天然氣分布式能源經濟可行性評估方法研究

丁小川，周宇昊，王思文

天然氣分布式能源經濟可行性評估方法研究

丁小川，周宇昊，王思文

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

對氣電價格、運行時間、單位造價、一次能源利用率以及系統節能率等影響天然氣分布式能源系統的關鍵技術經濟指標進行了深入研究，經過數學推導，得到了基于天然氣價格和目標電價關系的天然氣分布式能源項目經濟可行性數學模型。該模型全面反映了影響天然氣分布式能源項目經濟性的各種影響因素。應用本方法和模型，選擇了兩種典型的用戶負荷進行了實例計算。所得結論可以為天然氣分布式能源系統運行控制和相關研究提供理論依據。

天然氣；分布式能源；經濟可行性；評估方法；關鍵指標

0 引言

天然氣分布式能源是分布在用戶端的天然氣熱電聯供系統（CHP）或冷熱電聯供系統（CCHP），其特點是以天然氣為燃料、能源利用效率高、運行安全可靠、能夠適應用戶負荷的波動變化。隨著環境污染問題的日趨嚴重和能源價格的不斷攀升，發達國家越來越重視能源的高效清潔利用技術的應用[1，2]。在美國，截止2012年，天然氣分布式能源項目裝機約為6000萬kW，并計劃到2020年新增40 GW發電裝機。在日本，截止2010年，天然氣分布式能源項目裝機約為640萬kW，并在2011年東日本大地震后計劃2020年達到800萬kW[3]。然而，我國天然氣分布式能源技術的發展起步較晚，近年來隨著國家對電力安全、環境治理的重視度加大，北京、上海、廣東等地開始發展天然氣分布式能源項目，目前總裝機容量僅為80多萬kW，在全國年發電量中的比重還較小[4]。

與傳統集中式發電技術相比，天然氣分布式能源系統與用戶端聯系緊密，為用戶提供電能、熱能、冷能等多種品質能源，項目的造價、運行時間等都受到用戶負荷特性的影響，系統具有輸出多樣性的特點，導致系統的技術經濟評價指標多、評估方法復雜，對分布式能源項目經濟性的分析，目前常用方法是在完成系統設計和明確各項邊界條件后，建立項目技術經濟分析模型進行計算和可行性研究，分析過程復雜、周期長、不夠靈活方便。

本文通過研究天然氣分布式能源系統關鍵評價指標，提出基于天然氣價格和目標電價關系的系統經濟可行性分析方法和數學模型，該模型全面反映了影響天然氣分布式能源項目經濟性的各種影響因素，通過該模型可以計算分析各影響因素對項目經濟性的敏感度。針對區域式和樓宇式的天然氣分布式能源項目案例，應用模型對案例進行了分析和研究，為分布式能源項目經濟可行性分析提供參考依據。

1 關鍵指標分析

1.1 氣價和電價

作為天然氣分布式能源系統唯一的燃料輸入，天然氣價格對系統運行成本的影響較大。受國內需求和國際石油價格的影響，近年來我國天然氣價格逐年走高。根據國家最新出臺的天然氣價格調整政策，2013年各地管道天然氣存量氣和增量氣價格均有所波動，其中存量氣價格為1.41～2.74元/m3，增量氣價格為2.29～3.32元/m3，其中廣東、上海、江蘇、浙江等南方地區價格較高，而新疆、寧夏、西藏等地價格較低。此外，我國沿海經濟發達地區還在積極引進海外LNG，其價格與石油價格掛鉤，受日本等國的需求拉動影響，近年來價格持續走高，2013年引進LNG出站價格約合4元/m3（不含管輸費）。

電價決定了系統的收益。天然氣分布式能源是分布在用戶端的供能系統，系統輸出主要用于自身的電冷熱負荷需求，因此系統電價取決于用戶用電價格。系統一方面為用戶直供電，另外冷、熱的傳統供能方式也來自電，若采用發電余熱制冷（熱），就有很好的利潤空間。我國現行的電價機制是按不同用戶類型來制定價格，不同用戶電價相差近66%。

從分析來看，天然氣價格決定了系統的主要成本，而電價則決定了系統的大部分收益，因此項目用戶當地的氣、電價格差異如何，將是影響項目投資回收期和收益率的最為關鍵的因素，差異越大則投資回收期越短。

1.2 負荷匹配性和年運行時間

分布式能源主要位于用戶端，能夠按用戶的需求供應能量，從而實現能源的就地生產和就地供應模式。和發電廠不同，分布式能源系統輸出具有多樣性，不僅僅是電能，因而冷熱電負荷需求的一致性和匹配性，對系統的年運行時間、系統能效和運行經濟性有重要影響。系統年運行時間是影響項目經濟性的關鍵指標之一，決定了系統關鍵設備的使用壽命、維護成本、項目投資回收期限等。一般天然氣調峰發電項目年運行時間約3500h，而天然氣分布式能源系統的年運行時間能達到4000～6000h左右。

1.3 原動機和項目造價

原動機主要有燃氣輪機、燃氣內燃機、微型燃氣輪機以及燃料電池等型式，目前燃氣輪機、燃氣內燃機以及微型燃機的應用較為廣泛，燃料電池因其技術不成熟、產業化程度低等原因推廣程度不高。分布式能源原動機的選型和用戶負荷特性、施工安裝條件、周邊環境要求等有關，不同原動機的適用規模、發電效率、投資和運維成本等差異較大。根據國內外目前已安裝運行的項目統計數據，工業和企業等較大型項目采用燃氣輪機較多，醫院、酒店、商場等商業和公共建筑項目采用燃氣內燃機和微型燃機較多，如美國冷熱電聯供項目中，內燃機系統裝機容量約占總規模2%，而項目個數卻占46%，燃氣輪機則均為13%，可見小型樓宇式項目以內燃機為主，大型工業區域式項目采用燃氣輪機為主[5，6]。

表1 典型原動機系統特性

1.4 總能利用率和節能率

天然氣冷熱電三聯供系統總能利用率是指系統有效能源輸出（包括供冷、供熱、供電量）總量與系統消耗的天然氣總量的比值，和傳統集中式發電相比，天然氣分布式供能系統（CHP、CCHP）總能利用率更高，能達到80%以上，可以通過以下公式計算得到：

式中η1—系統發電效率，不同的原動機效率不同，約合40%左右；

η2，η3—系統制冷和制熱的熱效率，可以通過將系統用于制冷（熱）的余熱能量和總的輸入天然氣熱值比值計算求得。

系統總能利用率所體現的主要是對一次能源（天然氣）充分利用的程度和系統整體能源轉換的輸入與輸出比較情況，但總能利用率并未考慮輸出能的品質，因此在評價系統時還需要引入節能率指標。

系統相對節能率是指在單位時間內產生等量冷熱電，聯產系統相對于常規分產系統所節省的能量與常規分產系統所耗能量的比值，則節能率X的表達式為：

式中Qa—冷、熱、電獨立分產系統（基準）的單位時間內一次能源消耗量，J；

Qb—熱電冷聯供系統的單位時間內一次能源消耗量，J。

系統相對節能率指的是，與常規系統相比分布式能源系統支付的燃料代價節省情況，通常相對節能率選擇當前使用最為廣泛的分產系統作為參照。實用時，相對節能率的評價意義更為簡明，數值處理也相對容易[7]。

2 理想經濟模型

2.1 項目收益分析

天然氣分布式能源系統的輸出為電力和冷、熱供應，因此項目一年內系統的收益主要包含電、冷、熱的銷售收入為：

式中A—天然氣銷售價格，元/m3；

B—銷售電價，元/kWh；n—系統年運行時間，h；Qh—系統的制熱量，J；E—系統總發電裝機容量，W。系統總裝機E與系

統耗氣率Q、發電效率等有關，可以根據系統年發電量與耗氣量的能量平衡關系得到，即：

式中Q—系統耗氣率，m3/s；

η1—系統發電效率。

可以得到Qh=nQη3。計算熱銷售收入時，可以按燃氣鍋爐生產等量熱能的用氣成本計算，而燃氣鍋爐的效率可以取平均水平為90%[8]。

Qc為系統的制冷量，與系統耗氣率Q、制冷效率η2、吸收式溴冷機COP（取值1.2）等有關，可以得到Qc=1. 2nQη2。計算冷銷售收入時，可以按電制冷機生產等量冷用電成本計算，其中電制冷空調COP取水冷式中央空調值4.5。

2.2 項目成本分析

天然氣分布式能源項目利用天然氣發電，同時充分利用余熱制熱（冷），因此項目主要成本為天然氣的采購費用，此外考慮到項目投資回收和設備運行維護費用等，則一年項目經營成本為：

式中Cg—一年天然氣消費成本，元/a。主要受系統耗氣率Q、年運行時間n、天然氣銷售價格A的影響；

Cf—系統預計投資年折舊費用，元/a。可以按照10a的投資回收期限，通過系統單位投資D和系統總裝機容量E計算；

Cm—系統運行維護費用，元/a。主要受系統度電運行維護費Ce、系統年發電量（nE）影響。

2.3 經濟性分析模型

項目運行的盈利能力是決定投資的首要考慮。和其他發電或供能系統相比，天然氣冷熱電三聯供系統的特點在于輸出的多樣性，其經濟模型也相對復雜，受到電價、冷價、熱價、氣價等多種因素的影響，因此本文對模型進行分析和梳理，提出簡易可行的系統經濟性分析方法。

系統能否盈利，銷售收入需要大于成本，即：

也即：

式中D—項目單位造價，元/kW；

Ce—系統單位運維成本，元/kWh。

二者均與原動機的選型有關，參照目前應用廣泛的燃機和內燃機設備，系統單位造價約合7000～17000元/kW，而度電運維成本約合0.03～0.18元/kWh；項目年運行時間約4000～6000h；天然氣價格A、電價B是衡量項目經濟性的核心指標，在國內各地區、各行業差異較大，是項目經濟可行性分析評價的重要指標。

受以下因素影響，本文所構建的理想模型和實際情況會有一定的差異：

（1）在收益方面，受用戶習慣、設備改造投入以及用能經濟承受力等影響，實際的冷銷售收入會低于電制冷成本。

（2）預設的吸收式制冷設備COP、電制冷空調COP、燃氣鍋爐熱效率90%等參數，均按照國內一般平均取值，實際項目受設備選型影響存在差異。

3 實例分析

本文針對典型的大型區域式和小型樓宇式天然氣分布式能源案例，根據前述理論推導的經濟性分析模型，對項目經濟可行性進行分析和探討，研究天然氣分布式能源項目開發可行性的邊界條件。項目Ⅰ為杭州某食品加工廠，工廠主要生產速凍食品，是典型的工業用戶，主要有電和蒸汽熱負荷，負荷需求相對穩定，預計年需求時間達到6000h；項目Ⅱ為南方某商業中心，以辦公和商場為主要功能，是典型商業建筑用戶，主要有電和空調冷（熱）負荷，負荷為工作時間間歇性負荷，白天穩定、夜間停止供應，全年負荷需求時間約4000h。

表2 項目Ⅰ、Ⅱ關鍵指標值

針對項目Ⅰ和項目Ⅱ，在分析前，本文根據負荷特性對模型中幾項關鍵指標進行初步判斷：

應用本文提出的研究方法和模型，通過計算，可以分析兩個典型的天然氣分布式能源項目經濟可行性，構建基于天然氣價格和目標電價關系的項目經濟可行性平衡線，作為項目初評估的依據，目標電價所對應的就是用戶用電價格情況。如圖1所示，在預訂的天然氣價格波動區間內，平衡線以上的目標電價能夠將為項目帶來較好的經濟收益，用戶具備建設天然氣分布式能源系統的基本條件，因此可以開展進一步的可行性研究和前期工作，而處在平衡線以下的目標電價則預示著項目不具備投資條件。

圖1 項目天然氣價格與目標電價關系圖

如圖1所示，當天然氣價格定為3元/m3時，為保持較好的經濟性，項目Ⅰ的適用電價需要高于0.8元/kWh，而項目Ⅱ則為1.04元/kWh。從分析結果可以看到，面對同樣的天然氣價格，項目Ⅰ的目標電價低于項目Ⅱ，即與小型樓宇式分布式能源相比，大型區域式分布式能源項目對氣電價格差異的適應性更強。

此外，通過應用本文構建的分析模型，還可以進一步研究項目年運行時間、造價、系統效率等指標對項目經濟性的影響情況。以項目Ⅱ為案例進行分析，通過分別變換各項指標值，可以得到年運行時間、造價、效率等對項目經濟性的影響，如圖2、圖3、圖4所示。

從圖2可以看出，當項目Ⅱ年運行時間由4000h增加50%至6000 h后，目標電價下降明顯，項目可行性也相應提高。

圖2 年運行時間對項目經濟性的影響圖

圖3 系統一次能源利用率對項目經濟性的影響圖

圖4 項目造價對項目經濟性的影響圖

從圖3可以看出，當項目Ⅱ發電效率不變，余熱利用效率由40%下降到30%后，系統一次能源利用率相應下降，目標電價順應上漲，項目可行性也大大降低。

從圖4可以看出，當項目Ⅱ單位造價由15000元/kWh減少30%至10000元/kWh后，目標電價下降明顯，項目可行性也相應提高。

4 結語

本文深入分析了天然氣分布式能源系統的關鍵技術經濟指標，包括氣電價格、運行時間、單位造價、一次能源利用率以及系統節能率等，并在充分考慮各項指標影響的基礎上，提出了基于天然氣價格和目標電價關系的天然氣分布式能源項目經濟可行性分析方法和數學模型。和目前常用的分析方法相比，本文提出的分析模型和方法更為簡便靈活、分析時間短。在項目開發前期初評估階段，通過本方法和模型，可以初步評估項目投資的經濟可行性，為下一步開展項目的設計和實施工作提供參考依據。

本文分別選擇兩種典型的用戶負荷案例—工業負荷和商業建筑負荷，應用本方法分別對兩種典型系統進行了計算和分析，得到天然氣價格與項目經濟可行的目標電價關系趨勢。通過算例可以看到，天然氣價格和目標電價的差異，始終是決定天然氣分布式能源項目經濟性的關鍵影響因子，但同時項目年運行時間、系統的一次能源利用率以及工程造價等都對項目的投資收益都有著重要的影響。因此在項目建設的前期，投資方應該在對用戶負荷特性進行充分和詳實的分析基礎上，盡可能爭取更好的價格優惠和補貼政策，以確保項目投資經濟性。

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Method for Evaluating Economic Feasibility of Distributed Energy

DING Xiao-chuan，ZHOU Yu-hao，WANG Si-wen
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Studying the key technical and economic indicators affecting the natural gas distributed energy such as nature gas price，electricity price，running time，unit cost，system energy efficiency and energy saving rate，etc.Established a DE project economic feasibility mathematical model based on the price of natural gas and electricity.The model reflects the comprehensive influence of various economic factors of natural gas distributed energy project impact.The paper selected two typical user load cases and use the methods and analytical models to calculate and analyze the cases.The conclusions can provide a theoretical basis for the run of natural gas distributed energy and its related research.

nature gas；distributed energy；economic feasibility；evaluating method；key Indicators

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.001

TK-9

A

2095-3429（2015）01-0001-05

2014-11-10

修回日期：2015-01-08

丁小川（1984-），男，安徽懷寧人，碩士，工程師，研究方向：分布式能源和新能源技術。