區域型分布式冷熱電聯(lián)供能源系統的規劃設計

  1 前言

 

  分布式冷熱電聯(lián)供能源系統(DES/CCHP)是在20 世紀70 年代后期，伴隨著(zhù)“石油危機”后世界天然氣的快速發(fā)展而開(kāi)發(fā)、應用并已經(jīng)趨于成熟的技術(shù)。它可以是“區域型”的，也可以是“樓宇型”或“用戶(hù)型”的。當前，中國正在完成工業(yè)化和城市化進(jìn)程，而此進(jìn)程必須在提高能效、減排CO2 的條件下實(shí)現。DES 在經(jīng)濟效益、能效、碳減排三方面都是比較好的組合方案，這就決定了DES/CCHP 必將成為我國工業(yè)和商住能源終端供應保障的主要模式。

 

  在這個(gè)時(shí)刻， 科學(xué)地認識和發(fā)展適當規模的DES系統十分重要，中國必須從自身的國情出發(fā)，在“樓宇型”和“區域型”兩種DES 類(lèi)型中做出選擇。

 

  2 區域型與樓宇型分布式能源系統的發(fā)展回顧和適宜條件比較DES/CCHP 是上世紀70 年代末先在美國、隨后在歐洲和日本等自由市場(chǎng)經(jīng)濟國家發(fā)展起來(lái)的。當時(shí)它們都已實(shí)現了工業(yè)化和城市化，城區布局已經(jīng)定型，新建DES 只能立足于已有條件“見(jiàn)縫插針”。

 

  所以從數量上看， 絕大多數DES 都是不涉及城市中道路開(kāi)挖、管線(xiàn)敷設的“樓宇型”或“用戶(hù)型”。少數幾十兆瓦級的“區域型”DES 項目主要建在能源密集的工業(yè)區或中央商務(wù)區(CBD)，而且也有一個(gè)逐步擴展的過(guò)程。例如美國最大的、位于Chicago 市中心的區域供冷系統(DCS)，就是在2×104US.RT(美國冷噸，1US.RT=3.517kW，下同)規模的基礎上，逐漸向周?chē)脩?hù)拓展而達到10×104US.RT 規模的。

 

  迄今在中國國內，不論在分析論述還是在工程實(shí)踐上， 大都是針對樓宇或用戶(hù)的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)和冷熱電聯(lián)供(CCHP)。典型的如醫院和機場(chǎng)，建筑面積不過(guò)幾十萬(wàn)平方米， 輸送范圍也不過(guò)幾百米，用戶(hù)都在同一個(gè)法人單位之內，不存在市場(chǎng)交易問(wèn)題?！皹怯钚汀被颉坝脩?hù)型”DES，由于其規模小(一般小于10MW)、終端負荷品種少、需求時(shí)間段較單一，導致單位投資高(常常超過(guò)1 萬(wàn)元/kW)，設備和系統的能效均較低、年運行時(shí)間較短，只有在特定的經(jīng)濟條件下才具有競爭力。但也正因為其“小”，不涉及公共空間資源，經(jīng)濟關(guān)系單純，易于決策。

 

  “區域型”DES 則正好相反，投資少(一般4000~6000 元/kW)、能效高(70%~90%)、運行時(shí)間長(cháng)(年運行時(shí)間4500h 以上)，因而經(jīng)濟上極富競爭力。但顯然， 在上述已經(jīng)發(fā)展成熟的自由市場(chǎng)經(jīng)濟國家，能夠找到一個(gè)建立幾十兆瓦規模的DES/CCHP 的工業(yè)區或CBD 并不很容易。

 

  表1 是被廣泛引用的美國DES 統計數據。從中可以看出， 數量只占不到3%的平均規模78MW的“區域型”DES 占到了總裝機容量的近一半；而小于10MW 的“用戶(hù)型”DES，數量占90%以上，裝機卻只占30%?！坝脩?hù)型”DES 在美國能夠得以發(fā)展，是因為其財務(wù)分析條件與中國完全不同， 例如，占投資大頭的微型燃氣輪機在美國本土的財務(wù)評價(jià)中遠沒(méi)有在中國的項目中那么貴。

 

  3 “十二五”期間適于中國國情的分布式能源發(fā)展戰略選擇中國必須從自身國情出發(fā)，在“樓宇型”和“區域型”兩種DES 類(lèi)型中做出選擇。中國當前發(fā)展天然氣DES/CCHP 所必須考慮的基本國情包括：

 

  ① 中國并不是自由市場(chǎng)經(jīng)濟， 而是以地方政府為主體的“有社會(huì )主義特色的市場(chǎng)經(jīng)濟”，集中規劃、辦大事的能力遠非自由市場(chǎng)經(jīng)濟可比。

 

  ② 不同于100 多年來(lái)已經(jīng)實(shí)現了工業(yè)化和城市化的西方國家，中國正處于快速實(shí)現工業(yè)化和城市化的中期，未來(lái)十幾年內將集中建設一大批總量有可能超過(guò)現有存量的新工業(yè)園區和新城區。

 

  ③ 中國是世界第一人口大國， 絕大多數城市居民將主要居住于高層、密集的住宅小區內(不論是商品房還是保障性住房)，而不是像西方的“別墅群”內，這有利于居民能源終端需求的集約化供應。

 

  ④ 受土地資源所限， 中國的城市規劃不可能像西方那樣把工業(yè)、CBD、住宅三種功能區散布在廣闊的空間上并分隔開(kāi)來(lái)，多半是集成布置。這使得中國的區域型DES/CCHP 有可能把工業(yè)用蒸汽、建筑物空調、采暖和居民生活熱水4 種終端需求的供應集成在一起，從而獲得最高的能源利用效率。

 

  ⑤ 21 世紀的第二個(gè)10 年，是中國與發(fā)達國家同時(shí)進(jìn)入智能電網(wǎng)的時(shí)代。與智能電網(wǎng)互補雙贏(yíng)的DES，既能夠幫助電網(wǎng)調峰和保障供電安全，也可以使DES 所發(fā)的電力實(shí)現就地直供， 從而進(jìn)一步發(fā)揮DES 的優(yōu)越性。

 

  ⑥ 歷經(jīng)40 年的發(fā)展，DES 的各種單元設備技術(shù)和系統集成技術(shù)都比上世紀70 年代有了長(cháng)足的進(jìn)步。這使得中國能夠發(fā)揮“后發(fā)優(yōu)勢”，實(shí)現“跨越式發(fā)展”，結合國情集成創(chuàng )新。采用現代系統科學(xué)、信息科學(xué)、管理科學(xué)與各種能源轉換、傳遞科學(xué)和技術(shù)，按照熱力學(xué)第二定律和經(jīng)濟學(xué)理論，在對各種冷熱電用戶(hù)8650h/a 變負荷統計分析的基礎上，集成各種最新的燃氣作功發(fā)電技術(shù)、制冷技術(shù)、熱泵技術(shù)、可再生能源利用技術(shù)、強化傳熱技術(shù)，建立系統模型、優(yōu)化求解， 從而得到在經(jīng)濟效益、能效、碳減排三個(gè)方面都比較好的組合方案。而不是簡(jiǎn)單地跟在某些西方項目的后面照貓畫(huà)虎，或者把DES 簡(jiǎn)單化地理解為熱電聯(lián)產(chǎn)加上吸收制冷而隨意、粗放地規劃。

 

  基于對上述這些基本國情的考慮，結論不難得出：從“十二五”規劃開(kāi)始的一個(gè)歷史時(shí)期內，中國必須抓住與天然氣同步發(fā)展，與新工業(yè)區、新城區同步建設的歷史機遇，集成創(chuàng )新，及時(shí)規劃建設一大批區域型DES/CCHP 項目，使中國新建設的工業(yè)區和商住區的能效達到世界先進(jìn)水平。

 

  至于現有區域能源集約化改造以及新區中區域型DES 難以囊括的個(gè)別邊遠、特殊地方，因地制宜地采用“樓宇型”或“用戶(hù)型”DES/CCHP，當然是必要和可能的，與發(fā)展區域型DES 并不是相悖的。

 

  但是如果因片面強調“樓宇型”或“用戶(hù)型”DES 是舶來(lái)的“正宗”而錯過(guò)了上述發(fā)展區域型DES 的歷史時(shí)機，就要犯下追悔莫及的大錯誤。更何況，對于國家能源保障和能源利用效率的大局來(lái)說(shuō)，一個(gè)區域型DES 抵得上成百上千個(gè)樓宇型DES，并且經(jīng)濟性和能效都要好得多。

 

  4 區域能源終端需求的內涵和集成優(yōu)化潛力

 

  能源的終端需求主要包括工業(yè)、商住、交通、有機化工四大部分。DES/CCHP 所服務(wù)的工業(yè)、商住兩部分能源終端需求在總能耗中的比率，在美國為50%，而在目前的中國則為85%。

 

  4.1 工業(yè)和商住能源終端需求的內涵

 

  4.1.1 工業(yè)用能

 

  工業(yè)有兩大類(lèi)：在化工、冶金、建材、造紙、醫藥、食品等“過(guò)程工業(yè)”終端用能中，各種溫位的熱量(相當大一部分以低壓蒸汽為介質(zhì))占大多數，其次是用于驅動(dòng)泵、壓縮機等的電力；而機械、電子、輕工、紡織等“離散制造業(yè)”的終端用能主要是電力，其次是廠(chǎng)房供冷供暖，也需要部分熱或蒸汽。

 

  4.1.2 商住用能

 

  商住用能也有兩大類(lèi)：一類(lèi)是取決于建筑物面積的，就是采暖和空調制冷。在我國北方地區，不論哪種類(lèi)型的建筑物采暖都是必須的，而空調制冷則對于公共建筑是必須的；南方地區居民住宅安設空調的目前也有一定比率，但尚未普及。另一類(lèi)是取決于人口的，即生活用熱水(主要是洗浴和炊事用)，主要在住宅和賓館。當然，這兩類(lèi)都還包括電力，用于照明、家用電器等等。按照住建部的統計，我國建筑物終端用能中，采暖空調占65%，熱水占15%，電力占14%，炊事用燃氣占6%。

 

  4.2 區域能源終端需求集成優(yōu)化潛力

 

  傳統的供能模式一直是分產(chǎn)分供。終端需求的電力目前絕大多數是由煤和天然氣等化石能源的化學(xué)能燃燒轉換成熱能，再通過(guò)布雷頓循環(huán)和卡諾循環(huán)作功而產(chǎn)生的，發(fā)電效率最高不過(guò)45%~60%，其余溫度低的熱能沒(méi)有利用，作為“廢熱”排放到環(huán)境中。而另一方面，工業(yè)用200℃左右的低壓蒸汽、商住用60~70℃左右的供暖和生活熱水等很低品位的熱，用天然氣在燃燒溫度高達1400℃的鍋爐中燃燒產(chǎn)生，是典型的“高能低用”[5]。熱力學(xué)第二定律決定了由化學(xué)能轉換為電和熱的最高效途徑是冷熱電聯(lián)供分布式能源系統DES/CCHP， 就是把三者集成起來(lái)，燃料先發(fā)電，再用低品位余熱“聯(lián)供”蒸汽和熱水，實(shí)現“高能高用，低能低用，溫度對口，梯級利用”的科學(xué)用能，效率可達80%以上。

 

  當我們從新工業(yè)區和新城區能源供應保障和高效利用的視角，從實(shí)現中國的低碳工業(yè)化和城市化的大局來(lái)看待上述潛力的時(shí)候，就不會(huì )把思維局限在一座座樓宇、一個(gè)個(gè)單位內；而是要立足于前述六項中國的國情特點(diǎn)，從宏觀(guān)的區域能源規劃的高度考慮工業(yè)和商住冷、熱、電、汽各種終端能源需求的集成優(yōu)化。文獻[6]在分析美、中兩國的工業(yè)終端能效分別為80%和52.9%的原因時(shí)指出，決定性的因素是工業(yè)燃料中煤所占的比率，美國是9%，而中國則是62%，是由于中國未采用天然氣CCHP 的能源供應系統所致。文獻[3]分析了當前中國發(fā)展天然氣DES/CCHP 的創(chuàng )新機遇，指出北方的集中供暖(DHS)、南方的區域供冷(DCS)以及工業(yè)園區的集約化能源供應服務(wù)， 是中國區域型DES 規?；幕A。DCS 和DHS 與天然氣聯(lián)合循環(huán)調峰發(fā)電、余熱集中供熱水相結合構成的DES/CCHP 是在現代中國條件下的集成創(chuàng )新， 能夠達到遠高于西方DES的能源利用效率。

 

  5 中國特色的區域型DES/CCHP 的基本模式

 

  5.1 挖掘發(fā)電用天然氣提高能效的潛力

 

  天然氣聯(lián)合循環(huán)電站提高能效的潛力有兩方面：一是抽出低壓蒸汽供給工業(yè)用戶(hù)取代直接燃用天然氣或煤的鍋爐；二是利用燃料發(fā)電后40%排放的廢熱。前者相當于工業(yè)CHP，只不過(guò)聯(lián)合循環(huán)電站建設時(shí)只考慮了調峰，而沒(méi)有注意與工業(yè)熱用戶(hù)的結合。在新建的工業(yè)園區中，在注意規模大小、空間布局、蒸汽參數、使用時(shí)間特性等各方面協(xié)調配合的情況下，是不難實(shí)現的。

 

  燃料發(fā)電后40%的廢熱，有余熱鍋爐排煙和汽輪機乏汽的冷凝潛熱兩項。最新設計的排煙溫度已降低到100℃以下。因為天然氣含氫量大、煙氣水露點(diǎn)高于60℃，顯熱、潛熱都有。乏汽的冷凝潛熱通過(guò)復水器傳遞給循環(huán)冷卻水，夏季溫度約30~38℃，冬季為20~28℃。顯然，直接用這些“廢熱”供暖、供熱水并不現實(shí)，但它們可作為熱泵供暖、供熱水的熱源。與目前熱泵系統廣泛采用的地熱源(14~20℃)、海水源(3~6℃)比較，溫位高、相應的能效比(COP)大、取用成本低且方便，具有很好的經(jīng)濟效益。

 

  熱泵供生活熱水的創(chuàng )新流程是：原水首先利用16h/d 運行的天然氣聯(lián)合循環(huán)電站汽輪機乏汽冷凝潛熱加熱到25~35℃， 然后再與煙氣換熱升溫到約50℃[7]， 通過(guò)大部分埋地的塑料管網(wǎng)泵送到各個(gè)熱水用戶(hù)的負荷中心， 再用熱泵升溫到60~70℃，儲存于熱水罐中，供每日傍晚集中使用。冬季廢熱把原水從小于10℃加熱到50℃， 承擔了70%~80%的加熱負荷；在50℃的基礎上進(jìn)一步用熱泵提升10~20℃， 能效比從海水或淺層地熱的溫度提升大得多， 因此能耗費用極低。儲罐中60~70℃熱水的經(jīng)濟輸送距離約1km。實(shí)例分析表明，熱水成本主要由管網(wǎng)等設備折舊和熱泵耗能構成， 約為每噸10多元。以20 元/t 價(jià)格售出(電/燃氣熱水器熱水價(jià)為24~44 元/t)時(shí)電站可獲相當于售電收入1/4~1/2 的經(jīng)濟效益(取決于供熱與發(fā)電規模的比率關(guān)系)。

 

  新規劃建設的電站選址靠近工業(yè)、商住等負荷中心區，規模與用熱互相協(xié)調適應。由于50℃的經(jīng)濟輸送距離可以長(cháng)達10km， 因此電站余熱利用可以覆蓋數十平方千米的區域。已建成的遠離工業(yè)、商住區的電站必要時(shí)可以搬遷過(guò)來(lái)。原來(lái)廢棄的低溫熱只要能利用一半， 天然氣能效就可以由45%~55%提高到65%~75%， 既改善了天然氣發(fā)電的經(jīng)濟性和電廠(chǎng)對天然氣價(jià)格的承受能力，又提供了廉價(jià)、高效的終端用熱(蒸汽)服務(wù)。

 

  5.2 向居民供應熱水的可操作性

 

  在新開(kāi)發(fā)的城區，集約化生產(chǎn)的熱水的用戶(hù)有三類(lèi)：第一類(lèi)是賓館、酒店；第二類(lèi)是在企業(yè)工作的外來(lái)職工宿舍；第三類(lèi)是各個(gè)新建的住宅小區居民(少數散居的原住居民暫不考慮)。政府可以考慮規定新建小區的房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商把熱水管、水表安裝到每戶(hù)，攤到房?jì)r(jià)中的費用不       到5 元/m2，可包括在開(kāi)發(fā)商的購地價(jià)格中(目前各地開(kāi)發(fā)商的購地成本折算到售房?jì)r(jià)格中至少1000 元/m2，5 元/m2 可以說(shuō)是小巫見(jiàn)大巫)。居民入住后，所消費的熱水費同樣可由物業(yè)管理公司按月耗量代收，目前已有越來(lái)越多的小區用傳統技術(shù)(蒸汽加熱)提供熱水供應服務(wù)，收費并無(wú)困難。

 

  住在廉租房中的、原來(lái)并不奢望享受熱水服務(wù)的城市低收入群體，也可以享受到生活熱水這樣的改革開(kāi)放成果，辦法是把這筆費用(每人每月約1t熱水，20 元/t，每年240 元)納入低保補貼中。全國2800 萬(wàn)城市低保人群需增加財政支出約70 億元/a，但如果今后10 年新建住區普遍采用廢熱供熱水，則可節能1×104t 標煤/a，價(jià)值1000 多億元，社會(huì )效益十分巨大。

 

  5.3 熱泵+電站廢熱供暖的可操作性

 

  傳統的DHS 用的是DES 的汽輪機0.8MPa 高參數抽汽， 創(chuàng )新改進(jìn)是采用乏汽和0.02~0.08MPa低參數抽汽，加上熱泵升溫。因為燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電站熱電比只有1.2，用0.8MPa 高參數抽汽供暖不僅供暖范圍很小，而且是高能低用。解決辦法是把10~20km 外大型(吉瓦級)燃煤電站的廢熱藉溫升50~80℃的循環(huán)熱媒水遠程輸送到城市中心，用COP=5~6 的熱泵升溫供暖。按照1.5km 的經(jīng)濟輸送半徑，根據負荷密度，劃分若干個(gè)5km2 左右大小的區域，每個(gè)區域規劃1 個(gè)天然氣DES/CCHP 能源站(約100MW 級)，供熱能力達到數百萬(wàn)平方米建筑面積。筆者曾計算過(guò)一個(gè)典型的利用廢熱供暖、供熱水的實(shí)例。20km 以外的遠程電站乏汽加上0.02~0.08MPa 低壓抽汽的冷凝潛熱， 通過(guò)10~90℃的循環(huán)熱媒水輸送到采暖負荷中心，通過(guò)3 級串聯(lián)的熱泵， 利用55~10℃低溫部分的熱源使采暖二次循環(huán)回水從45℃升溫到53℃，再與90~55℃高溫部分直接換熱到60℃，循環(huán)供暖。一個(gè)利用遠程燃煤電站300MW 汽輪機廢熱的DES，可給900×104m2 建筑物供暖， 與傳統的用0.8MPa 抽汽加熱循環(huán)熱媒水供暖相比，年經(jīng)濟效益8000 萬(wàn)元。

 

  5.4 區域供冷站DCS 與天然氣DES 的結合區域供冷是類(lèi)似于北方的集中供暖系統、在一定規模區域內由制冷站通過(guò)循環(huán)管網(wǎng)向各個(gè)用戶(hù)供應空調冷水的系統。它有能效高、同時(shí)使用系數小因而冷機投資低、節約用地和運行人員、沒(méi)有噪音和熱島效應等優(yōu)勢，最近在我國發(fā)展很快。日本總結了DCS 應用10 多年的經(jīng)驗，得出DCS 比中央空調和分體空調效率高12%的結論。DCS 的主要用戶(hù)是公共建筑特別是CBD，以及離散制造業(yè)工廠(chǎng)的廠(chǎng)房。隨著(zhù)人民生活水平的不斷提高，將有越來(lái)越多的居民住宅成為DCS 的用戶(hù)。

 

  傳統的DCS 與天然氣DES 的結合是采用DES的汽輪機0.8MPa 抽汽吸收制冷， 這幾乎已經(jīng)成為思維定勢。這種模式有幾個(gè)問(wèn)題，一是同樣規模的吸收制冷機組效率不如電制冷機組高；二是當蒸汽輸送距離較遠時(shí)及實(shí)際運行的冷負荷波動(dòng)致使蒸汽流量大幅度波動(dòng)時(shí)， 熱能和壓力能損失都很大；三是停機再開(kāi)時(shí)蒸汽管線(xiàn)疏水問(wèn)題較大。更重要的是，在智能電網(wǎng)實(shí)現以后，夜間運行蒸汽吸收制冷遠不如采用低谷價(jià)網(wǎng)電制冷經(jīng)濟，而再上一套電制冷用于夜間運行，投資將增加1 倍。因此，在即將到來(lái)的智能電網(wǎng)時(shí)代，DCS 與天然氣DES 結合的創(chuàng )新模式是采用電壓縮制冷。按冷水輸送不大于1.5km的規模規劃DCS 冷站， 較大規模的DES 可以帶幾個(gè)DCS 站。DES 晝開(kāi)夜停，夜間DCS 用低谷網(wǎng)電運行。作為天然氣DES/CCHP 能源供應服務(wù)公司一部分的DCS，平段和峰段應用DES 按上網(wǎng)價(jià)格直供的電力[大致比下網(wǎng)電價(jià)低0.1 元/(kW·h)]，夜間采用低谷價(jià)電制冷，可使財務(wù)狀況進(jìn)一步改善，有利于DES/DCS 快速推廣。

 

  6 終端負荷估算和配置原則：從“以熱定電”到“以電為龍頭”在煤電效率只有35%的歷史時(shí)期，CHP 的電力裝機容量與供熱量相匹配才能得到最高的聯(lián)產(chǎn)效率，所以必須盡可能利用“供熱”的條件實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn)，通過(guò)“以熱定電”來(lái)確定電力裝機容量是很自然的。而在天然氣DES/CCHP 的歷史時(shí)期，情況已經(jīng)完全不同，“以熱定電”原則不再適用[9]。

 

  耗電量是一個(gè)國家經(jīng)濟發(fā)展的重要指標。本世紀以來(lái)，隨著(zhù)中國經(jīng)濟總量迅速擴大和產(chǎn)業(yè)結構向制造業(yè)大國轉型，電力彈性系數一直保持在1.0 左右，而且今后還會(huì )保持一段時(shí)間。中國總耗電量從2003 年的1.9×1012kW·h 翻一番到2009 年的3.7×1012kW·h，用了6 年時(shí)間。按照規劃，再過(guò)6 年即2015 年將再增長(cháng)60%，達到6×1012kW·h。2003 年中國人均耗電量還不到1500kW·h， 是美國人均耗電量1.5×104kW·h 的1/10，新加坡7000kW·h 的1/5。

 

  隨著(zhù)經(jīng)濟快速發(fā)展，2015 年中國人均耗電量將達到5000kW·h。在“十二五”的區域能源規劃中，作為反映經(jīng)濟發(fā)展的基本指標，新工業(yè)區或城區人均耗電量取7000kW·h/a 左右、農村地區取3000kW·h/a左右作為能源規劃的指標應是較適宜的。

 

  中國的電力負荷大部分在東部，水電和燃煤火電大部分在西部，西電東送是中國電力布局的一大特點(diǎn)。供電安全保障和智能電網(wǎng)的運作都要求在負荷中心興建一大批分散的電源， 因此天然氣DES/CCHP 發(fā)電量便成為“十二五”區域能源規劃中一個(gè)重要的指標。在沿海經(jīng)濟發(fā)達地區，人均耗電量遠大于全國平均數。以深圳為例，2009 年人均用電量已達6555kW·h/a，預計2015 年將達到8500kW·h/a以上。在每一個(gè)工業(yè)園區或新城區負荷中心，根據經(jīng)濟發(fā)展程度和終端能源需求強度的不同，除了依靠西電和省內大型煤電、核電之外， 規劃1/4~1/2耗電量依靠本地DES 生產(chǎn)， 對保障供電安全是十分必要的。按照天然氣DES 調峰發(fā)電4500h/a 計，對于一個(gè)30 萬(wàn)人口的新區，就需要設置一個(gè)150~300MW 裝機容量的DES，這就是“以電為龍頭”開(kāi)展能源規劃的道理。

 

  對上述30 萬(wàn)人口的新區，除30 萬(wàn)人的生活熱水是基本需求之外，分布式能源站所承擔的區域內冷、熱、電、汽負荷取決于本區域的氣候條件、經(jīng)濟發(fā)展程度和產(chǎn)業(yè)構成情況。顯然，任何一個(gè)區域型DES/CCHP，不論季節、不論晝夜，冷、熱、電、汽負荷的生產(chǎn)和需求總是相互匹配是不可能的。一方面，這就需要進(jìn)行優(yōu)化設計，構建一個(gè)柔性的、對負荷變化適應性很強的CCHP 系統，能夠在各種負荷條件下盡可能保持高效；另一方面，還需要兼顧DES的調峰職能， 例如在春秋季節沒(méi)有空調和供暖負荷， 那么對沒(méi)有蒸汽負荷的DES 按照調峰需求運行時(shí)，供應生活熱水就是提高能效的唯一手段。在這種新的格局下，是否能夠有一個(gè)系統構建的通用準則和一個(gè)衡量能效水平的通用指標，還需要在今后若干年的創(chuàng )新實(shí)踐中去總結、凝練。但不論如何，不能再套用“以熱定電”準則和“熱電比”的指標了。

 

  7 區域型DES 的類(lèi)型和規模中國地域遼闊，各地的氣候條件、經(jīng)濟發(fā)展程度和產(chǎn)業(yè)構成千差萬(wàn)別，但若充分利用中國國情的共性特點(diǎn)，就能夠最大限度地發(fā)揮冷、熱、電、汽多種終端能源需求集成互補的優(yōu)勢。依據產(chǎn)業(yè)類(lèi)型不同，大致可有以下3 種類(lèi)型：以過(guò)程工業(yè)園區為主體的區域，特點(diǎn)是耗熱(或蒸汽)量較大；以離散制造業(yè)為主體的區域，除電耗外，廠(chǎng)房耗冷、熱負荷較大；商業(yè)或三產(chǎn)中心區，建筑物供暖和空調負荷較大。而依據地域氣候條件劃分，則有兩大類(lèi)型：北方地區供暖負荷時(shí)間長(cháng)、耗量多；南方地區則是空調負荷時(shí)間長(cháng)、耗量多。各種類(lèi)型的共同點(diǎn)是都有可能集成附近居民用生活熱水的負荷。

 

  區域型DES 的規模確定也有其自身的規律。由于涉及到電站的布局，供冷、熱(水和蒸汽)管網(wǎng)的規劃建設， 所以DES 的范圍最好是與行政或產(chǎn)業(yè)的區域劃分相一致。例如，在“十二五”規劃中深圳市在其北部規劃了20 個(gè)各有特色的工業(yè)園區， 可以作為DES 規劃的基礎。當然，并不排除在考慮介質(zhì)經(jīng)濟距離之下，將一個(gè)行政區內的2 個(gè)或3 個(gè)園區整合在一起做一個(gè)區域能源規劃。

 

  DES 終端載能介質(zhì)的經(jīng)濟輸送距離大致是：

 

  ① DES 電站10kV 電力直供的經(jīng)濟距離約為3km 左右。但大型電站覆蓋的區域不受此限，因為調峰電站接入110kV 或220kV 電網(wǎng)后經(jīng)濟輸送距離要遠得多。

 

  ② 電站廢熱供應的50℃熱水可以送到幾千米外的熱水站用熱泵升溫儲存，每個(gè)熱水站可以覆蓋半徑約1km 范圍內的用戶(hù)。

 

  ③ 住建部最新規范，5~12℃制冷水的經(jīng)濟輸送半徑不大于1.5km， 可據此規劃DCS 冷站設置。

 

  在智能電網(wǎng)架構下， 接入電網(wǎng)的DCS 白天用能源站直供電，夜間用低谷網(wǎng)電，不用蒸汽，所以距離DES 多遠沒(méi)有關(guān)系。

 

  ④ 有供暖負荷地區DCS 與DHS 是同一套設備，共用一組管線(xiàn)，機組夏季制冷、冬季按熱泵運行。關(guān)鍵是不同地域冬夏冷熱負荷不同，可通過(guò)參數的優(yōu)化設計及循環(huán)冷(熱)媒水的溫升、流速的優(yōu)化調節，構建一個(gè)柔性的系統來(lái)滿(mǎn)足。

 

  ⑤ 1MPa 級低壓蒸汽的經(jīng)濟輸送距離約為8~10km。

 

  根據目前正在規劃和建設的若干項目的情況分析，適合于上述中國區域型DES/CCHP 的基本模式和經(jīng)濟輸送距離，能夠把工業(yè)和商住用能集成在一起，盡可能實(shí)現冷、熱、電、汽聯(lián)供的區域面積大致在10km2 的量級。規劃的通用步驟，一是按照人口和產(chǎn)業(yè)需求規劃一個(gè)適宜規模的天然氣DES 電站；按照居住人       口分布，規劃若干個(gè)熱水站。二是按照公共建筑包括工業(yè)廠(chǎng)房空調制冷和供暖負荷的空間分布，規劃若干個(gè)集中供冷(暖)站DCS(DHS)。

 

  三是根據工業(yè)蒸汽負荷的需求時(shí)間特性規劃聯(lián)供方案：16h/d 運行的、在經(jīng)濟輸送距離內的可由電站抽凝式汽輪機同步供應；24h/d 運行的，原則上把用戶(hù)集成起來(lái)，構建一個(gè)適當規模的24h/d 連續運行的DES/CCHP 子系統。

 

  以珠三角地區為例，正在規劃或建設的珠海橫琴新區冷熱電聯(lián)供能源站、深圳光明新區調峰電站、中山嘉明燃機電廠(chǎng)二期、珠海高欄港區域能源站以及隨著(zhù)“十二五”能源發(fā)展而有可能調整、改造的大鏟島廣前電廠(chǎng)、大鵬東部電廠(chǎng)等均屬于表2 中第1 類(lèi)；中山南朗深南電廠(chǎng)、民眾鎮沙仔化工紡織園區電站、東莞東興冷熱電聯(lián)供電廠(chǎng)、廣州科學(xué)城北區“中新知識城”遠期、深圳鈺湖調峰電站、觀(guān)瀾中部組團能源站、清遠順德(英德)產(chǎn)業(yè)轉移園能源站等大體上屬于第2 類(lèi)；以中山嘉明燃機電廠(chǎng)三期為代表的一批較大型工商住區能源站屬于第3 類(lèi)；以廣州大學(xué)城分布式能源站為代表的中型工商住區屬于第4 類(lèi)(參見(jiàn)華南理工大學(xué)《光明新區冷熱電聯(lián)供與中水回用專(zhuān)項規劃》、《中新知識城規劃建設熱電冷三聯(lián)供低碳經(jīng)濟園區咨詢(xún)報告》、《佛山順德(英德)產(chǎn)業(yè)轉移工業(yè)園節能規劃》、《廣州大學(xué)城區域能源規劃研究》等研究報告)。

 

  在我國中部和北方地區，以超大城市中心區集中供暖、公共建筑空調，居民生活熱水三類(lèi)負荷為主的DES，需要結合本文“5.3”中的遠程廢熱+熱泵提溫系統技術(shù)。供應一個(gè)幾百萬(wàn)平方米建筑面積的城區的DES 大致需要第4 類(lèi)到第3 類(lèi)的機組規模，如大連的東港新區、天津的陳塘新區、北京的未來(lái)城、鄭州的雁鳴湖新區等。

 

  “十二五” 期間各地正在規劃的各類(lèi)新區有成百上千個(gè)，總裝機容量將達上萬(wàn)億千瓦。從各自的產(chǎn)業(yè)、規模、氣候特點(diǎn)出發(fā)，采用科學(xué)的系統工程方法，盡可能集成各類(lèi)終端負荷，規劃設計出柔性的DES/CCHP 系統， 與新區同步建設， 就有可能使我國新增的工業(yè)和商住GDP 能效成倍地提高， 單位GDP 能耗大幅度降低。這是完成中國對世界承諾的2020年碳強度降低40%~45%的重要保證[3]。

 

  8 “十二五”期間發(fā)展DES 的支撐條件

 

  如何抓住這個(gè)與工業(yè)化和城市化同步、普遍推廣區域型DES/CCHP 的千載難逢的歷史機遇，這需要一系列支撐條件。

 

  ① 地方政府的發(fā)改委、能源局負有最重要的

 

  責任。需在轉變認識和觀(guān)念的基礎上，統籌環(huán)境、規劃、城建、電力等各部門(mén)，制訂好與各個(gè)新工業(yè)區、新城區總體發(fā)展規劃相協(xié)同的、以DES/CCHP 為核心的能源規劃。并且要主持項目的招標、建設，給與必要的金融和稅收優(yōu)惠，授權特許經(jīng)營(yíng)，實(shí)施價(jià)格監管。

 

  ② 國資委下屬各大電力集團和地方電力、能

 

  源企業(yè)，包括準入的民營(yíng)和外資企業(yè)是DES/CCHP的投資主體，也必須轉變觀(guān)念，從單純發(fā)電轉向冷熱電聯(lián)供終端能源供應服務(wù)，從習慣于獨資經(jīng)營(yíng)轉向與多個(gè)利益相關(guān)方協(xié)同合作。

 

  ③ 國營(yíng)電網(wǎng)公司應認清智能電網(wǎng)與DES 相得

 

  益彰、互利雙贏(yíng)的大趨勢，從習慣于獨家壟斷地位的心理束縛中解脫出來(lái)，與電力、天然氣、終端能源供應服務(wù)等企業(yè)聯(lián)手，打造效率領(lǐng)先于世界的中國DES/CCHP 產(chǎn)業(yè)，同時(shí)創(chuàng )出世界最高水平的電網(wǎng)安全保障模式和調峰機制。

 

  ④ 幾大國有石油公司也需要轉變觀(guān)念， 不要以從油氣產(chǎn)業(yè)鏈上、中游一直拓展到下游的全行業(yè)壟斷為目標，而是把協(xié)同地方政府、電力、電網(wǎng)各方，構建國家低碳、高效率的終端能源供應體系作為自己義不容辭的責任和崇高目標。協(xié)同國家發(fā)改委適時(shí)理順天然氣價(jià)格機制和天然氣上、中、下游市場(chǎng)機制， 協(xié)同其他各方推進(jìn)各地眾多DES/CCHP項目的開(kāi)展和產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展壯大，并且在這一發(fā)展壯大過(guò)程中找到自己的位置。

 

  ⑤ DES/CCHP 系統從末端的能源供應服務(wù)到CCHP 設施的規劃、設計和建設，包括燃氣輪機、余熱鍋爐、汽輪機、各種換熱設備、熱泵設施、制冷機組等上千套設備的研發(fā)制造，相應的各種冷、熱、汽管道的制造、安裝等等，將構建出一個(gè)龐大的低碳產(chǎn)業(yè)鏈，在未來(lái)5~10 年內，將推動(dòng)若干個(gè)行業(yè)的發(fā)展、科技進(jìn)步和集成創(chuàng )新，創(chuàng )造數以百萬(wàn)計的就業(yè)機會(huì )。國家及地方有關(guān)部門(mén)需要及早制訂規劃，為這些新興產(chǎn)業(yè)的孵化提供適宜的條件，并且把它作為發(fā)展民營(yíng)企業(yè)、吸納民間資本、調動(dòng)民間力量的重要平臺。

 

  9 結語(yǔ)

 

  全世界都在盯著(zhù)耗用世界19.2%能源、47%煤炭(2009 年)，CO2 排放已達65.3×108t(2008 年)、位居世界第一的中國(數據源自《能源政策研究》2010 年第6 期第8~21 頁(yè))，如何在這個(gè)全球走向低碳能源的時(shí)代實(shí)現自己的工業(yè)化和城市化。2010 年中國已經(jīng)成為世界核能與可再生能源發(fā)展最快的國家，但這并不能保障最近10 年內中國工業(yè)化和城市化的能源需求。這個(gè)保障，只能依靠高效利用快速增長(cháng)的天然氣， 在工業(yè)和商住領(lǐng)域推廣DES/CCHP，在交通領(lǐng)域普及LNG 車(chē)船。與核能與可再生能源的發(fā)展不同，它所涉及的不僅僅是一次能源構成的改變，更是能源終端利用的深刻變革?！笆濉币呀?jīng)吹響了進(jìn)軍的號角， 中國的有關(guān)各界應轉變觀(guān)念、抓住機遇、整合力量，走出這邁向低碳能源發(fā)展的關(guān)鍵一步。