广州大学城项目和中国DES/CCHP集成创新的历史机遇

摘要：广州大学城DES/CCHP是为18km2的大学城350万m2建筑和30万人提供终端能源服务的冷热电联供分布式能站；规划包括2×78MW燃气-蒸汽联合循环机组，11万RT的DCS，及主要由100--50℃烟气和蒸气透平冷凝潜热为热源的生活热水系统，规划能效80%。2004年开始按过渡方案供应冷、热水，2009年2×78MW燃机投运。在智能电网快速发展的历史条件下，广州大学城DES/CCHP正在联合南方电网公司重组，DES按调峰模式运行，电力就地直供，夜间停机、改用低谷价网电制冷；能效和经济效益进一步提高。争取建成南方商住型DES/CCHP的示范典型。

关键词：广州大学城分布式能源冷热电联供集成创新运营机制创新

一、广州大学城DES/CCHP项目的规划和建设[1]

广州大学城是2003年1月广东省政府决定在广州市番禺区小谷围岛，按照现代城市规划、建设和管理理念建设的；占地18km2、可容纳25-30万大学生。5月，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m2建筑物主体节能设计规范，和一个基于区域供冷（DCS）的冷热电三联供的分布式能源系统（DES/CCHP）方案；并于2003年6月通过了国内权威专家的评审；随即付诸实施。一期工程是以2×78MW燃气-蒸汽联合循环机组为基础的天然气DES/CCHP系统。燃气能量的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，进抽凝式汽轮机进一步作功发电；余热锅炉排出的约100--50℃烟气和蒸气透平冷凝潜热，用于加热60℃生活用水。24h/d连续生产、输送到负荷中心储存、下午到晚上机制使用。天然气能源利用效率可达到80%以上。

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，承担350万m2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。总蓄冰量28,260RTH。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（冷冻水供回水温度为3℃/13℃），加上水泵采用变频控制技术，可大大地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，冷战到末端的最远距离1.6km；末端换热间总数283间。自控采用工业以太网硬冗余系统。通过调节设备的运行台数和负荷率，可以满足不同季节、气候下冷、热负荷的需求。能源站发出的10kV电力可直接供给电压缩制冷空调系统和大学城的日常用电，也可接入小谷围3#110/10kV变电站与电网互联。正常发电量小于需求，不足部分向市电网购买。7、8月暑假期间，可按市网需求发电调峰。DES/CCHP的流程如图1。

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减少电力装机容量减少120MW。节约了用地和建筑面积，十所大学节省设备用房面积3.9万m2，仅此就节省投资约8.6亿元。此外，项目的环境效益有：减排CO224万t/a、SO26000t/a，NOX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。达到高效节能、优化能源结构、控制污染、改善环境的目的目标。

图1广州大学城DES/CCHP系统流程图

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。在规划基础上进行投资主体招标建设。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：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），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。依靠高科技和现代化的科学经营管理，达到用户、公司、电网、市政“四赢”的目标[2]

由于没有事先协调好项目与电网公司的关系，2003年8月招标失败。项目由广州市政府组建的大学城能源公司负责建设；并与2004年9月第一批新生入学时按照过渡方案投入运行：区域供冷系统用网电制冷，向10所大学公共建筑供冷；师生用的生活热水用从邻近燃煤电站购买0.4MPa低压蒸汽加热。

广州大学城DES/CCHP项目的主要问题：客观上，一是占大部分冷负荷的中心商务区一直没有建设，致使DCS负荷过低；二是电力法第25条限制了直供电；使能源站建设拖迟和与制冷系统分割运行。主观上，一是DCS设施大部分闲置，导致贷款利息负担过大；二是控制系统因防雷性能欠缺而久未投用，致使制冷效率较低，售冷价格偏高；反过来影响市场开拓。

2009年10月，两台燃气轮机的能源站由华电新能源公司与大学城能源公司合股的“广州大学城新能源有限公司”建成投运，发电上网；热水通过原有设施供应大学城。2010年暑期开始，电网公司允许使用0.3元/kWh低谷电价，启用冰蓄冷系统夜间制冷，并以较低价格向学生宿舍供冷，开拓市场。此外，欠银行债务也由政府清偿；两家公司财务状况均处于良好状态。目前，提高运营效率的新机制和机会是：能源站与制冷站联合、并邀请电网公司、燃气公司参与重组，并适当改造。在电网公司的参与下，除实现原规划目标的“电力就地直供“外，还能具有“调峰与冷热电联供结合”的新功能；从而建成一个完全意义上的、最高效率的大型冷热电联供分布式能源站。此项工作正在进行中。

二、中国低碳能源能源战略转型的挑战与DES技术集成创新的机遇[2]

文献[3—5]研究了能耗、一次能源构成和应用碳捕获和封存（CarbonCaptureandsequestation,CCS）技术三者与CO2排放之间的制约关系，并推算出了在上述减排目标和进程下世界能耗和一次能源构成变化的走势。见图2。

图22005—2050世界（左）和中国（右）一次能源构成的变化趋势

重新排列两张图的图片说明

图中，绿色线I代表可再生能源，蓝色线II代表煤，红色线III代表天然气，黄色线IV代表石油。由于资源限制和难以实现CCS，石油消耗必将逐渐减少。未来世界低碳能源格局是可再生能源、煤的CCS、和天然气三者之间的博弈。在世界低碳发展格局下，占比越来越大的可再生能源大部分（风能、太阳能等）将通过发电并网而进入终端利用；但生物质能多半会通过发酵、干馏和气化等途径转化为气、液态燃料或化工产品；一部分低品位能源如地热太阳能热水等则直接用于低品位商住用能。由于CCS经济性要求规模化的的限制，煤必将退出分散的锅炉、窑炉等工业燃料和中心城市冬季供暖市场，而集中用于带CCS的大规模发电和煤气化多联产，以及水泥生产和炼焦。这就使天然气必将成为主要工业和商住燃料、主要交通燃料，和调峰发电能源。

天然气DES/CCHP的能源利用效率是传统燃煤技术的2倍。天然气占一次能源的比率，世均是24%，中国则不到4%，这也是中国的能效低于世均13个百分点的主要原因[3]。采用DES/CCHP把天然气在一次能源中的比率提高到15-20%，可使中国能效提高到当时的世均水平；其次，天然气DES/CCHP的CO2排放仅为煤的1/4；减排的成本远远低于煤CCS；第三，未来10年，在进口天然气和LNG占一定比率、但价格较高的条件下，用天然气通过传统技术替代煤供热和发电，用户难以承受。而天然气DES/CCHP因其高利用效率，可使终端供电、冷、热水、蒸汽的成本大幅度降低，原来烧煤的用户能够承担。所以这是未来10-20年中国实现低碳工业化和城镇化的唯一出路和战略保障。

DES/CCHP决不是热电联产1.0MPa抽汽供暖加上蒸汽吸收制冷供7—12°C冷水这样简单的组合。它是基于“高热高用、低热低用，温度对口、梯级利用”的科学用能思想和相应的佣经济学理论，采用系统工程方法，在对各种冷热电用户变负荷统计、分析的基础上，采用各种燃气作功发电技术、各种制冷技术、热泵技术、再生能源利用技术，以及强化传热技术，集成建模和优化求解而得到的，在经济效益、能效、碳减排三个方面都比较好的组合方案。是现代系统科学、信息科学、管理科学与各种能源转换、传递科学和技术的集成。

与OECD国家不同，中国城市居住、商业、工业三种功能区空间布局较近、三种终端需求可以集成互补。所以中国发展DES/CCHP能够集成创新，把供应商业和公共建筑空调冷水和供应居民生活热水的负荷与供电、供汽的负荷集成起来，创出比OECD国家更高的天然气能源利用效率。中国地域广阔，各城市的气候和产业特点千差万别，规模化的DES/CCHP大致可有下列几种类型：（1）、北方集中供暖为主型。在满足大部分城市居民冬季供暖的需求基础上，开拓非采暖季冷和热水用户；（2）、南方区域供冷为主型。以满足城市商业、行政中心区公共建筑集中供冷需求为主要负荷，以向附近住区建筑物居民提供生活热水来提高能源利用效率；（3）、大型过程工业（园区）数十t/h到数百t/h的24h/d连续用汽为主用户；（4）、大型联合循环调峰机组向离散制造业园区供冷、暖和热水；（5）、现有乡镇企业工业园区；（6）、大城市规划新区；（7）、新规划中小城镇；（8）、现有分散电源点联合循环机组的改造[6、7]。广州大学城DES属于第2类。

三、中国DES项目建设运营机制创新的机遇[8]

智能电网是世界各国向能源低碳化发展的一个重要内容。智能电网是IT产业与能源产业结合的革命。它主要是通过终端传感器将用户之间、用户和电网公司之间形成即时连接的网络互动，从而实现数据读取的实时（real-time）、高速（high-speed）、双向（two-way）的效果，整体性地优化电网的运行和管理、提高电网的综合效率。智能电网要求在负荷中心发展大批分散式电源（DecenturalizedElectricitySource），用以减少电网输配负担、保障供电安全。DES/CCHP是比单纯的分散式电源，即单纯的天然气联合循环电站，更高效的系统。DES/CCHP是智能电网天然的合作伙伴。因为它不仅能够保障大电网的安全，而且，特别是在中国的国情下，能够具有强大的调峰功能。

智能电网的实时、高速、双向特点使得不同时段的电价能够自动变换的功能，可与DES形成高效互动的协调配合。因为在较大的峰谷电价差之下，除了直接服务于连续生产、24h/d用蒸汽的过程工业（园区）的DES/CCHP系统之外，所有为离散制造工业、两班制过程工业、商住区或CBD提供能源供应服务的DES，都可以按16h/d运行、夜班停机的模式运行。夜间停机时采用低价的谷电制冷、保证供应。这样，对DES来说，虽然缩短了冬、夏季夜间开机时数，但却增加了春秋季节冷、暖负荷低时的调峰开机时数，并因避开低谷价时段而大大提高了发电收益，并降低了制冷成本；经济性能够进一步提高。对电网来说，白天，大多数工业和商住DES项目都成了电网的调峰机组，夜间，又增加了低谷电的使用负荷。24h/d用蒸汽的过程工业（园区）的DES/CCHP系统也不是不可能兼做调峰机组的。采用辅助燃烧器+余热锅炉的运行模式，在夜间燃气轮机停机时，也能够保证蒸汽的生产和供应。

据估计，到2020年调峰发电、工业燃料、商住用能三类天然气用户耗量大致上均为900亿m3/a左右。如果能够把大部分工业和商住用能与发电调峰结合起来，那么总共耗用的2700亿m3/a天然气就可发电1万亿kWh/a，占全国总发电量14%，其中绝大部分可有调峰功能；远高于900亿m3/a联合循环发电4500亿kWh/a；加上DES/CCHP夜间用电网低谷电制冷；便可基本上解决中国电网昼夜调峰问题。

今年以来，在国家能源局建设1000个DES/CCHP，总规模达到50GW的号召之下，诸多企业，如各大电力集团、各大油气公司、城市燃气公司、以及新近涌现出来的大批能源服务公司，都看好气候变化所揭示的天然气DES/CCHP的商机，已经开始纷纷抢占市场。不过，这些DES项目的利益相关方中任何一方都不希望把利益和命运完全交到另外一方的手中。排他性“独占”市场必将引发激烈的矛盾冲突，而以某种机制合作乃是达成妥协、实现共赢的唯一选择。OECD国家的经验也说明了这种规律。例如，日本的许多大型DES项目，就是由电力公司、燃气公司、与市政机构联合开发运营的。

在这样的特定历史条件下，已经不需要以修改电力法第25条为发展DES的唯一的出路了。只要电网公司（GC）被准许、并积极参与DES项目的投资、建设和运营，就能够实现一种双重角色的机制转换：一方面，作为DES项目的股东，GC派驻DES的成员作为DES法人的代表，可以按照电力法第25条，行使区域内“唯一电力供应者”的职能。另方面，作为GC母公司的成员，他们又能够在满足DES区域内冷、热、蒸汽等终端需求供应的前提下，依照大系统电网供/需平衡的需要和智能电网的功能，进行DES机组的优化调度；包括机组各个部分的开、停及负荷率的调整，峰谷不同时段使用网电/上网售电两种操作模式的切换，等等。实现智能电网+DES/CCHP全局能效和经济效益的最大化。

在合作共赢的新机制下，电力企业发挥燃气发电机组投资、建设、运行的优势；燃气公司发挥天然气管道、气化站等设施建设、天然气采购运输市场保障的优势；市政、热力及能源服务公司发挥在区域内供汽、供冷、供暖、供应生活热水等设施投资建设、优化运营的优势；电网公司发挥接入系统和低压供电系统设施投资建设运营的优势。还可以创造业主方（企业、单位、物业等能源用户）参股，保障自身利益的新机制。有如多家各出面粉、鸡蛋、奶油、白糖、香料和烤炉，一起烘制成一块大蛋糕、共同分享。地方政府前期负责制订相关各项规划，项目招标，中期给以金融支持、负责审批特许经营权，后期负责协调各方利益，价格听证和监管。这是在当今历史条件下中国发展DES/CCHP特有的创新机遇。

四、中国DES/CCHP的发展前景[9、10]

到2020年，中国需要建设装机容量总共200GW的DES/CCHP系统，按年运行时数5000h/a计，年发电量1万亿kWh/a。按照第二节中介绍的不同类型估算，大致有下列几档：

序号DES规模型号项目容量估计个数总容量%

1、超大调峰机组3×9F1GW4040GW20

2、大型工商住区3×9E500MW16080GW40

3、中型商、住、工4×6B100MW40040GW20

4、中型商、住、工2×6B50MW40020GW10

5、小型商、住、工Solar10MW100010GW5

6、微型燃机、小型内燃机1MW1000010GW5

前3类属于几十km2的新开发工业区或综合工商住区，是发展分布式冷热电联供能源系统的主力。在南方地区以过程工业用蒸汽、离散制造工业厂房和商业公共建筑空调、居民用生活热水三类负荷的集成为主；如正在规划的珠海横琴新区冷热电联供能源站、深圳观澜中部组团能源站、深圳光明新区调峰电站、清远顺德（英德）产业转移园能源站，以及以中山民众镇沙仔化工工业园、南朗镇/“华南中药城”、东莞东兴CCHP/东城工业园等为代表的新发展城镇的能源供应企业[11-12]。以广东省发改委核准的中电投珠海“横琴冷热电联供能源站”项目为例。该项目与今年4月国务院批准横琴新区揭牌庆典同日剪彩；发电机组和区域供冷系统可行性研究均已通过评审，正式报批；已列入2010年横琴四大重点建设项目。一期2台9F机组2012年底投运；作为横琴岛一期包括十字门CBD和澳门大学在内的25km2工业、商住区各种终端利用能源的供应商。远期目标为8台9F机组，服务全岛100km2。到2020年仅在珠三角地区的发展潜力至少有上百个、总容量可达几十GW。在北方地区，以超大城市中心区集中供暖+公共建筑空调，居民生活热水三类负荷的集成为主的前三类项目，目前正在开拓若干典型的示范项目；估计也会有数百个项目，装机容量近百GW。

前4类总共2000个项目，总容量可达190GW，占95%。第5类总共1万个，总容量却只有10GW，占5%。可见，以最小的经济代价、最大的经济效益解决中国的能效、碳减排问题为战略目标来看待和发展分布式能源系统，必须着眼于大型的项目。充分发挥西方自由市场经济机制所不可能实行的、中国以地方政府为主导的社会主义市场经济特色，充分利用和配合“十二五”开始的各地新一轮工业化和城市化建设高潮，充分发挥中国DES在技术集成和运营机制两方面的创新优势，集中建设一批大规模的DES/CCHP项目，就能够在2010--2020年中国低碳发展最关键的历史阶段，实现提高能效和能源结构转型的目标。

参考文献：

[1]、华贲，广州大学城分布式冷热电联供项目的启示，“沈阳工程学院学报”，2009.5（2）97-102

[2]、华贲，中国能源战略转型的历史机遇，世界石油工业，No.5,2010

[3]、华贲，低碳发展时代的世界与中国能源格局，中外能源，15（2）,1-9,2010

[4]、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,中外能源,2010.5.

[5]、华贲.低碳时代的世界和中国的能源结构，世界石油工业，No.2,2010

[6]、华贲，低碳时代中国的城市能源规划，将发表于建筑科学,2010,12期

[7]、华贲，建设工业园区冷热电联供的能源系统，上海电力（3）pp.3-6，2009.

[8]、华贲，中国分布式能源发展机制创新的历史机遇，将发表于中国电业,2010.2

[9]、华贲，从战略高度看分布式能源，将发表于中外能源,2010.11

[10]、华贲，天然气冷热电联供能源系统，中国建筑工业出版社，2010.2，北京

[11]、华南理工大学，《光明新区冷热电联供与中水回用专项规划》，2009.8

[12]、华南理工大学，《佛山顺德（英德）产业转移工业园节能规划》，2010.8