基于能品位的生物質冷熱電聯供系統成本分攤研究

李 猛， 王江江

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

基于能品位的生物質冷熱電聯供系統成本分攤研究

李 猛， 王江江

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

基于可再生能源的冷熱電聯供系統是一種擴展可再生能源應用并提高能效的有效方法。基于能量梯級利用原理，提出了一種基于生物質-空氣氣化的冷熱電聯供集成系統，分析了夏季、冬季及過渡季不同運行工況下的運行模式，依據熱力學第一和第二定律對系統進行了熱力性能分析。為了合理確定聯供系統的產品成本分攤，提出了一種基于能品位的經濟方法，建立了生物質冷熱電聯供系統的成本分攤模型，得到了不同運行工況下的電、冷凍水(供暖熱水)和生活熱水的成本。通過對比分析，發現基于能品位的成本分攤方法更能體現優質優價的定價原則。

冷熱電聯供； 成本分攤；經濟； 能品位

0 引言

目前環境污染與能源危機已成為全球性問題，而在我國的能源系統中仍然以傳統的分供式能源系統為主。為了緩解能源危機以及空氣污染等問題，以生物質為燃料的冷熱電聯供系統應運而生。冷熱電聯供系統利用能源的階梯利用原理提高了能源利用效率，與傳統的分供系統相比冷熱電聯供系統更加經濟、靈活和環保[1]。由于目前的冷熱電聯供系統主要以天然氣和液化石油氣等一次能源為主，而我國一次能源相對短缺[2]，為了緩解能源壓力改善環境質量尋求一種可再生替代能源勢在必行。生物質能源在我國含量非常豐富而且與系統的匹配性較好，非常適合作為冷熱電聯供系統的能源輸入。目前對于生物質冷熱電聯供系統的研究尚處于起步階段，主要集中在可行性分析、技術利用形式及其存在的主要障礙、政策等方面的討論[3]。

由于冷熱電聯供系統的冷、熱、電3種產品有品質差異，所以對系統熱經濟性的評價和優化是研究的重點難點。經濟分析方法通過計算各產品生產成本，有統一量化能量品質差異的潛力，成為國內外研究熱點。多產品成本分攤是經濟學分析的重要環節，文獻[4]根據F-P準則[5]進行了冷熱電聯供系統的多產品成本分攤研究，但該方法只考慮了成本與量的關系而忽略了產品品質的差異，所以有一定的局限性。文獻[6]提出了流貢獻度的成本分攤方法，雖然該方法能反映出產品的品質差異，但是該方法在定義貢獻度時人為因素較多，也存在局限性。此外，文獻[7-8]也分別提出按能級相近最大化相供策略和后進先出法建立輔助方程，不過這些方法在成本分攤時都沒有將能量品質與其單位成本結合起來，也不能充分反映經濟學中優質優價的原則。在前人研究的基礎上，文獻[9]提出了基于能的品位概念的成本分析方法，與傳統的分攤方法相比更合理，但是在運用到具體系統的運算中時仍然會存在一些不合理的因素，比如乏氣的成本分攤問題等。

1 系統流程

1.1系統流程概述

圖1所示為生物質氣化冷熱電聯供系統[10]。該系統主要有汽化爐、氣體凈化裝置、內燃機、吸收式制冷機組以及換熱器這些裝置組成。首先，生物質被送到汽化爐中進行一系列化學反應生成生物質氣。隨后這些包含大量雜質的生物質氣先經過熱管式換熱器進行降溫處理，然后進入到氣體凈化裝置經過干燥、洗滌、除塵等一系列凈化處理產生潔凈的生物質氣。潔凈的生物質氣被送到氣體儲存裝置中進行儲存和利用。隨后儲存裝置中的生物質氣被分成兩路，一路通入內燃機作為內燃機燃料發動內燃機做功發電，同時內燃機的缸套水接入板式換熱器加熱給水為用戶提供生活用水。內燃機排出的高溫氣體通入到吸收式制冷機組用于驅動機組運行。另外一路生物質氣接入吸收式制冷機組，當內燃機煙氣量不足時作為補燃氣體驅動制冷機組。制冷機組產生的冷、熱和生活熱水可根據不同需求提供給用戶。系統設計參數如表1所示。

圖1 基于生物質-空氣氣化的冷熱電聯供系統

表1 系統設計參數表

1.2運行模式

該研究主要介紹了系統在夏季、冬季和過渡季3種運行工況。夏季工況時，打開閥門V1，V2以及V10，V11，關閉其他閥門，此工況下吸收式制冷機組由3部分能量驅動，從管式換熱器回收的熱量、內燃機高溫尾氣以及生物質氣的燃燒。系統產出電、冷凍水和生活熱水。

冬季工況下打開閥門V3，V4，V8和V9，關閉其他閥門。與夏季不同的是冬季工況下吸收式制冷機組由2種熱源驅動，一種是生物質氣燃燒，另一種是內燃機的高溫煙氣。此時熱管式換熱器用于預熱采暖回水。該系統在冬季工況下產出電、生活熱水、以及采暖用水。

過渡季工況時打開閥門V5和V6，關閉其他閥門。此時吸收式制冷機組只由內燃機高溫尾氣驅動，自來水直接與板式換熱器換熱，被預熱的自來水進入吸收式制冷機組的高溫發生器再次加熱達到生活用水的溫度。過渡季工況下系統只產生電和生活熱水。

基于熱力學第一第二定律對該系統進行熱力計算，得出設計工況下各個狀態點的和品位的數值如表2所示。

表2 設計工況各狀態點的和品位的數值

表2 設計工況各狀態點的和品位的數值

狀態點制冷工況制熱工況過渡季工況/MW品位/MW品位/MW品位15 9761 1564 2111 1563 4581 15620000003000000400000052 0340 8301 4400 8301 1970 83161 9700 8531 3880 8531 1970 83171 9410 8921 3680 8921 1370 89281 1370 8921 1370 8921 1370 89290 8040 8920 2310 89500100 2530 6550 2530 6550 2530 655110 2091 1000 1471 0970 1221 099120 4461 0000 4461 0000 4461 000130 054-0 0210 0840 047--140 146-0 0330 1470 062--150 0820 0890 0840 04700

續表2

2 基于能品位的經濟方法

2.1經濟費用平衡方程

(1)

費用平衡方程[5]：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Zk是k單元的投資成本；τ為年運行小時數；γk表示固定費用占初始投資成本的比例系數；β為資本回收系數，可表示為：

(6)

式中：i是年利率；n為系統壽命。關于系統初投資費用以及運行參數如表3所示。

表3 聯供系統初投資及運行參數

2.2基于能品位的成本分攤模型

以往產品成本分攤的研究方法通常是根據燃料-產品(F-P)準則[5]。F準則表明對同一流，在部件中損失的部分的單位成本應當與進出口的的單位成本相同，P準則表明部件的所有產品的單位成本相同。根據F-P準則對圖2系統有如下關系：

c12=c10=c17-18

(7)

(8)

式中：c12、c10、c17-18分別是內燃機發電、高溫煙氣以及缸套水換熱部分的單位成本分別是進出吸收式制冷機組的煙氣的單位成本。

圖2 內燃機和制冷機組串聯的費用流模型

上述方法顯然違背了優質優價的原則，因為同一種能量其溫度的不同決定了其品位的不同，所以單位成本必定不相同。能的品位是反映能轉化為有用功能力的度量，反映了能量的品質[13]，其定義[14]式如下：

(9)

式中：dE為能量傳遞過程的變化；dH為能量傳遞過程的焓變化；dS為能量傳遞過程的熵變化；A為能量的品位；T0=273.15 K。

所以，將品位這一概念融合到產品成本分攤中去顯得更為合理。針對圖2的系統，融合品位后對原研究方法進行修正如下：

(10)

式中：A12，A10和A17-18分別是電、乏氣和缸套水的品位。在計算過程中往往會遇到像A17-18這樣的熱以及A13-14這種冷的品位計算[15]，其計算方法分別如下：

(11)

(12)

式中：m和cp分別是工質的質量流量和比熱；T17和T18分別是缸套水給回水的溫度(T17>T18)；T14和T13分別是冷凍水給回水的溫度(T14

由于該部分煙氣直接排到環境中去，沒有再被利用，所以就本系統而言這部分煙氣是沒有價值的，不能按照產品去計算。另外，如果這部分煙氣繼續被后續設備或者環節所利用，則其成本不能按0來計算，于是在本文的研究中提出了乏氣的成本分攤方法，把這部分的成本分攤到其他產品中去。因為是內燃機排出并被吸收式制冷機組所利用，所以乏氣這部分的費用應該由內燃機和制冷機組共同分攤。對原方法進行再次修正。將內燃機煙氣單位成本c10應該改為c10-111，所以對圖2系統針對乏氣分攤修改輔助方程如下：

內燃機：

(13)

吸收式制冷機組：

(14)

式中：c10-111是內燃機煙氣在狀態點10～11之間的單位成本；A10-111是其對應的品位；c111-111和A111-111分別是乏氣的相對單位成本和相對品位。

2.3系統經濟方程

對于整個系統的費用平衡方程及輔助方程(夏季工況)如下：

汽化爐：

(15)

(16)

熱管式換熱器：

(17)

(18)

氣體凈化裝置：

(19)

吸收式制冷機組：

(21)

(22)

(23)

內燃機：

(24)

(25)

(26)

板式換熱器：

(27)

(28)

分離點：

(29)

(30)

與夏季工況相比，冬季和過度季工況只在吸收式制冷機組的運行條件以及生物質的供給量上發生改變，系統其他設備的運行并未發生變化。所以針對吸收式制冷機組在冬季和過渡季工況下的費用平衡方程以及輔助方程列寫如下：

冬季工況：

(31)

(32)

(33)

過渡季：

(34)

(35)

3 結果與討論

3.1系統熱力性能

為了對系統及其設備進一步的優化提供理論依據，根據熱力學第一定律和第二定律為基礎分別對系統做能效率和效率分析。該系統的能效率和效率計算如下所示[16]

(36)

(37)

式中：ηen,ηex分別為能效率和效率；E為輸出電能；Q為能量；Ex為量，下標12、13-14、14-16、26和1分別表示系統輸出的電、冷、采暖熱水、生活熱水和生物質。

針對表1所列的設計工況參數，可得：夏季工況下系統的熱效率最高，約為50%，但效率最低約為6.2%。在冬季供暖工況下，系統熱效率小于夏季而效率大于夏季，因為冬季工況下制冷機組的COP低于夏季，導致其能量損失和損失較夏季高。冬季工況下系統的能效率和效率分別為37.8%和12.5%；過渡季工況下系統的效率最高為13.8%,熱效率最低為37%。

3.2聯供系統多產品成本分攤結果

首先通過對比2種不同研究方法下內燃機3種產品(電，乏氣，缸套水)的成本區別如圖3所示，在之前的研究中[4]對于多產品的成本分攤方法是依據F-P準則，即只考慮和能對成本的影響，所以對于同一部件來說其不同產品的單位成本是一樣的，正如圖3中所示，對于內燃機其電、乏氣和缸套水單位成本都為0.41元/kW·h。但是由于3種產品的能量品位是不同的，電的品位最高為1.00，缸套水的品位最低為0.18。因此運用基于能品位的經濟方法的計算結果分別為0.55, 0.27, 0.10元/kW·h(電，乏氣，缸套水)。顯然修正后的方法更符合優質優價的原則，同時也驗證了該方法的可靠性。

圖3 基于能品位的經濟方法的對比論證

圖4，圖5，圖6分別為運用修正后的方法計算3種工況下的結果，由此可以得出3種工況下電的單位成本約為0.6元/kW·h，較之前相比有所提升，原因主要有兩點：首先是因為乏氣成本的分攤，其次電的能量品位最高。冷凍水(采暖水)是多產品單位成本最高的一種產品，主要是因為吸收式制冷機組等設備的投資和維護成本的增加。夏季和冬季工況下的生活熱水成本較之前有明顯的下降，大約為0.41元/kW·h。其主要原因是生活熱水的品位最低，大部分成本被電和內燃機的乏氣所分攤。過渡季工況下的生活熱水成本最高約為3.6元/kW·h，因為在過渡季工況下生活熱水的能量來源除了內燃機缸套水換熱之外還有部分是來自制冷機組的，所以由于設備的投資和維護成本的原因這部分能量的成本是會增加的。不管是哪種成本分攤方法最后系統的總成本是一樣的。

圖4 夏季工況

圖5 冬季工況圖

圖6 過渡季工況

3.3敏感性分析

冷熱電成本隨生物質成本變化的曲線如圖7所示，從圖中可看出：電、冷凍水和生活熱水的單位成本均隨著生物質單價的增大而增大，且呈線性關系。3個產品單位成本變化的速率不同，冷凍水變化率最大，電和生活熱水的變化率均較小，說明冷凍水的單位成本對生物質單價的變化最敏感，電和生活熱水的單位成本對生物質單價的變化較不敏感。

圖7 生物質成本對冷熱電成本的影響

圖8 系統運行時間系數對冷熱電成本的影響

4 結論

本文采用基于能的品位的成本分攤方法對生物質冷熱電聯供系統的電、冷凍水、供暖熱水和生活熱水等不同產品的單位成本進行了分析，得出如下結論：

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Cost Allocation of Biomass Combined Cooling Heating and Power System Based on Energy Level

LI Meng， WANG Jiangjiang

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Integrating the combined cooling heating and power (CCHP) systems with renewable energy is a sustainable means for simultaneously using renewable energy and improving energy utilization efficiency. A combined cooling heating and power system based on biomass gasification is proposed according to the energy cascade utilization principle. The three operation modes are presented, namely summer, winter and transition season work conditions. The system thermodynamic performances are analyzed. Then, an exergoeconomic methodology based on energy levels is proposed to analyze the cost allocations of electricity, chilled water (heating hot water), and domestic hot water from the biomass CCHP system in different work conditions. Compared with previous methods, the proposed method based on energy levels is more reasonable, which embodies and accords with the principle of higher quality with higher cost.

combined cooling heating and power; cost allocation; exergoeconomic analysis; energy level

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.10.005

TM611

A

1672-0792(2017)10-0026-08

2017-05-15。

國家自然科學基金(51406054)。

李猛(1992-)，碩士研究生，研究方向為分布式供能與多能互補供能。王江江(1979-)，博士，副教授，主要從事分布式供能與可再生能源利用方面的研究。