华 贲 岳永魁 赖元楷
华南理工大学传热与节能教育部重点实验室,广州,510640
摘要:
中国天然气产业以西气东输为标志,正步入天然气资源供给多元化,城市燃气向天然气转变的大发展阶段,展示了前所未有的机遇,但同时也面临着许多严峻的挑战。本文在针对具体国情做彻底评估的基础上,分析了我国天然气产业发展的瓶颈所在;并从技术、工程、法规、政策等多个层面对我国天然气利用技术的发展战略进行了深入研究探讨,指出天然气产业的发展应以“高效、经济利用、统筹规划、优化安排、经济发展”为原则,大力培育、拓展天然气下游市场,才是解决我国天然气产业可持续发展的关键所在。
随着人类对生存环境质量和生活质量要求的提高,天然气作为清洁能源和原料,世界各国把推广利用天然气,提高天然气在一次能源消费的比重,作为优化能源结构,实现经济、社会和环境协调发展的重要途径,使天然气成为仅次于石油的第二大能源[1]。
一、中国天然气发展的历史机遇和挑战
1. 从世界和中国能源结构的比较看中国的能源利用与环境和生态的巨大矛盾
随着我国经济持续快速增长,各类能源消费成倍增长,2003年一次能源消费总量达16.78亿吨标煤[2],占世界能源消费总量的11%,使我国成为仅次于美国的第二大能源消费国。在能源消费大国中,我国煤炭比重最高(66.5%),是全球平均水平(20.9%)的3.1倍,而天然气比重最低,仅为2.7%,只是全球平均水平(23.1%)的11%[3]。
以煤为主的能源消费结构给大气和生态环境造成了严重的污染。据世界银行统计,目前空气和水污染造成的经济损失每年大约占我国生产总值(GDP)的8%左右,已经严重威胁到可持续发展战略的实施。另据统计,仅去年我国进口原油9100万吨,对外依存度达36%,预计今年将突破1亿吨。上至最高决策层,下至各级政府部门,都对能源问题极大关注,能源多样化战略和科学发展观问题被我国政府提到了前所未有的高度。
2. 从世界天然气生产、消费增长统计看经济发展
世界天然气资源十分丰富。全球常规天然气储备量为327万亿立方米;截止到2002年末可采储量达到155.78万亿立方米。除了常规天然气之外还有大量非常规天然气资源,按目前的生产开发水平足够全世界使用几个世纪。
在经济全球化和知识经济快速发展的21世纪,一个国家的能源结构必须立足于开放的格局,是资源、环境、国际贸易三维函数。据1998年《世界天然气报告》,全世界使用天然气的93个国家和地区中,天然气消费占一次能源消费结构20%以上的有52个,8%以上的占20个。经济发展状况与能源消费结构密切相关,发达国家和发展中国家的实践证明,天然气消费都是随着经济的发展而大幅度增加,也就是天然气的消费标志着一个国家经济发展水平[4]。
与石油不同,世界天然气市场也完全是买方市场。以日本和韩国为例,这两个国家能源完全依赖进口,国际上50%以上的LNG都被其消费。
3. 中国天然气储量和产量变化和分析
我国天然气资源也十分丰富。我国常规天然气资源量为38万亿立方米,其中陆地为29.9万亿立方米。另外渤海、东海和南海都有天然气资源。除了常规天然气资源,我们还有丰富的非常规天然气资源,如煤层气和天然气水合物等;仅煤层气资源就有30-50万亿立方米,与常规天然气资源量不相上下[5]。
经过40年的勘探开发我国常规天然气已探明储量为3.6×1012m3。其中剩余可采储量1.51×1012m3,其中气层气的储产比达71.4。从天然气的资源蕴藏量上看,我国天然气资源探明程度约为18%,也就是说我国已经具备雄厚的资源基础,潜力巨大,完全有可持续发展的条件[6]。随着科技进步储量还会进一步增加,可以加大开发力度,促进市场应用发展速度是关键。
4. 中国加快发展天然气的压力和对策
21世纪中国经济的快速发展面临着人口、资源和环境三大难题,而能源和这三大难题紧密相关。因此能源发展战略对中国未来发展至关重要。由于天然气具有良好的发展前景,中国和世界许多国家一样,也应大力开发利用天然气资源,并把开发利用天然气作为能源发展战略的重点之一[7-11]。
(1) 经济发展和环境压力要求增加天然气消耗比例,战略上要先下决心。
中国经济的持续高速发展、巨大的环境压力和全面建设小康社会的奋斗目标,从数量和质量上对能源供应提出了更高的要求。我国天然气消费量在一次能源消费结构中仅占2.7%左右,若除了化肥、化工用气外,作为能源消费的天然气只占1%。即使以全部以此计,目前我国年人均天然气消费量也不足23m3,相对发达国家(如美国和英国分别达2300和1500m3/人以上)落后太多,甚至与世界平均水平420m3/人相比也有较大差距。
发展天然气是优化能源结构、缓解能源供应紧张的最佳选择,我国政府目前迫切需要制订天然气产业的中长期发展规划,以进一步加快天然气勘探、开发和利用,优化能源结构,维护国家安全。
(2) 时代的需要为天然气开发利用创造了良机,必须以市场开拓推动开发和引进
我国天然气市场正以超常规的速度发展,西气东输、陕气进京、西气东输、海气登陆、广东福建进口LNG等一系列重大天然气项目的完成和实施,标志着中国将进入一个天然气时代。仅2002-2020年,就将投入2200多亿资金主要用于天然气管线和LNG接收设备的建设[7]。天然气工程是一个上下游一体化发展庞大的系统工程,从终端利用市场的开发与培育、液化—车、船运—汽化和管道输送到上游气田开发、整个价值链中诸多环节密切相关的程度等,都直接关系到末端市场天然气单位成本的高低,而天然气的市场价格反过来又影响终端市场的规模。天然气产业是资金密集型工业,以上下游1:8的资金投入比例,也需要18000亿的资金投入。因末端市场开拓发育不充分导致需求不足,迟迟不能满足管道的最低经济运量,导致陕气进京管线的尴尬,以及俄罗斯对俄—中—韩管线的反悔等等安全不枚胜举,不是良性循环就是恶性循环。
因此,以必须以市场开拓推动开发和引进,促进上下游协调发展,才是实现天然气产业整体发展的关键所在。
(3)市场开拓的关键:如何应对中国天然气价格偏高问题
我国探明的天然气地质储量增长较快,世界天然气市场也完全是买方市场,而天然气利用技术水平却处于起步阶段,因而可以说天然气利用技术发展战略直接决定着我国天然气市场开拓力度,决定着我国天然气产业的发展进程。在当前情况下,如何应对中国天然气所面临的挑战问题,出路有三:一是天然气高效、经济利用,二宏观上统筹规划、优化安排,三是加快经济发展,天然气发展中的主要问题是经济问题。国外的情况说明,一个国家在不同的经济发展阶段有不同的能源对策。
二、大力发展分布式能源
1. 天然气分布式能源的几种类型和环境压力带来的机遇
分布式能源系统(Distributed Energy System,简称DES)与一般意义上的发电厂具有本质的区别,它是一个在有限区域内采用热电冷三联供技术通过管网和电缆向用户同时提供电力、蒸汽、热水和空调用冷冻水服务的综合能源供应系统。目前国外上万个分布式能源站,绝大多数使用清洁能源—天然气作为主要驱动能源。针对我国实际情况,可以建设的分布式能源系统类型可以归纳为以下10种类型[12-14]:
⑴ 城区商业中心型分布式能源站。⑵ 机关团体型分布式能源站。⑶ 新开发小城镇和居民小区分布式能源站。⑷ 离散型工业园区分布式能源站。⑸ 过程工业园区型分布式能源站。⑹ 凝汽式火电厂改造型分布式能源站。⑺ 燃煤热电联产机组改造型分布式能源站。⑻ 柴油机电站改造型分布式能源站。⑼ 燃气轮机电站改造型热电冷三联产分布式能源站。⑽ 采暖锅炉及工业锅炉改造型分布式能源站。
与燃煤电厂相比,以天然气为燃料的分布式能源站对环境的影响也要小得多,其SO2和固体废物排放几乎为零,温室气体(CO2)减少70%以上,NOx减少80%,TSP减少95%,占地面积与耗水量均减少60%以上。此外由于分布式能源站具有启停快,调节灵活,能够在靠近负荷中心满足人们用电、用热、用冷、除湿和其它多方面能量或原料(如化工)的需求,并且可建立在对环境排放要求更严的人口高密度区。因而分布式能源对于提高能源利用效率、改善环境质量、缓解电力紧张、保证供电安全的重要作用,已为世人所公认。发达国家已经建立了数千座分布式能源站。去年美、加东部大停电发生后更加快了发展步伐
同时作为天然气下游市场的重要用户,以及目前电力系统的有益补充,分布式能源的建设无疑是当前中国电力和天然气发展两大能源问题的焦点所在。
2. 分布式能源在电力发展中的重要地位
分布式能源站的一个重要特点是发电并不上网销售,而是在区域内直供,不足部分大网补充。并且依靠大电网的巨大容量保证供电负荷、电压和频率的稳定和作为事故备用电源。而对于大电网来说,分布式能源站不仅仅是减少了它的供电负担,而且也减少了用电制冷空调、加热热水的负荷。换句话说,天然气在联合循环电厂只能以50%的效率发电上网,而用于分布式能源站,则可以近100%的效率节省网电!由于分布式能源站的近距离直供和联产的高效率,总体的投资和运行效益都优于建设大电厂和电网。作为一个重大策略,在未来十年内在全国建设数千万kW的分布式能源来代替同等规模的电厂和电网将凸现出以下重大效果:
①. 节约数千万kVA的110KV以上高压电网和110~10KV的变电站建设费用。
②. 节省数千万kW电力上网的输送损耗和调度费用,从而降低输配电成本。
③. 分布式能源站以冷热电联产形式高效利用数千万吨/年的天然气,有数以十亿元计的社会效益。
④. 数千万kW分布式能源站的投资比大型发电厂建设投资回报更好,设备开工时间长。
⑤. 分布式能源站以大电网作为后备补充,用电可靠性高。电网负担减小,可靠性也改善。
⑥. 带动燃气轮机、余热锅炉、大型制冷机等制造业发展,增加数千亿元/年GDP。
以上总的社会经济效益将达数百亿乃至上千亿元。
3. 分布式能源在天然气下游用户中的地位
DES是天然气下游市场的重要用户,从技术角度讲主要是需要解决好天然气的供应问题。但分布式能源站项目,由于其效率高、经济效益好、投资回收期短,资金密集度相对较低,容易上马。因此,若分布式能源站每年以冷热电联产形式高效利用数千万吨/年的天然气,有数以十亿元计的社会效益分布式能源站是最有力的天然气的买方市场开拓、培育者。
同时DES的建设受到天然气管网敷设到的范围和供需平衡的制约。而液化天然气(LNG)罐箱运输正可以解决这个问题。从数千公里外的新疆运送LNG的成本较高(虽然对深圳燃气和福田电厂来说仍然有巨大的经济效益)。但是,一旦广东、福建和浙江等地引进LNG上岸、管网和汽化站建成后,他们马上就可以转用便宜的管道气。而罐箱公司也可以转而把LNG运到几百公里范围内的其它地区。可以极大地拉动天然气市场的开发与拓展。因此可以说,分布式能源站的发展速度,决定着我国天然气市场发育的进程。
4. 促进和发展分布式能源的政策和策略的关键问题
虽然在国外来说是成熟可靠的,但是在国内还是一个新的事物。尤其是在规划策略、集成设计、运营管理和控制技术需要进一步研究工作。
1) 研究制订大力发展分布式能源冷热电联产的规划和策略
①. 扶植分布式能源相关产业发展,分布式能源站的大力发展必将促进燃气轮机、余热锅炉、汽轮机等相关设备制造商的蓬勃发展,同时产生一批项目建设、运营商。
②. 支持分布式能源按照市场机制在区域内特许经营,实行价格听证,保护各方利益。
③. 天然气规划中给分布式能源站留出相应的配额及相应适合压力的管线路由,并给分布式能源站提供的天然气与联合循环电厂用气同价。
④. 协调分布式能源站与电网关系,切实保障两者之间的互利关系;
2) 分布式能源系统的优化设计研究和模块式集成设计平台的开发
建立包括:(1)用户所在的地域气候、气象变化规律,(2)用户对各种能源的需求以及周期性变化规律,(3)天然气、电的供应条件和价格构成、计算方法(4)各种主要设备的技术、经济参数、供货条件、检修周期等等在内的所有模块及其特性变化参数的系统综合集成模型和相应的计算机并行优化设计和辅助决策平台。对于多变化工况、多周期运行的系统,针对不同的需求给出能在各种变工况下优化运行的、柔性的分布式能源系统,使它在不同的条件下都能获得最大的能源效率和经济效益。
此外,因为多数分布式能源系统用户是建筑物和大工业,因而必须同建筑物能量系统和工业能源管理系统协同优化设计平台相互集成。如果没有这样的系统综合技术,尽管有先进的设备,盲目建设的分布式能源站也不可能有很好的经济和社会效果。
3) 分布式能源运营管理和控制技术平台的研究
在按照柔性优化设计技术设计建造的系统前提下,研究在需求状况和外部条件有突然变化时,能使系统能够得到很好的控制和安全保障,并在付出最小的经济代价下满足舒适度和最大经济效益、社会效益的目标的运营管理方案。实现社会、用户、电网公司、天然气公司多赢的目标。
三、适度发展联合循环电站,尽量联合供冷、供热
通过适度发展联合循环电站,作为发达地区调峰电源和天然气项目初期稳定用户不可避免;该系统能够支撑天然气需求,有助于配送网络的建设,可以利用废热,并能利用减少城市污染。但应尽量与大型工业结合,采取联合供冷、供热应该是天然气应用发展的长期取向。如在新建的过程工业园区或已有的工业园区,由于过程工业特点一天24小时连续生产。可以利用燃气轮机排出的烟气进余热锅炉产生蒸汽供给工业用,24小时高效热电联产或热电冷联产。虽然没有调峰,同样能达到高效用能的效果。在大城市新建的过程工业园区里不可能再用烧煤来提供热电联产,采用燃气轮机的联合循环热电联产将是很重要的一种形式。如适当规模的联合循环电站部分联产潜力分析(深圳月亮湾180MW—蛇口区,南山电站---附近工业,惠州大鹏湾乙烯下游工业园区。没有数据)
四、加快发展以天然气为主的城市煤气
1. 取代油(煤)制气和LPG路线的比较
我国现有能源结构以煤为主,不仅能源利用效率低,而且严重污染环境。为此,国家已做出调整能源结构,推广利用包括天然气在内的清洁能源的战略决策。为实现城市居民燃料结构气体化,迫使我国原油加工产品之一的LPG或油制气大部分进入民用燃料市场,导致我国乙烯工业原料重质化,使乙烯生产能耗和成本长期高于国际水平,使我国有限的石油资源没有得到优化利用,经济损失巨大。
随着天然气的引进与开发,大规模应用于城市煤气,满足民用的需求,不仅清洁,还有其他许多优点。一是比LPG价格低。LPG市场价格与国际原油价格接轨,又与随炼制量的多少而波动,价格机制不稳,近年来,国际油价连续上涨,给用户造成巨大经济负担。天然气和LNG的价格是长期照付不议而且热值也比LPG高(见表1)。二是比LPG更安全。因为天然气比空气轻,故泄漏后容易扩散,而且燃点也高。三是将可使目前数百吨的LPG和部分发电重油回到石油化工原料上去,进一步优化我国石化产品分布结构,降低能耗,提高整体经济效益,为我国石油安全作出贡献。总之,天然气是一种优质、洁净、安全、经济的能源,是世界上最受欢迎的能源,作民用燃气取代LPG和油制气是必然趋势。
北京、天津、重庆等许多已经主要使用天然气的城市正在抓天然气化率提高,上海等许多主要使用煤制气的城市正在抓向天然气转换,深圳、广州等许多城市正在抓引进国外液化天然气,杭州、武汉等许多城市正在迎接西部天然气到来。
2、管网建设的深圳经验,与罐厢运输结合(参见七)
“西气东输”只能解决沿线大中城市,即使按照规划到2010年,全国也只有270个城市采用天然气,年用气量也仅为414亿立方米。由于城市管道供气主气源,由于气源、地理条件的限制,众多远离气源或输气管线,而气量利用效益较差,采用LNG技术是目前实现城镇气化的非管道输送的供气方式,通过汽车、火车将LNG运到用气地区,可以作为过渡气源或永久性气源。
特别是那些地处偏远山区、河网地带的中小城市,修建管道施工难度大,不经济,用LNG小区气化的方式来解决其对天然气的需求,是最为有效可行的方式,可以拓展天然气利用的空间和领域,在更大范围内推动能源结构的调整,改善城市大气环境。与罐厢运输结合,小区气化深圳燃气发展的经验为我们提供了良好的范例。
3、对于农村人口城镇化的意义和发展途径
为解决“三农”问题及社会发展的需求,我国目前正经历一个农村人口城镇化的过程。建设分布式小城镇,是一个必然趋势。在这些新开发的城镇过程中,能源问题是一个迫切的问题,决不应当走烧煤污染环境或用瓶装LPG的老路。在新城区建设规划中可以采用罐厢运输、小区气化、管网建设与热电冷三联产技术相结合的方式来解决,实现可能源、环境、经济和社会持续发展。
五、大力发展LNG交通能源
1、 LNG、CNG与LPG路线的比较;
随着国家清洁汽车行动步伐加快,取代汽、柴油、LPG、CNC等燃料,将是燃料结构调整的发展趋势,LNG将会成为汽车燃料中的主角。根据我国环保部门提供的数据,在北京、上海、广州等大城市,机动车对CO、HC、NOx的贡献率已经超过50%,有的已达到90%以上。这意味着机动车已经成为我国大城市大气污染的主要污染源。控制汽车排气污染已经成为十分急迫的问题。
天然气液化的过程是燃料纯化的过程,更有利于降低汽车发动机的排放。用作汽车加气燃料,与汽油、柴油和LPG、CNC相比,LNG具有辛烷值高、抗爆性好、价格低、充装量大、行驶里程长、尾气污染小等优点,是优质的清洁汽车燃料。与汽油相比,天然气汽车尾气中,CO减少97%,HC减少72%,NOX减少39%,CO2减少24%,SO2减少90%,汽车噪音亦可降低40%,可以说,天然气是汽车最佳的清洁燃料。LNG可以像运输燃油一样使用车船运送,这就为尚无天然气管道资源的城市和地区提供了使用天然气汽车的可能性。开展LNG汽车的应用研究,拓宽我国汽车行业利用天然气资源的领域,具有十分重要的意义。[15]
按汽油3.8元/kg,天然气1.7元/m3计,下表是四种汽车燃料的运行价格比。可见,天然气汽车与汽油汽车相比较,可节省费用约0.41元/km。若将汽油车改装为双燃料汽车所需费用为4000~8000元/辆,正常运行情况下,一年时间即可收回改装费用。
表1. 汽油、LPG、CNG和LNG汽车(以公交车为例)运行价格比较表