南海島礁分布式LNG冷熱電聯供(LNG-CCHP)經濟性研究

雷 坤

（天海融合防務裝備技術股份有限公司 上海201612）

引 言

隨著南海島礁開發不斷深入，島礁居民、工業和旅游對能源的需求日益增加，原來主要依靠風能、太陽能和柴油作為主要能源的供給模式愈發難以適應島礁的需求。此外，太陽能和風能的占地面積較大，而能量密度卻較低；柴油則會對南海島礁的生態環境造成不利影響，故也不能進行大規模推廣應用。因此，開發一種對環境友好，且能持續提供大量穩定能量的能源供應系統便顯得尤為重要。

LNG是目前公認的清潔、高效能源，LNG作為一次能源，也是解決當前城市大氣污染最為經濟有效的措施之一。因此，針對南海島礁的地理位置、島嶼分布狀態、碼頭條件和水文氣象等情況，結合LNG浮式儲存裝置（LNG-FSU）、陸上氣化終端以及LNG分布式能源等裝備的特點，開展利用FSU配套陸上氣化終端作為南海島礁LNG分布式能源的燃料儲存和供給模式的技術研究，為南海島礁規劃建設提供整套式的能源供應解決方案，具有十分重要的意義。

LNG冷熱電聯供系統已在商業辦公、學校和醫院等領域獲得成功應用，并顯現出經濟、節能、環保和安全等多方面優勢。不過，令人遺憾的是對南海島礁LNG冷熱電聯供系統卻鮮有研究，這與南海島礁日益迫切的能源需求很不相符。因此，本文基于南海島礁LNG儲運解決方案，對島礁LNG分布式能源系統進行經濟性分析。

1 分布式LNG-CCHP系統

分布式LNG冷熱電聯供系統（LNG-combined cooling heating and power，簡稱LNG-CCHP）是一種新型的建于用戶所在地或附近的能源系統，是建立在能量梯級利用的概念基礎上，集制冷、制熱和發電為一體的多聯供總能系統。相比于其他分布式能源，LNG-CCHP系統技術較為成熟，在國際上得到廣泛應用，是中國分布式能源發展的主要方向。

相對于傳統的集中式供電方式，分布式能源系統是指將適當規模、容量的系統以分散的形式布置在用戶端，就近供應能源，多余的電力可通過電力設備供應配電網的多連供系統。

LNG-CCHP系統實現了對LNG氣化-燃燒的熱量進行階梯利用的設想：LNG氣化獲得天然氣和冷能；天然氣燃燒獲得的高品位熱能推動燃氣輪機進行發電；利用燃氣輪機尾氣中所含熱量推動制冷、制熱設備工作；所產生的冷、熱能源直接就近供應，產生經濟效益。

LNG-CCHP系統既可以一臺獨立運行，也可以多臺并聯運行，以應對不同功率負荷情況下的用戶需求。由于所產出的能源不需要遠距離輸送，并且能源均可被充分利用，因此LNG-CCHP系統的能源綜合利用效率高達80%以上。而且LNGCCHP系統不僅能源利用效率高，還具有節能減排、對電網雙重削峰填谷的作用，既能增強能源供應的安全性，還具有較好的經濟效益，有效節省社會公共成本。

常規LNG-CCHP系統的主要設備包括氣化裝置、發電機、余熱鍋爐、制冷機等。

2 數學模型

2.1 LCOE模型介紹

LCOE是給定發電技術項目的終生成本與終生發電量的比值。對于分布式LNG冷熱電聯產而言，LCOE是指分布式LNG冷熱電聯產（LNG-CCHP）能源項目單位發電量的綜合成本，即LNG-CCHP能源系統在運行期間所產生的所有成本與該項目供應出的所有能量的比值。本文所述的LNG-CCHP能源系統生命周期內所產出的能量不僅包括燃氣輪機直接發出的電能，還包括LNG氣化產生的冷能，以及發電系統產生的冷能和熱能。本文將系統所產生的這些冷能和熱能通過折算公式轉化為電能，扣除能源損耗部分，計算出LNG-CCHP系統產生的全部有效能量平準化發電成本（LCOE）。為計算LCOE，采用如下公式：

式中：N為系統的生命周期，年；Ei為第i年產生的能量，kW h；r為貼現率；Ci為第i年支出的成本，元。

式（1）表達收入（能量）的凈現值等于成本的凈現值，反映系統生命周期內資金的時間價值。將式（1）進行等式變化即可獲得LCOE的公式：

式（2）中的分子表示整個生命周期內的成本支出，按照成本的構成，可以展開為式（3）：

式中：I0為初始總投資，元。除設備購置費外，還包括征地成本，建造期內的融資成本以及相關許可申請費用等。

Vr為系統生命期末的殘值，元。該值等于設備資產額乘以殘值率v。殘值可以變現為收入，因此要從總成本中扣除。

Di為第i年的系統折舊費用，元。考慮到折舊可以帶來抵稅效益，折舊帶來的收益應從總成本中扣除。

Ai為第i年的運營成本即其他成本，元。

Tax為所得稅率。

式（2）中的分母表示整個生命周期內的生產能源，按照能源的構成，可以展開為式（4）：

式中：Hi為第i年每年系統運行時間，h；

S為天然氣發電機組功率，kW；

o為發電廠自身用電率；

d為燃氣輪機發電效率的年衰減率；

G為燃氣輪機的每小時耗氣量，m3/h；

Q為每立方米天然氣燃燒釋放的熱量，kJ/m3；

u為冷熱消費量占系統所產生的總冷熱量的百分比；

y為供冷熱的時間與每年系統運行時間的比；

η為天然氣發電系統的總效率；

λ為天然氣發電系統的發電效率；

M為每度電所包含的能量，kJ/kW h；

R為每產生1 m3天然氣所獲得的冷能，kJ/m3；

r為氣化的冷能利用效率。

將式（3）和式（4）帶入式（2），LCOE的計算公式成為式（5）：

2.2 模型參數

南海島礁LNG分布式能源供能系統的成本主要包括固定投資成本和運營成本。固定投資成本主要包括浮式系統（FSU）成本和陸上系統（發電站等）成本；運營成本主要包括燃料費用、工資福利、生產費用（折舊費、維修費、材料費及其他費用）、保險費用、土地使用費用和銀行貸款利息等。

LNG-CCHP冷熱電三聯供工藝流程關鍵設備主要包括氣化裝置、燃氣輪機、余熱鍋爐、制冷機、熱泵等及其相關的附屬設備。

2.2.1 基本變量假定

根據式（5），涉及到的計算變量假定和取值說明參見下頁表1。

成本主要包括初始投資成本和運營成本。初始投資成本主要包括FSU、氣化站和發電站的建造成本；運營成本包括銀行貸款利息、天然氣費用、人工成本、設備維修費、生產材料費、生產其他費用、保險費和土地使用費等。

系統生命周期設定為20年，建設期設為2年，殘值率取5%，貼現率參考行業通用取值8%，所得稅率采用現行稅法取25%。

表1 成本相關基本變量假定

銀行貸款利息的影響因素有：

（1）總投資的貸款率L。假定總投資的50%通過銀行貸款獲得。

（2）貸款利率ir。假定為年利率6%。

天然氣費用的影響因素有：

（1）天然氣價格g。假定為2.5元/m3。

（2）燃氣輪機的裝機功率S和耗氣量G。

（3）考慮到未來原材料價格上漲，還引入價格上漲率，假定為2%。

人工成本包括工資和福利等，其影響因素有：

（1）人員數量。浮式終端人員數量假定為23名，陸上電站人數一般可根據機組容量確定，由于分布式能源的自動化程度較大，本研究考慮的機組容量都不是很大，假定機組容量的人員為3人。

（2）人員工資和福利。不同崗位和級別人員工資和福利會有所不同，本文簡化分析假定人均年收入18萬元。

（3）考慮人工成本存在增長，假定年增長率為6%。

設備維修費通常按照設備固定資產總額取某個百分比，維修費比率取2%。電廠的材料費和其他費用可按照每度電費用估算，參閱相關資料，材料費取0.015元/kW h；其他費用取0.018元/kW h。保險費用根據行業標準，通常取設備資產總額的0.25%。土地使用費由于南海島礁土地資源稀缺，土地使用費用應較大，取25元/kW。

與能源收益有關的變量假定如表2所示。

表2 能量收益相關基本變量假定

能源收益（等效電能）主要包括：LNG氣化的冷能、LNG燃燒產生的電能及其回收的冷能和熱能。參考相關資料，可知LNG分布式能源的利用總效率可達80%以上。本文LNG-CCHP發電系統的總效率η取80%。咨詢設備廠家可知20 MW的燃氣輪機發電效率為35%。

燃氣輪機每年運行4 000～6 000 h，本文取運行時間為5 000 h，且整個生命周期內保持不變。考慮到隨著運行時間增加，系統的效率會有所減少，本文設定了效率衰減系數，取燃氣輪機發電效率衰減率d為4%。此外，電廠本身也需要消耗部分電能，本文假定自用電率o為8%。

單位天然氣燃燒產生的熱量Q約為35 000 kJ/m3；每度電的相當熱量M為3 600 kJ/kW h。

本文引入冷熱消費比u，該指數反映能夠銷售出去的冷能和熱能占系統能夠供給能量的百分比。本文假定生產的冷熱能都能夠被消費，取u為100%。

本文引入供冷熱時間比y，該指數反映需要提供冷熱時間時間與全年時間的比值。供冷熱時間比y取66%。

LNG氣化的冷能利用方面，1 m3LNG氣化為天然氣約可得到冷能845 000 kJ。冷能經相關設備到達終端用戶的有效利用率為90%，對應氣體體積為1 388.9 m3（ISO工況體積），即每氣化1 m3LNG所獲得的冷能為608.4 kJ/m3。

2.2.2 成本估算

本文假定島礁LNG儲存采用10 000 m3駁船式FSU，島礁發電站容量為20 MW。包括氣化站在內，建設用地成本等整個的系統初步投資約35 000萬元。

2.3 LCOE結果

本文基于上述模型假定參數，計算LNGCCHP整個生命周期內的成本以及能源收益，并獲得20 MW燃氣輪機的平準化電力成本LCOE為0.79元/kW h（折合每度電成本為0.709元）。

3 敏感性分析

敏感性分析是指在基準情景下，僅改變相應敏感性因素，來觀察該因素對CCHP能源系統LCOE的影響程度。下面分別改變天然氣價格、冷熱消費比、冷熱時間比、運行時間和銀行貸款比等參數，獲得如圖1-圖5所示敏感性分析結果。

圖1 天然氣價格敏感性分析

圖2 冷熱消費比敏感性分析

圖3 供冷熱時間比敏感性分析

圖4 運行時間敏感性分析

圖5 投資貸款比率敏感性分析

根據上述敏感性分析結果可知：LNG-CCHP系統所產出能源的利用率越高，天然氣價格就越低，其LCOE也就越小。

首先，影響LCOE變化的重要因素是系統所生產冷能量、熱能量的消費比以及供冷、供熱的時間比，這兩個比例可統稱為系統產出總能量的消費比例。在冷、熱消費百分比提高時， LCOE都呈現下降趨勢。在冷、熱消費比例或供冷、供熱的時間比上升時，LCOE呈現下降趨勢；每上升10%，每度電成本下降約0.12元。LCOE產生較大降幅的原因是隨著CCHP系統利用發電后余熱效率的增高，整個系統產出且能被利用的能量增多。

其次，燃料價格和運行小時數的變動對系統的LCOE影響較大。隨著天然氣價格的上漲， LCOE成本必然隨著天然氣價格上升而上升。當燃料價格每上漲0.1元/m3， LCOE上漲約0.04元。隨著發電機組運行小時數增加，LCOE呈下降趨勢，每增加1 000 h，LCOE下降約0.08元/kW h。

最后，對CCHP能源系統LCOE有影響的因素還有銀行貸款占比。不過，貸款占比的變化對LCOE有一定影響，但敏感性較低。貸款比率每增加10%，LCOE增加約0.01元/kW h。

4 結 論

根據上述經濟性分析可知：南海島礁的LNGCCHP具有一定的經濟可行性，特別是與柴油發電、光伏和風能發電等在南海島礁大規模應用中具有明顯缺點的能源模式相比，LNG-CCHP能源利用模式更具有競爭優勢。

成本敏感性分析表明：隨著南海島礁開發的推進，對能源需求不斷增加，LNG-CCHP的能源成本將進一步降低，從而更具經濟性。