华 贲
华南理工大学天然气利用研究中心
引言：向低碳经济转型关键是提高能源利用效率[1、2]
过去十年中国能效提高较慢；经济快速发展靠煤耗快速增加形成恶性循环，2010年中国耗煤已占全世界48.3%。今后要保持经济稳增长而又不大量增耗煤碳，首先必须大力提高能效。假如 2015年的总能效比 2010年提高3个百分点，中国的总能耗就能够从“十二五”规划的41亿tce/a减少到38亿tce/a；总耗煤也会从38亿t/a降低到34亿t/a，即仅比2010年增加3.5亿t/a。
中国的能源利用效率为什么低？从表1中（2007）美（2002）两国能流图的比较分析可以看出，能源终端利用的主项--工业和建筑物耗能占比中国是77.4%，美国仅为40%；其中电和燃料的比率，中国是23：77，而美国是36：64。这缘于中国产业结构是重工业为主，美国是高新技术和第三产业为主。而燃料中一次能源构成的煤与油气之比，美国是1:9，中国则是7.7：2.3。从图上的数据马上就能算出工业和建筑物两大项的终端能效：美国是77.5%，中国仅为52.5%；相差25个百分点。可见，一次能源结构是影响能耗的主要原因。所以在“十二五”能源规划中快速发展天然气决不仅是由于其较煤碳“清洁”，更重要的是为了提高能效。而这是迄今被严重忽视的。
表1 中美两国工业和建筑物终端用能分布的比较分析
项目 占总能耗% 电% 燃料% 其中油气% 煤% 能效/% 美国 40 36.5 63.5 91 9 77.5 中国 77.4 23.5 76.5 28.2 71.8 52.5
一、 天然气冷热电联供是提高能效、保障经济发展的最重要战略举措 热电联产CHP是在20世纪燃煤占一次能源30%—80%的历史时期发展起来的，典型模式是锅炉/汽轮机—发电+抽汽，着眼点在一次能源转换效率，评价指标是“热电比”。天然气冷热电联供CCHP则是在20世纪70年代末石油价格驱动天然气价格逐渐提高的推动下发展起来的，典型模式是在燃气轮机/内燃机发电+余热锅炉/汽轮机—发电+抽汽的基础上、运用包括热泵等各种能源利用技术而构建的，满足用户所有冷、热、电、汽终端需求的“联供”系统；是能源系统技术的历史性飞跃。其评价指标是能源利用效率、经济效益、碳排放。与燃煤CHP相比，能效可提高1倍，碳排放可减少60--70%。概括地说：
CCHP = CHP + 科学用能、系统优化
“分布式供能”的核心涵义是终端需求的冷、热、汽、暖、电的“就地直供”。天然气CCHP当然是属于分布式供能系统, 所以也可以叫做天然气分布式供能DES。其规模限制就是冷热汽暖的经济输送距离。按照一个能源站带几个DCS,建设部规范DCS的5-12°C冷水输送距离<1.5km，蒸汽和采暖热水经济输送距离8 --10 km测算，最大的DES/CCHP可以覆盖几十 km2的范围，由产业规模和人口决定的电力装机可达数百 MW。配合工业化和城市化进程，“十二五”
各地在规划上千个新开发园区，为建设高效区域型天然气DES提供了极好条件；反过来，高效DES 也是新区经济发展的能源保障。
二、 DES/CCHP的技术关键和典型模式
1、
DES/CCHP实现高效的技术关键
（1）从一次能源到终端用户全面考虑，把发电、供工业蒸汽、供应建筑物
和生活用的冷、暖、热水集成为一个“总能系统”；（2）科学用能，即“高热高用、低热低用，温度对口，梯级利用”，其技术核心是尽可能减小每一级用能的佣损耗，体现为采用现实能源/设备比价之下的最优传热温差；（3）尽可能安排多个冷、热、电、汽终端用户时、空分布的最优组合：包括昼夜、四季负荷的多时段互补；（4）较大的系统规模，以便采用高效率的大机组、多台并联，调节运行台数适应负荷率变化，做到设备和系统都有最高的效率。
2、
DES/CCHP的典型模式[3]
对于地处北温带、四季分明的中国，能够实现全年最高能效的典型DES/CCHP的模式，是基于燃气轮机联合循环系统，加上抽出工业用蒸汽、乏汽和烟气废热藉热泵提温供采暖和生活热水，并与区域供冷DCS相结合的系统；见图1。大中型联合循环发电效率已经可达50%以上；如果能够把废热中占一次能源20%的部分用于集中供暖和生活热水，再加上DCS提高能效的作用，总能效就不难达到70%以上。
图1 适宜中国气候条件的典型CCHP流程
3、
天然气DES/CCHP与电网调峰和安全保障的协同关系[4]
随着可再生能源如核电和风电等装机占比越来越大，电网昼夜调峰需求日益强烈。如果在新区普遍采用DES/CCHP、并且昼开夜停16h/d运行，就可以基本上解决电网昼夜调峰问题。CCHP/DES是完全可以按16h/d运行的。发电机组夜间停机时制冷改用电网的低价谷电；16h/d生产的生活热水储存在负荷中心、够1天用量的储罐中；蒸汽同步供16h/d运行的离散制造业用户；24h/d连续生产的过程工业企业用蒸汽另外专设机组供应。DES/CCHP以调峰换取电价，就可以实现互利双赢。办法是：按照占全国总电量75%的大工业用电价格pp和pe确定天然气DES峰段和平段的上网电价pp-α和pe-α（α<0.1元/kWh）。α值由电监局和物价局测算定出，并根据经济条件变化而调整。
三、 DES/CCHP系统与区域能源系统的关系
不包括有机化工工业的区域，终端用能需求包括工业、建筑物、交通三大领域。规划的DES/CCHP系统与区域能源系统之间的区别有三点：
1、交通能耗。区域能耗包括交通，交通不在DES/CCHP系统之内。“十二五”也是交通能源多元化的转折点，重大的变化走势，一是地铁、高铁等电力公共交通的快速发展。二是L/CNGV、包括客货交通运输车船，矿山、码头、渔业、建筑工地、农业等原来耗用柴油的设备改用L/CNG替代。2010年已占天然气耗10%，预计“十二五”末占到15%。在已有“十二五”区域交通总体发展规划的基础上，做好包括车船改装或更新、加气站布局、L/CNG供应等几条产业链在内的LNGV发展规划，就能够算出目标年公共交通和L/CNG替代比率和交通总能耗
[8]
。
2、其它用能。统筹规划的区域CCHP系统不可能覆盖所有的终端用能。例
如高温工业炉用的天然气，商用和民用的炊事用天然气，还有边远地区和特殊需求的油品和LPG等等。CCHP系统加上交通耗能和其它用能就是全区总能耗。
3、外来电力。我国电力资源西电东送的特点，若干新区部分电力须依靠电网供应。计算区域总能耗，必须把所耗用的网电按实际构成折算为一次能源。目前我国电力75%是煤电，但可再生能源比率将逐步增加。但如果新区天然气CCHP系统发电量大于区域内耗电量，多余部分协助周边大城市电网调峰，则这部分电力就应作为本区域的能源输出；须折成一次能源从总能耗中扣除，
四、 区域能源利用效率与DES/CCHP系统能效计算
1、
区域能源利用效率与CCHP系统能效之间的关系
能源利用效率计算的一般公式是：
总能效 = 终端耗用各种能源总量之和 / 耗用的一次能源总量（MWh/a，下同）； 或：η= [E + S + C + W + H + F + G+ RNU] / [NG +OL + CL + RN + GE/ζ] ⑴ 式中符号：终端耗用的E-电，S-蒸汽，C-冷，W-暖，H-热水, F-油品燃料，GI-天然气，RNU-直接终端利用的可再生能源（不经过DES/CCHP系统直接利用；例如太阳能家用热水，风电/光伏互补照明灯，直接燃用的生物质能，温泉和地源/水源热泵等）；一次能源中NG-天然气，OL-石油，OL= F + FOT (FOT 为除交通外用于工业和其它部门的石油及油品，根据产业规划算或实际出)，CL-煤（一般新区不再烧煤，CL=0），RN-可再生能源（指在区域内通过发电利用的可再生能源，如区域内有一定规模的风电、太阳能光伏、沼气或废弃物发电、小水电等等,再加上RNU），GE-网电, ζ为网电折算为一次能源的系数—取决于当地或全国发电的一次能源构成。
按照第四节的分析，就不难得出，区域能源利用效率ηR就是上式两端各项均严格按照本区域内各项消耗数据计算所得出的结果。而CCHP系统能效ηD则须严格按照CCHP系统实际包括的输入输出各项能源来计算：
ηD = [ ED + SD + CD + WD + HD ] / NGD ⑵
式中，下标D代表DES/CCHP系统以所耗天然气NGD为一次能源生产出的各项终端供能。显然，⑴、⑵两式中各项所界定的范围并不相同。对于一个正在规划中的新区，我们先假定，区域内冷热汽暖用户都不能随意自建传统低效供能设施，（住宅空调除外），而必须由CCHP系统供应；夜间DES/CCHP系统发电部分停机时，系统采用网电供冷。这样，在⑵式中，除了未包括交通能耗和其它用能源之外，两式的区别和关联有：
NG = NGD + G ⑶
区域天然气耗 = CCHP耗气 + 终端耗气；
SD = S， CD + CDN = C， WD = W， HD = H， ⑷
CDN为夜间CCHP系统停机时制冷耗用网电提供的负荷，相应耗电量为GEINC;
E = ED ± GE ⑸
终端耗电 = CCHP供电ED ± 净外网电GE;
GE = GEI – GEMO, GEI = GEIM + GEINC + GEINO ⑹
式中， GEMO—系统白天向外网输出, GEI – 外网总供入，GEIM –白天供入，GEINC –夜间制冷耗低谷电，GEINO—夜间其它耗电。GE>0时净供入, GE<0时净供出。
在“十二五”期间，强调以转变经济增长方式、扩大内需保持“稳增长”的中国，除了特别规划的特大型重化工企业或园区之外，大部分新区产业结构所需求的终端供能，还将是工业和建筑物耗能占7-8成的局面。因此，ηD的大小就是决定η
大小的最主要因素。
2、
DES/CCHP发电与外网电的关系
在发育完善的国家（省）能源系统中，一般应有DES供电少于终端耗电，不足部分由外网输入，即ED < E。但在中国目前情况下，沿海发达地区各大城市中心都非常缺电，特别缺乏能够就地直供的电源。因此，在“十二五”期间，在老城周边新规划开发的区域，往往需要负担着本区域内加上邻近老城区双重的调峰和供电可靠性保障的任务。这时就有 ED > E, 或E = ED + GE。
在规划区域能源系统的时候，必须根据当地实际情况，并与当地电网公司沟通，来决定E、ED、GE三者之间的关系。首先是选择适宜的总耗电量指标。根据：“十二五”电力发展规划，2015年我国人均耗电将近5000 kWh/p.a，则在新规划区域，这一指标应在7000-8000 kWh/p.a；这相当于欧洲国家的水平；乘以区域内常住人口数，就是总耗电量ET。不过ET不等于E，因为一般ET的统计中包括了制冷部分用电ECD,而在⑴式中定义的E只是终端直接耗电，是不包括空调制冷的。在建筑物耗能很多的区域，不可忽视这一点。故有：
E = ET - ECD ⑺
接下来，ED的选择就决定于上述±GE的考虑了。从最高能效目标考虑，ED = E最好。ED < E过多也对提高区域能源利用效率不利。因为外网电力目前多为煤电，不仅一次能源转换效率不过35%，而且碳排放也很高。用外电越多区域能效越难以提高。另方面，也不希望ED >> E过多；因为纯调峰部分所发的电是没有联供冷热汽暖的，其能效最高也不过60%。但即使“十二五”老城周围新建区都取ED > E全局来看也绝对是ED << E。因为中国电网约一半的电力要靠西电东送。即使到2020年在新区全面推广DES/CCHP,天然气发电也不过占全国
14%--15%。
3、
DES/CCHP系统的能效计算
（1）、在目前机制下，电网公司不参与的DES/CCHP调峰项目，由于需要
夜间停机，除了CCHP系统供冷热暖所消耗的自用电之外，白天发电均销售给电网公司，夜间停机时DCS从电网购入低谷电力制冷。因此DES自发、直供电与外部大电网电之间的关系比较复杂；但是并不混乱，是完全可以厘清的。在夜间低谷网电接入DES系统情况下，⑵式变为：
ηD = [ ED + SD + CD + CDN + WD + HD ] / NGD + GENC/ζ （2-1）
式中CDN-夜间供冷总量，GENC--耗用外网低谷电总量，ζ-网电折一次能源系数。
（2）、在热电联产的能效计算中分子只算到抽汽。而供热、供冷全部采用1MPa抽汽是典型的高能低用。CCHP能效计算的分子必须是全部终端供能，即冷、热、电、汽、暖。尽管这些终端耗能品位相差极大，现阶段仍只能按热力学第一定律计算其数量。由于区域范围较大，终端供能输送管网耗能应当由CCHP系统承担；换句话说，终端供能量应以用户实际获得的量为准。
（3）、因为中国地处四季分明的北温带，四季、昼夜的冷、热、电、汽、暖实际负荷差别极大。所以按⑵式计算能效绝对不能采用设计工况数据，而必须按8650 h/a逐时实际负荷累加求和。利用冷热暖负荷逐时分析软件计算并不困难。
4、
区域总能耗和能源利用效率计算
按照本文第四节，制订了区域DES/CCHP规划之后，⑵式中的各项数据均为已知。还须进一步根据区域实际耗能状况以及总体发展规划制订交通能源初步规划和其它用能的节能规划,获得交通和其它用能数据,算出终端耗用的油品燃料F和天然气耗G。根据⑴--⑸式便可以列出区域能源利用效率η的计算式：
η= [ED±GE+SD+CD+WD+HD+F+GI+RNU ] / [ NGD+G+OL +RN+GE/ζ] ⑻
式中，分子为终端消耗，F-油品燃料，GI-天然气, RNU -直接终端利用的可再生能源；分母为一次能源，NG-天然气，OL-石油， RN-可再生能源，GE-网电。根据第五节2段，区域净耗用网电时GE为正;区域CCHP协助电网调峰时GE为负,此时ζ=ζD,即向外网输出的电按DES联合循环发电效率ζD折算一次能源。这时,便可由⑼式计算区域总能耗EC:
EC = NGD + GE/ζ(或ζD ) + OL + G ⑼
同样, 区域净耗用网电时GE为正; 此时，需将网电折算为相应的一次能源。随着可再生能源发电在总电量中占比越来越大，需根据实际数据算出： (GE/ζ) G = CLG + RNG + NUG + GG ⑽
式中各项分别为发出(GE/ζ) G MWh/a电消耗的煤、可再生能源、核能及天然气的对应量，MWh/a。将⑽式代入⑼式，即得区域总能耗计算式⑾：
EC = （NGD + GI + GG） + CLG + OL + （RNG + NUG） ⑾ 按照国内能耗统计习惯将MWh/a折算为吨标准煤（tce）的算式为： 1 MWh = 0.32 tce ⑿
而在区域CCHP协助电网调峰时GE为负,此时⑼式中的ζ=ζD,即向外网输出的电按照DES联合循环发电效率ζD折算一次能源： EC =（NGD+ GI + GE/ζD） + OL ⒀ ⒀式即为没有燃煤、也不用外网电的新区总能耗算式。
由⑾、⒀两式即可算出天然气、煤、石油、核能及可再生能源中的生物质能BN在一次能源总耗量中各自所占的比率G、C、O、B:
G =(NGD + GI + GG）/ EC, C = CLG/ EC, O = OL/ EC, B = BN / EC ⒁
5、 全区单位GDP 耗能、二氧化碳排放指标的核算
根据文献[5、6]的关联，由任何区域总能耗中三种化石能源和可再生能源中的生物质能在总能耗中所占的比率G、C、O、B，以及利用煤和生物质能时排出的二氧化碳被扑集和封存（CCS）的比率βC和βB，以及天然气通过冷热电联利用所占的比率α，便可算出该区域一次能源中的“高碳能源比γ”。算式为：
γ = (1-βC) C + O + (0.45-0.25α) G + (1-βB) B ⒂
迄今为止，CCS还没有工业规模的应用，即β = 0；且若在新区工业和建筑物用能充分采用DES/CCHP,即可取α = 0.6；则该式简化为：
γ = C + O + 0.3G +B （15-1） 由“高碳能源比γ”与能源碳强度ω的关联式：
ω= 2.4γ ⒃
便可计算出相应于这个区域能源规划的能源碳强度ω。能源碳强度是能源强度ε与碳强度κ的比值。已知对应规划目标年度国内生产总值为GDP、总能耗为EC,碳排放总量为CO2，则它们之间的关系为：
ω =κ/ε, ε= EC / GDP, κ= CO2 / GDP ⒄ 这样，便可由组式⒄，反算出该区域对应规划目标年度的碳排放总量。
五、 影响区域能源利用效率的因素分析
1、
外部因素：天然气价格 VS 电力上网电价
发达国家在30多年前开始天然气替代煤做燃料和发电时气价非常低廉，在逐渐升高的天然气价格压力下逐渐发展DES/CCHP。而中则是一开始就遭遇高价天然气；按照购买力比较，中国国内市场天然气价格比发达国家高出数倍。在当前技术经济条件下，百MW级燃气轮机联合循环发电效率超过50%，1m3热
值9000kcal/m3的天然气可发电5 kWh左右。冷热电联供虽然能够进一步提高能效，改善单纯发电项目的经济性，但天然气价格与上网电价的关系仍是天然气发电经济性的最基本、最重要的决定因素。去年末国家发改委刚刚公布的市场净回值法天然气价改方案为DES/CCHP的发展奠定了良好的基础。但相对于目前的气电上网电价，仍然无法在市场机制下发展起来。唯一的办法是通过协助电网调峰获得较高电价而合作共赢。
接入10kV及以下配电网、10 MW以下的DES项目，难以上网参与调峰。解决气价/电价关系问题的办法是不要向外售电；而是按照下列原则构建CCHP系统的设置和规模：充分利用项目周边冷热汽用户市场，特别是空调制冷需求， 电力除自用外，多余的用于制冷、热外销。电力法限制售电，但法律并不限制取得相应营业执照的任何法人对外售冷、热。
2、
客观因素：
项目所在地的气候、产业格局和气候条件所决定的终端需求时空特性，对CCHP系统能效有硬性的约束。
⑴、 产业和气候条件决定冷、暖、热水、工业蒸汽需求负荷的有无、多少、季节和昼夜的变化规律。区域发展程度和生活水平也由影响；例如长江以南原来禁止供暖的地区，许多建筑物也需要供暖了，生活热水也逐渐进入所有居民的家庭住宅。但是在目前条件下，向居民销售空调冷水，在没有住宅小区物业管理的农村乡镇直接向每家每户销售热水仍有经营上的障碍
⑵、 实际进展与规划格局的差异
“十二五”新规划的区域，一般规划分近、中、远三期，分别到2015、2020、2025（或2030）年。区域内的产业、住宅、商业中心三类功能实体都是逐渐、
分批分期招商引资和开发建设的。有的按计划进展顺利，也有的因情况变化而调整，或遇到障碍、进度放缓。但无论有合照情况变化，CCHP设施都必须密切配合各类用户建设的进展而随时修订规划方案和建设进度。
3、
4、
主观因素：
本文第三节第1段“DES/CCHP实现高效的技术关键”所提出的四点，就是充分适应客观条件、发挥主观因素、实现最高能效的关键。一些停留在热电联产认识上规划的DES/CCHP项目，不理解CCHP从一次能源转换环节扩展到终端利用全过程的复杂性，以及科学用能、系统优化的内涵和实质；是不可能关键高能效的CCHP系统的。
5、
DES/CCHP系统装机容量的选择
上述第五节第2段已经论述了CCHP装机容量选择的考虑因素；即需兼顾本区域能效和协助邻近中心城市电网调峰两个目标。单从区域能效考虑ED = E最好。但是为了解决现有城市中心区的昼夜调峰和供电可靠性保障，至少在各个新区规划的近期，即到2015年，选取ED > E还是必要的。但不宜ED >> E；极端了就是纯调峰电站。
六、小结：
1、提高能效“十二五”是中国保障经济发展、迈进低碳的关键。最主要的举措是结合各地新区规划构建天然气DES/CCHP。
2、新区DES/CCHP系统能效是决定区域总能效的主体，两者区别在于交通用能、其它用能和外来电力三项，可以在取得相应数据基础上算出。
3、能效计算的分子必须是终端用能而不能去蒸汽等证件介质；终端用能量
必须按照全年8650h/a不同负荷逐时累加求和计算，不能取设计工况负荷；分母必须全部折算到一次能源。
4、在算出区域规划的能效、总能耗和一次能源构成后，便可按照规划目标年的GDP数据，推算出能源强度、碳强度和二氧化碳排放量等低碳发展指标。 5、外部、客观因素是决定能效的硬约束。科学用能、系统优化可以在一定约束条件下实现最高的能源利用效率。
参考文献：
[1]、华贲. 产业结构、能效与一次能源构成对能源强度的影响分析, [J]中外能源, 2010.15（5）1--7
[2]、华贲，分布式冷热电联供能源系统与经济发展和节能减排，[J]中外能源, 2012.17（2）
[3]、华贲，天然气发电与分布式供能系统，[J] 中国电业；技术版 2011 （10），1 – 6
[4]、华贲，区域分布式能源与智能电网安保调峰的战略协同，[J] 中国电业；技术版 2011 （3），1 – 6
[5]、华贲，低碳发展时代的世界与中国能源格局，[J]中外能源 2010 15（2） 1-9, [6]、HUA Ben, Correlation between carbon emissions and energy structure ― Reliability analysis of low carbon target, [J] Frontier in Energy and Power Engineering of China, 2011 5（2）214—220
（本文将刊登于《中外能源》2012年3期）
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