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天然气分布式能源发展现状与挑战

编辑:admin 日期:2022-04-23 10:30 分类:分布式能源 点击:
简介:能源与环境问题是制约我国经济和社会发展的长期瓶颈,发展先进供能系统是实施我国节能减排战略的重大需求。分布式能源系统是布置在需求侧附近,直接面向用户,按用户的需求就近生产并供应能量,具有多种功能、可满足多重目标的中、小型能量转换利用系统。作

  能源与环境问题是制约我国经济和社会发展的长期“瓶颈”,发展先进供能系统是实施我国节能减排战略的重大需求。分布式能源系统是布置在需求侧附近,直接面向用户,按用户的需求就近生产并供应能量,具有多种功能、可满足多重目标的中、小型能量转换利用系统。作为新一代的终端供能系统,分布式能源系统是集中式供能系统的有力补充;二者的有机结合,是未来能源系统的发展方向。我国“国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要”中指出,“加快发展非化石能源,坚持集中式和分布式并举”,“加快发展东中部分布式能源”,“建设一批多能互补的清洁能源基地”。随着煤炭的逐步减量,可再生能源和清洁燃料在能源结构中的比例将迅速增加,以多能互补、电冷热联供为主要形式的分布式能源系统将在国家能源体系中发挥越来越重要的作用,对于建设清洁低碳、安全高效现代能源体系具有重要的现实意义和深远的战略意义。分布式能源的产业化发展拥有广阔市场。

  相比国际上的迅速发展,我国天然气分布式能源系统在我国起步较晚。据中国城市燃气协会分布式能源专业委员会不完全统计,截止到2020年底,天然气分布式供能项目共计632个,总装机22.74 GW。相较于2015年,项目个数增加了344个,年均增速17.0%,装机规模增加了11.62 GW,同比增长15.4%。目前分布式能源系统在我国城市化程度高,产业投资能力和能源价格承受能力强的地区得到相对快速发展,截止到2020年底,项目主要分布在京津冀鲁、长三角、珠三角、成渝等地区,其中长三角地区项目数量占比最多,占总项目数量的30.7%。从装机规模来看,传统地区中珠三角的占比最多,为25.4%。此外,在人口密集、工业发达、经济水平较高、冷热电负荷需求较大、具备丰富气源的其他省市和地区,分布式供能行业也呈现快速发展的趋势。

  从应用场景来看,天然气分布式能源项目主要集中在园区类、办公类和工业类。其中园区类项目在数量和装机容量上均为最高,数量占比48.6%,装机规模占比84.7%。目前,绝大部分项目相对于集中供能方式具有明显的节能收益,能源综合利用率分布在65%-85%之间,相对节能率主要在10%~20%,节能水平还有进一步提高的潜力。

  从经济角度来看,一些分布式供能项目存在单位投资成本高,投资回收期长,经济效益不理想的问题。动力机组装机容量的增大,项目投资成本逐渐降低,小于1 MW的项目投资成本为1.5~3.0万元/kW,1~5 MW的投资成本为1.0~1.5万元/kW,大于5 MW的投资成本为0.5~1.0万元/kW。投资成本为0.5~1.0万元/kW的项目投资回收期为5~10年,投资成本为大于1.5万元/ kW的项目投资回收期超过10年。

  (1)观念与认识问题。目前,天然气分布式供能的社会认知度得到较大提升,不过行业总体仍处于发展初期,在概念、定位及其作用的深入认识和准确理解方面还存在问题。一方面,虽然国家对发展天然气分布式能源系统提出了指导意见和原则性定义,但在实际运行中燃气分布式能源系统的优势和必要性尚未充分体现,对其产业发展的认识和定位仍不清晰,容易产生燃气分布式供能项目界定范围模糊、补贴资金预算难制定、标准规范难以落实等问题,困扰产业发展。

  (2)资源与价格体系的制约。我国能源环境问题突出,随着能源结构调整,天然气在国家能源结构中的作用将越发重要。近年来天然气需求快速增长,导致天然气价格偏高,还出现短时间的“气荒”现象,对燃气分布式供能行业的发展造成不利影响。未来随着国家节能减排,调整产业结构,以及天然气的大量开发和引进,国内油气市场将持续宽松,天然气价格也将维持在一个正常的水平。同时,随着增量配网建设和电力定价体制的逐步放开,分布式能源系统的经济效益将得到提升。

  (3)技术发展不成熟,经济性不佳。我国对燃气发电机组的基础研究力量不足,特别是微小型燃气轮机,研发制造滞后于市场需求,目前90%以上机组都需要从国外引进。虽然我国着手加快燃气轮机等装备的自主研发,并积极寻求与国际知名设备制造商的合作,但关键装备、某些关键部件、运行控制等核心技术依然依赖进口,导致项目总投资难以下降。此外低品位余热利用技术、吸收式冷冻技术、高温热泵技术、蓄能技术、多能源互补技术等均处于研发阶段,距规模化应用尚存差距,限制了分布式供能系统性能的提升。

  (4)系统设计方法不健全,评价方法不完善。现有设计方法大部分沿用火电设计规范,使规划、设计、建设、运行各环节的工作程序与燃煤电厂一样繁琐、耗时,从而导致分布式能源系统并未真正实现因地制宜与用户融合。设计时未充分考虑供需匹配,也导致我国的部分天然气分布式供能项目存在用户负荷分析和预测不够精准,装机容量过大,出现“大马拉小车”现象,能的梯级利用水平总体不高,节能潜力未能充分发挥。在多能互补的集成设计上,缺乏品位和动态特征的高度契合,互补形式单一,方法简单粗放,未能充分发挥多能互补的优势。在系统调控方面,缺乏对设备和系统变工况问题的深入认识,采用被动跟随负荷的调控方式,造成系统变工况性能大幅下降,进一步影响了能效的提升。

  影响分布式供能项目经济性的因素错综复杂,主要有市场因素(投资成本、气电价格)、技术因素(集成设计技术、调控技术、关键设备)、相关政策和商业模式等方面。将影响天然气分布式能源系统投资回收期的影响因素按投资成本、气电价格比、冷热价、运行时长、维修费用和设备折旧率进行梳理,同时考虑项目的技术水平,以相对节能率为代表,也作为分布式供能项目经济性的影响因素,一并纳入考查范围。通过敏感性分析,由图1可以看出,影响天然气分布式能源系统经济性的主要因素依次为相对节能率、投资成本、气电价格比和运行时长。说明项目集成设计及主动调控等技术水平是决定其经济性的关键。其次,设备及建筑安装等费用的成本投入对项目的经济性也至关重要,且合理的气电价格比对项目也是影响系统经济性的重要因素。

  节能水平低、动力设备主要依赖进口、建筑工程安装费用高、气电价格不合理是影响天然气分布式能源系统经济性的主要原因。提高系统节能水平、降低投资成本、合理的气电价格比是改善其经济性的主要方向。

  目前,分布式能源项目节能水平还不高,需要围绕系统的集成设计、过程转化和智能调控等方面提高。系统集成设计方面,基于品位概念,建立能的综合梯级利用设计方法;基于大数据分析,精准评估用户实时负荷需求,开发模块式集成方法,针对不同用户对象量体裁衣。系统变工况调控方法方面,以用户负荷需求为核心,开发主动蓄能、燃机尾气回注、混合动力等变工况调控手段,拓宽系统冷热电负荷输出可调范围,改善与用户负荷供需匹配关系。

  设备购置费约占项目初始投资50~60%,建筑安装工程费约占25%。由于核心动力设备依赖进口,导致项目整体投资成本较高。突破传统以燃煤电厂建设天然气分布式供能项目的思路,通过模块化的集成手段,对具体的服务对象量体裁衣,减少建筑安装费用投入,同时提高动力设备的国产化率,项目投资成本可减少约30~40%,投资回收期缩短3~5年。

  在系统集成设计阶段,要考虑服务地区是否具备适合的气电价格水平;在系统运行阶段,根据峰谷电价情况,调整系统合适的运行时间和运行状态。

  01、建立节能奖励机和降碳机制。综合考虑分布式供能项目在节能降碳方面的贡献,注重项目建成后的运行效果和节能水平,从“组织领导、机制完善、特许经营、投资补贴、税收减免、财政奖励”等方面制定具体的可操作性措施和节能奖励机制,完善国产化设备示范应用奖励机制,支持科技攻关和首台套示范,鼓励企业多场景梯级应用集成创新。

  02、大力推进分布式能源系统关键技术创新,实现动力装备国产化,完善设计规范,降低项目投资,增加运行时长,提高经济收益。研发分布式供能的核心动力,加大对天然气及多能互补分布式能源系统设计、中小规模高效低氮燃气内燃机及燃气轮机、适应不同温度的余热转换利用、多能互补、系统主动调控等关键技术的科研投入,提高系统节能环保水平和用户的供需匹配程度。

  03、政策保障。综合考虑技术、成本、用户接受程度、电网接纳能力等因素,提高国家和行业协会对分布式供能发展的预测能力。政府补贴倾向于节能环保性能好、社会效益突出的技术与项目。综合考虑分布式供能在节能环保与减碳方面的贡献,促进分布式能源发电上网的政策与制度保障。

  冯乐军 :中国科学院工程热物理研究所,博士后。研究方向:多能互补分布式能源系统协同集成与主动调控,储能。

  隋军 :中国科学院工程热物理研究所,研究员。研究方向:多能源互补的分布式能源系统,包括能的综合梯级利用与全工况系统集成、余热驱动的吸收循环、太阳能热化学发电等方向。

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