工业园区CCHP.docx

建设工业园区冷热电联供的能源系统
 作者：华贲 来源：中国能源网  2010-07-21
        引言：中国工业化面临新历史条件的挑战与机遇
        世界经济发展在21世纪初期的最大事件之一是中国的崛起。从连续8年两位数的高速增长到2008年金融危机中对世界经济回稳发挥巨大的作用；使得中国在世界经济中的地位和影响力骤然提升。然而，冷静地思考和分析可以看出，由于起步晚了一、二百年，中国目前还处于工业化的中期。完全赶上发达国家的水平，还需二三十年年的努力。而当前，却正是面临最大挑战和机遇的历史时刻。

        欧美、甚至东亚发达国家的工业化，大都是在能源价格低、基础环境状况好，制成品和原材料价格剪刀差大的条件下完成的。而中国工业化面临的却是高能源价格、严峻的环境，制成品与原材料价格倒挂的局面。中国已经为前期的工业化付出了“三高一低”的巨大代价；而这却是不可持续的了：气候变化对二氧化碳减排的约束，给占世界燃煤42%、世界CO2排放21%的中国，施加了新的压力。中国工业的发展和能源构成的转型面临严峻挑战。

        但是，挑战总是与机遇并存。与百多年前相比，当前最大的机遇，是和平与发展的历史条件，全球化，和日新月异的科技进步。这决不是三个空洞的概念，而是在一切具体发展课题上可以充分享用的实实在在的好处。能不能抓住这些机遇在挑战中胜出，考验着一个民族的智慧。在如何解决工业化所面临的能源困局问题上，就是中国必须清醒面对的一个重大的考验。结合国情，采用成熟的，清洁、高效的工业能源集成供应系统技术，实现跨越式发展；是其中最重要的一环。

        一、 热电联产（CHP）和分布式冷热电联供（DES/CCHP）高效低排放能源利用技术及在中国存在的问题

        1、国外的发展[1]

        地处北温带和寒带的欧美发达国家，在上世纪初就发展了以抽汽或背压蒸汽供暖的，锅炉、汽轮机发电－供热机组为典型的城市集中供热的CHP系统。同时，以耗用蒸汽和热能为主的各种过程工业，如化工、冶金、建材、造纸、医药、食品等，也普遍采用CHP技术。至本世纪初，芬兰、荷兰和丹麦的热电机组已分别占全国总装机容量的32%、40%和56%。其中70%以上采用天然气为燃料。

        70年代末，在美国开始发展以天然气为一次能源。燃气轮机或内燃机为动力机械，并结合供热或空调供冷负荷的“分布式冷热电联供能源系统”（Distributed Energy System，DES/CCHP）。通过天然气发电以后的余热梯级利用于制冷和供热等低品位的终端利用，和冷、热、电均在负荷中心就地直供，而可使能源利用效率提高到70-80% 甚至更高。本世纪以来，随着能源价格的逐步攀升，各国都加快了DES/CCHP的发展步伐。至2003年，美国有6000多个DES/CCHP，总装机容量为56 GW，占全美电力总装机容量的7％。美国能源部（DOE）计划到2020年，联供系统装机将达200GW，用电量将占全国总用电量的29％。日本2003年DES总装机容量6.5GW;其中工业5 GW。到2007.3，总装机容量已达9.2 GW。其中工业占7 GW，44％用天然气。英国分布式能源站目前已达1000多个，节约能源20%以上；荷兰一公司经营着1000多个分布式能源站，法国Dalkia 也经营着200多个。这是他们的能源利用效率高达50% 以上（中国仅为36.8% ）的重要原因。美国总统奥巴马上任后提出的新能源政策中，发展天然气DES/CCHP是重点之一。

        2、国内在发展热电联产上存在的问题

        国内在北方城市集中供热采用CHP系统上近年来取得了长足的进步，2007年全国供热机组的总装机容量达到了95.8 GW，占火电机组装机容量的18.15%。不过由于供暖负荷的季节性，发电量所占的比率还没有这么大。在过程工业，特别在引进大型项目中，采用CHP的程度也在增加。但是还存在着不少问题。主要的是：

        （1）在许多地方的工业领域，规模较小、布局分散，极大地制约了CHP技术的采用；在贯彻”工业入园区“、“新型工业化道路”、发展“循环经济”时，没有与能源的集约化和高效利用集合起来。各省、市发展极不均衡。能源价格相对偏低，也使CHP发展缺乏经济动力。

        （2）国务院把热电联产列为“十一五”节能重大工程后所出台的政策，受到一些地方借CHP名义搞小火电的影响，过于强调大规模、高参数的燃煤CHP，准入门槛高达2＊300MW的规模，相应的发汽量约2000t/h。这个门槛，即使是大型过程工业也很难达到。千万吨/年炼油、百万吨/年乙烯、建材、钢铁、造纸等单个企业电负荷也不过100多MW，用蒸汽量不过几百t/h,。能够集合起600 MW电、2000t/h蒸汽负荷的大型循环经济工业园区会有的，但目前还没有发展起来。相反，大量按照集聚效应发展起来的专业化乡镇企业或工业园区用汽、电负荷的规模，不过数百t/h、数10 MW;远低于这个门槛。

        （3） 2008年，中国煤炭消耗27.4万t/a；其中55%用于发电，15% 用于制造水泥，其余30%（约7亿t/a），大部分用于工业燃料。中国有近70万台蒸汽锅炉和热水锅炉，85%燃煤，92%是不到10t/h的低压小锅炉。它们乃是燃煤造成的环境污染的主力；也是低效用能的最大群体。在珠三角、东南沿海等生态敏感地区，它们也是CO2减排的潜在主要对象。迄今，这些工业仍指望走燃煤CHP的路；一些新上的2＊300MW CHP项目的实际供气负荷只有一、二百t/h。是假的CHP;问题并未解决。

        3、国内在发展天然气分布式冷热电联供方面的问题

        （1）由于种种原因，中国发展天然气比国外迟了30年。四川、新疆等天然气产地消费，大部分以化肥等工业原料为主；2002年开始重视天然气，引进LNG和建设西-东长输管道以来,则基于签订“照付不议”供销合同的需要，把联合循环发电和民用燃气作为主要的下游市场。其实世界天然气下游用户统计资料表明，工业和商业建筑物能源占天然气市场近半份额[3]。我国能源和工业主导部门还没有把一次能源结构调整与通过DES/ CCHP提高能效联系起来；迄今还没有支持天然气DES/CCHP的政策，却有电力法第25条的极大阻碍。

        （2）不了解DES/CCHP既是天然气高效利用的途径，也是工业节能减排的极重要手段。仅仅把它看做是用于小型，甚至微型建筑物能源供应系统的技术。表1 给出了2000年美国DES/CCHP项目的数量和规模统计数据。诚然，在近980个项目中，平均容量0.7 MW的770个小内燃机项目确实占到总数目的78.6%，可装机容量却只占10.3%。相反，27个（占2.8%）平均装机78 MW的大型燃气轮机联合循环项目，却占了总装机容量的42.8%。显然，即使在美国，大型项目、工业项目也都是主力[1]。

        （3）大量实例调查数据表明，在专业乡镇范围内，用相应规模的天然气DES/CCHP取代百余台分散、低效、高污染的小锅炉，乃是经济、能效、碳排放三方面都好的技术途径；也是发电和工业燃料用户都能承受较高的天然气价格的“多赢”选择。但是，迄今已建成和在建的十来个LNG项目规划，仍是以发电和城市燃气为主，与这类市场需求脱节。例如广东已建成数十个9E、9F机组天然气联合循环发电项目，迄今为止是因为从澳大利亚NWS进口的低价LNG项目气量不足而部分运行。若采用目前国际市场上的价格的天然气，按照目前的上网电价来核算，却难以盈利及回收建设投资，面临两难的尴尬的局面。工业能源也是两难：烧煤，无排放指标；上燃煤CHP，不够门槛；烧天然气锅炉，蒸汽价格昂贵，用不起。

        4、国内在电力发展思路上的问题

        迄今为止一直是按照超大型煤电为主的传统思路，发展电力，以求满足社会需求的。缺乏对分散电源，分布式冷热电联供系统的观念和认识。没有汲取上述发达国家发展DES的经验，和世界各地，包括2008年雪灾，大电网安全事故的教训。潜在的原因一是点我的垄断机制，二是可用的天然气还不够充足。表1是2004年在第一届中国分布式能源国际会议上，世界分布式能源联盟主席提出的中国电力发展两个方案的比较测算数据。

        二、 发展工业园区能源集成供应系统的重大意义和条件[4]

        1、 工业园区能源集成供应系统 的重大意义

        气候变化已经成为当前全世界能源消耗模式转型的决定因素。为了把CO2排放控制在230亿t/a，以使大气CO2浓度大致维持在450 ppm,气温升高不超过2°C,以避免达到非线性的“气候引爆点”，即升温朝向5-6°C继而无法控制的灾难局面发展；各国领导人空前重视碳减排的全球协议。2008年中国排放CO262亿吨，已占世界20%。按照“共同但有区别的责任”原则，相信中国在哥本哈根会议上能够争取到的2030年二氧化碳排放约限，可能在50亿吨/年（占世界21.7%）左右，（人均碳排放3.4吨）。按照可持续地完成工业化的需要，届时中国的总能耗将控制在44亿tec/a，（人均能耗3 tec/p.a）。按照不同一次能源排放CO2的数据和能源资源、自产能力、合理的进口规模和比率估算，相应的能耗构成大致是：新能源可再生能源27%，石油16%，天然气17%，煤40%（其中近一半采用CCS利用）。

        在2030年之前，中国CO2排放控制主要依靠提高能效，而最重要的提高能效措施是尽快增加天然气在一次能源构成中的比率并高效利用。煤占近70%、天然气仅占2-3%的一次能源结构是中国能效低的重要原因。中国2008年煤电转换效率约35%，而天然气联合循环发电效率为50—55%；天然气冷热电联供（DES/CCHP）的能源利用效率更在70%以上。目前世界天然气在一次能源中的比率约为23-25%。把天然气比率从2-3%提高到17%左右，是中国能够在人均能耗3 tec/p.a下实现中等发达的最重要保证。其主要战略措施之一就是在占能耗60%以上的工业中，把作为主要燃料的数亿t/a煤尽可能采用集约化的天然气DES/CCHP替代。

        “新型工业化道路”包含着工业入园区化的理念；而这决不仅仅是同类企业的集群化；能源利用的集成乃是园区更突的地优点。不同冷、热、电需求的负荷集成互补，可以实现规模化的DES/CCHP。

        2、 发展天然气工业基础能源供应系统的条件已具备

        中、西部地区，距离中心城市较远、规模大的过程工业园区，适合于采用燃煤的工业CCHP。而东南沿海中心城市内的大工业区，无论从环境质量还是CO2减排的角度，都不应该再增建燃煤CHP项目。而上述中国低碳发展之路的一个重大疑问是：有没有那么多天然气可用？有没有那么多下游用户能够学好这些天然气？回答是肯定的。

        第一、近年来我国天然气从勘探开发、生产,到国外资源的利用和进口，都取得了很快的进展。天然气消耗量以每年20%以上的速度增加。表3是根据各方面的信息估算的2020年我国天然气供应情况。
表3 2020年中国天然气供应总量和构成的估计

        国内生产                         160-190
        非常规天然气                 80—120
        国内小计                        240– 310，占70 %
        进口管输                        70—90
        进口 LNG                     40—50 （3100-3900万tLNG/a） 
        国外小计                       110—140，占30%
        总量                               350--450 bcm/a，4.5--5.8亿吨油当量 /年

        另方面，保守的研究估计，6种下游用户到2020年节能减排所需要耗费的天然气量大致是（bcm/a）：发电96, 民用炊事64，工业燃料100，商住能源80，原料15，交通燃料45，合计4000 亿m3/a。换句话说，下游市场是能够消化4000亿m3/a天然气的。

        三、工业园区能源集成供应系统的类型

        1、9E型天然气联合循环电站改造为DES/CCHP类型

        一个重要的战略途径是：将建在工业区附近的2×9E型天然气燃气轮机联合循环电站的纯凝汽轮机改造为背压—抽汽式，尽可能多外供1.0---1.3MPa的蒸汽给附近用汽的工业企业；不仅能够替代锅炉燃煤，而且可以使天然气利用效率从50%左右提高到70—80%。对于连续生产的过程工业，年开工8000小时，远远超过调峰电站的3500---4000小时/年，也更提高了投资回报率。最近在广东的几个典型实例研究表明：2台9E机组，新增1台背压机，改造1台最大抽气量为120t/h（最小凝气量60t/h）的抽凝机，加上原来纯凝机开孔可抽55t/h汽；便可以适应从几十t/h到300t/h变化的供气负荷需求；年耗天然气可达3亿m3/a。这种解决方案适合于大量现有分散小锅炉供汽的乡镇范围内的工业能源集成供应系统；也适合于大城市（如广州的南沙、萝岗、深圳蛇口）的集中工业区内某个区块的能源集成、高效供应。

        2、主要承担电网调峰任务的9F机组DES/CCHP类型

        2台9F机组，供气规模可高达600t/h,，年耗天然气可达10亿m3/a，装机容量达750MW。这样的规模即使是超大型的工程工业,也很难与之匹配。但是9F调峰机组，可以在白天负荷高峰期，在产电的同时同时生产空调冷水和生活热水。这与南方地区大型离散制造业园区的能源需求的时间特性基本匹配。这样的组合不仅可以提高工业能效，而且大大降低发电成本。刚刚完成的某156km2高科技工业园区基于3×9F天然气燃气轮机联合循环电站的CCHP规划研究表明：以向高科技工业厂房供冷、和供百余万人生活热水为主，兼供200-300t/h夜间无负荷的蒸汽需求，在保持该电站的昼夜调峰功能的条件下，可使天然气的能源利用效率从48-50%提高到75%以上。工业冷热用户和调峰发电厂的经济效益都大大改善；CO2排放比纯发电加电制冷、天然气锅炉供热水和蒸汽减少30%以上[5]。

        3、6B 、FT8、Solar等小型燃气轮机机组，或18—50MW的FM型用1%柴油点火的天然气内燃机组类型。

        可用于工业规模较小的乡镇或园区，由几十个小厂的几十台小锅炉集成形成的小型工业园区DES/CCHP系统。这样的工业园区，也多半与居民和工人的生活区连在一起，附件还有酒店、机关、医院、学校等公共建筑。这乃是中国不同于西方国家的国情。在北方，所有建筑物都需要冬季供暖，公共建筑夏季需要空调冷水。在南方，所有人都需要洗浴用生活热水，公共建筑(包括相当部分的厂房)则有较长时间的空调负荷。如同上述高科技工业园区的情形一样，中国工业的CCHP系统不论南方还是北方，都是有可能同建筑物DES/CCHP系统集成在一起的。
        当然，绝不是排除小型、微型的DES/CCHP系统，包括用于酒店、餐馆、别墅等独立建筑物，和用于一座小工厂、一个机关、学校、医院等的，采用微燃机、小内燃机，或将来采用燃料电池的小型系统。但如同表2所展示的美国数据，毕竟上规模的系统作出主要的贡献。

        4、 发电、供热、制冷能源转换联产---终端供应组合类型和方案

        必须指出的是，CCHP决不是反对者简单理解的0.2MPa抽汽加热120°C热水供暖，蒸汽吸收制冷供7—12°C冷水这样概念化的组合。它是基于科学用能，即“高热高用、低热低用，温度对口、梯级利用”的思想，严格按照热力学第二定律和火用经济学理论，采用系统工程方法，在对各种冷热电用户8650 h/a负荷统计、综合的基础上，采用各种燃气作功发电技术、各种制冷技术、热泵技术、再生能源利用技术，以及强化传热技术，集成建模和优化求解而得到的，在经济效益、能效、碳减排三个方面都比较好的组合方案。式现代系统科学、信息科学、管理科学与各种能源转换、传递科学和技术的集成。某些CCHP项目效果并不显著源于过于简单化的理解和组合所致[6]。

        此外，方案必须有一定的柔性和前瞻性。不仅适应四季、昼夜等气候条件变化，也须考虑到能源价格等市场条件的变化，和园区规模的扩展；甚至新的成熟技术的采用。几十个工程规划的经验表明，由于气候条件、负荷的时间变化和空间分布、附近可用的余热和再生能源的情况等的不同，每一个项目的规划方案都是不一样的。例如，最近的几个项目规划生活热水的生产/供应方案都不一样。例如，采用35°C左右的汽轮机冷凝潜热循环冷却水，在能源站内用不同的废热或低温余热加热到55-60°C，连续输送到分散在用户负荷中心的热水站储罐，再根据实际情况，分别采用①热水型蒸汽吸收制冷即梯级利用过的70°C左右的温排水，②蒸汽吸收热泵，③电压缩热泵，④太阳能集热器，⑤小（微）型CCHP的余热，等等当地可用的、最便宜的方式，加热到65°C左右，供随时使用。包括管网、储罐等投资折旧在内，热水成本只是天然气家用热水器成本的一半。

        工业的CCHP项目，还必须建立在采用能量系统优化技术规划和改进能源利用的总体方案的基础上。一个过程工业企业，首先优化工艺和总流程，降低工艺总用能；然后再采用换热网络优化匹配、低温热系统优化利用、余热升级利用等技术提高能量回收循环利用率；这样，需要通过CHP 或CCHP 由一次能源转换供入的冷、热、电的负荷将会大大减少了。国务院把能量系统优化列为“十一五”重大节能工程的真意，就在于此[7]。

        四、 工业园区能源集成供应系统与循环经济[8]　

        循环经济的用能模式是能源—转换—利用--回收循环、排弃。能量被利用的是其质量，用过以后，数量还是守恒的，只不过质量降低或称“降质”。热能的质量或品位可以“能级系数”ε= 1-T0/T来表征。品位不同的能量具有出不同的使用价值，表现出等级化的价格。例如，40℃左右的生活热水是很低品位的能量，与等量的燃料化学能比起来，它的价值只有后者的约1/10。目前居民家中用的电热水器、燃气热水器都是典型得“高能低用”；热水的燃料成本分别为43元/t和23元/t。而用低温废热为主供热水的总成本只有11元/t。这是因为在冷热电联供系统中，“按质用能”、“梯级利用”，燃料的高品位能先发电、中品位能制冷，能量多次、逐级、循环利用的缘故。

        在循环经济园区里的工业能源集成供应系统，比单纯的DES / CCHP还多一层涵义；那就是各个企业之间能量的“按质用能”、“梯级利用”和“循环利用”。循环型能源经济主要指在工业生态园区内各个企业之间，和在整个邻近社会区域内，包括工业、建筑物、农业用能之间能量的循环、梯级、高效利用。30年前奥地利就有一个居民区以邻近的屠宰场25°C排水为热源的热泵供暖项目。上述生活热水供应系统几乎适用于有CHP的各种工业园区。北方企业25°C左右的循环冷却水废热，是临近农村蔬菜大棚、热带鱼养殖最适宜的热源。

        图1所示的是丹麦有名的Kalundborg工业园区内的物质循环、能量循环结构，已实现年节油45000吨，节煤15000吨、节水600000吨、减少CO2和SO2排放各175000吨和10200吨的成绩。在我国目前建立循环经济工业园区的努力中，应当避免仅仅注重物流循环而忽视能源循环、梯级利用的潜力。这其实也是 “能量系统优化”在“循环经济”中的体现。

        五、工业园区能源集成供应系统的推进机制和政府责任[3]

        综上所述，发展工业能源集成供应系统，乃是目前中国节能减排最重要的战略途径。但近年来DES/CCHP在我国的发展，却非常缓慢。在推行DES/CCHP的具体项目工作中，深感受到现实机制的极大制约。

        经过这几年的宣传，各界都对DES/CCHP有了初步的概念。随着天然气供应迅速扩大的前景和价格因素，从各个城市燃气公司、电力电网公司，区域供冷运营商，到上游三大油气开发生产、管道和LNG终端站建设的垄断公司，都看到了城市工业和建筑物CCHP 这个大市场；都在以各种手段，“抢滩登陆”，以求独占先机。

        其实，如果他们了解了DES/CCHP这个市场的复杂性和自身规律，就会知道，这块“蛋糕”是很难独吞的。因为DES/CCHP项目既有区域内的排他性，又牵涉较多的利益方；燃气、电力（网）方，工业、建筑物业主方，供冷、热能源服务商方，代表社会利益的政府方。所以必须有一个各方协同推进和利益分享的机制。这就是DES/CCHP项目宜由股份多元化的公司投资、建设和运营的道理。

        另一方面，政府的作用最为重要。首先，中央政府应该尽快转变观念，认识到这是最重要的节能减排举措；从而尽快修改阻碍DES/CCHP发展的现有法律、法规，在贷款、准入和税收方面出台激励和优惠政策；特别是对区域供冷和余热集中供应生活热水的服务，应当引用“资源综合利用”条法，免除一切税收；因为居民用电空调和热水器是不用缴税的，如果对合理用能的区域供冷和余热集中供应生活热水的服务项目征收17%的增值税和33%的所得税，投资者将完全无利可图，因而DES/CCHP将不可能发展。

        其次，中央和地方政府，都有必要将DES/CCHP纳入到产业发展规划，能源规划（包括电力规划、天然气发展规划）、城市化规划和具体的城市建设（道路、交通、集中供热等）规划中。也必须包括在循环经济发展规划、产业转移规划、生态和环境改善规划、低碳经济规划等专项规划中。在一些新的工业园区和城区建设的规划中，以DES/CCHP为核心的能源规划应当是规划的重点内容。如果各项规划中都没有与DES/CCHP 相关的安排，所有的项目都将寸步难行。

        第三，有一定规模的DES/CCHP项目，必须由政府依照规划出面组织。按照项目建议书、可行性研究等程序，做好充分的前期工作论证、审查和多方案比较；然后组织项目建设和特许经营的招标。项目建成后对运营和供应价格进行严格的监管。决不应包办、垄断，也不能放任给任何一个公司任意运作。发达国家已有成熟经验可供借鉴。

        中国面临着发展工业园区集成能源供应系统的空前绝后的历史机遇。作为“第一生产力”的DES/CCHP系统技术已完全成熟。现在是按照马克思的嘱咐，让生产关系适应和推进生产关系的发展，让上层建筑适应于基础的加固的时候了。

参考文献:
[1] 华贲 左政 杨艳利 分布式能源系统对中国天然气下游市场开拓的重要性 沈阳工程学院学报（自然科学版）2006 4 2（2）：97-103
[2] 华贲 给热电联产和分布式能源正名 能源政策研究 2005 5：21-25
[3] 华 贲 龚 婕，分布式能源与天然气产业在中国协同发展的历史机遇，《能源政策研究》 2007年 No.5, pp.14-20
[4] 华贲 中国低碳能源战略刍议，能源政策研究 2009.（将发表）
[5] 华南理工大学，《光明新区冷热电联供与中水回用专项规划》（研究报告）2009.8.10
[6] 华贲 龚婕 分布式冷热电联供能源系统经济性分析 天然气工业 2007 7 27（7）：118-120
[7] 华贲 中国炼油企业节能降耗---从装置到全局能量系统优化，《石油学报（石油加工）》25（4）pp.463—471,2009.8
[8] 华贲 实施循环型和节约型能源经济战略 可持续发展通报 2005.3（2）：1-5
[9] 罗洪，能源与环境：循环经济策略，中国能源战略高层论坛，北京，2005年5月