丁小川，周宇昊，王思文

天然氣分布式能源經(jīng)濟(jì)可行性評估方法研究

丁小川，周宇昊，王思文

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

對氣電價格、運(yùn)行時間、單位造價、一次能源利用率以及系統(tǒng)節(jié)能率等影響天然氣分布式能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了深入研究，經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到了基于天然氣價格和目標(biāo)電價關(guān)系的天然氣分布式能源項目經(jīng)濟(jì)可行性數(shù)學(xué)模型。該模型全面反映了影響天然氣分布式能源項目經(jīng)濟(jì)性的各種影響因素。應(yīng)用本方法和模型，選擇了兩種典型的用戶負(fù)荷進(jìn)行了實(shí)例計算。所得結(jié)論可以為天然氣分布式能源系統(tǒng)運(yùn)行控制和相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

天然氣；分布式能源；經(jīng)濟(jì)可行性；評估方法；關(guān)鍵指標(biāo)

0 引言

天然氣分布式能源是分布在用戶端的天然氣熱電聯(lián)供系統(tǒng)（CHP）或冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（CCHP），其特點(diǎn)是以天然氣為燃料、能源利用效率高、運(yùn)行安全可靠、能夠適應(yīng)用戶負(fù)荷的波動變化。隨著環(huán)境污染問題的日趨嚴(yán)重和能源價格的不斷攀升，發(fā)達(dá)國家越來越重視能源的高效清潔利用技術(shù)的應(yīng)用[1，2]。在美國，截止2012年，天然氣分布式能源項目裝機(jī)約為6000萬kW，并計劃到2020年新增40 GW發(fā)電裝機(jī)。在日本，截止2010年，天然氣分布式能源項目裝機(jī)約為640萬kW，并在2011年東日本大地震后計劃2020年達(dá)到800萬kW[3]。然而，我國天然氣分布式能源技術(shù)的發(fā)展起步較晚，近年來隨著國家對電力安全、環(huán)境治理的重視度加大，北京、上海、廣東等地開始發(fā)展天然氣分布式能源項目，目前總裝機(jī)容量僅為80多萬kW，在全國年發(fā)電量中的比重還較小[4]。

與傳統(tǒng)集中式發(fā)電技術(shù)相比，天然氣分布式能源系統(tǒng)與用戶端聯(lián)系緊密，為用戶提供電能、熱能、冷能等多種品質(zhì)能源，項目的造價、運(yùn)行時間等都受到用戶負(fù)荷特性的影響，系統(tǒng)具有輸出多樣性的特點(diǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)多、評估方法復(fù)雜，對分布式能源項目經(jīng)濟(jì)性的分析，目前常用方法是在完成系統(tǒng)設(shè)計和明確各項邊界條件后，建立項目技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析模型進(jìn)行計算和可行性研究，分析過程復(fù)雜、周期長、不夠靈活方便。

本文通過研究天然氣分布式能源系統(tǒng)關(guān)鍵評價指標(biāo)，提出基于天然氣價格和目標(biāo)電價關(guān)系的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可行性分析方法和數(shù)學(xué)模型，該模型全面反映了影響天然氣分布式能源項目經(jīng)濟(jì)性的各種影響因素，通過該模型可以計算分析各影響因素對項目經(jīng)濟(jì)性的敏感度。針對區(qū)域式和樓宇式的天然氣分布式能源項目案例，應(yīng)用模型對案例進(jìn)行了分析和研究，為分布式能源項目經(jīng)濟(jì)可行性分析提供參考依據(jù)。

1 關(guān)鍵指標(biāo)分析

1.1 氣價和電價

作為天然氣分布式能源系統(tǒng)唯一的燃料輸入，天然氣價格對系統(tǒng)運(yùn)行成本的影響較大。受國內(nèi)需求和國際石油價格的影響，近年來我國天然氣價格逐年走高。根據(jù)國家最新出臺的天然氣價格調(diào)整政策，2013年各地管道天然氣存量氣和增量氣價格均有所波動，其中存量氣價格為1.41～2.74元/m3，增量氣價格為2.29～3.32元/m3，其中廣東、上海、江蘇、浙江等南方地區(qū)價格較高，而新疆、寧夏、西藏等地價格較低。此外，我國沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)還在積極引進(jìn)海外LNG，其價格與石油價格掛鉤，受日本等國的需求拉動影響，近年來價格持續(xù)走高，2013年引進(jìn)LNG出站價格約合4元/m3（不含管輸費(fèi)）。

電價決定了系統(tǒng)的收益。天然氣分布式能源是分布在用戶端的供能系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出主要用于自身的電冷熱負(fù)荷需求，因此系統(tǒng)電價取決于用戶用電價格。系統(tǒng)一方面為用戶直供電，另外冷、熱的傳統(tǒng)供能方式也來自電，若采用發(fā)電余熱制冷（熱），就有很好的利潤空間。我國現(xiàn)行的電價機(jī)制是按不同用戶類型來制定價格，不同用戶電價相差近66%。

從分析來看，天然氣價格決定了系統(tǒng)的主要成本，而電價則決定了系統(tǒng)的大部分收益，因此項目用戶當(dāng)?shù)氐臍?、電價格差異如何，將是影響項目投資回收期和收益率的最為關(guān)鍵的因素，差異越大則投資回收期越短。

1.2 負(fù)荷匹配性和年運(yùn)行時間

分布式能源主要位于用戶端，能夠按用戶的需求供應(yīng)能量，從而實(shí)現(xiàn)能源的就地生產(chǎn)和就地供應(yīng)模式。和發(fā)電廠不同，分布式能源系統(tǒng)輸出具有多樣性，不僅僅是電能，因而冷熱電負(fù)荷需求的一致性和匹配性，對系統(tǒng)的年運(yùn)行時間、系統(tǒng)能效和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有重要影響。系統(tǒng)年運(yùn)行時間是影響項目經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，決定了系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的使用壽命、維護(hù)成本、項目投資回收期限等。一般天然氣調(diào)峰發(fā)電項目年運(yùn)行時間約3500h，而天然氣分布式能源系統(tǒng)的年運(yùn)行時間能達(dá)到4000～6000h左右。

1.3 原動機(jī)和項目造價

原動機(jī)主要有燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)以及燃料電池等型式，目前燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)以及微型燃機(jī)的應(yīng)用較為廣泛，燃料電池因其技術(shù)不成熟、產(chǎn)業(yè)化程度低等原因推廣程度不高。分布式能源原動機(jī)的選型和用戶負(fù)荷特性、施工安裝條件、周邊環(huán)境要求等有關(guān)，不同原動機(jī)的適用規(guī)模、發(fā)電效率、投資和運(yùn)維成本等差異較大。根據(jù)國內(nèi)外目前已安裝運(yùn)行的項目統(tǒng)計數(shù)據(jù)，工業(yè)和企業(yè)等較大型項目采用燃?xì)廨啓C(jī)較多，醫(yī)院、酒店、商場等商業(yè)和公共建筑項目采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和微型燃機(jī)較多，如美國冷熱電聯(lián)供項目中，內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)裝機(jī)容量約占總規(guī)模2%，而項目個數(shù)卻占46%，燃?xì)廨啓C(jī)則均為13%，可見小型樓宇式項目以內(nèi)燃機(jī)為主，大型工業(yè)區(qū)域式項目采用燃?xì)廨啓C(jī)為主[5，6]。

表1 典型原動機(jī)系統(tǒng)特性

1.4 總能利用率和節(jié)能率

天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)總能利用率是指系統(tǒng)有效能源輸出（包括供冷、供熱、供電量）總量與系統(tǒng)消耗的天然氣總量的比值，和傳統(tǒng)集中式發(fā)電相比，天然氣分布式供能系統(tǒng)（CHP、CCHP）總能利用率更高，能達(dá)到80%以上，可以通過以下公式計算得到：

式中η1—系統(tǒng)發(fā)電效率，不同的原動機(jī)效率不同，約合40%左右；

η2，η3—系統(tǒng)制冷和制熱的熱效率，可以通過將系統(tǒng)用于制冷（熱）的余熱能量和總的輸入天然氣熱值比值計算求得。

系統(tǒng)總能利用率所體現(xiàn)的主要是對一次能源（天然氣）充分利用的程度和系統(tǒng)整體能源轉(zhuǎn)換的輸入與輸出比較情況，但總能利用率并未考慮輸出能的品質(zhì)，因此在評價系統(tǒng)時還需要引入節(jié)能率指標(biāo)。

系統(tǒng)相對節(jié)能率是指在單位時間內(nèi)產(chǎn)生等量冷熱電，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對于常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)所節(jié)省的能量與常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)所耗能量的比值，則節(jié)能率X的表達(dá)式為：

式中Qa—冷、熱、電獨(dú)立分產(chǎn)系統(tǒng)（基準(zhǔn)）的單位時間內(nèi)一次能源消耗量，J；

Qb—熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的單位時間內(nèi)一次能源消耗量，J。

系統(tǒng)相對節(jié)能率指的是，與常規(guī)系統(tǒng)相比分布式能源系統(tǒng)支付的燃料代價節(jié)省情況，通常相對節(jié)能率選擇當(dāng)前使用最為廣泛的分產(chǎn)系統(tǒng)作為參照。實(shí)用時，相對節(jié)能率的評價意義更為簡明，數(shù)值處理也相對容易[7]。

2 理想經(jīng)濟(jì)模型

2.1 項目收益分析

天然氣分布式能源系統(tǒng)的輸出為電力和冷、熱供應(yīng)，因此項目一年內(nèi)系統(tǒng)的收益主要包含電、冷、熱的銷售收入為：

式中A—天然氣銷售價格，元/m3；

B—銷售電價，元/kWh；n—系統(tǒng)年運(yùn)行時間，h；Qh—系統(tǒng)的制熱量，J；E—系統(tǒng)總發(fā)電裝機(jī)容量，W。系統(tǒng)總裝機(jī)E與系

統(tǒng)耗氣率Q、發(fā)電效率等有關(guān)，可以根據(jù)系統(tǒng)年發(fā)電量與耗氣量的能量平衡關(guān)系得到，即：

式中Q—系統(tǒng)耗氣率，m3/s；

η1—系統(tǒng)發(fā)電效率。

可以得到Qh=nQη3。計算熱銷售收入時，可以按燃?xì)忮仩t生產(chǎn)等量熱能的用氣成本計算，而燃?xì)忮仩t的效率可以取平均水平為90%[8]。

Qc為系統(tǒng)的制冷量，與系統(tǒng)耗氣率Q、制冷效率η2、吸收式溴冷機(jī)COP（取值1.2）等有關(guān)，可以得到Qc=1. 2nQη2。計算冷銷售收入時，可以按電制冷機(jī)生產(chǎn)等量冷用電成本計算，其中電制冷空調(diào)COP取水冷式中央空調(diào)值4.5。

2.2 項目成本分析

天然氣分布式能源項目利用天然氣發(fā)電，同時充分利用余熱制熱（冷），因此項目主要成本為天然氣的采購費(fèi)用，此外考慮到項目投資回收和設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等，則一年項目經(jīng)營成本為：

式中Cg—一年天然氣消費(fèi)成本，元/a。主要受系統(tǒng)耗氣率Q、年運(yùn)行時間n、天然氣銷售價格A的影響；

Cf—系統(tǒng)預(yù)計投資年折舊費(fèi)用，元/a。可以按照10a的投資回收期限，通過系統(tǒng)單位投資D和系統(tǒng)總裝機(jī)容量E計算；

Cm—系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，元/a。主要受系統(tǒng)度電運(yùn)行維護(hù)費(fèi)Ce、系統(tǒng)年發(fā)電量（nE）影響。

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析模型

項目運(yùn)行的盈利能力是決定投資的首要考慮。和其他發(fā)電或供能系統(tǒng)相比，天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的特點(diǎn)在于輸出的多樣性，其經(jīng)濟(jì)模型也相對復(fù)雜，受到電價、冷價、熱價、氣價等多種因素的影響，因此本文對模型進(jìn)行分析和梳理，提出簡易可行的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析方法。

系統(tǒng)能否盈利，銷售收入需要大于成本，即：

也即：

式中D—項目單位造價，元/kW；

Ce—系統(tǒng)單位運(yùn)維成本，元/kWh。

二者均與原動機(jī)的選型有關(guān)，參照目前應(yīng)用廣泛的燃機(jī)和內(nèi)燃機(jī)設(shè)備，系統(tǒng)單位造價約合7000～17000元/kW，而度電運(yùn)維成本約合0.03～0.18元/kWh；項目年運(yùn)行時間約4000～6000h；天然氣價格A、電價B是衡量項目經(jīng)濟(jì)性的核心指標(biāo)，在國內(nèi)各地區(qū)、各行業(yè)差異較大，是項目經(jīng)濟(jì)可行性分析評價的重要指標(biāo)。

受以下因素影響，本文所構(gòu)建的理想模型和實(shí)際情況會有一定的差異：

（1）在收益方面，受用戶習(xí)慣、設(shè)備改造投入以及用能經(jīng)濟(jì)承受力等影響，實(shí)際的冷銷售收入會低于電制冷成本。

（2）預(yù)設(shè)的吸收式制冷設(shè)備COP、電制冷空調(diào)COP、燃?xì)忮仩t熱效率90%等參數(shù)，均按照國內(nèi)一般平均取值，實(shí)際項目受設(shè)備選型影響存在差異。

3 實(shí)例分析

本文針對典型的大型區(qū)域式和小型樓宇式天然氣分布式能源案例，根據(jù)前述理論推導(dǎo)的經(jīng)濟(jì)性分析模型，對項目經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行分析和探討，研究天然氣分布式能源項目開發(fā)可行性的邊界條件。項目Ⅰ為杭州某食品加工廠，工廠主要生產(chǎn)速凍食品，是典型的工業(yè)用戶，主要有電和蒸汽熱負(fù)荷，負(fù)荷需求相對穩(wěn)定，預(yù)計年需求時間達(dá)到6000h；項目Ⅱ為南方某商業(yè)中心，以辦公和商場為主要功能，是典型商業(yè)建筑用戶，主要有電和空調(diào)冷（熱）負(fù)荷，負(fù)荷為工作時間間歇性負(fù)荷，白天穩(wěn)定、夜間停止供應(yīng)，全年負(fù)荷需求時間約4000h。

表2 項目Ⅰ、Ⅱ關(guān)鍵指標(biāo)值

針對項目Ⅰ和項目Ⅱ，在分析前，本文根據(jù)負(fù)荷特性對模型中幾項關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行初步判斷：

應(yīng)用本文提出的研究方法和模型，通過計算，可以分析兩個典型的天然氣分布式能源項目經(jīng)濟(jì)可行性，構(gòu)建基于天然氣價格和目標(biāo)電價關(guān)系的項目經(jīng)濟(jì)可行性平衡線，作為項目初評估的依據(jù)，目標(biāo)電價所對應(yīng)的就是用戶用電價格情況。如圖1所示，在預(yù)訂的天然氣價格波動區(qū)間內(nèi)，平衡線以上的目標(biāo)電價能夠?qū)轫椖繋磔^好的經(jīng)濟(jì)收益，用戶具備建設(shè)天然氣分布式能源系統(tǒng)的基本條件，因此可以開展進(jìn)一步的可行性研究和前期工作，而處在平衡線以下的目標(biāo)電價則預(yù)示著項目不具備投資條件。

圖1 項目天然氣價格與目標(biāo)電價關(guān)系圖

如圖1所示，當(dāng)天然氣價格定為3元/m3時，為保持較好的經(jīng)濟(jì)性，項目Ⅰ的適用電價需要高于0.8元/kWh，而項目Ⅱ則為1.04元/kWh。從分析結(jié)果可以看到，面對同樣的天然氣價格，項目Ⅰ的目標(biāo)電價低于項目Ⅱ，即與小型樓宇式分布式能源相比，大型區(qū)域式分布式能源項目對氣電價格差異的適應(yīng)性更強(qiáng)。

此外，通過應(yīng)用本文構(gòu)建的分析模型，還可以進(jìn)一步研究項目年運(yùn)行時間、造價、系統(tǒng)效率等指標(biāo)對項目經(jīng)濟(jì)性的影響情況。以項目Ⅱ為案例進(jìn)行分析，通過分別變換各項指標(biāo)值，可以得到年運(yùn)行時間、造價、效率等對項目經(jīng)濟(jì)性的影響，如圖2、圖3、圖4所示。

從圖2可以看出，當(dāng)項目Ⅱ年運(yùn)行時間由4000h增加50%至6000 h后，目標(biāo)電價下降明顯，項目可行性也相應(yīng)提高。

圖2 年運(yùn)行時間對項目經(jīng)濟(jì)性的影響圖

圖3 系統(tǒng)一次能源利用率對項目經(jīng)濟(jì)性的影響圖

圖4 項目造價對項目經(jīng)濟(jì)性的影響圖

從圖3可以看出，當(dāng)項目Ⅱ發(fā)電效率不變，余熱利用效率由40%下降到30%后，系統(tǒng)一次能源利用率相應(yīng)下降，目標(biāo)電價順應(yīng)上漲，項目可行性也大大降低。

從圖4可以看出，當(dāng)項目Ⅱ單位造價由15000元/kWh減少30%至10000元/kWh后，目標(biāo)電價下降明顯，項目可行性也相應(yīng)提高。

4 結(jié)語

本文深入分析了天然氣分布式能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，包括氣電價格、運(yùn)行時間、單位造價、一次能源利用率以及系統(tǒng)節(jié)能率等，并在充分考慮各項指標(biāo)影響的基礎(chǔ)上，提出了基于天然氣價格和目標(biāo)電價關(guān)系的天然氣分布式能源項目經(jīng)濟(jì)可行性分析方法和數(shù)學(xué)模型。和目前常用的分析方法相比，本文提出的分析模型和方法更為簡便靈活、分析時間短。在項目開發(fā)前期初評估階段，通過本方法和模型，可以初步評估項目投資的經(jīng)濟(jì)可行性，為下一步開展項目的設(shè)計和實(shí)施工作提供參考依據(jù)。

本文分別選擇兩種典型的用戶負(fù)荷案例—工業(yè)負(fù)荷和商業(yè)建筑負(fù)荷，應(yīng)用本方法分別對兩種典型系統(tǒng)進(jìn)行了計算和分析，得到天然氣價格與項目經(jīng)濟(jì)可行的目標(biāo)電價關(guān)系趨勢。通過算例可以看到，天然氣價格和目標(biāo)電價的差異，始終是決定天然氣分布式能源項目經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵影響因子，但同時項目年運(yùn)行時間、系統(tǒng)的一次能源利用率以及工程造價等都對項目的投資收益都有著重要的影響。因此在項目建設(shè)的前期，投資方應(yīng)該在對用戶負(fù)荷特性進(jìn)行充分和詳實(shí)的分析基礎(chǔ)上，盡可能爭取更好的價格優(yōu)惠和補(bǔ)貼政策，以確保項目投資經(jīng)濟(jì)性。

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Method for Evaluating Economic Feasibility of Distributed Energy

DING Xiao-chuan，ZHOU Yu-hao，WANG Si-wen
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Studying the key technical and economic indicators affecting the natural gas distributed energy such as nature gas price，electricity price，running time，unit cost，system energy efficiency and energy saving rate，etc.Established a DE project economic feasibility mathematical model based on the price of natural gas and electricity.The model reflects the comprehensive influence of various economic factors of natural gas distributed energy project impact.The paper selected two typical user load cases and use the methods and analytical models to calculate and analyze the cases.The conclusions can provide a theoretical basis for the run of natural gas distributed energy and its related research.

nature gas；distributed energy；economic feasibility；evaluating method；key Indicators

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.001

TK-9

A

2095-3429（2015）01-0001-05

2014-11-10

修回日期：2015-01-08

丁小川（1984-），男，安徽懷寧人，碩士，工程師，研究方向：分布式能源和新能源技術(shù)。