冷三聯(lián)產(chǎn)DES,向附近的工廠或民居區(qū)供熱、冷或蒸汽,停開原來工廠燒油的小鍋爐,頂替出寶貴的柴油和燃料油,并達(dá)到改善環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。
(2)城市中心商業(yè)區(qū)—機(jī)關(guān)團(tuán)體型分布式能源站
城市中心商業(yè)區(qū)和機(jī)關(guān)團(tuán)體建筑物空調(diào)和采暖負(fù)荷最大、用電價格最高,并且是夏季電網(wǎng)高峰負(fù)荷的大戶。采用DES聯(lián)供熱、電、冷,不僅有著最好的投資回報,而且對電網(wǎng)削峰和天然氣調(diào)峰都有益。美國能源部計劃到2020年時將有一半以上的新建辦公或商用建筑采用熱電冷三聯(lián)產(chǎn),同時將有15%的現(xiàn)有建筑改用熱電冷三聯(lián)產(chǎn)。
(3)城鎮(zhèn)和居民小區(qū)分布式能源站
我國南、北方情況有所不同:南方以空調(diào)為主,北方兼有采暖和空調(diào)及生活熱水供應(yīng)負(fù)荷。在環(huán)境污染壓力下,原來燃煤鍋爐改用天然氣,但同時會增加居民的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。而采用DES則可以一舉解決這一問題。
(4)聯(lián)合循環(huán)電站的聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃
聯(lián)合循環(huán)電站作為發(fā)達(dá)地區(qū)調(diào)峰電源和天然氣項目初期穩(wěn)定大用戶是不可避免的。值得探討的是在聯(lián)合循環(huán)電站選址時應(yīng)盡量考慮與較大型工業(yè)結(jié)合,聯(lián)供冷、熱、蒸汽。如在24小時連續(xù)生產(chǎn)的過程工業(yè)園區(qū),便可以改調(diào)峰電站為高效熱電冷聯(lián)產(chǎn)DES。在大城市新建的過程工業(yè)園區(qū)里不可能再燒煤,采用燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合循環(huán)加熱電聯(lián)產(chǎn)將是很重要的一種天然氣利用形式。如深圳月亮灣擬建180 MW機(jī)組與蛇口工業(yè)區(qū)及居民區(qū)的聯(lián)合,惠州乙烯下游工業(yè)園區(qū)與擬建的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的聯(lián)合等。
分布式能源系統(tǒng)在國外雖然早已普及,但是在國內(nèi)還是一個新的事物。在我國大規(guī)模推廣還需要政府在政策、規(guī)劃和宏觀調(diào)控方面大力扶持,才能健康發(fā)展。主要涉及下列問題〔2〕:①制訂扶持分布式能源和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策,分布式能源站的大力發(fā)展必將促進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、汽輪機(jī)等相關(guān)設(shè)備制造業(yè)的蓬勃發(fā)展,同時產(chǎn)生一批建設(shè)項目和運營商;②支持分布式能源按照市場機(jī)制在區(qū)域內(nèi)特許經(jīng)營,實行價格聽證制度,保護(hù)各方利益;③天然氣規(guī)劃中給分布式能源系統(tǒng)留出相應(yīng)的配額及適合壓力的管線路由,并提供與聯(lián)合循環(huán)電廠用氣類似的價格;④協(xié)調(diào)分布式能源與電網(wǎng)關(guān)系,切實保障二者之間的互利關(guān)系。
大力發(fā)展天然氣汽車
據(jù)我國環(huán)保部門提供的數(shù)據(jù),在北京、上海、廣州等大城市,機(jī)動車對CO、HC、NOx的貢獻(xiàn)率已經(jīng)超過50%,有的已達(dá)到90%以上。這意味著控制汽車排氣污染已經(jīng)成為十分急迫的問題。隨著國家清潔汽車行動步伐加快,用清潔燃料取代汽、柴油是燃料結(jié)構(gòu)調(diào)整的發(fā)展趨勢。
液化天然氣(LNG)是比汽油、柴油和LPG(液化石油氣)、CNG(壓縮天然氣)更潔凈的燃料,且具有價格低、充裝量大、行駛里程長等優(yōu)點。CNG雖然也是天然氣,但須用高壓容器,且充裝量小。與汽油相比,天然氣汽車尾氣中,CO減少97%,HC減少72%,NOx減少39%,CO2減少24%,SO2減少90%,汽車噪音亦可降低40%。開展天然氣,特別是LNG汽車的應(yīng)用研究,具有十分重要的意義。天然氣汽車與汽油汽車相比較,可節(jié)省燃料費用近一半。若將汽油車改裝為雙燃料汽車所需費用為4000~8000元/輛,正常運行情況下,一年時間即可收回改裝費用。
目前,我國汽車工業(yè)正面臨著進(jìn)入WTO以后的機(jī)遇和挑戰(zhàn),大力發(fā)展包括天然氣汽車在內(nèi)的清潔汽車技術(shù),實現(xiàn)我國汽車工業(yè)和天然氣工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)刻不容緩。為此應(yīng)加快研究、制訂天然氣汽車發(fā)展戰(zhàn)略,制定相關(guān)扶持政策:①研究天然氣發(fā)動機(jī)的制造、引進(jìn),加氣站的建設(shè),安全性保證等有關(guān)問題和對策;②研究借鑒國際成熟經(jīng)驗,制訂天然氣汽車發(fā)展計劃;③研究制訂交通能源的技術(shù)發(fā)展、規(guī)模預(yù)測、引導(dǎo)性策略和能源供應(yīng)對策,制訂相應(yīng)的鼓勵采用天然氣汽車的政策。
如果全國有100萬輛汽車改用天然氣,一年大約可以節(jié)約500多萬噸油料,節(jié)省約120億元的油料費和上億元的運費。由此可見,“油改氣”可以節(jié)約大量具有戰(zhàn)略意義的石油和巨款經(jīng)費。
罐廂運輸與天然氣管網(wǎng)協(xié)調(diào)配合
罐廂運輸與天然氣管網(wǎng)的協(xié)調(diào)配合應(yīng)當(dāng)作為天然氣市場培育和開拓的策略。大規(guī)模的天然氣供氣方式有兩種:管道輸氣;LNG船運或陸地罐廂運輸。管道輸氣的投資較大,適用于有穩(wěn)定氣源、氣量,向穩(wěn)定用戶長期供氣的場合。LNG罐廂地面機(jī)動運輸(汽車或火車)適用于從港口LNG接受站(或陸地小氣田L(fēng)NG液化廠)向新開發(fā)的、用量不穩(wěn)定的、較短途的用戶供氣。罐廂的外表是集裝箱,里面是緊湊安設(shè)的真空夾層合金材料絕熱容器;在0.3~0.5 MPa壓力下,LNG的飽和溫度是-139~-142℃。最近的應(yīng)用試驗表明,經(jīng)過夏天25天、8千多公里的長途運輸,容器內(nèi)的LNG壓力僅從0.3 MPa 升高到0.4 MPa,損失很?。〒?jù)圣達(dá)因公司《關(guān)于鐵道部、北方交大委托圣達(dá)因公司進(jìn)行LNG罐式集裝箱路試的匯報》,2003年)。如果運輸車的發(fā)動機(jī)采用天然氣為燃料,則可以完全沒有損失。上世紀(jì)末中原油田建成了15×104m3/d 天然氣液化裝置,用汽車罐廂向山東、江蘇、廣東等地供應(yīng)LNG。今年7月,新疆廣匯公司鄯善150×104m3/d液化裝置將要投產(chǎn);并用圣達(dá)因公司最新開發(fā)的25000 m3罐廂向福建和廣東供氣。按照路試結(jié)果測算,在1000公里運距內(nèi),每立方米天然氣的附加運輸成本小于0.35元。并且,LNG在使用地汽化時所產(chǎn)生的冷量,還可以利用。因此,對于新開發(fā)的、用量尚不穩(wěn)定的、較短途的用戶來說,罐廂運輸LNG要比管道供應(yīng)的天然氣便宜而且方式靈活??杀苊庖驓庠床蛔愣斐傻姆笤O(shè)管道投資積壓和高氣價的風(fēng)險;同時還可作為港口LNG進(jìn)出平衡的一個調(diào)節(jié)手段。特別是對于中小規(guī)模的用戶,可以保留幾個罐廂作為LNG緩沖儲罐。
對一個地區(qū)或城市來說,用罐廂運輸漸進(jìn)式開拓天然氣下游市場,極為經(jīng)濟(jì)合理。一旦這個地區(qū)或城市天然氣應(yīng)用達(dá)到一定規(guī)模,敷設(shè)管道的投資項目也就水到渠成了。所以,罐廂運輸與管網(wǎng)的協(xié)調(diào)配合是以LNG接受站為基地的天然氣市場最好的培育和開拓方式。
中原油田L(fēng)NG已經(jīng)通過汽車運輸?shù)綇V東龍門。新疆廣匯公司也將于2004年7月向廣東供應(yīng)LNG,并與深圳福田燃機(jī)電廠和深圳燃?xì)饧瘓F(tuán)公司達(dá)成了戰(zhàn)略合作協(xié)議。汽車罐廂運輸不僅能夠向沒有管道地區(qū)供應(yīng)天然氣,而且可以為天然氣管道運輸公司開拓和培育市場、逐步延伸管網(wǎng)及服務(wù)范圍,因此是天然氣用戶市場的培育者和開拓者,是管網(wǎng)運輸?shù)幕锇楹烷_路先鋒。
發(fā)展LNG汽車罐廂運輸也應(yīng)是我國天然氣規(guī)劃的一個重要內(nèi)容,包括:①開展LNG汽車罐廂運輸?shù)募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)分析,降低輸送成本;②研究罐廂LNG市場開拓運作模式;研究制定總體輸送戰(zhàn)略方案;③支持、培育LNG汽車罐廂運輸企業(yè)成長;④在加快天然氣資源開發(fā)利用的同時發(fā)展LNG工業(yè),對拉動運輸業(yè)、制造業(yè)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,促進(jìn)深冷科技水平的提高,都將發(fā)揮重要的作用,最終將成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長點。
加快發(fā)展以天然氣為主的城市煤氣
隨著天然氣的引進(jìn)與開發(fā),其大規(guī)模應(yīng)用于城市煤氣,不僅清潔,還有許多其他優(yōu)點。一是天然氣比LPG價格低。LPG市場價格與國際原油價格接軌,且隨煉制量的多少而波動,價格機(jī)制不穩(wěn)。近年來,國際油價連續(xù)上漲,給用戶造成了巨大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。二是天然氣比LPG更安全。因為天然氣比空氣輕,故泄漏后容易擴(kuò)散,而且燃點也高。三是可使目前數(shù)百噸的LPG和部分發(fā)電重油恢復(fù)其石油化工原料的“身份”,進(jìn)一步優(yōu)化我國石化產(chǎn)品分布結(jié)構(gòu),降低能耗,提高整體經(jīng)濟(jì)效益,為我國石油安全做出貢獻(xiàn)。
地區(qū)天然氣的供需平衡與用戶宏觀布局規(guī)劃
1.多源引進(jìn)與應(yīng)用腹地資源規(guī)劃戰(zhàn)略研究
近年來雖然我國天然氣工業(yè)蓬勃發(fā)展、儲量增長快、產(chǎn)量穩(wěn)步上升,但人均資源量小,而且可采天然氣資源主要集中在中西部地區(qū)和海域,遠(yuǎn)離需求中心,嚴(yán)重制約著天然氣市場的進(jìn)一步發(fā)展。積極而適當(dāng)?shù)匾M(jìn)一部分國外天然氣資源作為補(bǔ)充,有利于我國能源供需狀況的改善,對促進(jìn)我國西北、東北地區(qū)天然氣資源的合理開發(fā)利用也具有重要意義。
“西氣東輸”工程和“進(jìn)口LNG”項目的實施對國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源安全意義重大。當(dāng)前要考慮從全局整體利益出發(fā),對天然氣多源引進(jìn)與應(yīng)用腹地規(guī)劃戰(zhàn)略進(jìn)行深入的定量探討與分析,將之納入到國家能源規(guī)劃、天然氣規(guī)劃、電力工業(yè)建設(shè)規(guī)劃和電網(wǎng)運行規(guī)劃當(dāng)中,從系統(tǒng)工程的角度來統(tǒng)籌協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)和能源發(fā)展規(guī)劃。
2.五種用戶+罐廂運輸用戶的用氣時段平衡研究與規(guī)劃
天然氣的主要用戶有五類,用氣規(guī)律各不相同:①聯(lián)合循環(huán)發(fā)電是大用戶,但是多半用于電網(wǎng)調(diào)峰,年運行3500~4000 h,調(diào)峰季節(jié)日運行16 h左右,夜間停機(jī);②民用,多為餐炊用,用量不大、間斷、分散,集中在飯前一段時間;③工業(yè)及采暖鍋爐和直燃式吸收制冷機(jī),除過程工業(yè)用戶外,也都不是連續(xù)運行的;④分布式能源站熱電冷聯(lián)產(chǎn)用戶,如果再加上蓄能(冷或熱)系統(tǒng)設(shè)施,年運行時數(shù)可達(dá)6000~7000 h,并且效率高、經(jīng)濟(jì)性好;⑤車用發(fā)動機(jī)燃料。上述5種利用途徑的時間特征各不相同,隨著管道燃?xì)馐聵I(yè)的發(fā)展,城市調(diào)峰氣源需要量將會越來越大,保證供、用氣量的平衡也越來越重要。如何統(tǒng)籌規(guī)劃、布局、運行,以使從碼頭、儲罐到汽化站、管網(wǎng)、調(diào)壓站的整個系統(tǒng),做到的安全、平穩(wěn)操作運行是一個需要超前進(jìn)行研究和規(guī)劃的課題。研究內(nèi)容主要如下:①不同用戶各自的用氣負(fù)荷變化規(guī)律及影響因素研究;②對管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)不同用戶天然氣定價策略研究;③天然氣管網(wǎng)和電網(wǎng)峰、谷負(fù)荷規(guī)律及二者間協(xié)調(diào)配合的研究;④在各種負(fù)荷條件下通過實行分時段計價優(yōu)化管網(wǎng)運行的策略研究(建模和求解方法);⑤天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各種用戶負(fù)荷最優(yōu)匹配方案研究。
經(jīng)濟(jì)—能源結(jié)構(gòu)—環(huán)境模型的建立和決策輔助平臺的開發(fā)
1.不同地區(qū)天然氣路線競爭優(yōu)勢,能源結(jié)構(gòu)不同選擇
天然氣作為一種進(jìn)入市場的優(yōu)質(zhì)氣體燃料商品,它與當(dāng)?shù)厣鐣⒔?jīng)濟(jì)特點有密切關(guān)系,需考慮用戶及市場,才能探討如何開拓用氣市場。例如分步式能源用氣,玻璃、陶瓷、食品、輕紡等產(chǎn)業(yè)用氣,CNG車輛燃料用氣等等,這些極具活力的市場都需要進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的調(diào)查研究,對具體的需求結(jié)構(gòu)分析,包括用戶類型、市場類型(傳統(tǒng)市場與新興市場)、用氣經(jīng)濟(jì)效益情況等,從而得出用戶發(fā)展進(jìn)程。對各類用戶用氣承受能力分析,最基本的是燃料替換(計入燃燒效率)與燃料支出費用的比較,更深入且全面一些則應(yīng)進(jìn)行燃料替換產(chǎn)生的直接和間接經(jīng)濟(jì)效益分析。建立模型針對不同地區(qū)、不同經(jīng)濟(jì)狀況確定不同的能源結(jié)構(gòu),有針對性地發(fā)展天然氣。
2.特定地區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)決策受能源環(huán)境制約分析
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,各地區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和發(fā)展?fàn)顩r也不盡相同,因此對特定的地區(qū),必須從能源—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的高度,考慮能源結(jié)構(gòu)同產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的互動關(guān)系,統(tǒng)籌規(guī)劃能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,仔細(xì)分析權(quán)衡直接經(jīng)濟(jì)效益與同環(huán)境相關(guān)的社會效益的得失,同時還要定量地研究周邊國內(nèi)外能源供應(yīng)地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、地理、運輸?shù)葪l件,制訂安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的供應(yīng)保障方案,全面科學(xué)地決策。
3.地區(qū)經(jīng)濟(jì)—環(huán)境—能源協(xié)調(diào)規(guī)劃的制訂
以上措施,首先都必須建立在制訂統(tǒng)籌兼顧、高瞻遠(yuǎn)矚的全局規(guī)劃的基礎(chǔ)上。由于科技進(jìn)步加速、經(jīng)濟(jì)條件變化加快,因此規(guī)劃必須每1~2年進(jìn)行一次滾動制訂。這就要求首先開發(fā)建立一個全國和地方的經(jīng)濟(jì)發(fā)展—能源保障—環(huán)境保護(hù)綜合集成模型,和相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施、自然、社會、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等數(shù)據(jù)庫;在考慮經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀及結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展規(guī)劃與資源、能源、環(huán)境之間的互動關(guān)聯(lián)和影響以及掌握大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,建立定量的模型,測算在未來各種變化條件下,可能產(chǎn)生的趨勢,可供選擇的對策、方案以及相應(yīng)的結(jié)果,形成一個虛擬運行與模擬優(yōu)化的計算機(jī)平臺,使之成為信息支持系統(tǒng)和輔助科學(xué)決策的工具。這是保證能源安全、經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展并穩(wěn)步改善環(huán)境狀況,實施可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵,也是新世紀(jì)社會發(fā)展總體戰(zhàn)略目標(biāo)能否順利實施的關(guān)鍵所在。