考慮碳排放的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)綜合評價研究

宇永香，邵媛媛

（1.沈陽城市燃氣規(guī)劃設計研究院有限公司；2.沈陽燃氣有限公司，遼寧沈陽 110000）

1 緒論

我國大力倡導的綠色低碳能源戰(zhàn)略中，冷熱電聯(lián)供作為低碳能源利用的重要手段，具有減少一次能源消耗，降低大氣污染以及運行效率較高等特點。目前，我國的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在工業(yè)園區(qū)、醫(yī)院、機場、計算機交換站等方面建設發(fā)展很快。對于冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的研究范圍也相當廣泛，涉及三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電、儲能、能量轉換等技術問題，這些成果為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了很好的技術支持[1-2]。

國內關于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)規(guī)劃的研究雖然很多，然而重點都放在對系統(tǒng)經(jīng)濟性的研究上，而對二氧化碳排放造成的影響缺少經(jīng)濟性、節(jié)能性和環(huán)保性的綜合研究。本文對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益、能耗效益進行了綜合考慮，提出了包含以上三者的綜合評價指標，并以該指標為目標函數(shù)，分析了電價、氣價和碳排放稅價對綜合評價指標的影響[3-4]。

2 系統(tǒng)的模型與目標函數(shù)

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是利用天然氣的燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的煙氣，經(jīng)燃氣輪機發(fā)電，再經(jīng)余熱回收設施，提供給用戶需要的冷（熱）負荷。極熱（冷）天氣時，當煙氣余熱無法滿足冷、熱負荷需求時，可通過燃燒設備進行補燃[5]。同時采用鍋爐、電制冷機、連接市政電網(wǎng)等輔助方式調節(jié)冷熱電的波動，流程如圖1所示。

圖1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的流程圖

分供系統(tǒng)電負荷采用市政電網(wǎng)購買，冷負荷通過電制冷機提供，熱負荷通過燃氣鍋爐提供，分供系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 分供系統(tǒng)的流程圖

2.1 聯(lián)供系統(tǒng)模型

燃氣輪機的電負荷和熱負荷的模型分別為：

式中：Wgt——單臺燃氣輪機發(fā)電功率，kW；

Vgt——燃氣耗量（m3）；

Qch——單臺燃氣輪機的余熱量，kW；

ηch、ηce——燃氣輪機的煙氣余熱效率和發(fā)電效率；

H1——天然氣低熱值，kJ/m3。

2.2 分供系統(tǒng)模型

分供系統(tǒng)的冷熱電各自需要單獨的設備，與聯(lián)供相比較分散。

（1）電制冷機模型

冷負荷需求主要由電制冷機制冷提供，

式中：Qsc——園區(qū)冷負荷的需求量,kW；

Esc——系統(tǒng)電制冷機耗電量,kW。

（2）分供系統(tǒng)燃氣鍋爐制熱模型

式中：Qsh——園區(qū)熱負荷的需求量，kW；

Vsh——分供系統(tǒng)燃氣消耗量，m3；

ηsh——燃氣鍋爐熱效率。

2.3 目標函數(shù)

（1）能耗性目標函數(shù)

能耗性指標，主要是一次能源消耗的計算。聯(lián)供系統(tǒng)主要考慮燃氣輪機的燃氣耗量與補燃的燃氣量，分供系統(tǒng)主要是燃氣鍋爐消耗的燃氣量。聯(lián)供與分供系統(tǒng)所消耗的燃料量如下所示：

式中：Vgt——燃氣輪機燃氣消耗量,m3；

Vcb——聯(lián)供系統(tǒng)補燃燃氣耗量,m3；

Vsb——分供系統(tǒng)燃氣耗量,m3。

（2）經(jīng)濟性目標函數(shù)

經(jīng)濟性目標函數(shù)考慮了系統(tǒng)全部的投入成本，比如初投資、運行費、維修費等。聯(lián)供系統(tǒng)和分供系統(tǒng)的經(jīng)濟目標函數(shù)公式如下所示[4]：

式中：Cc2、Cs2——分別為聯(lián)供與分供系統(tǒng)年總投資成本；

Cinv——聯(lián)供系統(tǒng)年初投資成本；

Crun——聯(lián)供系統(tǒng)年運行成本；

Cserv——聯(lián)供系統(tǒng)年維修成本；

R——投資回收系數(shù)；

r——年利率；

n——系統(tǒng)設備壽命,年。

（3）環(huán)境性目標函數(shù)

由于天然氣在燃燒之前已經(jīng)進行過深度潔凈處理，焚燒排放產(chǎn)物以CO2為主，體積容積高達98%。本文也只討論CO2的排放作為環(huán)境性的評價。聯(lián)供系統(tǒng)與分供系統(tǒng)的排放量公式如下所示[4]：

式中：Cc3、Cs3——分別為聯(lián)供與分供系統(tǒng)CO2的排放量；

ε3——購電所產(chǎn)生的CO2排放量的轉化系數(shù)；

Ebuy——聯(lián)供系統(tǒng)的購電量,kWh；

εg——一次能源燃燒時CO2排放量的轉化系數(shù)。

（4）綜合評價指標

本文對三聯(lián)供系統(tǒng)的能耗指標、經(jīng)濟指標和環(huán)保指標綜合考慮，提出了三者互相耦合的綜合評價指標。目標函數(shù)表示為：

式中：ω——綜合性評價指標；

ω1、ω2、ω3——分別為能效指標、經(jīng)濟指標和環(huán)境指標在綜合目標函數(shù)中的權重。其中ω1+ω2+ω3=1，0 ≤ω1、ω2、ω3≤1。

3 案例研究

3.1 冷熱電負荷計算

本項目的工業(yè)園區(qū)包括商業(yè)建面積筑13.1 km2，民用建筑6.8 km2，工業(yè)企業(yè)8.8 km2，整個系統(tǒng)以采暖、制冷和過渡季三種模式運行，運行時間見表1。園區(qū)的冷、熱、電年逐時負荷如圖3所示。

表1 各季節(jié)運行時間

圖3 工業(yè)園區(qū)冷、熱、電年逐時負荷

從圖3中可以看出，該工業(yè)園區(qū)電負荷均勻，晝夜時間波動大，不受季節(jié)影響，平均負荷4000 kW。冷、熱負荷有存在季節(jié)變化，熱負荷在 2000～13000 kW 范圍內變化，平均負荷7600 kW；冷負荷在1500～16000 kW 范圍內變化，平均負荷8500 kW。

對該工業(yè)園區(qū)，采用燃氣輪機+余熱鍋爐+吸收式制冷機（正常工況），電制冷機+燃氣鍋爐（補燃工況）的配置方案[6-7]。比較了不同權重對冷熱電三聯(lián)供方案的影響，并分別對只考慮經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和綜合效益的方案進行了橫向對比，并與分供系統(tǒng)進行了比較。其中方案1為只考慮經(jīng)濟效益的情況，此時ω2=1、ω1=0、ω3=0；方案2 為只考慮環(huán)境效益的情況，此時ω3=1、ω1=0、ω2=0；方案3為綜合效益的情況，取ω2=1/3、ω1=1/3、ω3=1/3；方案4為分供系統(tǒng)。

假定燃氣費用3.10 元/m3，平均電費0.75 元/kWh。初投資費采用平均折舊法，以10 年期進行平均計算。年度花費計算結果見表2。

表2 不同方案的計算結果

在只考慮前三列的情況下，年費用從大到小的順序是方案4、方案2、方案3、方案1。聯(lián)供系統(tǒng)中方案1費用最低，但CO2排放量也最高。方案3費用最高，但CO2排放量也最低。方案3 同時兼顧了經(jīng)濟性和環(huán)保性，總費用相對于單純考慮經(jīng)濟性有所增加，而相比于單純考慮環(huán)保性有所減少。

考慮CO2排放的情況下，本文參考了日本和歐洲對于碳稅的規(guī)定，綜合比較后取本文先取碳稅為0.05 $/kg，約合人民幣0.3 元/kg[8]，得到的計算結果見表3。

表3 考慮二氧化碳排放時的計算結果

表3中數(shù)據(jù)表明，考慮到碳稅，年總費用從大到小依次是方案4、方案2、方案1、方案3，與不考慮排放時的結果差距較大。尤其是分供系統(tǒng)（方案4）在與聯(lián)供系統(tǒng)比較時，由于排放量高，考慮碳稅時，費用增加了14.5%。在考慮碳排放時，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，回收期更短。綜合評價指標Z 從大到小分別為方案4、方案1、方案3、方案2。方案2最低意味著環(huán)境效益的優(yōu)勢大于經(jīng)濟效益。進行方案選擇時，采用綜合效益評價指標，效果明顯。

3.2 權重變化的影響

表2、表3 的結果表明，采用綜合效益評價更為合理，為了找到ω1～ω3分別從0 遞增到1 時的最優(yōu)方案。分別做了總費用和綜合評價指標的變化圖，如圖4、圖5所示。

圖4 綜合效益方案總費用圖

從圖4可以看出，總費用變化呈拋物面圖形，費用的最低值位于ω1=0.31、ω2=0.34、ω3=0.35 處，總費用為5101萬元。而單一考慮經(jīng)濟指標、效益指標和能耗指標，都會提高總費。

從圖5可以看出，ω2從0增加到1時，綜合評價指標Z 變化很小，說明經(jīng)濟效益對于綜合評價指標的影響不大。ω3從0 增加到1 時，Z 從0.8 下降到0.56，這說明和傳統(tǒng)分供系統(tǒng)相比，聯(lián)供系統(tǒng)的環(huán)境效益明顯高于經(jīng)濟效益。合理的聯(lián)供系統(tǒng)方案確實能夠實現(xiàn)“節(jié)能”“減排”的目的。

圖5 綜合評價指標圖

3.3 敏感度研究

方案1～4都是在固定電價和燃氣價格的條件下進行的，而電價和天然氣價格同樣影響聯(lián)供和分供系統(tǒng)的運行[9]。本文對電價、燃氣價格和碳稅進行聯(lián)供系統(tǒng)的靈敏度研究。圖6 是電價在0.5～1 元/kWh 變化時，經(jīng)濟效益指標（ω2=1）、環(huán)境效益指標（ω3=1）和綜合效益指標（ω2=0.34、ω1=0.31、ω3=0.35）隨著電價的變化情況。圖7、圖8分別是燃氣價格在1.6～4 元/m3、碳稅在0.2～0.8 元/kg 變化時，上述三種指標的變化情況。

圖6 不同電價對綜合評價指標的影

圖7 不同燃氣價格對綜合評價指標的影響

圖8 不同碳稅對綜合評價指標的影響

從圖6～8中看到，隨著電價上升，聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和綜合效益指標比起分供系統(tǒng)有很大的提升，但環(huán)境效益變化很小，而且隨著電價的上升有略微的下降，這是因為碳稅和CO2排放變化較小的原因；從電價的綜合評價指標變化數(shù)據(jù)中可以得出，該園區(qū)只有當平均電價高于0.53元/ kWh時，聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟性是優(yōu)于分供系統(tǒng)的；但聯(lián)供系統(tǒng)綜合效益和環(huán)境效益指標仍具有明顯的優(yōu)勢。而隨著天然氣價格上升，相比于傳統(tǒng)分供系統(tǒng)，聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和綜合效益開始下降，對天然氣價格的綜合評價指標分析中可以看出，天然氣價格低于3.4 元/m3時，聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟性優(yōu)于分供系統(tǒng)。單純考慮經(jīng)濟性能時，聯(lián)供系統(tǒng)會有比傳統(tǒng)的分供系統(tǒng)不經(jīng)濟的情況，但是由于考慮到了碳排放，使得聯(lián)供系統(tǒng)的綜合效益指標在燃氣價格達到4 元/m3時，仍然比分供系統(tǒng)要好。

碳稅的增加對于聯(lián)供系統(tǒng)指標都有明顯提升，尤其當碳稅價格達0.4 元/kg 時，分布式能源系統(tǒng)綜合性指標更優(yōu)。當碳稅達到0.8 元/kg 時，環(huán)境效益的綜合評價指標低于0.5。因此碳稅越高、氣價越低，越有利于分布式系統(tǒng)的推廣。

4 結論

本文提出了經(jīng)濟效益、環(huán)保效益和綜合效益的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)以及分供系統(tǒng)計算模型，對4 種不同方案進行了比較。并分析了權重對總費用和綜合性指標影響，研究電價、燃氣價格及碳稅的靈敏度，力求能為政府調整電價和天然氣價格提供相應的數(shù)據(jù)支撐。