天然氣冷熱電蒸汽聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

陳靖，江婷，徐靜靜，胡永鋒，李躍，劉廣宇

(1.中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160； 2.國家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)中心，北京 100160)

0 引言

隨著當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，不可再生的化石能源被不斷消耗。為了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，一方面，需要積極探索太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹姆€(wěn)定利用途徑；另一方面，亟需提高目前化石能源利用效率，優(yōu)化傳統(tǒng)能源利用方式。天然氣分布式能源系統(tǒng)具有靠近用戶，能量梯次利用，相對于傳統(tǒng)的集中式供電方式而言具有低碳、高效、清潔、環(huán)保等特點(diǎn)。天然氣分布式能源系統(tǒng)利用先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)燃燒潔凈的天然氣發(fā)電，經(jīng)過能源的梯次利用，可為一個(gè)區(qū)域提供蒸汽、供暖、供冷、供電，解決區(qū)域能源需求。能源利用效率從常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的40%左右提高到80%左右，大量節(jié)省了一次能源。分布式能源技術(shù)是未來世界能源技術(shù)的重要發(fā)展方向[1-2]，它具有能源利用效率高，環(huán)境負(fù)面影響小，提高能源供應(yīng)可靠性高和經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)。一般而言,為工業(yè)園區(qū)、高新產(chǎn)業(yè)園等區(qū)域供能的系統(tǒng)稱為區(qū)域式分布式能源系統(tǒng)，為商業(yè)辦公樓、酒店等小型集中辦公樓供能的系統(tǒng)稱為樓宇型分布式能源系統(tǒng)。通常，分布式能源系統(tǒng)根據(jù)用戶需求，為用戶夏季供冷、冬季供暖、提供生活熱水、生產(chǎn)蒸汽、電力等多種形式的能源，不同形式的能源會(huì)影響系統(tǒng)的裝機(jī)選型及經(jīng)濟(jì)性。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)學(xué)者[3-5]大多針對現(xiàn)有的天然氣分布式能源系統(tǒng)案例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，黃錦濤等[6]對微型燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃料電池和小型燃?xì)廨啓C(jī)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)從初投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、系統(tǒng)效率等方面進(jìn)行了對比，并對上述4種系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了計(jì)算和分析，結(jié)果表明影響微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、小型燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)系統(tǒng)的主要因素有天然氣價(jià)格 、電價(jià)、熱價(jià)和年供熱天數(shù)。袁家海等[7]以各省省會(huì)城市的商業(yè)電價(jià)作為比較基準(zhǔn)，評價(jià)冷熱電聯(lián)產(chǎn)(CCHP)系統(tǒng)在該省份是否具有經(jīng)濟(jì)性，并對相關(guān)影響因素進(jìn)行敏感性分析。分析表明，在中國中東部發(fā)達(dá)地區(qū)，CCHP系統(tǒng)具有一定經(jīng)濟(jì)性，CCHP平準(zhǔn)化發(fā)電成本對能量輸出量及燃料成本的敏感性較高。朱曉軍等[8]建立分布式能源項(xiàng)目通用技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)方法，并對某實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析、關(guān)鍵影響因素敏感性分析以及項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)分析，形成指導(dǎo)分布式能源項(xiàng)目投資決策的實(shí)際案例。目前，國外學(xué)者[9-10]大多針對新型的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行性能和經(jīng)濟(jì)性分析，Kasra等人[11]研究了以耦合空氣底循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)系統(tǒng)，并討論了耦合有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)、溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)、余熱鍋爐等8種不同形式的余熱利用系統(tǒng)，系統(tǒng)可提供電力、淡水、冷量、熱水、工業(yè)用熱等多種形式的能源，研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)可適用于居民和商業(yè)應(yīng)用。

本文以某醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)園為研究對象，提供一種可以為該產(chǎn)業(yè)園提供電、采暖、供冷以及工業(yè)蒸汽等4種能源的分布式能源系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)負(fù)荷分析討論系統(tǒng)裝機(jī)配置，最后對該冷熱電蒸汽四聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，并對影響其主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響因素進(jìn)行敏感性分析，研究成果可以指導(dǎo)同類型的園區(qū)合理配置分布式聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)冷熱蒸汽負(fù)荷分析

園區(qū)內(nèi)負(fù)荷包括辦公冷熱負(fù)荷、工業(yè)蒸汽，因此分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要先進(jìn)行負(fù)荷分析。園區(qū)內(nèi)需要空調(diào)冷熱負(fù)荷的區(qū)域包括廠區(qū)內(nèi)辦公所需的空調(diào)冷熱負(fù)荷和電氣房間所需的冷負(fù)荷。典型日冷負(fù)荷曲線如圖1所示，延時(shí)冷負(fù)荷曲線如圖2所示。

圖1 典型日逐時(shí)冷負(fù)荷變化

圖2 延時(shí)冷負(fù)荷變化

通過典型日逐時(shí)冷負(fù)荷分析，制冷負(fù)荷在15:00—16:00時(shí)出現(xiàn)用冷高峰。通過延時(shí)冷負(fù)荷變化圖可知設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為850 kW。

典型日熱負(fù)荷曲線如圖3所示，延時(shí)熱負(fù)荷曲線如圖4所示。通過典型日逐時(shí)熱負(fù)荷分析，熱負(fù)荷在08：00—09：00時(shí)出現(xiàn)用熱高峰，通過延時(shí)熱負(fù)荷變化圖可知設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為600 kW。

圖3 典型日逐時(shí)冷負(fù)荷變化

圖4 延時(shí)冷負(fù)荷變化

園區(qū)蒸汽負(fù)荷需求情況見表1。由表1可知，蒸汽熱負(fù)荷最大為45.0 t/h，平均為36.5 t/h，最小為15.0 t/h。依據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 34—2010)，生產(chǎn)熱負(fù)荷同時(shí)使用系數(shù)可取0.6～0.9。考慮園區(qū)內(nèi)涉及的行業(yè)類別各不相同，故生產(chǎn)熱負(fù)荷同時(shí)使用系數(shù)取0.7。設(shè)計(jì)能源站的設(shè)計(jì)工業(yè)蒸汽熱負(fù)荷需求為25.55 t/h。

表1 蒸汽負(fù)荷需求

分布式能源系統(tǒng)主要由發(fā)電設(shè)備、余熱利用設(shè)備、空調(diào)調(diào)峰設(shè)備及相關(guān)主輔設(shè)備構(gòu)成。目前三聯(lián)供系統(tǒng)中應(yīng)用較多的發(fā)電機(jī)形式有燃?xì)廨啓C(jī)加各種形式的余熱吸收式溴化鋰機(jī)組。發(fā)電機(jī)組與余熱機(jī)相結(jié)合可以組成不同的工藝形式，發(fā)電機(jī)組的煙氣通過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽或熱水再進(jìn)入蒸汽或熱水型吸收式溴化鋰機(jī)組等。燃?xì)廨啓C(jī)余熱排放較為集中，適合于蒸汽需求為主的區(qū)域式分布式能源項(xiàng)目，同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)具有系統(tǒng)單位造價(jià)相對較低，壽命周期較長(大修周期在6萬～8萬h左右)、出口煙氣溫度較高、氮氧化物排放率低等優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮，從能源利用角度考慮，園區(qū)內(nèi)以工業(yè)蒸汽為主，采用燃?xì)廨啓C(jī)更能充分利用余熱資源。因此對應(yīng)的分布式能源系統(tǒng)考慮以燃?xì)廨啓C(jī)為原動(dòng)機(jī)為園區(qū)企業(yè)提供蒸汽、冷熱等負(fù)荷。

3 系統(tǒng)介紹

本文中的園區(qū)是以食品加工、生物藥業(yè)研發(fā)為主導(dǎo)的加工基地，對應(yīng)的分布式能源系統(tǒng)建成后主要滿足園區(qū)內(nèi)部分食品加工、醫(yī)藥生產(chǎn)等企業(yè)的蒸汽負(fù)荷，并為辦公樓提供冷、熱負(fù)荷，發(fā)電直供，余電上網(wǎng)。根據(jù)負(fù)荷分析，系統(tǒng)配置流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)配置流程

根據(jù)負(fù)荷分析，該園區(qū)配備的分布式能源系統(tǒng)擬配置兩套15 MW等級的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，機(jī)組裝機(jī)容量為33.244 MW，即2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)13.871 MW+2臺(tái)雙壓余熱鍋爐+抽凝式汽輪機(jī)5.5 MW+1臺(tái)100萬大卡熱水型溴化鋰機(jī)組+3臺(tái)15 t/h燃?xì)忮仩t。余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)采用二拖一的模式運(yùn)行。

4 財(cái)務(wù)指標(biāo)

根據(jù)《建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價(jià)方法與參數(shù)》(第3版)以及分布式發(fā)電項(xiàng)目有關(guān)稅收政策，經(jīng)計(jì)算財(cái)務(wù)分指標(biāo)見表2。項(xiàng)目資本金財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為12.28%，項(xiàng)目投資回收期為12～13年。

表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表2給出了整個(gè)系統(tǒng)的工程靜態(tài)投資為27 931萬元，工程靜態(tài)投資中各個(gè)部分的占比如圖6所示，工程靜態(tài)投資的60%為設(shè)備購置費(fèi)，建筑工程費(fèi)和安裝工程費(fèi)之和為29%左右，說明在分布式能源系統(tǒng)中占比最大的是設(shè)備投資費(fèi)用。

圖6 系統(tǒng)配置流程

目前我國的自主裝備(燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī))制造能力較落后，如果提高核心裝備國產(chǎn)化能力，降低設(shè)備費(fèi)用，則分布式能源系統(tǒng)的造價(jià)將會(huì)大大降低。

5 敏感性分析

為了評價(jià)分布式能源項(xiàng)目的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，找出敏感性因素，本文對售電價(jià)、蒸汽價(jià)、靜態(tài)投資及天然氣價(jià)四個(gè)因素對項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率及資本金內(nèi)部收益率進(jìn)行敏感性分析，分別取-10%，-5%，0，5%以及10%等5個(gè)變化率，分析結(jié)果見表3。

表3 敏感性分析 %

項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率和資本金內(nèi)部收益率隨售電價(jià)、蒸汽價(jià)、靜態(tài)投資及天然氣價(jià)的變化情況如圖7、圖8所示。售電價(jià)和蒸汽價(jià)對項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率的影響為正線性相關(guān)關(guān)系，靜態(tài)投資和天然氣價(jià)對項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率的影響為負(fù)線性相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，售電價(jià)和天然氣價(jià)格對項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率的影響最大，靜態(tài)投資和蒸汽價(jià)影響次之。

圖7 項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率敏感性分析

圖8 資本金內(nèi)部收益率敏感性分析

從圖8中可以看出，售電價(jià)、蒸汽價(jià)、靜態(tài)投資以及天然氣價(jià)對資本金內(nèi)部收益率的影響和對項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率的影響趨勢相同。因此，調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，降低運(yùn)行成本可提高項(xiàng)目效益，建立售冷熱電價(jià)格與天然氣價(jià)格的聯(lián)動(dòng)，可避免天然氣價(jià)格波動(dòng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，控制好投資，可減輕項(xiàng)目運(yùn)營期的成本壓力。

6 結(jié)論

本文以某醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)園為研究對象，提供一種分布式能源系統(tǒng)，滿足園區(qū)內(nèi)電、采暖、供冷以及工業(yè)蒸汽等四種負(fù)荷，通過對系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷分析得出系統(tǒng)配置，并對系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，得出如下結(jié)論。

(1)對于以工業(yè)蒸汽為主的工業(yè)園區(qū)，應(yīng)當(dāng)建立以燃?xì)廨啓C(jī)為主機(jī)的分布式能源系統(tǒng)，保證蒸汽負(fù)荷的穩(wěn)定持續(xù)供應(yīng)。

(2)目前工程靜態(tài)投資中占比最大的為設(shè)備購置費(fèi)，主機(jī)裝備如燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)的國產(chǎn)化可大大降低系統(tǒng)造價(jià)。

(3)售電價(jià)與蒸汽價(jià)與系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性有正相關(guān)的關(guān)系，靜態(tài)投資和天然氣價(jià)與系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性有負(fù)相關(guān)的關(guān)系，建立售冷熱電價(jià)格與天然氣價(jià)格的聯(lián)動(dòng)機(jī)制有利于提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性，降低項(xiàng)目的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。