【论文精选】上海市天然气分布式能源发展回顾与展望

作者：郭甲生

第一作者单位：上海航天智慧能源技术有限公司

摘自《煤气与热力》2020年4月刊

1   背景现状

 

上海分布式能源发展起步较早，研究较为系统，总体水平在国内处于领先水平。从1999年上海市利用天然气至今，天然气分布式能源的建设在上海已经有整整20年的历史，期间高校与研究机构做了大量的研究与应用推广工作，但由于系统复杂、制约条件多等因素，前期发展缓慢，在发展过程中经历了曲折，积累了可贵的经验，为全国行业发展做出了贡献^［1-5］。近年来随着天然气分布式能源技术的日益成熟、工程经验的积累、国家政策的扶持以及市场机制的变化等原因，建设项目数量呈现快速增长势头^［6-7］。据不完全统计，截至2018年底，上海总共建成及在建61个分布式能源项目，总装机容量达247 375 kW。项目遍布医院、宾馆、工厂、交通枢纽、办公楼宇等；原动机使用了微型和小型燃气轮机、内燃机及热气机等，系统设计有冷电联供、热电联供和冷热电联供等多种形式^［8-9］。

 

2   研究对象

 

尽管行业内对分布式能源有多种定义及名称，如分布式能源、分布式供能、燃气分布式供能站、燃气热电冷联供，但在国家政策及规范中，逐渐以天然气分布式能源为主，在上海的地方规程及扶持政策中则以分布式供能系统出现，因此，本文以天然气分布式能源或分布式供能系统所指为研究对象。本文所指的天然气分布式能源项目，根据上海市发布的地方规程及扶持办法，同时具备以下几个特征：以天然气为燃料或主要燃料；年综合能源利用效率大于70%；单机发电功率小于10 MW；安装于贴近用户侧。以上特征是区分热电联产、天然气发电厂及自备发电等诸多类型项目，这些均不列入研究对象。

 

按照项目类型，以楼宇型与区域型两类为研究对象，区别在于是否为单一或多个企业法人实体供应能源（如电力、热力、空调等）；按照应用场景不同，可分为科研、办公、酒店、商场、数据中心、医院、工厂、能源中心等；按照原动机的类型，可分为内燃机、燃气轮机、微型燃气轮机（下文简称微燃机）及外燃机4类；按运行状态可分为停用、教学科研、在用、在建4类。

 

3   项目梳理

①投运时间

 

上海市天然气分布式能源的发展主要经历了4个阶段：第一阶段——概念导入阶段（1999—2004年），新增7个分布式能源项目，新增装机容量6 203 kW，此期间内天然气分布式能源主要以科研与示范项目为主，如浦东机场一号能源中心项目，以及上海理工、交通大学等项目。第二阶段——科研示范阶段（2005—2009年），新增10个分布式能源项目，新增装机容量3 638 kW，主要以科研示范类项目为主，如同济大学、上海飞奥及中电投高培中心等一系列科研示范项目，以展示验证功能性为主。第三阶段——试点示范阶段（2010—2014年），新增19个分布式能源项目，新增装机容量达37 440 kW，较前两阶段有大幅增长。自2010年起，上海市分布式能源发展转入新的阶段，主要以试点与示范项目为主，其标志是以虹桥商务区供能中心及国际旅游度假区能源中心为代表的区域式项目开工建设及医院类项目的示范项目，开始了由楼宇式项目向楼宇式与区域式项目同步开展的新局面，逐渐由科研示范转为试点示范推广应用阶段。第四阶段——商业推广阶段（2015年至今），新增25个分布式能源项目，新增装机容量达200 094 kW。从2015年起，上海市分布式能源发展进入快车道，主要以区域能源中心与工业分布式能源应用齐头并进，单个项目装机规模也趋向大型化和规模化，以项目经济收益及“煤改气”为驱动的商业化项目为主，应用场景包括数据中心、工业节能改造、区域能源中心及大型商业场所等，如上汽大众安亭工厂、上海科大能源中心、腾讯上海云数据中心等项目。从项目数量看，区域式项目约占总数的25%，楼宇式项目约占75%；但从装机容量看，区域式分布式能源项目装机容量达104 MW，约占总装机容量的50%，且单个项目装机容量均在4～5 MW以上。

 

②运行状态

 

从项目运行状态来看，共有9个项目处于停用状态，另有5个项目为以教学科研为主的状态，此两类项目开机时间均极低，主要以第一及第二阶段（1999—2009年）的项目为主，合计装机规模较小，规模占比仅为4%，但其数量占比却达25%左右。此两类项目为分布式能源后期发展积累了较为丰富的工程实践经验，并通过项目示范增加了公众对分布式能源的认知。在建项目有9个，主要以能源中心类为主，区域能源中心类项目由于建设期普遍较长，涉及到所供区域的土地拍卖、项目建设、招租及装修入住等工作，但能源中心作为区域市政基础设施一部分，往往需要提前投资建设，因此，此类项目建设投产期较长，对项目经济性有较大影响。在用项目38个，其中以2013年后建成投产项目居多，主要与2013年后天然气分布式项目补贴采取后评估要求有关，但在用项目由于其供能用户用能特点、设备运行状态及稳定性等原因，其年工作时间有较大差异。

 

③原动机类型

 

从发电机组形式来看，上海市分布式能源项目主要采用内燃机、微燃机及燃气轮机为主，其项目数量占比分别为63.49%、25.40%和7.94%，外燃机占比较小。但从项目装机规模来看，三者占比分别为75.73%、0.96%和23.25%。可以看出，微燃机由于单机规模普遍较小（一般为30 kW、65 kW和200 kW），虽然项目数量占比较高，但总装机规模仅占0.96%，与此相反的是，燃气轮机项目数量占比虽然较低，但其装机规模占比却高达23.25%，主要与其单机装机功率较大有关。内燃机由于单位功率造价相对较低、供能形式多样、功率范围大，以内燃机为原动机的项目不论从项目数量还是装机规模均占比较高，这与国外分布式能源利用成熟国家（如美国和日本）的分布类似。

 

④应用场景

 

从项目服务的应用场景来看，上海市分布式能源项目已广泛应用于医院、能源中心、办公、工厂、数据中心、酒店等场所，其中又以医院、能源中心和工厂应用项目数量占比较高，这些应用场景用能时间较长（普遍年用能时间大于3 000~3 500 h），同时有供电和供冷（热或蒸汽）需求，且对能源价格承受能力较强，均是分布式能源适合的应用场景。与国外分布式能源利用成熟国家（如美国和日本）相比，上海市分布式能源利用的场景虽均有涉及，但从发展潜力及技术适用性来看，工业企业由于其用能特点（一般能源需求量大，用能时间长且生产过程中能耗波动较小，节能环保排放及供能可靠性要求高），结合本市产业结构调整发展方向，筛选适合的分布式能源利用项目，发展潜力较大。上海市按应用场景分类的分布式能源项目数量见表1。

 

表1   上海市按应用场景分类的分布式能源项目数量

⑤地理分布

 

根据上海市能源发展规划，能源供应从集中为主向集中与分布相结合转变，促进供能方式变革，结合智能电网及能源互联网等新技术的发展应用，在工业区及用能较集中区域，包括医院、宾馆、综合商务区等重点领域和虹桥商务区、上海后世博A、B片区（央企总部区）、国际旅游度假区、郊区新城以及金桥、金山、奉贤等区域，推广实施分布式能源系统。经过20 a的发展，分布式能源项目已广泛分布于上海市多个区县，其中又以浦东和闵行两区项目数量最多，分别为20个和17个。除宝山、长宁、崇明及静安等4区暂无分布式能源项目落地外，其他各区均有项目在建或建成投产。从地理分布来看，呈现郊区比市区项目数量多，且从发展趋势来看，郊区区县项目潜力大于市区区县。另外，在上海市分布式能源优惠气价覆盖范围内的区县，其项目数量要远远高于优惠气价未覆盖区县。随着上海市产业发展规划的落地实施，分布式能源项目尤其是区域能源中心项目呈现区域内多点开花的局面，如大虹桥区域就已在建及建成投运的能源中心达5个区域能源站，包括虹桥商务区核心区1^#及2^#能源站、中博会会展中心能源站、西虹桥商务区1^#及2^#能源站项目。在后世博开发区域，同样密集地分布着4个能源站，包括世博A片区1^#及2^#能源站，世博B片区央企总部能源站及前滩能源站等项目。

 

经过20 a的项目探索、建设及运行，据不完全统计，天然气分布式能源累计项目增量投资约19.1×10⁸ 元，其中燃气轮机项目按6 500 元/kW，内燃机项目按8 000 元/kW，微燃机项目按1.5×10⁴ 元/kW，外燃机项目按1×10⁴ 元/kW计算。在建及在用项目合计年可节约标准煤3.8×10⁴ t/a，年平均利用时间按2 000~2 500 h计算，年利用天然气量约1.46×10⁸ m³。据不完全统计，合计已发放扶持补贴金额约2.7×10⁸ 元，项目建成后及后评估分期发放导致滞后效应，其中70%为2017—2018年发放，主要与2015—2018年建成单个规模较大项目数量有关，如上汽大众分布式能源项目已获得单个项目5 000×10⁴ 元的上限补贴。

 

4   政策路径

 

上海市从2004年以来一直致力于推进天然气分布式能源系统发展，先后组织开展了一系列卓有成效的工作。特别是“十一五”以来，市政府高度重视，将发展分布式能源系统作为推进节能减排工作的重要抓手之一，市委市政府领导多次做了重要批示并召开市政府工作会议和市政府常务会议进行决策部署。市发展改革委会同市有关部门（经信委、财政局、科技委及住建委等）建立机构、拟订政策、制订规范、推进项目、组织宣传，制定了专项鼓励扶持办法，为上海市分布式能源的发展提供了重要支持。截至2018年底，共出台了4轮政策，覆盖年限从2004年至2018年共计15 a的专项鼓励扶持政策。

 

第一轮（有效期：2004—2007年）：2004年9月发布了《关于本市鼓励发展燃气空调和分布式供能系统意见的通知（沪府办【2004】52号）》，分布式供能系统按700 元/kW装机容量补贴；实行季节性差异气价；进口自用设备，除国家规定不能免税的设备外，经批准可予免征关税和进口环节增值税。支持分布式供能系统电力并网，经核准建设、符合规范的分布式供能系统，电力企业应支持其电力并网。

 

第二轮（有效期：2008—2012年）：2008年11月发布了《上海市分布式供能系统和燃气空调发展专项扶持办法（沪府办发【2008】48号）》，分布式供能系统按1 000元/kW补贴；对分布式供能系统、燃气空调项目的燃气排管工程，优先列入道路掘路计划；政府投资的重大基础设施建设项目，其设计单位要在可行性研究报告中，比选论证分布式供能系统和燃气空调的可行性，并优先考虑使用分布式供能系统和燃气空调方案；按照“以热（冷）定电”原则运行的分布式供能系统，电网企业要按有关规定接受并网。

 

第三轮（有效期：2013—2015年）：2013年3月发布了《上海市分布式供能系统和燃气空调发展专项扶持办法（沪府办发【2013】14号）》，对分布式供能项目按照1 000 元/kW给予设备投资补贴，对年平均能源综合利用率达到70%及以上且年利用时间在2 000 h 及以上的再给予2 000 元/kW的补贴，每个项目享受的补贴金额最高不超过5 000×10⁴ 元；燃气供应企业要优先保障天然气供应，实施优惠气价；并网申报、审核和批准过程原则上不超过20个工作日；支持区域型分布式供能项目发电上网；政府投资的医院等公益性项目和年用能超过5 000 t标准煤的重大基础设施建设项目，应比选论证天然气分布式供能系统的可行性，具备安装使用条件的，应使用该系统；项目建成投产后3 a内开展后评估。

 

第四轮（有效期：2016—2018年）：2017年1月发布了《上海市天然气分布式供能系统和燃气空调发展专项扶持办法（沪府办发【2017】2号）》，天然气分布式供能项目，按照1 000元/kW给予设备投资补贴。对年平均能源综合利用率达到70%及以上且年利用时间在2 000 h及以上的天然气分布式供能项目，给予2 000元/kW的节能补贴；对年平均能源综合利用率达到80%及以上且年利用时间在3 000 h及以上的天然气分布式供能项目，再给予500元/kW的节能补贴。每个项目享受的补贴金额最高不超过5 000×10⁴ 元。燃气供应企业要优先保障对天然气分布式供能项目和燃气空调的天然气供应，并实施优惠气价；进一步降低郊区天然气分布式供能气价，对上游天然气门站价格调整的，实行上下游价格联动调整。另外，对燃气接入、电力并网及上网、后评估等具体环节予以支持。

 

可以看出，上海对于天然气分布式能源是持续支持，而且从时间历程来看，总体上扶持鼓励的力度也在逐步升级。另外，在政策的落地及项目实施过程中，也在不断对政策进行优化，主要有以下方面：

 

a.从发布时间上看，每一轮政策的时间点是全覆盖的，不留空白，这对于稳定及增强分布式能源项目开发及投资企业预期，具有重要的支撑作用。但从政策的发布时间点看，除2013年第三轮政策发布相对比较及时外，其余3轮政策的发布时间节点在前一轮政策到期后均有一定程度的滞后，如2017年1月发布的第四轮政策就滞后近1 a左右，这一方面与政策制定的科学性与严谨性密切相关，包括政策调研、评估、课题研究、讨论、修订，以及政策优化和发布等过程，另一方面也和政策需要协调的因素及政府对分布式能源发展定位及前序政策实施落地效果有密切关系。

 

b.从政策名称来看，因定位于“提高能源综合利用效率、优化能源结构，平衡燃气和电力供需、提高电力安全保障水平”等因素，分布式能源和燃气空调在4轮政策的发布上均列入其中，不同的是，在2004年的第一轮政策发布时，在政策名称上，“燃气空调”位于“分布式供能系统”之前，且在内容上，强调“政府投资的建设项目，要优先使用燃气空调”，而在后续3轮政策发布时，“燃气空调”则均位于“分布式供能系统”之后，且从扶持补贴力度上，分布式供能系统的幅度也是大于燃气空调，这与分布式供能系统具有更高的综合能源利用效率及电力与燃气双重削峰填谷等优势有关。

 

c.从政策的框架上看，从第一轮政策发布起，就已关注与分布式供能系统密切相关的几个方面，如燃气接入、燃气供应、燃气价格、电力并网及设备补贴等关键环节，而且在政策可操作性及细节上，也在不断地优化和提升，力度持续加强。如从缩短电力并网流程到支持多余电力上网，考虑到项目建成后实际运行而设置后评估环节（发布上海市天然气分布式供能系统后评估实施细则（暂行）（沪建交联［2013］777号））并将补贴分成两个阶段、对实际运行达到更高指标的标杆项目实行额外奖励，成立“分布式供能系统推进办公室”的办事协调机构，设置单个项目5 000×104 元的上限，明确操作流程等。以上这些调整优化都大大促进了分布式供能系统的应用与推广。

 

d.从支持对象上看，从第一轮政策发布起，这些扶持办法就明确将扶持对象确定在“单机规模1×10⁴ kW及以下的分布式供能系统项目”，且一直未变，这也将分布式供能与天然气热电联产及小型热电厂区分开来，将分布式供能系统聚焦于医院、宾馆、大型商场、商务楼宇、工厂等场景，贴近用户端，提高能源综合利用效率，增加综合利用时间，更大程度上发挥分布式供能系统能源利用效率高、环保性好、经济性明显及供能安全性与可靠度高等优势。

 

5   上海市天然气利用历程

 

上海市天然气分布式能源的示范推广利用与天然气的应用大体重合，在1999—2019年期间，上海市天然气利用主要经过发展初期（1999—2003年）、快速发展（2004—2008年）、加速发展（2009—2013年）及增速减缓（2014—2018年）4个阶段。截至2018年底，年用气量8×10⁸ m³，居民用户580×10⁴户，居民用户和商业用户总用气量、大工业用气量、电厂用气量的比例约为51%∶23%∶26%。

 

从气源来看，上海目前已构建起含东海气、西气东输一线、川气、西气东输二线等多路管道天然气气源通道，含750 km主干管网，包括郊环线6.0 MPa、外环线1.6 MPa、联通线4.0 MPa、浦东环线2.5 MPa等多个压力，另外，还建有洋山LNG接收站和五号沟LNG站，供气来源多元化，供气安全性较高。从天然气价格来看，对于分布式供能系统原动机用气，根据2010年7月1日起执行的沪燃集（ 2010） 67号文要求，工业分布式供能系统：0～8×10⁴ m³/月（含）以内：2.83元/m³，8×10⁴ m³/月以上：2.73 元/m³； 营业事业团体分布式供能系统：0～8×10⁴m³/月（含）以内：2.43元/m³；8×10⁴ m³/月以上：2.33 元/m³。遇国家能源价格政策性调整，燃气价格作相应调整，与传统燃气锅炉用气价格相比，始终保持约20%~35%的气价优惠，这对分布式能源项目的推广起到了积极作用。

 

6   问题及启示

 

①能源价格影响

 

天然气分布式能源项目经济性主要受气电价比、项目年利用时间、系统单位造价及补贴等因素紧密相关。在目前国内天然气及电力价格条件下，气电价比（1 m³天然气与1 kW·h电价格的比值）一般不宜高于4，项目年利用时间（主要取决于应用场景及系统配置）宜大于3 000~3 500 h，否则项目经济性难以为继，经济上适宜的项目数量大大减少。从投资或节能角度，由于天然气分布式能源的削峰填谷、环境友好及社会效益优势目前无法在经济收益中直接体现，建议政府及部门从碳排放交易、电价或气价补贴等方面出台相关政策以提升项目经济性，避免能源利用中的“劣币驱逐良币”效应。

 

从技术角度，需要从系统配置的精细化与用户负荷的需求紧密匹配出发，提高系统的综合能源利用效率，提高能源设施的利用时间，对系统集成的能力，包括从多能互补、因地制宜及高效可靠等方面提出更高要求。从系统投资角度，经过近10 a项目建设及招投标，厂家技术升级及项目数量的提升，分布式能源系统投资已呈现较大幅度的降低，以核心原动机内燃机为例，从进口发电机组8 000～12 000元/kW，降低至2 800～4 500元/kW，从设备角度继续下降的空间已相当有限，应在项目设计优化、项目管理能力及外围工程配套简化等方面持续发力，全面提升项目建设管理水平。

 

②技术装备升级

 

分布式供能系统中核心的原动机目前主要还是采用进口设备，在科委及经信委等部门支持下，经过10多年发展及多轮政策扶持鼓励，相关设备制造企业、科研、设计机构开展对天然气分布式供能系统技术的攻关，促进关键设备的标准化，提高系统集成水平，降低设备造价和系统维护成本。上海目前已陆续有包括外燃机、微型燃气轮机、中小型燃气轮机、小型内燃机的完全具有自主知识产权的产品下线及项目示范应用，正处于规模化生产及推广的关键时期，但厂家较少，产品型号较少，在一些关键指标上和国外先进产品还有距离，国产化道路依旧任重道远。上海在高校、科研院所资源集中、产业基础条件较为扎实、扶持政策到位、市场应用场景丰富等优势条件组合下，仍有广阔前景，大有可为。对具有完全知识产权国产化原动机或采用进口核心机本土集成的项目，在满足后评估相关技术及性能要求条件下（如一次能源综合利用率、年利用时间及排放等指标要求），建议按装机容量再给予额外奖励，从而可大大缩短业主的投资回收期，加快分布式供能的普及应用及本土化国产原动机产业规模化发展。

 

③工程项目产品化

 

根据分布式供能在国内外发展的经验及规律，逐渐以分布式、贴近用户侧的微型化、模块化、集成化及信息化，甚至家用化为趋势。对于这类项目（类似模块化商用空调或家用空调），建议以产品的方式来管理，而不能单纯以项目的方式来定义，应以一次能源综合利用率和年利用时间为限制约束条件，对达到条件的产品列入扶持政策内。

 

④运行管理专业化

 

随着分布式供能项目陆续建成，尤其是能源投资商建设的分布式供能项目，后期项目层面运营管理、设备维护以及行业监管层面，如何从项目技术上及管理上实现合理可靠的项目运行管理，实现有效能效监控、管理及优化，充分发挥天然气分布式供能节能减排、节约用户能源成本等优势，需积极主动通过多种渠道加大对分布式供能系统利用的宣传及普及教育。通过搭建具有公信力的分布式供能系统能耗监测平台，定期发布本市分布式供能系统运行质量报告，以实际运行数据的可视化支撑扶持政策的持续性及合理性。加大对分布式供能系统利用的宣传及普及教育。

 

⑤持续优化营商环境

 

对微型分布式供能产品，其自身集成化程度较高，设备总价较低，以单机容量50 kW为例，设备及外围辅助设备等造价已达约50×10⁴ 元，若以项目方式对待，将大大增加项目前期立项及合规周期，增加项目建设的合规费用及隐性投资成本，阻碍分布式供能的普及化及规模化发展。作为市委市政府积极推动的持续优化营商环境的重要抓手，以节能产品入围代替项目备案及核准后，可充分挖掘分布式供能效率高、贴近用户侧的特点，此类项目如宾馆、健身房、浴室、办公大楼等在上海市场潜力巨大。

 

7   发展趋势

 

在当前能源结构调整与利用方式转变、生态环保与新型城镇化建设的背景下，随着上海市多轮关于推广天然气分布式能源系统的相关政策逐步落地，行业的发展已经初具规模，各种场合包括医院、酒店及能源中心等项目的分布式能源系统都已有建成运行案例，展望天然气分布式能源发展趋势如下。

 

从国外发展经验、用户能源需求及特点以及大气污染防治等途径来看，天然气分布式能源未来在工业应用领域有更广阔的发展空间。另外，对于用能负荷时间长且冷热电负荷匹配的项目如数据中心等适合发展分布式能源应成为发展重点之一；从规划层面起落实区域分布式能源，综合统筹包括天然气分布式能源的分布式能源供应站，为推动分布式能源推广应用打下基础。

 

从原动机设备来看，随着技术成熟及产品商业条件不断成熟，小型化的原动机设备如外燃机及燃料电池等将来进入千家万户及商业用户场合，将成为分布式能源未来发展方向；高度集成式分布式能源站产品将工程产品化，可推动分布式能源快速发展，应成为发展重点。

 

随着分布式能源项目陆续建成，尤其是能源投资商建设的分布式能源项目，应注重后期项目运营管理、设备维护以及行业监管。从项目技术及管理上实现合理可靠的项目运行管理，实现有效能效监控、管理及优化，充分发挥天然气分布式能源节能减排、节约用户能源成本等优势，是后续分布式能源发展面临的重要课题。

参考文献：

［1］刘惠萍. 上海分布式供能系统发展研究与问题思考［J］. 上海节能，2010（1）：7-10.

 

［2］房川军，姜耀鹏，曹月红，等. 分布式能源在上海的科技发展现状及对策研究［J］. 科技和产业，2015，15（4）：130-132.

 

［3］王圣，王锋涛，杨硕. 我国重点地区天然气分布式能源项目形势及发展分析［J］. 环境保护，2018，46（2）：68-70.

 

［4］郑颖. 分布式能源系统在城市节能减排中的作用分析——以上海市为例［J］. 统计科学与实践，2018（4）：31-32.

 

［5］李然. 我国天然气分布式能源现状及未来发展分析［J］. 中国石油和化工标准与质量，2018，38（23）：107-108.

 

［6］王健. 燃气分布式能源在某医院中的应用分析［J］. 上海节能，2018（9）：748-752.

 

［7］殷平. 数据中心研究（5）：燃气冷热电三联供［J］. 暖通空调，2017，47（6）：1-8，37.

 

［8］杨桂丹. 天然气冷热电三联供能源站在城市中的规划布局研究［J］. 电工技术，2017（6）：139-140.

 

［9］龙惟定. 第三代分布式能源系统及其应用［J］. 暖通空调，2019，49（7）：1-10，68.

  

（编辑：林国真）