天然氣分布式能源站的能效指標及經濟性探討

王學勤，鄧亞男，徐靜靜，江 婷

(1.中國華電集團有限公司上海公司，上海 200126；2.華電分布式能源工程技術有限公司，北京 100070)

1 引言

隨著我國經濟的持續發展，能源消費總量不斷增加，能源與環境問題已經成為制約我國經濟和社會發展的重要因素。為應對能源與環境、資源以及氣候變化的挑戰，我國政府正在研究推動能源消費、能源供給、能源技術和能源體制四方面的“革命”，提出了多元化、清潔化和高效化的能源發展戰略，發展低碳經濟和轉變經濟增長方式已成為我國實現科學發展的必然要求[1]。

天然氣分布式能源技術，因綜合能效高(70%以上)，CO2排放低，近零污染排放，利于電網和天然氣管網調峰的特點，已成為推進我國能源生產和消費革命的戰略性備選技術。據不完全統計，目前我國分布式能源站總裝機容量約1500×104kW(含已建、在建、籌建)[2]。本文依托某度假區分布式能源站項目，對其技術及經濟性進行了分析，并研究了燃氣價格、冷價、熱價、電價等因素對能源站運行經濟性的影響，為以后新建設的分布式能源項目給出一定的指導意見。

2 項目簡介

該分布式能源站位于某國際旅游度假區內，向度假區內所有娛樂設施、公共建筑和酒店等用能設施提供冷、熱、電及壓縮空氣四種能源產品。該項目采用以冷熱定電、余電上網的原則規劃設計，最大限度利用發電余熱制冷、制熱，充分實現能源梯級利用。能源站主設備采用5臺4.4MW燃氣內燃機，發電余熱通過5臺煙氣熱水型溴化鋰提供園區制冷和制熱需求，同時本項目能源站還配備了6臺冷水機和2臺燃氣熱水鍋爐作為調峰設備，以及用于調節負荷需求的蓄冷罐和蓄熱罐。其工藝流程圖如圖1所示。

3 能效指標分析

該能源站正式投產后，通過對能源站一年運行周期內的運行數據采集分析，對該能源站年平均綜合利用效率和年利用小時數等性能指標進行了評估。在此期間，能源站采取綜合利用效率最優的運行模式，以能源站一次能源綜合利用效率最高為控制目標。

3.1 負荷統計

負荷統計見表1。

3.2 熱電負荷分析

分布式供能系統基于“以冷熱定電，自發自用、余電上網”的原則運行，最大限度利用發電余熱制冷、制熱，充分實現能源梯級利用。從整個評估周期的冷熱電負荷可見，夏季的冷負荷需求較大，冬季的熱負荷需求較大，在過渡季，溴化鋰機組供冷和供熱則根據實際情況進行調整，既有供冷和供熱(圖2)。

3.3 天然氣熱值

天然氣從能源站現場取樣后送至有資質的某安全和裝備質量監督檢驗站對燃氣熱值進行測定，測定天然氣低位熱值為34.91 MJ/m3(表2)。

3.4 能效指標

3.4.1 計算公式

(1)年平均能源綜合利用率。年平均能源綜合利用效率按下式計算：

(1)

其中：η——年平均能源綜合利用率(%)；W——年聯供系統凈輸出電量(kW·h)；Q1——年有效余熱供熱總量(MJ)；Q2——年有效余熱供冷總量(MJ)；B——年聯供系統燃氣總耗量(Nm3)；QL——燃氣低位發熱量(MJ/Nm3)。

(2)運行小時數。分布式供能系統年利用小時數計算公式如下：

(2)

其中：H——年運行小時數(h)；W——年聯供系統凈輸出電量(kW·h)；KW——原動機額定裝機容量(kW)。

(3)節能量。天然氣分布式供能項目年節能量計算公式如下：

Q=A-B

(3)

其中：Q—分布式供能系統年節能量(kgce)；A—

圖1 能源站工藝流程表1 能源站完整年度各月耗氣量和冷熱負荷量統計

時間天然氣耗量/Nm3凈輸出電量/kWh凈輸出熱量/kWh凈輸出冷量/kWh2016/082485203940878112739188188922016/091482778575879361337260772522016/1012908395081986104936346891242016/1115011596370500480108915676962016/12262058710779549850400010099632017/01331415413642390108270509922432017/02299696312323179978561002017/03264321111130791962911802017/0414913596280375533856202017/0521437188577848405715926637942017/06255810310490223328022355754442017/0726642221065493019149106908328合計271922961104993445992784838302737

注：2017年2～4月系統余熱僅用于供熱、不制冷，系統凈輸出冷量按0計算

圖2 系統完整年度各月冷熱電負荷量表2 天然氣熱值檢測結果

序號檢測項目名稱及單位檢測結果1組分含量%(V/V)O20.22N20.89CH495.00C2H62.73CO2未檢出C3H81.16i-C4H10未檢出n-C4H10未檢出H2未檢出2氣體熱值高位熱值MJ/m338.72低位熱值MJ/m334.91

常規分供系統的一次能源消耗量(kgce)，按公式4計算；B—分布式供能系統的一次能源消耗量(kgce)，按公式5計算。

常規分供系統的一次能源消耗量計算公式如下：

A=P×eref.p+C×eref.c+H×eref.h

(4)

其中：P—分布式供能系統供電量(kW·h)；C—分布式供能系統供冷量(kW·h)，由于煙氣熱水型溴化鋰COP近似1.0，供冷量可等效于一次供熱量；H—分布式供能系統供熱量(kW·h)；eref.p—到達終端用戶的供電能耗參照值(kgce/kW·h)，參考2015年上海市供電標準煤耗0.300 kgce/kW·h計算；eref.h—到達終端用戶供熱能耗參照值kgce/kW·h，參考工業燃煤鍋爐熱效率75%計算，可得供熱能耗參照值為0.164 kgce/kW·h；eref.c—到達終端用戶供冷能耗參照值(kgce/kW·h)。

分布式供能系統的一次能源消耗量計算公式如下：

B=B1×I

(5)

其中：B1—分布式供能系統的天然氣消耗量(Nm3)；I—折算標煤系數(kgce/m3)，根據實測天然氣低位熱值34.91 MJ/Nm3，可得此處折算系數為1.191 kgce/Nm3。

(d)CO2減排量

二氧化碳減排量按以下公式計算：

二氧化碳減排量=WH.CO2-WCCHP.CO2

WH.CO2=P×λh.CO2+H×λg.CO2

WCCHP.CO2=B1×λr.CO2

(6)

其中： WH.CO2—常規分供系統二氧化碳排放量(kg)； WCCHP.CO2—分布式供能系統二氧化碳排放量(kg)； λh.CO2—華電電網二氧化碳排放因子(kg/kW·h)，根據國家發改委應對氣候變化司公布的2015年中國區域電網基準線排放因子報告，華東電網電量邊際二氧化碳排放因子為0.8112 kg CO2/kW·h； λg.CO2—標煤二氧化碳排放因子(kg/kg)，根據國家發展改革委能源研究所提供的數據，我國標煤二氧化碳排放因子為2.46 kg/kg；

λr.CO2—天然氣二氧化碳排放因子(kg/Nm3)，根據政府間氣候變化委員會公布的缺省二氧化碳排放因子為56.1 t/TJ，可知天然氣二氧化碳排放因子為1.9242 kg CO2/Nm3。

3.4.2 計算結果

計算得該天然氣分布式能源站供能系統全年平均能源綜合利用效率、年利用時數、年一次能源消耗量見表3所示。

表3 能源站能效指標

常規分供系統年一次能源消耗量為45263 t標準煤、二氧化碳排放量為111347 t；與常規分供系統對比，該能源站天然氣分布式供能系統年節能量為12873 t標準煤，節能率為28.7%； 系統年二氧化碳排放量與常規分供系統相比減排量為59023 t，二氧化碳減排率為53%。

4 能源站經濟效益分析

計算能源站的經濟性需要考慮能源站的建設成本、運行成本、收益等因素，表4中列出了該天然氣分布式能源站的2016年自然年度的主要經濟指標。

表4 樓宇型天然氣分布式能源站的主要經濟指標

根據上表中數據，綜合考慮稅率等因素，該項目的年收益為-471.02萬元。可看出該能源站項目是負收益，主要原因是表中列出的運行站數據是能源站運行初期的數據，冷熱負荷量較低，當以近年能源站的運行數據計算，年供冷量46.3 GJ，年供熱量25.8 GJ，能源站的年收益為21.554萬元，實現正收益。通過分析可知，能源站的供能負荷量對能源站的經濟性有影響，因此在進行能源站設計階段用戶負荷的預測很重要。

影響能源站經濟性的因素除了用戶負荷外，天然氣的價格、冷價、熱價等因素也會影響能源站的經濟性圖3～5分別表示了天然氣分布式能源站的經濟性隨著天然氣價格、冷價、熱價的變化。

圖3 天然氣價格對樓宇型能源站經濟性的影響

從圖中可以看出，天然氣分布式能源站的經濟性隨著天然氣價格的降低而增強，在供能負荷等其他變量不發生改變的情況下，當天然氣的價格小于2.9元/Nm3時，能源站實現正收益。從圖中還可看出，天然氣分布式能源站的經濟性隨供冷價和供熱價的升高而增強，在保證供冷價和供熱價單一變量的基礎上，當供冷價高于136元/GJ，供熱價高于145元/GJ時，能源站實現正收益。

圖4 供冷價對樓宇型能源站經濟性的影響

圖5 供熱價對樓宇型能源站經濟性的影響

5 結語

天然氣分布式能源項目具有環境友好、能源利用率高、靠近用戶、避免遠距離傳輸等優點，具有良好的發展前景，與常規的火電供能方式相比，分布式能源站的經濟性還有較大的提升空間。本文以國內某天然氣分布式能源站為模型，對能源站的能效指標和經濟性進行了分析，并詳細研究了天然氣價格、供冷價、供熱價等因素對能源站經濟性的影響，得出以下結論：

(1)通過對該天然氣分布式能源站一年的運行數據的采集分析，總體評價該能源站供能系統配置合理，能源綜合利用效率高，余熱利用效果好，節能效益明顯。該旅游度假區用能由天然氣分布式能源站集中供給，不再分散安裝鍋爐、電空調、空氣壓縮機，提高了資源利用效率，節約能源，減少污染，具有明顯的環境和社會效益。

(2)天然氣的價格對分布式能源站的經濟性影響較大，能源站的經濟性隨著天然氣價格的增加而降低，該能源站在用戶負荷等因素不變的情況下，當天然氣的價格小于2.9元/Nm3時，能源站實現正收益。

(3)天然氣分布式能源站的經濟性隨著供冷價和供熱價的升高而增強，在保證供冷價和供熱價單一變量的基礎上，當供冷價高于136元/GJ，供熱價高于145元/GJ時，能源站實現正收益。

(4)天然氣分布式能源站的經濟性還受用戶負荷的影響，當負荷較低時，能源站的經濟性較差，因此，在能源站初步規劃時需要做好負荷預測。且用戶電負荷在供能負荷中所占的比例也影響能源站的經濟性，當電負荷較大時，會降低能源站的經濟性，因此在能源站初步設計階段要根據用戶負荷合理進行機組的配備。