冷熱電三聯供系統在浙江省的發展前景淺析

摘 要

1 引言 近年來，天然氣產業在浙江省處于快速發展時期，西一氣、東海氣和川氣已作為長輸管道氣源陸續供應了我省北部地區各大中型城市，2009年全省天然氣耗氣量約20億m3，在省能源
1 引言
    近年來，天然氣產業在浙江省處于快速發展時期，西一氣、東海氣和川氣已作為長輸管道氣源陸續供應了我省北部地區各大中型城市，2009年全省天然氣耗氣量約20億m3，在省能源消費結構中的比例約1.36%。總的來看，天然氣替代部分燃煤、燃油所體現出來的經濟、環境和社會效益已獲認可，符合各城市社會經濟和生態環境保護的協調、可持續發展導向。根據氣源進入計劃，浙江將陸續引入西二氣、進口LNG等多種天然氣資源，資源供應規模將大大增加，如何對寶貴的天然氣資源進行合理有效的利用是各地市政府及企業最為關心的問題。
   冷熱電三聯供系統(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)是一種建立在能量梯級利用概念基礎上，以天然氣為一次能源，產生熱、電、冷的聯產聯供系統。它利用小型燃氣輪機、燃氣內燃機、微燃機等設備將天然氣燃燒后獲得的高溫煙氣首先用于發電，然后利用余熱在冬季供暖，在夏季通過驅動吸收式制冷機供冷，同時還可利用排氣熱量提供生活熱水。系統不僅提高了能源綜合利用效率(在80%以上)，而且減少了碳化物和有害氣體的排放，具有良好的經濟效益和社會效益。本文根據國內外CCHP系統發展經驗，結合浙江省實際條件，初步分析在我省發展CCHP系統的前景和相關問題，以供參考。
2 冷熱電三聯供系統在國內外的發展情況
CCHP在國外的發展始于20世紀70年代的能源危機，最早出現在美國。美國能源部1978年就開始提倡發展小型熱電聯產，在美國能源部的倡導和天然氣、電力和暖通空調等工業部門的制造業的參與下，美國提出了眾所周知的“CCHP2020年綱領”，宣稱到2020年，美國將使CCHP成為商用和寫字樓類建筑高效使用礦物能源的典范，并通過對能源系統的整合，極大地推動經濟的增長和居民生活質量的提高，最大限度地降低污染物的排放量[1]。
    在歐洲及亞洲，CCHP的發展也日益受到重視，特別是從20世紀80年代后，發展比較迅速。英國的Bowman公司現在已成為微型燃機著名的生產商，英國在曼徹斯特機場還成功建立了CCHP項目。曼徹斯特機場是世界上最大的20個機場之一，實行天然氣冷熱電三聯產后，年總產值約180萬英鎊(含吸收式制冷每年可節電價值5萬英鎊)，每年可減少C02排放量50000t，SO2排放量1000t，經濟效益和環保效益十分顯著。日本政府早在上世紀60年代末即大力推動燃氣空調發展，燃氣空調占據了中央空調市場的85%以上。隨著技術的開發和政策方面的鼓勵，日本天然氣熱電冷聯供系統的數量從1989年開始迅速增長。到1997年3月末，日本天然氣熱電冷聯供系統已累計達820座、共142萬kW(蒸氣輪機包括在內)，其中民用520座、30萬kW，工業(300座)112萬kW(蒸氣輪機包括在內)。韓國此后也推動了燃氣空調的發展，其燃氣空調國內占有率甚至比日本還高，這些都為發展CCHP打下了有利基礎。同時，越來越多的國家認識到CCHP系統的意義，從政策和稅收等方面大力促成CCHP項目的實施，例如意大利、泰國用減免20%～40%燃料費的辦法鼓勵建筑物應用CCHP系統[1]。
    雖然熱電聯產在我國已經廣泛應用，但是CCHP系統的應用尚處于起步階段，而且主要集中在上海、北京等地。在相關政府部門和專業公司的推動下，國內已經建成了幾個三聯供項目，其中影響較大的有北京燃氣集團指揮調度中心，浦東國際機場等三聯供系統。根據浦東機場項目的經濟性分析，在三聯供系統合理配置，運行時間足夠的情況下，每年可以為用戶節省大量的運行費用。
3 冷熱電三聯供系統簡介
    冷熱電三聯供中的冷熱聯供系統主要由熱源、一級管網、冷暖站、二級管網和用戶設備組成(如圖1)。夏季吸收式制冷機利用汽輪機的抽汽產生冷水供空調用戶使用，供回水的溫度為7℃～12℃，供回水的溫差為5℃；冬季板式換熱器利用抽汽加熱水，產生60℃的熱水供用戶取暖，回水溫度為50℃，供回水溫差10%。當然如吸收式制冷機組為熱泵型，冬季也可利用制冷機產生的熱水供暖，系統同時也可滿足用戶的用汽需要。
    冷熱電聯產系統的模式有許多種，這主要取決于當地的能源需求結構。無論哪種模式都包括動力設備、發電機、制冷系統及余熱回收裝置(供熱)等主要裝置。動力設備主要有燃氣輪機、內燃機、微燃機及燃料電池等，制冷裝置可選擇壓縮式、吸收式或其它熱驅動制冷方式，主要采用溴化鋰吸收式制冷機，又包括單效、雙效、直燃機等。總的來說，冷熱電聯產系統有以下幾種典型模式[2][3]：①直燃型(煙氣型、余熱型)冷熱電三聯供。如燃氣輪機+余熱型溴化鋰冷熱水機組系統，燃氣輪機+排氣再燃型溴化鋰冷熱水機組系統，以及燃氣輪機+雙能源雙效直燃式溴化鋰吸收式冷熱水機組系統等；②燃氣-蒸汽輪機聯合循環。即燃氣輪機+余熱鍋爐+汽輪發電機+蒸汽型吸收式制冷機系統；③內燃機前置循環余熱利用模式。
4 浙江省發展冷熱電三聯供系統的可行性和必要性
4.1 浙江省發展冷熱電三聯供系統的可行性
    從氣源角度看，根據浙江省天然氣氣源引入計劃，除在用的“西一氣”、“東海氣”和“川氣”外，未來將接納“西二氣”、“溫東氣”以及進口液化天然氣等多種天然氣氣源，至2020年，省計劃引入天然氣資源總量約185億m3。與此同時，省高壓環網以及各地市天然氣輸配氣管網也正在大力建設與完善之中，可以給冷熱電三聯供系統提供穩定的氣源供應。
    從技術角度看，發展冷熱電三聯供系統是合理利用有限的天然氣資源的有效方法，有利于節能減排。在國外冷熱電三聯供系統已應用了二十多年，經過多年的技術改進，已形成了規范的技術體系，設備制造技術也已成熟。不論是發電機組部分還是余熱回收機組部分在國內外都有商品供應。另外，冷熱電三聯供系統技術、建設和運用管理經驗已被國內的專業公司所掌握。上海浦東機場和北京燃氣大樓等項目的成功已為三聯供項目的建設和管理培養了技術隊伍，積累了豐富的經驗，國內的一些專業公司已具備了獨立完成項目的策劃、設計、建設、調試和運營管理的能力。
   從外部環境上看，浙江省位于我國東部沿海，雖不屬于集中供暖范嗣，但隨著人們生活水平的提高以及近年來極端天氣的頻繁出現，冬季低溫天氣持續較長，不少居民已經自己裝上了采暖設施，區域供暖將是浙江省未來的發展趨勢，另外浙江省全年的制冷期較長，因此發展冷熱電三聯供系統是可行的；而且浙江省屬于全國經濟發達的地區，人才聚集，對于分布式能源這樣初投資較大，又需要有高素質維護人員的系統，無疑是適合的。
   從現狀來看，浙江省經過30年的改革開放，無論國營資本還是民營資本，均具有較強大的實力。省電負荷特別峰谷差較集中的地方主要在杭州、溫州、寧波等地，這些地區最大能耗為建筑空調。工業用能主要為離散制造業，如電子、家電、制衣、制鞋、玩具等，這些企業都是建設分布式能源站極有前景的用戶，也具有一定的經濟實力和價格承受能力。由此，熱電冷三聯供系統的發展在浙江已具備了良好的氣源、技術和經濟條件，是可行的，它也是緩解現狀能源消費對城市生態環境的污染，促進社會經濟與生態環境可持續發展的必由之路。
4.2 浙江省發展冷熱電三聯供系統的必要性
4.2.1緩解電力緊張和“削峰填谷”的需要
    由于浙江省經濟的快速發展，能源的需求量也迅速增加，特別是電力的需求量近年來呈現兩位數的增長，2008年全省電力消費量達2322.87億kWh，是1999年全省電力消費量230.29億kWh的10倍。由于前幾年電力建設項目的禁批，電力生產跟不上經濟發展的步伐，電力的短缺成為經濟發展的“瓶頸”。如何解決電力緊張的問題，已是浙江省經濟發展迫在眉睫的問題。浙江省電力緊張和峰谷差大的主要原因同國內許多大城市一樣，均為夏季空調制冷用電力負荷的持續增長所致，據統計，2003年杭州夏季電力最高負荷中，空調負荷約占45%，可以說浙江電力的巨大壓力主要來自空調用電。同時，城市燃氣負荷特性又正好與電力的情況相反，夏季的燃氣需求量約為冬季的60%。燃氣熱電冷三聯供系統的推廣可以充分利用電力和燃氣的錯峰錯谷特性，因此，發展冷熱電三聯供等分布式能源是緩解電力緊張和解決電力、燃氣峰谷不平衡的最有效方法。
4.2.2改善能源消費結構的需要
    改善能源消費結構，需要大力推廣天然氣的利用。如何對寶貴的天然氣資源進行合理有效的利用才能帶來更大的經濟效益和環境效益是各地市政府及企業最為關心的問題。各國發展天然氣的經驗告訴我們，采用天然氣的冷熱電聯供，是解決這個問題直接有效的方法，也是未來天然氣應用發展的一個主要分支。以上海為例，作為一個國際性的大都市，上海已通過了相關的法規條例，決定今后不再新建燃煤電廠，控制煤炭消費總量，以西氣東輸為依托，加速建設天然氣電廠，建設重點工業區的熱電聯產項目。所以，浙江省應重視天然氣的推廣建設，改善能源環境，實現能源的可持續發展。
4.2.3節能的需要
    近年來，浙江省能源消費量增加較快。2009年全省一次能源總消費量達1.78億t標準煤。建筑能耗占一次能源消耗量的11%以上，其中60%用于空調。從節能的角度來看，熱電聯產是唯一被公認能大規模節約能源的技術，但其實施的先決條件是有熱負荷。冷熱電聯產的實施增加了絕熱機組夏季的熱負荷，為在長江中下游地區實施熱電聯產提供了有利條件。
4.2.4環境保護的需要
    近年來，浙江省經濟快速增長，各項建設取得巨大成就，但也付出了巨大的資源和環境代價，經濟發展與資源環境的矛盾日趨尖銳，浙江省應對規劃、擬建甚至在建中的公共建筑、建筑群的能源供應進行控制，在有條件的地市推廣應用CCHP系統，不允許新建燃煤鍋爐房，為浙江省的“碧海藍天”創造條件。
5 浙江省推廣冷熱電三聯供需要注意的問題
5.1 協調落實氣源和氣價
    充足的天然氣供應是冷熱電三聯供系統穩定運行的前提，各地市燃氣公司應能保證對冷熱電聯供系統的燃氣供應。天然氣價格始終是影響冷熱電聯產系統經濟效益的敏感因素，也是決定其能否順利推廣的關鍵因素之一。美國為了鼓勵冷熱電三聯供系統，制定了相應的優惠價格體系。因此，為保障項目合理的投資回報率，增強投資者的積極性，浙江省應對冷熱電聯供項目實行優惠的燃氣價格。但燃氣公司單方面的努力是有限度的，政府也可以通過實行氣價補貼和稅收減免等形式來間接扶持冷熱電聯供的發展。
5.2 協調有關電力部門做好上網工作
    目前分布式能源在中國發展遇到的阻力主要來自電力企業，電力部門的并網標準限制了分布式冷熱電聯供參與競爭，導致電力上網困難。我們應該看到，分布式能源站對于平衡電力峰谷差，保障電網安全能起到的積極作用。實際上，對電力部門來說，分布式冷熱電聯供是在不增加建設資金前提下增加了發電容量，增強了電網調峰能力。而且分布式能源從全局上節省了電網公司投資建設電網和整個電站的建設費用，在特定的局部減少了電力公司供電負荷，所以，電力公司對冷熱電聯供應該平等對待甚至優待，為其發展提供盡可能的支持，達到無論在近期或長遠都互利的結果。至于上網電價的問題，建議由政府考慮提供免稅、補貼等電價扶持。
5.3 政府的引導職能
    天然氣冷熱電聯供系統的發展需要國家政策法規的保護。國外的發展經驗證明，必須對分布式能源的發展給予一定的政策和資金扶持，才能保證其健康地發展。為使分布式能源能夠按照市場機制來運作，政府一是提供支持條件和投資環境，制定相應的政策法規；其次是對它的發展做出宏觀的規劃和調控，實施必要的資金扶持。
5.4 技術問題
    經過多年發展，發電機已發展成為成熟的技術，鍋爐也發展為成熟的技術，但要實現高效的能源利用和各個設備的無縫對接，就必須有一套成熟的智能控制技術把發電機、鍋爐等設備有機地協調起來，這就是三聯產智能控制系統軟件，由于三聯產屬于高新技術，在國內還沒有成套的成功的技術研發出來。研發三聯產控制系統軟件要求的專業素質比較高，必須由精通發電機控制專業、鍋爐控制專業的專業高校、研究院和公司聯合完成。高技術的前期研發需要巨大的資金投入，政府要提供一定科研經費和資金進行前期研發，同時引進國外先進技術，加以消化吸收利用，走國產化道路。
6 結論和建議
    (1) 以天然氣為能源的冷熱電三聯供系統，實現了對能量的梯級利用，是節能、環保、經濟的用能方式，有利于環境保護和經濟的可持續發展。浙江省已具有推廣應用CCHP系統的基本條件，積極推廣應用CCHP系統既是必要的、也是難得的機遇。
    (2) 為鼓勵發展天然氣冷熱電三聯供，政府部門應給予政策鼓勵支持，如電力并網，收購多余電力，環境效益補貼等，給分布式能源創造一個有利的發展環境。在電力上網條件下，應“以熱定電”對余熱進行充分的利用，提高冷熱電聯供系統的綜合利用效率，達到良好的經濟效益，提高冷熱電聯供市場競爭力。
    (3) 建議浙江省對積極推廣應用CCHP技術盡早出臺相關法規、政策，營造一個既有法可依、又寬松靈活的投資建設環境，盡快制定浙江省發展CCHP系統和分布式能源系統的規劃，確定必要的示范項目，將積極推廣應用CCHP系統落到實處，為實現緩解浙江省電力供應緊張、峰谷差大和燃氣平衡供作出貢獻。
參考文獻
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(本文作者：金富根 杭州市熱力有限公司 330007)