分布式能源与天然气产业在中国协同发展的历史机遇

一、 能源与环境的双重压力和对策

本世纪以来，中国经济进入了持续快速发展时期；高能耗工业年增15%以上的高速增长，使能源形势空前严峻.我国能源资源人均拥有量只有世界平均水平的一半,油气资源更只有世界平均水平的7%；2006年，占世界GDP5.5%的中国，耗费了世界15%的能源。2006年石油的对外依存度，已经达到了47%；能源供应安全保障堪忧。以煤为主（近70%）的一次能源结构造成了严重的环境污染，全国二氧化硫、氮氧化物排放总量已经超过环境承载能力的70%左右。世界污染严重的20城市中国占16个。中国由于生态破坏造成的经济损失已占GDP的7-8%。能源和环境问题已严重威胁中国经济和社会的可持续发展[2]。

中国政府从2004年开始已经逐步加大了应对这一挑战的政策力度。制订了“节能优先,效率为本;煤为基础,多元发展;立足国内,开拓海外;统筹城乡,合理布局;依靠科技,创新体制;保护环境,保障安全”6句话的能源战略。2006年起，加大了降低单位GDP能耗和污染物排放总量的力度。2007年4月，由成立了国家节能减排领导小组，确立了到2010年，万元国内生产总值能耗由2005年的1.22吨标准煤下降到1吨标准煤以下，降低20%左右；二氧化硫排放量由2005年的2549万吨减少到2295万吨，化学需氧量(COD)由1414万吨减少到1273万吨的主要目标[3]。

在这些对策中，提高能效和增加优质、清洁能源在一次能源结构中的比率，无疑是最重要的部分之一。加速发展以热电联产为基础的分布式能源系统和加速发展天然气能源，就是其中的两项最有力的措施。

二、 从燃煤的热电联产到燃气为主的分布式冷热电联供能源系统

分布式冷热电联供能源系统（DistributedEnergySystem/CombinedCold,HeatandPower；DES/CCHP），是是在热电联产基础上发展起来的，通过各种能源转换技术的集成运用，全面满足区域内用户对电、热、冷等多种终端用能需求，高效、梯级利用能源的系统。

我国北方以燃煤的城市集中供热为主的热电联产（CHP）近年发展较快；过程工业燃煤或燃气的热电联产也有进展。随着改善城市环境的压力日益增加，夏热地区采用冷热电联供（CCHP）、区域供冷（DCS）和蓄冷空调等也已经提到议事日程上来。这些发展的需求，都不是仅靠提高一次能源转换的“联产”效率可以满足的，而是要解决提高终端用能的“供应”效率问题。这两者并不是一回事。

例如，城市集中供热的燃煤热电联产一般是高压锅炉—抽凝式汽轮机组，抽1MPa供暖。在最低凝汽量下，最大供热与发电之比（热/电比）约2.9；燃气轮机加蒸汽轮机联合循环发电抽1MPa蒸汽供暖,最大热/电比<1.2。然而按照建设部的统计，北方地区建筑物终端用能需求的热电比达5.7；南方地区若采用余热锅炉的蒸汽吸收式制冷与电制冷加低温余热供热水，“热电比”也远大于3。

表1 我国建筑能耗各部分所占的比例

以高效满足区域内用户对电、热、冷等多种终端用能需求目标的分布式能源系统，除了有联产的优势之外，另一个极为重要的优势是“就地直供”；直供电有节省输变电投资、损耗和运营费的巨大优势，热水和空调冷水的规模化就地直供进一步降低成本、提高能效。特别是以LNG为一次能源时，从120℃到50℃的烟气的热量都可以用来直接加热生活热水；甚至燃烧产物中部分水蒸气的冷凝潜热都可能被利用。终端用热和冷也不再局限于1MPa蒸汽供暖和吸收制冷；而是结合末端技术的创新（如温、湿分控的地板辐射空调等）采用各种热泵技术、可再生能源技术；使一次--终端用能总效率达到80%以上。正是存在着这种高效利用天然气的DES/CCHP技术，使得用户能够在较高的天然气价格下，同时获得价格低廉的冷、热、电终端能源服务。而目前传统的冷、热、电分供，即天然气联合循环发电上网，居民再从网上购电，并用于空调和热水，总效率很难达到50%以上；而且耗费也高得多。

占我国总能耗40%以上的过程工业用能，也有类似的情形；用天然气烧锅炉产蒸汽，价格比燃煤高2倍以上。但如果采用CCHP，同时联产电就地自用，并组合优化提供其他能源供应服务，供能成本就大大降低，能效大大提高。

三、 中国天然气产业发展面临的问题

2004年，我国制订了加速发展天然气产业的规划，并达成了从澳大利亚和印尼进口LNG的协议。根据当时议定的FOB价测算的门站价格，与国内“西气东输”抵达上海的价格大致相同。随后，沿海十来个进口LNG项目工作纷纷开展。岂料2005年国际石油价格从$20/桶暴涨近3倍到$60/桶以上，影响到国际市场LNG贸易价格（FOB价）随之高涨。从约$3/MMBTU很快升到$6/MMBTU以上。在此价位下，原来规划65—80%进口LNG用于联合循环发电的电力成本大幅度增加；投资难以回收。原来指望用天然气的许多用户，也都“望价却步”。各进口LNG项目谈判纷纷停滞。

但与此同时，日本、美国、韩国等发达国家进口LNG的步伐并未停止。美洲市场甚至出现过$13/MMBTU的现货价位。这是为什么呢？分析原因，在于经济发展程度、生活水平、以及货币汇率几方面因素所造成。举例说，2006年3月交货的美国天然气期货价格为$7.858/1000ft3,折合$275/1000m3,或人民币2.2元/m3；比大鹏LNG项目1.1元/m3的到岸价高一倍。$0.275/m3的天然气对吃10美元一份快餐的美国人不算什么；但2.2元/m3对吃10元人民币一份快餐的中国人就是高价了。

从天然气消费的构成来分析一下：

表2 2000年世界天然气消费构成

世界天然气消费的地域分布大致是：欧洲、中亚、日本、韩国和北美，其中2000年美国天然气的消费构成见表2错误！未找到引用源。：

表3 2000年美国天然气消费构成

由以上表中可以看出，世界天然气的平均消费主要用作能源，包括发电、民用、工业三大块。发电和民用只占4成多，6成是直接作为工商业的燃料，如工商业用加热炉、锅炉、城市冬季采暖锅炉等。天然气涨价也给他们增加了负担；但他们可以承受。而对同一个价格，中国则是难以承受的。其道理同上述与快餐价格的比较是一样的。

那么，中国发展天然气产业的出路何在呢？

随着我国经济快速发展和人民生活水平的不断提高，以及相应的人民币价值更加坚挺，汇率渐渐提高，我们对国际市场上同一的天然气价格的承受能力也会逐渐增强。但这是一个渐进的过程。对当前的困难是“远水不解近渴”的。根本的出路只能是、也必须是提高天然气能源的利用效率。我们注意到，发达国家在能源价格升高的压力下，多年来不断在努力提高能源利用效率。分布式能源系统，就是美国在第一次能源危机的1973年之后不久开始发展的。进入本世纪以来，美、欧、日等国都加快了发展分布式能源的步伐。美国能源部计划2010年DES/CCHP的发电装机容量达到92GW，占全国总用电量的14％；2010～2020十年期间，还会新增95GW容量，占到全国总用电量的29％。2000年英国新CCHP项目共1536个,总装机容量达到4.76GW，希望到2010年可以达到10GW，增加一倍。相比之下，中国面临的能源环境形势比他们当初严峻得多；中国应当学习他们的经验，利用他们的成果，在提高能源利用效率方面做出更大的努力。

四、 历史机遇促使天然气产业与分布式能源协同发展

自1978年美国开始发展CCHP的30年以来，从前端燃气轮机高效联产到末端空调的各项技术发展很快，均已成熟[]。大规模建立分布式能源系统与大电网关系的协调互补法律界定，也有了较为成熟的经验。可以给后发的中国提供宝贵的借鉴。

如上所述，21世纪初中国经济社会快速发展既面临着能源环境的严峻挑战，同时也恰逢快速发展天然气产业和分布式能源的极好机遇。中国必须结合国情，抓住机遇，处理好天然气产业与分布式能源技术协调发展的关系。换句话说，通过大力发展分布式能源系统促进天然气产业快速发展；从而同时达到提高能效和改善环境的目标。要点有三：

1、 发展规模化的城市建筑物DES/CCHP系统

建筑物DES/CCHP联供系统比“联产”技术多包含了两类新的技术和设施。第一类是各种冷、热、电转换技术，如高温燃料电池、各种燃气轮机和微燃机、内燃机，各种热泵（压缩式、吸收式、吸附式）以及采用不同的热源（空气、水、土壤），结合各种可再生能源技术、蓄冷蓄热技术。第二类是空调和采暖末端技术或终端的传递和控制技术和设施；如地板辐射、温湿分控、低品位冷、热源利用、大温差输送媒体等[]。

规模化的DES/CCHP系统是实现能源最高效梯级利用的条件。只有在较大规模的系统内，才能安排高品位能先发电、低品位能供冷暖和生活热水，把天然气的能量几乎“吃干榨净”。一家一户或一栋栋建筑物的能源供应，是不可能做到的。目前在国外开发的、采用微燃机的“户式DES”，投资极高，在中国还不适宜。

规模化的DES/CCHP技术除集中供暖以外，还包括区域供冷系统（DCS）和蓄冷空调系统。DCS是集中多台并联的大型制冷机组在一起，构成一个大型冷站，高效制取低温冷水提供给各个建筑物室内末端的风机盘管。通常空调冷水循环温差取5--7℃，大型区域供冷系统采用两极压缩制冷，或吸收制冷与压缩制冷串联，可以把循环冷水温差拉大；同时在末端把水与循环风和新风的换热器分开，就可以把来水和回水的温差拉大到11℃--15℃。经测算，对于广州地区的一个距离5.5km，原来设计循环温度为3--14℃的系统，在把温差加大到15℃（3--18℃）时，泵功耗减少26%，冷损减少39%，管线投资也大幅度降低[9]。

我国夏季电力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾日益突出，各大电网的峰谷差均已超过设计值的30%，个别甚至达到50%。这在很大程度上是由于我国目前的中央空调系统与家用空调的一次能源以电为主所造成的。国内外越来越多采用夜间负荷低谷期仅为峰期1/5左右的分时电价，激励空调用户采用蓄冷（冰）技术。利用夜间的低价电力制冰，在白天用冷、用电高峰时段融冰供冷，可以降低高峰用电量，平衡低谷余电，是电力需求侧管理的重要手段。区域供冷系统与冰蓄冷的结合，使后者规模扩大，系统效率和经济效益更好。

国外大型的分布式能源系统（DES）数目不多，但容量很大。以美国1999年的数据为例，大型DES平均装机容量78MW，数量只站全国DES总数的2.8%，但发电容量却占42.8%。我国人口众多、居住密集；在目前城市建设快速发展、城镇化进程中，和在现有公用建筑能量系统改造中，都可以采用规模为50MW左右甚至规模更大的机组，与几万冷吨的区域供冷系统和/或几百万平方米的供暖系统结合，并且与前述末端系统的创新改进集合起来，形成高效、规模化的分布式冷热电联供系统。据不完全统计，目前在北京、广东等地已经或正在建设及策划的大型DES有十来个。随着按照国家能源战略加速开发和进口的天然气陆续进入各大城市，在中国必将掀起一个建设大型DES/CCHP系统的高潮[6]。

2、 加速工业DES/CCHP系统的建设

工业能耗占我国总能耗60%以上，采用冷热电联供系统提高能源利用效率的潜力同样是非常大的。工业有两种类型：过程工业和离散制造业。我国化工、食品、冶金、建材、造纸等过程工业的总耗能量比离散制造业多近一倍；在其终端耗能构成中，热电比常常在3以上。用热包括蒸汽和物流加热。不同的过程，需要加热的温度范围各不相同。例如，食品工业用热常在100℃左右，建材工业则会达到800—1000℃，炼油工业从100℃左右到400—500℃。工业用冷温度范围也很广，从0℃---20℃左右的一般浅冷，到乙烯工业、空气液化分离需要的-180℃左右的深冷都有。这些用热、用冷都是可以通过联产和联供技术的集成组合来生产和提供，最终实现更高的能源终端利用效率和最大的经济效益。离散制造业的产品多是由零部件组装起来的、有使用功能的某种物品，它耗用的能源以加工设备耗用的动力为主，多半是电；但是厂房的空调和采暖耗能也往往占有较大比例。例如各种汽车、家电、通讯设施、服装、玩具制造业，等等。这部分用能，同上述建筑用能具有一样的特色。

我国工业能源利用效率还远低于发达国家。除了工艺和设备技术的差距之外，能量综合优化技术和冷热电三联供技术普及应用程度很低是一个最重要的原因。例如我国绝大多数工业锅炉是简单的燃油或燃煤产汽，而且一般蒸发量在10—20t/h或更小的、多半是<1MPa的低压锅炉。这种锅炉的有效能（火用）利用效率很低，可以说是“高能低用”。如果通过工业园区的机制，把若干小锅炉集中起来设置一台大型锅炉，并且使洁净的天然气先通过燃气轮机或内燃机以近乎100%的高效率将30—40%的天然气化学能转化为电，再利用排出的烟气产生高压蒸汽；逐级背压发电后再抽1MPa汽做工艺用。这就可以使蒸汽的成本降低到燃煤锅炉产汽相同的水平。还可以进一步利用十分洁净的天然气燃烧烟气的低温热能吸收制冷或生产热水，使能源利用总效率达到80%以上；同时达到经济、环保、高能效三个目标。过程工业的各种工业加热炉，本来就用气体或液体燃料；改用天然气后，在被加热物流温度并不很高（200-400℃）的情况下，设置前置燃气轮机，实现功热联产，也能够进一步提高能效，降低费用。这也是工业用户能够承受较高的天然气价格的关键。

3、其他机遇的整合

当前所强调的“科学发展观”、“建设和谐社会”的理念中包含着许多与发展天然气和分布式能源密切相关的机遇。问题是这些机遇迄今仍是被分散、孤立地看待，未被整合。

（1） 迄今为止所提倡和推行的工业园区，多半强调或侧重于同类企业的聚集效应，而较少注重不同企业在能源利用方面的不同品位、不同形式的集成所能够带来的冷热电多联供所产生的高能效、高经济效益；和采用天然气清洁燃料改善环境这两大效应。采用天然气DES/CCHP加上能量综合优化乃是工业园区能够承受天然气价格、降低能源成本、改善环境质量的最重要举措。

（2） 城镇化是中国人口分布的历史趋势。几亿农村人口进入城镇，能源供应是一大问题。目前许多小城镇居民炊事用LPG价格高昂，采暖空调费用负担也很重。采用集约化、规模化的城镇DES/CCHP系统，并且把生物质发酵或热解、气化获得的气体燃料与天然气或煤层气一起作为一次能源；是向城镇居民提供高效、廉价能源供应的根本途径。

（3） 发展循环经济，建立循环型、节约型社会是当前又一个重要口号。不同产业在原料和产品物流的相互衔接，副产物互为原料而产生的废物利用、清洁环保和经济效益；不同能源用户对一次能源的多次、梯级利用。这两点其实乃是循环经济的要义。迄今推行的循环经济示范项目多半注重前者而忽视后者。采用天然气和其他气体燃料的DES/CCHP乃是循环经济建设的共性重要内容。

（4） 产业结构和能源结构调整，落实十一五单位GDP能耗降低20%、SO2和化学需氧量减派目标，是各省市发改委、环保局目前的中心任务之一；牵涉到经济发展的所有层面。在所涉及的各工业部门的改造、调整、转移、规划中，必须充分考虑把依靠西气东输和LNG项目所提供的天然气通过DES/CCHP作为实现目标的极其重要的共性手段。

五、 关键：规划层面的协调整合

综上所述，中国面临着大力发展天然气DES/CCHP，快速提高能效、改善环境的极好机遇，从而从容应对能源环境严峻形势的挑战。如何把握这一机遇，其实完全不在技术和资金，而在于观念和机制。

观念的转变首先是不要盲目照搬国外，而须从中国国情和实际出发，认识到我国应对能源环境挑战所面临的上述难得的、宝贵的历史机遇；从而学习借鉴国外的经验教训和成果，结合我国实际情况，付诸实践。

机制问题较为复杂；既有政府各部门职能、各项工作分割、孤立，缺乏协同整合的问题，也有政策、法规不适应快速发展的生产力和经济基础需求的问题。但是，只要能够充分发挥我国政府管理高度集中统一的优势，问题是可以解决的。一年多来先后成立了各级能源领导小组、循环经济领导小组和节能减排领导小组，就体现了这种努力。

在需要全面协调整合的各项工作中，最主要的是几个大规划的协调整合：包括产业发展和产业结构调整规划，节能减排规划，能源结构调整规划，天然气项目规划，电力建设、电网发展规划，城镇建设规划，城市交通规划，工业园区规划和循环经济发展规划，以至区域生态平衡和环境保护规划。分散制订的这些规划之间如果没有统筹协调和配合，在实际运作中必然是相互脱节、相互冲突，造成资源、人力的浪费。

本文所讨论的天然气产业和DES/CCHP系统的协调发展，以及同结构调整、循环经济、节能减排、城镇化等举措之间的关系，在规划层面的协调整合的几个重点是：

1、引进LNG和管输天然气下游利用规划修订。不再立足于联合循环发电，而是按照以下顺序规划下游用户：（1）管输/槽车运输城镇燃气，替代LPG和其他城市燃气；（2）不超过20%气量用于联合循环调峰电站，只在用电高峰期高价上网。（3）工业DES/CCHP用能和替代轻烃做制氢原料；（4）规模化城镇建筑物DES/CCHP一次能源，替代空调用峰电和热水用电/燃气；（5）加速发展LNG/CNG公交车和重卡车。要点是：DES/CCHP为主的用户有承受国际LNG市场价格的能力；可以推动天然气产业快速发展。

2、LNG/管输天然气规划必须与产业、电力、城建等规划协调整合。作为天然气主要下游用户的工业和城镇建筑物的DES/CCHP，如果没有在上述各个规划层面上与天然气供应和规划密切配合，是根本不可能实现的。DES/CCHP与电力发展规划的关系更为密切。美国道2010年DES/CCHP发电将占总电量的14%；2020年DES/CCHP发电将占总电量的29%。而中国目前的电力发展规划还完全排斥DES；实际上也就在排斥天然气的高效利用。这个问题，如果不先在观念、法律和规划层面上解决，DES/CCHP是难以发展的。

3、DES/CCHP规划是节能减排规划的最有力保证之一。事情的另一面是：天然气多了，DES/CCHP快速发展了，工业和建筑物的能效得以大幅度提高，环境也得以大大改善。因此在节能减排规划中，必须把发展DES/CCHP列为重要的内容。

当然，推动天然气产业、DES/CCHP技术、和其他机遇的协调整合，还需要法律、政策等各方面举措的支持后配合。例如，在错综复杂的相互影响各因素中，电力法的修改和电力体制改革的加速就是一个很关键因素。但是，如果在领导的认识和规划的层面上能够落实，就能够有力地促进其它政策、法律方面的前进。

历史给中国发展天然气产业和分布式能源开发了技术、积累了经验，能源和环境的挑战也给中国协调和同步发展分布式能源和天然气产业创造了历史的机遇。中国必须利用后发优势，跨越发展；用十几年的时间完成发达国家几十年走过的提高能效、改善环境的历程！