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中国工业和建筑物从一次能源到终端利用模式的战略转型
发布日期:2015-06-03  编辑:)  浏览次数:275
引言:
由于历史进程、地缘政治、资源禀赋等因素的不同,中国的工业化迟于近邻的日本和韩国20--30年,迟于西方国家更久。而能源构成的转型迟后的时间更久。从 图1可以看出,世界能源构成在20世纪初(由煤向石油)和20世纪70-80年代(由石油开始向天然气)的两次转型,中国都没有跟上。这就使中国碳排放在 1950年仅为0.8亿吨、占世界1%,而在经济高速发展30年之后的2010年已达67亿吨、占世界22%、居第一位了。2010的中国的一次能源构成 和终端利用分布都与世界平均值有着巨大的差异(见下表1)。
 
项目         一次能源构成               终端利用分布
            细目   石油 煤 天然气 其它   工业   建筑物 交通 有机化工
            世均% 35   28   24    13      32     31     30     7
           中国% 18   70    4     8      60     25      11     4
 
恰在这样的历史节点上,在碳排放导致气候变化的压力下,2010年,世界开始了向低碳能源转型的进程。煤占一次能源70%、工业耗能占60%的中国,无疑面临着比任何其它国家都更大的挑战。如何应对?便成了中国能否持续发展、低碳发展的关键问题。
燃煤热电联产(CHP)与天然气冷热电联供(DES/CCHP)都不是凭空臆想出来,而是一定历史发展条件和市场需求催生出来的、非常重要的能源系统技术。所以,在审视中国的CHP 和 CCHP问题的时候,大家就必须结合一定的历史条件来分析和判断。
一、           燃煤热电联产及其历史局限性
1、              燃煤CHP产生的历史背景和一次能源基础
    从 图1可以看出,人类从19世纪中叶开始由可再生能源转向煤,到20世纪初煤碳占一次能源比率达到最高。此后随着石油迅速开发,煤碳的比率逐渐降低,但是煤 耗总量还是一直不断增加的。能源利用的科学基础—热力学也正是在19世纪中叶开始,为提高煤的化学能通过热而转换为功的效率而发展起来的。
2、              CHP的着眼点是提高一次能源转换效率
   CHP的 热力学基础主要是第一定律;其工程基础是热如何在锅炉--汽轮机系统中转换为功。通过第一定律分析,看到纯发电机组中30%多的能量通过冷凝潜热排弃到环 境;通过分产和联产的对比看得出联产方案由于利用了低温抽汽的热能使一次能源的显著节省。因此直到20世纪末CHP一直在不断发展。
3、              CHP在终端用户和一次能源两方面的局限性
CHP技术无论在空间上,还是在时间上,覆盖工业和建筑物终端用户的程度都是有限的。在两大类工业中,机械、电子、通讯、汽车、轻工等离散制造业耗能主要是电;冶金、建材、化工、食品、医药等过程工业用热较多,但冶金、建材等工业用1000°C左右的高温热;所以能够采用CHP的工业是有限的。建筑物用能中,目前采用CHP的只是冷季节的供暖。即使在我国北方供暖时间也不过5-6个月,其中满负荷供暖约3个月。没有供暖负荷时就没有CHP[2]
自1970年代后期起世界一次能源开始向天然气的转型,使煤更多地用于发电、钢铁、水泥等领域,而逐渐被天然气取代退出作为工业和建筑物燃料的市场。2002年美国工业燃料中油气已占74%,煤仅占13%(2007年中国工业燃料中占80%的仍然是煤。参见表2[1])。近年来碳减排的压力也制约了除中国以外世界煤炭耗量的增加。由于燃煤产生的CO2扑集和封存(CCS)的成本大幅度降低需要进一步的科技创新,IEA估计到2020年能有10%的煤实现CCS;进一步压缩了燃煤CHP的发展空间。所以近年来除了夏季CHP机组抽汽用于吸取制冷外,CHP技术少有新的进展。
二、           一次能源转型催生的新技术和CCHP发展
70年 代后期起随着天然气的快速发展和全面的科技进步,催生出了一系列新的能源利用技术。燃气轮机、内燃机、燃料电池、热泵、制冷等技术。快速提高能源利用效 率、保障供电安全的压力,催生了联合循环、区域供冷(DCS)、分散式电源(DPS)以及冷热电联供(DES/CCHP)等新的系统技术。这不是否定了 CHP,而是在它的基础上进一步发展了。天然气DES/CCHP比燃煤CHP有重大不同:
1、从单纯着眼于燃煤转换效率,发展到能源终端利用全过程的总体能效;即扩展到所有各种形式的能量终端利用、回收的效率提高。例如牛仔裤加工过程,改进工艺和热回收,可使蒸汽需求成倍降低;建筑物用能,首先优化维护结构和排风热回收可使单位面积供暖、供冷耗能从100W/m2降低到30W/m2以下,并且通过提高生活热水的供应能效使建筑物能源利用效率大幅度提高。
2以热力学第二定律分析和佣经济学为理论基础的科学用能(概括为“高能高用、低能低用,温度对口、梯级利用”)引导能源领域全过程的系统优化、能效提高。按照佣经济学计算,随着能源与设备的比价逐步升高,换热器的传热温差应当逐步缩小。以供暖为例,由于燃料价格比几十年前大幅度提高,在保持同样的室温(18—20°C)前提下,优化的供暖抽汽压力、二次循环水温度应当从以前的0.8、90—70°C,降低到0.15 MPa、60--40°C,并采用热泵技术充分利用乏汽冷凝器热;这样,虽然换热投资有所增加,但是供暖能效几乎能够提高1倍[3]
3、集成上述各种能源转换、利用新技术,针对各种不同的终端用户需求,采用系统工程、管理科学、信息技术的最新成果,实现大系统集成建模和优化。因此,天然气DES/CCHP的科技含量、创新内涵就都远非CHP可比。其目标也不再是单纯的能量转换效率和“热电比”,而是最高能效、最大经济效益、最少碳排放
4、 天然气本身是最洁净的化石能源,燃烧的排烟没有露点腐蚀问题,余热可以最充分利用。加上CCHP技术大幅度提高能效,故可使碳排放量比燃煤CHP降低1倍 以上。相反,在CCS的压力下,燃煤CHP远不如煤超超临界发电和富氧气化多联产项目更满足CCS 要求的经济规模。这就决定了走向低碳发展时代,天然气DES/CCHP必将逐步取代燃煤CHP,成为工业和建筑物主要供热途径的历史性大趋势。
DES/CCHP是 1970年代末在美国首先发展起来的。当时美国的工业化城市化早已完成;工业区、CBD、住区的布局早已定型。除了工业项目可以结合大型CHP、DCS、 DHS之外,城市建筑物的CCHP主要是用于各种公共或商业建筑上。所以到2000年已经建起6000个DES/CCHP,80%在10MW以下。例如一 个麦当劳电的CCHP,只有0.3MW。只有500万人口、重化工业很少的丹麦,更是由几个大电厂集中供电发展为几百个小的DES/CCHP,致使GDP 倍增而能耗不变。中国在借鉴他们的经验时,不可不问其国情条件。
三、           中国燃煤热电联产和天然气冷热电联供进展述评
    1、由于种种原因,中国发展CHP迟了50年。解放以后才开始学习苏联搞城市集中供热系统(DHS)和CHP;但是进展很慢。“十一五”规划期间开始加速。到2010年,CHP装机已有1.45亿kW,占全国总发电装机容量的17%[4]。但北京市的6.5亿m2供 暖面积中DHS/CHP还不到1/4。同样因发展天然气迟了30年,天然气CCHP也只是本世纪才起步。迄今只有若干探索性项目,占发电总量微乎其微。中 国的燃煤CHP和天然气CCHP都远落后于OECD国家。这乃是中国能源利用效率比世均的50%低了13个百分点的主要原因。
2、 中国政府在“十一五”规划中把CHP列为“节能十大重点工程”之一,并且把燃煤CHP机组容量的准入门槛提高到300MW;规定了CHP项目须按照“以热 定电”原则规划,“热电比”不得低于30%。截止2010年,在实施电厂“上大压小”行动中关停了一批50MW的CHP机组,新建并正在建设几十个 2×300-350MW 规模的燃煤CHP项目。预计到“十二五”末,城市供暖DHS普及率达到65%,其中CHP占一半;工业用热70%由CHP提供;CHP总装机容量再增 1.1亿kW,达到2.5亿kW[4]
但是,按照“十二五”电力发展规划,到2015年,包括CHP在内的煤电装机将增加3.37亿kW,总电量增加1.64万亿kWh[5]。按发电煤耗320gce/kWh计算,也须耗标煤5.1亿吨,折动力煤7.14亿吨,再加上快速增长的煤化工的耗煤,总量将突破10亿吨。
3、 国家能源局2010年提出了2011年建设1000个天然气DES,到2020年装机容量达到50GW的引导意见。吹响了向DES/CCHP进军的号角。 但是并没有厘清中国天然气CCHP如何发展,在未来10年向低碳能源过渡中起多大作用的问题;而且客观上造成了DES规模应局限于MW级的印象导向。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  
四、           向低碳转型的历史关口中国能源利用模式的战略选择
1、碳排放硬约束制约中国煤炭消耗总量和利用途径
我 国政府对外承诺到2020年单位GDP碳排放降低40-45%已经成为国民经济发展的硬约束。由于到2020年CCS也难占到燃煤的较大比率(IEA:预 计占10%);而且,CCS 要求500MW以上的规模。因此,未来煤炭将只能用于发电、钢铁、水泥、大型煤化工等领域(参见表2中、美、欧煤炭终端利用分布的数据)。国家“十二五” 能源规划规定了到2015年煤炭消耗总量控制在38亿吨。再考虑到大工业城市环境质量改善的和碳减排的压力,因此,煤炭不可避免地将退出新开发的工业园区 和新城区燃料市场而让位给天然气。
2、完成替代煤的历史任务靠天然气DES/CCHP提高能效
30年 前OECD国家的工业燃料由煤和石油转向天然气时天然气价格较低,依托传统技术或CHP也能够承受。正是随着一次又一次的“石油危机”油气价格逐渐提高, 才催生了DES/CCHP技术的开发和推广。而在2010年的现在,当中国需要依靠天然气向低碳能源过渡时,天然气的国际贸易价格已经高到按传统技术根本 用不起的程度了[6]。这就为中国利用“后发优势”实行“跨越式发展”、发挥上述天然气DES/CCHP优势、并集成创新,提供了巨大的推动力。
中国怎样创新CCHP以使在“十二五”期间中国新增的、价格较高的1300--1600亿m3/a天然气能够替代煤呢?其实关键就在于按照中国国情发展天然气DES/CCHP,使能效成倍提高。而不是跟在美国、丹麦等别国后面照猫画虎。继续工业化、城镇化的“十二五”,新增GDP的相当大一部分在新开发的工业园区和新城区。 那里:⑴、不可能再依靠燃煤保障能源需求;⑵、工业、CBD、住宅三种功能区不像西方国家那样分散开来,因而冷、热、电、汽负荷是能够集成互补、使能效最 高,同时又能够在保障冷、热、汽供应前提下昼开夜停、配合电网调峰;⑶、有大型CCHP所要求的、在几乎是“一张白纸”上敷设各种冷、热、汽管网和供电网 的条件;⑷、需要占总耗电量1/3--1/2的分布式电源作为供电可靠性保障[7]
把 新增天然气主要用在那里,与工业化、城镇化、能源电力建设同步建设一大批百MW级区域型、能效比传统燃煤高出一倍的DES/CCHP,就能够使冷热电汽用 户承受较高的天然气价格,就能够使新增GDP单位耗能降低一倍,就能够保障能源、电力供应可靠。因而是中国“十二五”能源发展唯一的战略选择[ 7 ]。“十二五”若在新工业区或新城区新增1200亿m3/a 天然气(折1.5亿tce/a)照传统途径是分别用于发电和工业、建筑物燃料的,那最多只能替代2亿tce/a,折合2.8亿t/a的动力煤。而如果把发 电和供冷热汽集成在一起,建设几百个百MW级的区域型DES/CCHP,由于能效的提高,就能够替代3亿tce/a,折合4.2亿t/a的动力煤。
4、              怎样在现有城区建设DES/CCHP?
如同OECD国家那样,在现有老城区发展较小的DES/CCHP也是非常必要的。但与上述配合“十二五”规划的新区建设相比,就没有那么急迫,也需要更长的时间。首先必须确立一个原则:任何DES/CCHP项目都必须符合经济性、高能效、碳减排三个目标。不能为了搞DES而搞DES;也不能为了销售任何设备而搞DES。任何设备若是适合于中国DES的,就应当是经济的。
DES项目经济性的关键有三:⑴、是冷、热、汽负荷的时空分布。只有一个办公楼的DES,每天运行8小时,肯定不可能经济。项目尽可能覆盖商场、酒店、机关、住宅等多时段、多种类的负荷需求,就为改善经济性奠立基础。⑵、是科学用能、系统优化配置。在负荷时空分布广泛基础上,减少佣损耗、冷热流优化匹配、能源梯级利用,是提高能效和经济性的关键。⑶、主要设备选型。随着中国科技竞争力的不断提高,DES系统前端的关键设备---天然气燃气轮机和内燃机实现了国产化,成本成倍降低,项目的经济性就会大大提高。
在 目前的电力体制下,小型DES仍有发展的空间。在现有城区开发DES项目,不必拘于“楼宇型”或“用户型”的概念。按照上述三原则。选择一个冷热电负均荷 较大的用户作为DES的投资主体,应可按照市场机制向周围各种用户销售冷、热水。唯一的限制就是水管的路由。一个可以借鉴的实例是:美国芝加哥市中心世界 最大的DCS项目,原来只有2万RT,也是在若干年中不断向周围扩展,才达到了目前的10万RT的规模;扩展需克服的障碍就是水管路由。
五、           突破观念和机制对转型、发展的制约
在最近几十年世界向低碳能源转型的历史过渡期,在工业和建筑物耗能领域,燃煤CHP逐渐为天然气CCHP所替代,是历史的大趋势。而在接下来的几十年中,随着天然气最终逐渐被可再生能源取代,天然气CCHP也将被更先进、高效的可再生能源系统所取代。
中 国发展燃煤CHP 和天然气CCHP都比世界迟后了几十年。现在,特别是在从“十二五”开始的最近10年,在中国开始由煤转向天然气的历史进程中,燃煤CHP将继续发挥作 用,但以“后发优势”加速推进天然气CCHP无疑更为重要。需要正确认识和区分它们各自适用领域,采用不同的评价标准,制订正确的发展战略举措。落脚点和 成果检验标准,就是对提高中国能效的贡献。
1、制约发展的因素分析
⑴、首先是陈旧观念和思维定势;包 括用CHP的框框去制衡CCHP。“热电比”、“以热定电”不适用于CCHP;CCHP也不是简单的CHP加上蒸汽吸取制冷。在智能电网即将实施条件下, 吸取制冷没有对电压缩制冷的优势。前已述及,衡量DES/CCHP项目有3个标准:能效、经济性和碳减排。三者是相互关联的。其中最关键的是能效。 CCHP的能效至少要达到70%才能有经济性。道理很简单:现代燃气轮机联合循环已可把50%以上天然气化学能转变为功,天然气内燃机一次 发电效率也已在40%以上。只要能够科学地利用一部分电和大部分余热产生相当于天然气化学能20--30%量的冷、热、蒸汽供给用户,总效率就可以达到 70%。从这里也可以看出,集中供应生活热水对提高能效贡献很大,因为原来用电或天然气热水器实在是太浪费、能效太低了。⑵、其次就是科学用能的理念和实践。如上所述,目前的CHP供暖系统佣损耗(年限为传热温差)的优化潜力很大;同样的机组在目前技术经济条件下优化改进,能力有可能扩大一倍。⑶、属于生产关系范畴的现有法律、规范、体制等需要适应生产力的发展而修订;前几年天然气供应保障还未跟上;部分相关利益方为自身的商业利益而误导了DES/CCHP的内涵,等等。这些都是暂时的因素;相信必将随着发展的潮流而改变。
2、从大局和可持续发展的高度看问题
应 该发展CHP 还是CCHP?CCHP发展大的、还是小的?用燃气轮机还是用内燃机?制冷用压缩式还是吸取式?……目前业界的这些争论其实并没有意义;也不可能有一个标 准答案。因为随着时间、地点、各种条件的不同,结论是很不一样的。最重要的,是脱离各种思维定势和利益局限,从国家能源大局和可持续发展的高度看问题;紧 跟快速发展的科学技术,与时俱进,具体问题具体分析;尽快把中国的能源利用效率提高到世界平均的水平。
3、战略选择如何付诸实现?
⑴、首先,决策层必须转变观念,从大局高度审视一切。充分认识到CHP 和CCHP在现阶段对提高中国工业和建筑物能效的重要作用;从能源全局和战略的高度规划CHP、特别是天然气CCHP。
⑵、明确指示各省地市政府,结合“十二五”总体发展规划,制定好能源规划,特别是各个新开发工业园区、新城区的能源和电力规划,并与天然气下游市场拓展规划向结合。
⑶、国家有关部门尽快把提高能效(单位GDP能耗下降幅度)、碳减排(单位GDP二氧化碳排放)、碳排放份额(二氧化碳排放的年度总排放量)指标分解落实到各地方、各部门,并与政绩考核挂钩。在强制推行的同时,设计出有效的审计、评估机制;杜绝弄虚作假。这是催进地方发展天然气CCHP的最有效推动力。
⑷、配套各种政策、法规支撑条件, 包括既有法律法规的修改,新标准的制订和试行;金融、税收、科技研发等方面的支撑。生产关系不能长久滞后于生产力的发展。某些时候还需超前于生产力、引导 生产力的发展。例如,国资委对下属企业有一条规定:企业合股经营的项目必须占股51%才能计入本企业的业绩。区域型DES/CCHP的发展需要建立一种电力、电网、油气、供冷供热几类企业合作共赢的机制。开发大型DES项目的前三者都是国资委下属企业。上述规定已经导致电力、电网、油气各方都要争“绝对控股”;合作共赢的机制难以形成。这已经不是个别的案例了。如果国资委对业绩考核办法做适当修改,大型DES/CCHP项目的开发条件马上就会有很大改善。
相信各级政府和业界人士有足够的政治智慧,能够尽早转变观念,与时俱进;以尽快提高工业和建筑物能效为目标,使中国的天然气DES/CCHP得到“跨越式”的快速发展。
 
参考文献:
[1]、陈俊武,陈香生,中国长期碳减排战略目标初探(II),[J]中外能源,2011 16(6)1-11.
[2]华贲,低碳能源时代中国热电联产的发展趋势,[J]沈阳工程学院学报,6(2),97-101.
[3]、中国实用新型专利,一种梯级利用潜热的热泵供暖系统,zL2011200518825.8.
[4]、中国能源报采访热电专委会秘书长郁刚,热电联产应更大贡献节能减排,热电联产动态2011.7,pp. 8-20.
[5]、刘振亚,加快转变电力发展方式促进我国能源可持续发展,《能源政策研究》,2010.4 pp.9-12
[6]、华贲,2020-2030年中国天然气发展战略探讨[J]世界石油工业,2011 32(6)26—32.
[7]、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. (特稿)
 
 
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