第5卷第2期2009年4月沈阳工程学院学报(自然科学版)Journal of Shenyang I nstitute of Engineering (Natural Science )Vol 15No 12Ap r .2009收稿日期:2008-09-05作者简介:华 贲(1937-),男,沈阳人,教授,博士生导师,973计划项目首席科学家,主要从事过程系统能量分析和综合优化的理论研究.广州大学城分布式冷热电联供项目的启示华 贲(华南理工大学强化传热与过程节能教育部重点实验室,广州510640)摘 要:简介了广州大学城冷热电三联供能源系统(DES/CCHP )项目的背景、技术方案、效益和运作机制以及项目的进程;分析了项目进展曲折在法律、机制等方面的内在因素.同时初步归纳出几点有益的启示:①电力系统的早期规划、早期协议非常重要;②规模化、大型的DES/CCHP 适合中国;③南方地区基于区域供冷和集中供热水的大规模DES/CCHP 是高效的、可行的.最后,基于CCHP 项目收益对天然气价格的灵敏度分析数据,指出了DES/CCHP 对将会占天然气下游市场一半左右的工商业用户来说,是最高效利用天然气的系统集成技术;也是中国能够承受进口高价天然气的关键.关键词:分布式能源;天然气利用;广州大学城中图分类号:TK01 文献标识码:A 文章编号:1673-1603(2009)02-0097-061 项目建设的背景、规划、进程1.1 项目建设的背景2003年1月,广东省政府按照现代城市规划、建设和管理理念,高标准地建设了一个占地18k m 2、容纳25万大学生的大学城.由于广州市98%以上的煤炭和油品需从省外调入,电力主要依靠省网供应,夏季峰期空调负荷比率高达40%以上,峰电缺口达100多万k W ;以煤为主的能源结构,使全省酸控区面积已达63%,直接经济损失40亿元/年;“生态系统处于亚健康状况,能源结构、水环境等都离生态城市有一定的距离”[1].鉴于此,广州大学城建设指挥部委托华南理工大学等单位,制订了《广州大学城能源规划》,包括800万m 2建筑物主体节能设计规范、基于区域供冷(DCS )的冷热电三联供的分布式能源系统(DES/CCHP )、可再生能源利用方案和能源系统建设运营机制等内容.DES/CCHP 和DCS 方案先后于2003年6月和7月通过了国内权威专家的评审,随后付诸实施.1.2 项目规划的技术方案[2]广州大学城区域能源站一期,是以2×78MW 燃气-蒸汽联合循环机组为基础的天然气冷热电三联供系统.燃气能的38%先经燃气轮机转换为电能,500℃左右的烟气在余热锅炉产生4.0MPa 蒸汽,然后进抽凝式汽轮机进一步作功发电;可以抽出部分0.5MPa 蒸汽供给第一制冷站的溴化锂吸收制冷机.余热锅炉排出的约50℃～100℃烟气用于加热生活用水,不足热量用蒸汽透平冷凝潜热补充;集中生活热水系统60℃,供应24万人.燃气能源利用效率达到80%以上.其中,分布式能源系统为2×78MW 燃气轮机—余热锅炉—汽轮机分布式能源站DES,包括电力接入系统和热水部分的建设总投资为12亿元,等价可满足大学城17万k W 的高峰电力负荷.按照测算的大学城电网峰荷为18万k W ,以传统的电力建设模式(电厂+主干电网的投资1万元/k W 、输送损失7%)计,须增加初投资为19亿元;采用DES/CCHP 可节约投资约7亿元,同时可节约一次能源7.7万tec /a,节能25%.区域供冷系统DCS,总容量为11万冷吨(RT ),规划4个带有冰蓄冷系统的冷站,一期承担350万m 2建筑物的空调负荷.其中,与能源站在一起的第一制冷站部分采用蒸汽吸收制冷;其余3个冷站由能源站直供电压缩制冷.各站均设有蓄冰装置,采用内置翅片换热器外融冰式金属盘管共计342套.系统通过蓄冰可降低高峰负荷用电量,实现削峰填谷,同时实现大温差供冷,加上水泵采用变频控制技术,可大大降低冷量的输送能耗.冷冻水主干管网采用直埋地敷设的DN200至DN1000预制发泡聚氨酯保温的碳钢管,总长约110km;末端换热间总数283间.自控部分采用工业以太网硬冗余系统,以光纤和电缆介质组建大型Pr ofibus 现场总线通讯网络,控制点数超过11000点.自控系统能自动、实时采集系统所有机电设备的运行状态、末端・98 ・沈阳工程学院学报(自然科学版)第5卷负荷状态等参数,并实施过程控制;采用先进的空调负荷预测和优化控制软件,系统可满足末端用户波动较大的冷量需求[3].DES/CCHP 的流程如图1所示.图1 广州大学城分布式能源站规划流程[2]1.3 规划的效益和运作机制按照规划,DCS 和DES -热水系统总投资分别为7亿元和12亿元,10年左右可以回收投资.各大学冷、热用户可以获得比市场价便宜5%的优惠.与传统的火电厂、单体建筑设置传统的中央空调系统、锅炉供热系统相比,制冷总装机容量大约减少45%～55%,电力装机容量减少50MW ;与设置分体空调相比可减少电力装机容量120MW.同时节约了用地和建筑面积,10所大学共节省设备用房面积3.9万m 2,仅此就节省投资约8.6亿元.此外,项目可减排CO 2:24万t/a 、S O 2:6000t/a,NO X 的排放比常规燃煤电厂减少80%,比燃气电厂的国家排放标准减少36%;并且极大地降低了噪声污染,达到了高效节能、优化能源结构、控制污染、改善环境的目标[3].规划提出了按照社会化和市场机制进行投资、建设和经营管理的分布式区域能源系统发展模式,并在此基础上进行投资主体招标建设.由中标团组组建广州大学城能源服务公司,为完全按照市场机制运作的独立法人机构;所有制多元化,即由政府主导的大学城投资公司牵头,鼓励外资、系统集成商、设备供应商投资占股,鼓励用户参股.建成后,由政府(大学城管理委员会)协议下的能源服务公司特许经营.专营权经营期为25年,政府负责统筹协调能源服务公司与电网公司的协议(购电、上网电价)和能源站用的天然气价格.空调冷水和生活热水供应价格由政府—能源服务公司—用户三方协议,按照当年广州市物价局和相关立法部门规定的听证会决定.该项目依靠高科技和现代化的科学经营管理,达到了用户、公司、电网、市政“四赢”的目标[2].2 项目建设的进程2.1 招标和流标按照上述规划安排,2003年8月由大学城建设指挥部公布了基于上述能源规划方案的《广州大学城区域能源站招标书》,并附技术文件[4].这是国内首个同类的招标项目.在1个月的时间内,先后有包括美、日、法、马来西亚、新加坡、香港和内地多家公司的10个组团购买了招标文件,初步形成了3个组团激烈竞争的局面.然而在投标截止日期的前夕,以某电力集团为首、实力最强的组团放弃了投标.余下的2个投标组团与招标代理方多次协商未果,最终宣布流标.2.2 供冷、热系统的建设和过渡方案运行情况招标失败后,广州大学城建设指挥部组建了由大学城能源投资公司与广州永大集团公司、迪森公司合组的“广州大学城能源发展公司”,按照原定的进度计划,开始了上述方案中集中供热和区域供冷DCS 部分的建设.DCS 部分在2004年8月配合主体建筑物施工完成过渡方案,向第一批入校学生供冷;2005年8月第2期华 贲:广州大学城分布式冷热电联供项目的启示・99 ・建成2#、3#、4#3个冷站,共装设双工况离心式冷水机组25套,形成了7.7万冷吨的总装机容量.在能源站未竣工投运之前暂用网电制冷,但系统控制和冰蓄冷部分迄今未投用.在能源站未竣工投运之前,生活热水暂以附近市头电厂低压蒸汽为热源,通过16台换热器加热储存于65000m3的蓄水箱.热水用泵经约26k m长的主干管网和支管输送到用户.最高日供应量约16000m3,年供应量350万m3.主干管网采用DN450直埋管到综合管沟,在综合管沟内形成环形;支管由综合管沟呈放射状直埋接至各大学校区内的14座分散热力站.站内设置加压水泵、电辅助加热装置和共计1500m3的蓄水箱.在各末端用户安装约4万块I C卡热水计量水表,按量收费.该热源也在2004年第一批大学生入校后陆续投用.2.3 能源站建设的波折能源站的建设于2004年招标,确定了采用普惠公司2×78MW FT-8双联机组设备和相应的热水生产方案.但受到天然气供应、电力供应机制、建设模式3个因素的影响和制约,工程建设一直未能开展.规划中天然气依靠将在2006年投运的进口澳大利亚LNG接收站项目供气,气价1.5元/m3;在能源站建成到2006年之前的1年多期间,曾拟购买槽车运输的广汇LNG 为过渡气源,气价2.2元/m3.因建设推迟,未构成制约.电力供应机制是主要的制约.由于大学城项目建设进度极快,2003年7月,南方电网公司完成了岛上原有电力设施的拆除工作,付出了1亿多元的费用;并已经开始设计和着手建造220/110/10kV的输变电系统、10kV的到各用户10k V/380V变压器电缆.而DES/CCHP是一种全新的电力供应模式.显然,能源站方面应当在政府支持下主动与电网公司协商,变更输变电系统设计方案,达成DES与电网公司联网的接入系统方案、相互支持的运营方案,以及购、售电价格等技术和经济关系的合作协议.由于大学城能源站方面没有及时和主动沟通,随着按照原方案设计建造的输变电项目的不断进展,电网公司对DES项目的态度也越来越强硬,坚持执行电力法第25条,不准DES向各大学直供电,所发的电必须上网售给电网公司.在这种情况下,从2004年开始,在许多专家致信省领导、省政协委员提出提案等的敦促下,广东省政府先后4次召开广东电网公司与大学城DES的协调会,发布制定“广东省电力体制改革试点方案”的文件[5].经委托国电公司动经所起草,几易其稿,于2006年8月由省政府发布[6].这是一个妥协方案,规定一期DES发电除可直供制冷站外,余电须售给电网公司,上网价格为成本加微利.各大学仍由电网公司供电;DES南岸二期工程可直供用户.与此同时,建设模式也经历了几番变化.2005年7月,中国节能投资公司有意向接收大学城DES项目.经过几个月的考察与谈判,最终没有达成协议.2006年夏,法国达尔凯国际股份公司、中国华电工程(集团)有限公司经与广州大学城能源发展公司谈判,于8月8日在北京签订了合资意向书.协议规定由法方占股60%,其他二方各占20%,10月份组建合资公司并开始建设.后来因控股问题,协议废除.直到2007年11月,达成由电集团新能源发展公司投资占股55%,华电工程清洁能源公司EPC承包建设的协议.目前工程建设已经开始,将于2009年2月建成投运.3 广州大学城D ES/CCHP项目的启示2003年8月,国际招标网上广州大学城DES/ CCHP项目招标的消息,在国际的业界产生了巨大的反响;各国相关的公司纷纷前来.几个组团的标书,都以上述规划方案为基础,给出了较好的投入产出分析评价.鉴于该项目的内容、规模和区位条件,如果能够按计划招标、建设,成功投运,无疑将会极大地促进中国以天然气为一次能源的冷热电联供分布式能源系统的建设和推广应用.同时对天然气下游市场的开拓、城市能源供应系统的革新、电力建设的战略走向,都将产生深刻的影响.然而近5年时间过去了,在国际石油天然气价格暴涨的格局下,项目迟迟不能完成和给出全面的示范效果,加上种种原因造成过渡方案运营的售冷价格较高,使人们对该项目的可行性产生了许多疑问,并对后来陆续拟上的项目产生了负面的影响.因此,很有必要总结迄今为止的经验教训,从中得到重要的启示.3.1 电力系统的早期规划、早期协议非常重要在DES方案刚刚通过评审的2003年6月末,电网公司为了配合新上任的省委书记亲自抓的大学城重点工程,对供电系统建设抓得很紧,对DES的态度也比较积极.广东分公司技术开发部的负责人员表示,只要DES方面尽快沟通,双方共同修改输变电系统设计方案,不致影响非常紧迫的施工进度计划,在技术上是没有问题的.根据国外的DES/CCHP与电网公司多年交锋和磨合的经验,在广州大学城DES的具体条件下,双方必须尽可能早议定的事项有以下几点:・100 ・沈阳工程学院学报(自然科学版)第5卷1)建设阶段,由能源站而不是电网公司投建岛上110/10k V变电站,在110k V与电网联接,并自建10 k V供各用户的电缆网络.原来设施的拆迁费用,由省财政负担,不让电网公司吃亏.2)正常运行时,能源站通过自建10k V系统向各大学直供电,不足部分按市场价格从110k V侧向电网公司购电,并应按照季节、昼夜负荷变化规律提交年用电计划,以利于电网调度平衡负荷.3)DES停机,需由电网临时供应较大负荷时,按照国外惯例以正常电价的110%～115%支付电费; 110/10k V备用变压器的容量电费,双方协议确定,该缴就缴.4)7、8月暑假期间,DES充当电网的调峰机组,按电网调度开停机,亦按峰电价格上网.上述既是DES的成功安全运行所必须,也是双方互利双赢的前提.如果当时能够意识到在上述各点与电网公司沟通,在省政府的支持下,第一时间与电网公司达成协议,电网公司是有可能成为大学城DES项目的支持者和合作者的.因为在它的辖区内新增190MW 峰荷和8亿k W h/a的供电量,它既可以省去数亿元建设110/10kV级(以及扩充500或220/110级)输、变电设施的资金,又能够坐收容量电费和补充供电的电度电费,还可以在暑假峰荷期间得到1个2×78MW的调峰电源.这样的好事为什么不干呢!电网公司完全知道,它可以依据《电力法》第25条,阻挠能源站向大学供电,但类似的直供事实上并不乏先例.南方某大城市的1个数k m2的城区由一家电厂部分直供电,电网公司补充的部分电量也由该厂“代收电费”至今已有20年;许多大型企业也一直向附近居民售电.可见,任何法律的修改,如果没有相当多“合理但不合法”的成功实例为佐证,也都是难以推进的,何况又是省领导明确让自己支持的重点工程.问题是,由于对DES电力部分的实践经验不足,在《广州大学城能源规划》和DES方案中,没有特别阐明上述1)、3)两点具体安排,没有考虑电网公司利益的实施步骤.在规划实施的初期,也未能坚持说服决策方,抓住领导支持的有利时机与电网公司沟通解决问题.这是可供后来者借鉴的.3.2 规模化、大型的D ES/CCHP适合中国[6]国外大型的分布式能源系统(DES)数目不多,但容量很大.以美国1999年的统计数据为例,平均装机容量78MW的大型DES有27座,只占全国DES总数的2.8%,发电容量却占42.8%.而平均装机容量0.7MW的小型DES有770座,占总数的78.6%,发电容量却只占10.3%.就是说,1个大型的DES就抵得上100个小型的或更多微型的DES;但投资的经济和节能效果则好得多.我国人口众多,居住密集,90%的城市居民住在公寓而不是别墅中.目前正值城市化快速发展的历史时期,城镇化、新城区建设快速发展,现有公用建筑能量系统的改造已提上日程.采用规模为50 MW或更大的DES/CCHP系统,配合几万RT的DCS、几百万m2住房的DHS(集中供暖系统),形成高效、规模化的分布式冷热电联供系统,乃是我国建筑节能和天然气高效利用的一条极重要的战略途径,也是国际能源组织(I EA)给中国天然气市场开拓的重要建议.对广州大学城已投运的DCS和将完成的CCHP部分的调查和经济分析可以肯定上述论断.近年来正在建设及策划的几个大型DES的规划数据也表明,因同时提供冷、热水服务而获得的能效和经济收益均约为发电收益的50%以上,大大提高了天然气发电的利用效率和经济效益.随着按国家能源战略加速开发和进口的天然气陆续进入各大城市,在中国必将掀起一个建设大型DES/CCHP系统的高潮[7].3.3 南方地区基于DCS和集中供热水的大规模D ES/CCHP高效、可行[8]上世纪60年代开始出现,90年代开始在国内外大规模快速发展的区域供冷系统(D istrict Cooling Sys2 te m,DCS),类似于北方的城市集中供热系统(DHS),是在一定规模的区域内,由专门的制冷站集中制造冷冻水,通过二次管网络向各用冷建筑物输送,从而提供制冷空调服务的系统.DCS可视为超大规模的中央空调系统,不同的是,它可以包括公寓、写字楼、酒店、商场、机关、医院以及住宅等多个用户.但它比传统的中央空调有很多优势:多个大型制冷机,总在高负荷率下运行,效率高.向同时使用系数可以小到0.7的不同种类和用冷特性的建筑物供冷,主机的装机容量和初投资可节省30%.运行管理人员少,维护质量高.噪音少,可采用氨等环境友好的制冷剂,消除CFC等对臭氧层的破坏,减少城市热岛效应,有利于采用水源热泵的地方环保优势更明显.有利于大规模采用蓄冷技术,更好地帮助电网“移峰填谷”.可提高建筑美观性和空间利用率,节省75%的在建筑内安装设备室所需的空间.目前我国的中央空调系统与家用空调能源均为电驱动,致使夏季各大电网的峰谷差越来越大.2004年上海的最高用电负荷达到16G W,其中空调负荷为第2期华 贲:广州大学城分布式冷热电联供项目的启示・101 ・8G W.2005年广东的统计也类似.规模化的DES/ CCHP梯级利用一次能源,既发电,又通过供冷和生活热水节电,再加上利用夜间低谷电制冰蓄冷,帮助电网调峰的作用很大.在广州大学城18k m2的小谷围岛上,DCS的上述6个优势除第5项外都已经得到体现.随着设计先进的控制系统的投用、运行管理的改进完善、冷负荷不断增加,以及能源站的建成,DCS系统方案的先进性和示范作用必将充分展现.最新的研究表明,采用大型DCS采用串极制冷、二次冷水11℃～15℃大温差循环、新风换冷、除湿与空间降温梯级用冷的末端新技术,可以把二次水循环系统的总费用降低30%以上,DCS的优越性将更显著[9].3.4 D ES/CCHP项目建设运营机制的思考如前所述,广州大学城DES/CCHP项目未能充分按照原定的市场机制运作.虽然成立了大学城能源发展公司,但实际上还是以政府机制开展招标、建设和运营.政府运作较多着眼于政治考虑,成本控制较松,建设进程中超预算较多.例如因设备参数、材质选择过大、过高而增加的投资不少.2#、3#、4#3个冷站的冷机全部一次到货安装完毕,而供冷负荷4年来才从20%增到50%;仅闲置设备积压资金的利息,每年就须付上千万元;因工程项目迟迟未收尾而致运行费用增加的负担也很沉重.项目5年来的经历表明,如果以包括设备公司、电力公司、工程公司、DES/DCS运营公司等的股份多元化的能源服务公司能按照市场机制来投资、建设和运营,这些都是可以避免的.4 高天然气价下的D ES/CCHP广州大学城DES/CCHP规划所依据的进口澳大利亚LNG项目的离岸价为2.85美元/MMbtu,折合到能源站的天然气价为1.6～1.7元/m3.而就在这几年里,国际能源价格经历了前所未有的持续涨价.我国最近签订的LNG长期合同的离岸价已超过9美元/ MMbtu,而国内电价并没有大的变化.这就难免使许多人对天然气DES/CCHP项目是否还能在经济上可行产生了疑问.4.1 如何认识国内天然气的消费价格发达国家从30年前开始大规模使用天然气,一直到本世纪初都在享用很低的天然气价格,当国际油价涨到60美元/桶时,发达国家如美国天然气的终端消费价格是0.33美元/m3,也不过占收入的1.65%(注意:终端消费价格并非与离岸价呈线性关系[10]).虽然增加了负担,但他们可以承受.中国则完全不同,既未发达,又须进口国际石油天然气.0.33美元/m3的价格,即使按照美元/人民币汇率7来折算,也是2.3元/ m3了.实际上广州居民炊事用天然气价为3.8元/m3,而贫困家庭月入不过1000元人民币,就算省着烧,20 m3/月,也得76元/月,占收入的7.6%.事实上中国的广大城市居民大部分还在使用价格比天然气高得多的LPG,这也是中国的恩格尔系数高的原因之一.中国对高天然气价格的承受能力,只能随着因经济快速发展而致的人民币汇率渐渐提高而逐渐增强,但这是一个渐进的、相当长的过程.中国内地四川、新疆、陕西等产气地区的消费者,曾经享受到0.5元/m3左右的低价.去年发改委宣布天然气出场价上涨0.4元/m3后,也不过1元/m3多一点.这些产气地区恰好也是经济欠发达地区,那里的天然气价格保持比广州等东南沿海稍低一个差值是可以的.这个差值应当是在两地经济发展程度对天然气价格承受能力之差所需,和西部天然气输送到东南沿海的成本两者之间,不可能过大.因为一方面,中国人均天然气资源只有世界人均的7%,进口不可避免.另一方面,过低的价格会造成浪费.因此,逐步完善征收资源税机制,可使国产与进口石油天然气价格按照市场机制的协调一致[11].4.2 D ES/CCHP是承受高天然气价格的关键技术1973年第一次“能源危机”以来,逐渐提高的能源价格,促使发达国家一直在努力提高能源利用效率.分布式冷热电联供能源系统———DES/CCHP,就是美国在1978年开始发展的.DES/CCHP是高效利用天然气的最重要途径,是节能减排的最重要手段已成共识.美国商务部的数据显示,其节能率为46%,CO2减排为30%.不论用于工业还是商业用户,都是如此.2006年所做的南方某5km2新城区一期DES/CCHP工程规划中,按照当前的经济数据对天然气价格影响系统的经济性分析表明,DES/CCHP比联合循环发电能够承受更高的天然气价格,是因为联产和就地联供的冷和热水使项目经济收益大大增加,并且天然气价格越高联供冷热的收益比重越大(见表1).4.3 D ES/CCHP在天然气下游用户中的位置我国迄今进口LNG项目的规划,都把下游用户定位于发电和城市民用.20～30年前LNG较便宜时,为了适应LNG项目“照付不议”的特点,项目初期这样安排是不得已的.而目前,在成熟的世界天然气下游消费市场中(90%是在美欧日韩等发达国家和中东、俄罗斯等产气国家),天然气主要是用作能源.其中,发・102 ・沈阳工程学院学报(自然科学版)第5卷表1 天然气价格对D ES/CCHP系统经济性的影响[12]天然气价格(元/Nm3)2.32.52.7发电税前成本(元/k W h)0.6610.7010.742扣除成本后年发电净收益(万元)1374977608年供吸收制冷用蒸汽净收益(万元)294294294年供生活热水净收益(万元)540540540总年净收益(万元)218018111442动态投资回收期(年)4.525.266.29内部收益率26.5%23.0%19.4%电和民用约占5成,其余5成是工商业的燃料,如加热炉、锅炉、采暖设施等.天然气要起到替代燃煤、节能减排的作用,民用市场容量有限,单纯发电在我国更是无法与煤电竞争,因而天然气进入工商业燃料市场,替代大量的锅炉燃料是不可避免的.简单地把燃煤锅炉改用天然气,单位热值能源价格提高3倍,任何用户都难以承担.只有抓住当前推行新型工业化道路、循环经济、节能减排、城镇化、建筑节能等的有利时机,大力采用DES/CCHP,特别是规模化的工业和建筑物DES/ CCHP,以大幅度提高能效来消化高价,降低成本,才能使我国的天然气产业快速、健康发展[13].参考文献[1]广州市城市生态可持续发展规划[R].广州:广州大学城建设指挥部,2003.[2]华 贲.广州大学城区域能源规划[R].广州:华南理工大学,2003.[3]广州大学城集约化建设中节能、环保、数字技术的集成应用—能源集约化综合利用[R].广州:广州大学城建设指挥部,2008.[4]广州大学城建设指挥部.广州大学城区域能源站BOT项目招标文件[G].广州:广州大学城建设指挥部,2003. 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![广东省物价局关于广州大学城和珠江新城集中供冷系统试行蓄冷电价的通知-粤价[2010]46号](https://img.taocdn.com/s1/m/4683ed2a30126edb6f1aff00bed5b9f3f90f72f2.png)
