基于能品位的生物質(zhì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)成本分?jǐn)傃芯?/h1>
2017-11-09 08:29:42王江江
電力科學(xué)與工程 2017年10期
李 猛， 王江江
(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)
基于能品位的生物質(zhì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)成本分?jǐn)傃芯?/p>
李 猛， 王江江
(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)
基于可再生能源的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是一種擴(kuò)展可再生能源應(yīng)用并提高能效的有效方法?；谀芰刻菁壚迷?，提出了一種基于生物質(zhì)-空氣氣化的冷熱電聯(lián)供集成系統(tǒng)，分析了夏季、冬季及過渡季不同運(yùn)行工況下的運(yùn)行模式，依據(jù)熱力學(xué)第一和第二定律對系統(tǒng)進(jìn)行了熱力性能分析。為了合理確定聯(lián)供系統(tǒng)的產(chǎn)品成本分?jǐn)偅岢隽艘环N基于能品位的經(jīng)濟(jì)方法，建立了生物質(zhì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的成本分?jǐn)偰Ｐ停玫搅瞬煌\(yùn)行工況下的電、冷凍水(供暖熱水)和生活熱水的成本。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)基于能品位的成本分?jǐn)偡椒ǜ荏w現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)的定價(jià)原則。
冷熱電聯(lián)供； 成本分?jǐn)?；?jīng)濟(jì)； 能品位
0 引言
目前環(huán)境污染與能源危機(jī)已成為全球性問題，而在我國的能源系統(tǒng)中仍然以傳統(tǒng)的分供式能源系統(tǒng)為主。為了緩解能源危機(jī)以及空氣污染等問題，以生物質(zhì)為燃料的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)利用能源的階梯利用原理提高了能源利用效率，與傳統(tǒng)的分供系統(tǒng)相比冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)、靈活和環(huán)保[1]。由于目前的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要以天然氣和液化石油氣等一次能源為主，而我國一次能源相對短缺[2]，為了緩解能源壓力改善環(huán)境質(zhì)量尋求一種可再生替代能源勢在必行。生物質(zhì)能源在我國含量非常豐富而且與系統(tǒng)的匹配性較好，非常適合作為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的能源輸入。目前對于生物質(zhì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，主要集中在可行性分析、技術(shù)利用形式及其存在的主要障礙、政策等方面的討論[3]。
由于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的冷、熱、電3種產(chǎn)品有品質(zhì)差異，所以對系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的評價(jià)和優(yōu)化是研究的重點(diǎn)難點(diǎn)。經(jīng)濟(jì)分析方法通過計(jì)算各產(chǎn)品生產(chǎn)成本，有統(tǒng)一量化能量品質(zhì)差異的潛力，成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。多產(chǎn)品成本分?jǐn)偸墙?jīng)濟(jì)學(xué)分析的重要環(huán)節(jié)，文獻(xiàn)[4]根據(jù)F-P準(zhǔn)則[5]進(jìn)行了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的多產(chǎn)品成本分?jǐn)傃芯?，但該方法只考慮了成本與量的關(guān)系而忽略了產(chǎn)品品質(zhì)的差異，所以有一定的局限性。文獻(xiàn)[6]提出了流貢獻(xiàn)度的成本分?jǐn)偡椒?，雖然該方法能反映出產(chǎn)品的品質(zhì)差異，但是該方法在定義貢獻(xiàn)度時人為因素較多，也存在局限性。此外，文獻(xiàn)[7-8]也分別提出按能級相近最大化相供策略和后進(jìn)先出法建立輔助方程，不過這些方法在成本分?jǐn)倳r都沒有將能量品質(zhì)與其單位成本結(jié)合起來，也不能充分反映經(jīng)濟(jì)學(xué)中優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)的原則。在前人研究的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[9]提出了基于能的品位概念的成本分析方法，與傳統(tǒng)的分?jǐn)偡椒ㄏ啾雀侠?，但是在運(yùn)用到具體系統(tǒng)的運(yùn)算中時仍然會存在一些不合理的因素，比如乏氣的成本分?jǐn)倖栴}等。
1 系統(tǒng)流程
1.1系統(tǒng)流程概述
圖1所示為生物質(zhì)氣化冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)主要有汽化爐、氣體凈化裝置、內(nèi)燃機(jī)、吸收式制冷機(jī)組以及換熱器這些裝置組成。首先，生物質(zhì)被送到汽化爐中進(jìn)行一系列化學(xué)反應(yīng)生成生物質(zhì)氣。隨后這些包含大量雜質(zhì)的生物質(zhì)氣先經(jīng)過熱管式換熱器進(jìn)行降溫處理，然后進(jìn)入到氣體凈化裝置經(jīng)過干燥、洗滌、除塵等一系列凈化處理產(chǎn)生潔凈的生物質(zhì)氣。潔凈的生物質(zhì)氣被送到氣體儲存裝置中進(jìn)行儲存和利用。隨后儲存裝置中的生物質(zhì)氣被分成兩路，一路通入內(nèi)燃機(jī)作為內(nèi)燃機(jī)燃料發(fā)動內(nèi)燃機(jī)做功發(fā)電，同時內(nèi)燃機(jī)的缸套水接入板式換熱器加熱給水為用戶提供生活用水。內(nèi)燃機(jī)排出的高溫氣體通入到吸收式制冷機(jī)組用于驅(qū)動機(jī)組運(yùn)行。另外一路生物質(zhì)氣接入吸收式制冷機(jī)組，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)煙氣量不足時作為補(bǔ)燃?xì)怏w驅(qū)動制冷機(jī)組。制冷機(jī)組產(chǎn)生的冷、熱和生活熱水可根據(jù)不同需求提供給用戶。系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。
圖1 基于生物質(zhì)-空氣氣化的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)
表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)表
1.2運(yùn)行模式
該研究主要介紹了系統(tǒng)在夏季、冬季和過渡季3種運(yùn)行工況。夏季工況時，打開閥門V1，V2以及V10，V11，關(guān)閉其他閥門，此工況下吸收式制冷機(jī)組由3部分能量驅(qū)動，從管式換熱器回收的熱量、內(nèi)燃機(jī)高溫尾氣以及生物質(zhì)氣的燃燒。系統(tǒng)產(chǎn)出電、冷凍水和生活熱水。
冬季工況下打開閥門V3，V4，V8和V9，關(guān)閉其他閥門。與夏季不同的是冬季工況下吸收式制冷機(jī)組由2種熱源驅(qū)動，一種是生物質(zhì)氣燃燒，另一種是內(nèi)燃機(jī)的高溫?zé)煔?。此時熱管式換熱器用于預(yù)熱采暖回水。該系統(tǒng)在冬季工況下產(chǎn)出電、生活熱水、以及采暖用水。
過渡季工況時打開閥門V5和V6，關(guān)閉其他閥門。此時吸收式制冷機(jī)組只由內(nèi)燃機(jī)高溫尾氣驅(qū)動，自來水直接與板式換熱器換熱，被預(yù)熱的自來水進(jìn)入吸收式制冷機(jī)組的高溫發(fā)生器再次加熱達(dá)到生活用水的溫度。過渡季工況下系統(tǒng)只產(chǎn)生電和生活熱水。
基于熱力學(xué)第一第二定律對該系統(tǒng)進(jìn)行熱力計(jì)算，得出設(shè)計(jì)工況下各個狀態(tài)點(diǎn)的和品位的數(shù)值如表2所示。
表2 設(shè)計(jì)工況各狀態(tài)點(diǎn)的和品位的數(shù)值
表2 設(shè)計(jì)工況各狀態(tài)點(diǎn)的和品位的數(shù)值
狀態(tài)點(diǎn)制冷工況制熱工況過渡季工況/MW品位/MW品位/MW品位15 9761 1564 2111 1563 4581 15620000003000000400000052 0340 8301 4400 8301 1970 83161 9700 8531 3880 8531 1970 83171 9410 8921 3680 8921 1370 89281 1370 8921 1370 8921 1370 89290 8040 8920 2310 89500100 2530 6550 2530 6550 2530 655110 2091 1000 1471 0970 1221 099120 4461 0000 4461 0000 4461 000130 054-0 0210 0840 047--140 146-0 0330 1470 062--150 0820 0890 0840 04700
續(xù)表2
2 基于能品位的經(jīng)濟(jì)方法
2.1經(jīng)濟(jì)費(fèi)用平衡方程
(1)
費(fèi)用平衡方程[5]：
(2)
(3)
(4)
(5)
式中：Zk是k單元的投資成本；τ為年運(yùn)行小時數(shù)；γk表示固定費(fèi)用占初始投資成本的比例系數(shù)；β為資本回收系數(shù)，可表示為：
(6)
式中：i是年利率；n為系統(tǒng)壽命。關(guān)于系統(tǒng)初投資費(fèi)用以及運(yùn)行參數(shù)如表3所示。
表3 聯(lián)供系統(tǒng)初投資及運(yùn)行參數(shù)
2.2基于能品位的成本分?jǐn)偰Ｐ?/p>
以往產(chǎn)品成本分?jǐn)偟难芯糠椒ㄍǔＪ歉鶕?jù)燃料-產(chǎn)品(F-P)準(zhǔn)則[5]。F準(zhǔn)則表明對同一流，在部件中損失的部分的單位成本應(yīng)當(dāng)與進(jìn)出口的的單位成本相同，P準(zhǔn)則表明部件的所有產(chǎn)品的單位成本相同。根據(jù)F-P準(zhǔn)則對圖2系統(tǒng)有如下關(guān)系：
c12=c10=c17-18
(7)
(8)
式中：c12、c10、c17-18分別是內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、高溫?zé)煔庖约案滋姿畵Q熱部分的單位成本分別是進(jìn)出吸收式制冷機(jī)組的煙氣的單位成本。
圖2 內(nèi)燃機(jī)和制冷機(jī)組串聯(lián)的費(fèi)用流模型
上述方法顯然違背了優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)的原則，因?yàn)橥环N能量其溫度的不同決定了其品位的不同，所以單位成本必定不相同。能的品位是反映能轉(zhuǎn)化為有用功能力的度量，反映了能量的品質(zhì)[13]，其定義[14]式如下：
(9)
式中：dE為能量傳遞過程的變化；dH為能量傳遞過程的焓變化；dS為能量傳遞過程的熵變化；A為能量的品位；T0=273.15 K。
所以，將品位這一概念融合到產(chǎn)品成本分?jǐn)傊腥ワ@得更為合理。針對圖2的系統(tǒng)，融合品位后對原研究方法進(jìn)行修正如下：
(10)
式中：A12，A10和A17-18分別是電、乏氣和缸套水的品位。在計(jì)算過程中往往會遇到像A17-18這樣的熱以及A13-14這種冷的品位計(jì)算[15]，其計(jì)算方法分別如下：
(11)
(12)
式中：m和cp分別是工質(zhì)的質(zhì)量流量和比熱；T17和T18分別是缸套水給回水的溫度(T17>T18)；T14和T13分別是冷凍水給回水的溫度(T14由于該部分煙氣直接排到環(huán)境中去，沒有再被利用，所以就本系統(tǒng)而言這部分煙氣是沒有價(jià)值的，不能按照產(chǎn)品去計(jì)算。另外，如果這部分煙氣繼續(xù)被后續(xù)設(shè)備或者環(huán)節(jié)所利用，則其成本不能按0來計(jì)算，于是在本文的研究中提出了乏氣的成本分?jǐn)偡椒?，把這部分的成本分?jǐn)偟狡渌a(chǎn)品中去。因?yàn)槭莾?nèi)燃機(jī)排出并被吸收式制冷機(jī)組所利用，所以乏氣這部分的費(fèi)用應(yīng)該由內(nèi)燃機(jī)和制冷機(jī)組共同分?jǐn)?。對原方法進(jìn)行再次修正。將內(nèi)燃機(jī)煙氣單位成本c10應(yīng)該改為c10-111，所以對圖2系統(tǒng)針對乏氣分?jǐn)傂薷妮o助方程如下：
內(nèi)燃機(jī)：
(13)
吸收式制冷機(jī)組：
(14)
式中：c10-111是內(nèi)燃機(jī)煙氣在狀態(tài)點(diǎn)10～11之間的單位成本；A10-111是其對應(yīng)的品位；c111-111和A111-111分別是乏氣的相對單位成本和相對品位。
2.3系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)方程
對于整個系統(tǒng)的費(fèi)用平衡方程及輔助方程(夏季工況)如下：
汽化爐：
(15)
(16)
熱管式換熱器：
(17)
(18)
氣體凈化裝置：
(19)
吸收式制冷機(jī)組：
(21)
(22)
(23)
內(nèi)燃機(jī)：
(24)
(25)
(26)
板式換熱器：
(27)
(28)
分離點(diǎn)：
(29)
(30)
與夏季工況相比，冬季和過度季工況只在吸收式制冷機(jī)組的運(yùn)行條件以及生物質(zhì)的供給量上發(fā)生改變，系統(tǒng)其他設(shè)備的運(yùn)行并未發(fā)生變化。所以針對吸收式制冷機(jī)組在冬季和過渡季工況下的費(fèi)用平衡方程以及輔助方程列寫如下：
冬季工況：
(31)
(32)
(33)
過渡季：
(34)
(35)
3 結(jié)果與討論
3.1系統(tǒng)熱力性能
為了對系統(tǒng)及其設(shè)備進(jìn)一步的優(yōu)化提供理論依據(jù)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)分別對系統(tǒng)做能效率和效率分析。該系統(tǒng)的能效率和效率計(jì)算如下所示[16]
(36)
(37)
式中：ηen,ηex分別為能效率和效率；E為輸出電能；Q為能量；Ex為量，下標(biāo)12、13-14、14-16、26和1分別表示系統(tǒng)輸出的電、冷、采暖熱水、生活熱水和生物質(zhì)。
針對表1所列的設(shè)計(jì)工況參數(shù)，可得：夏季工況下系統(tǒng)的熱效率最高，約為50%，但效率最低約為6.2%。在冬季供暖工況下，系統(tǒng)熱效率小于夏季而效率大于夏季，因?yàn)槎竟r下制冷機(jī)組的COP低于夏季，導(dǎo)致其能量損失和損失較夏季高。冬季工況下系統(tǒng)的能效率和效率分別為37.8%和12.5%；過渡季工況下系統(tǒng)的效率最高為13.8%,熱效率最低為37%。
3.2聯(lián)供系統(tǒng)多產(chǎn)品成本分?jǐn)偨Y(jié)果
首先通過對比2種不同研究方法下內(nèi)燃機(jī)3種產(chǎn)品(電，乏氣，缸套水)的成本區(qū)別如圖3所示，在之前的研究中[4]對于多產(chǎn)品的成本分?jǐn)偡椒ㄊ且罁?jù)F-P準(zhǔn)則，即只考慮和能對成本的影響，所以對于同一部件來說其不同產(chǎn)品的單位成本是一樣的，正如圖3中所示，對于內(nèi)燃機(jī)其電、乏氣和缸套水單位成本都為0.41元/kW·h。但是由于3種產(chǎn)品的能量品位是不同的，電的品位最高為1.00，缸套水的品位最低為0.18。因此運(yùn)用基于能品位的經(jīng)濟(jì)方法的計(jì)算結(jié)果分別為0.55, 0.27, 0.10元/kW·h(電，乏氣，缸套水)。顯然修正后的方法更符合優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)的原則，同時也驗(yàn)證了該方法的可靠性。
圖3 基于能品位的經(jīng)濟(jì)方法的對比論證
圖4，圖5，圖6分別為運(yùn)用修正后的方法計(jì)算3種工況下的結(jié)果，由此可以得出3種工況下電的單位成本約為0.6元/kW·h，較之前相比有所提升，原因主要有兩點(diǎn)：首先是因?yàn)榉獬杀镜姆謹(jǐn)?，其次電的能量品位最高。冷凍?采暖水)是多產(chǎn)品單位成本最高的一種產(chǎn)品，主要是因?yàn)槲帐街评錂C(jī)組等設(shè)備的投資和維護(hù)成本的增加。夏季和冬季工況下的生活熱水成本較之前有明顯的下降，大約為0.41元/kW·h。其主要原因是生活熱水的品位最低，大部分成本被電和內(nèi)燃機(jī)的乏氣所分?jǐn)偂＿^渡季工況下的生活熱水成本最高約為3.6元/kW·h，因?yàn)樵谶^渡季工況下生活熱水的能量來源除了內(nèi)燃機(jī)缸套水換熱之外還有部分是來自制冷機(jī)組的，所以由于設(shè)備的投資和維護(hù)成本的原因這部分能量的成本是會增加的。不管是哪種成本分?jǐn)偡椒ㄗ詈笙到y(tǒng)的總成本是一樣的。
圖4 夏季工況
圖5 冬季工況圖
圖6 過渡季工況
3.3敏感性分析
冷熱電成本隨生物質(zhì)成本變化的曲線如圖7所示，從圖中可看出：電、冷凍水和生活熱水的單位成本均隨著生物質(zhì)單價(jià)的增大而增大，且呈線性關(guān)系。3個產(chǎn)品單位成本變化的速率不同，冷凍水變化率最大，電和生活熱水的變化率均較小，說明冷凍水的單位成本對生物質(zhì)單價(jià)的變化最敏感，電和生活熱水的單位成本對生物質(zhì)單價(jià)的變化較不敏感。
圖7 生物質(zhì)成本對冷熱電成本的影響
圖8 系統(tǒng)運(yùn)行時間系數(shù)對冷熱電成本的影響
4 結(jié)論
本文采用基于能的品位的成本分?jǐn)偡椒▽ι镔|(zhì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的電、冷凍水、供暖熱水和生活熱水等不同產(chǎn)品的單位成本進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：
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Cost Allocation of Biomass Combined Cooling Heating and Power System Based on Energy Level
LI Meng， WANG Jiangjiang
(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)
Integrating the combined cooling heating and power (CCHP) systems with renewable energy is a sustainable means for simultaneously using renewable energy and improving energy utilization efficiency. A combined cooling heating and power system based on biomass gasification is proposed according to the energy cascade utilization principle. The three operation modes are presented, namely summer, winter and transition season work conditions. The system thermodynamic performances are analyzed. Then, an exergoeconomic methodology based on energy levels is proposed to analyze the cost allocations of electricity, chilled water (heating hot water), and domestic hot water from the biomass CCHP system in different work conditions. Compared with previous methods, the proposed method based on energy levels is more reasonable, which embodies and accords with the principle of higher quality with higher cost.
combined cooling heating and power; cost allocation; exergoeconomic analysis; energy level
10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.10.005
TM611
A
1672-0792(2017)10-0026-08
2017-05-15。
國家自然科學(xué)基金(51406054)。
李猛(1992-)，碩士研究生，研究方向?yàn)榉植际焦┠芘c多能互補(bǔ)供能。王江江(1979-)，博士，副教授，主要從事分布式供能與可再生能源利用方面的研究。
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李 猛， 王江江
(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)
基于能品位的生物質(zhì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)成本分?jǐn)傃芯?/p>
李 猛， 王江江
(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)
基于可再生能源的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是一種擴(kuò)展可再生能源應(yīng)用并提高能效的有效方法?；谀芰刻菁壚迷?，提出了一種基于生物質(zhì)-空氣氣化的冷熱電聯(lián)供集成系統(tǒng)，分析了夏季、冬季及過渡季不同運(yùn)行工況下的運(yùn)行模式，依據(jù)熱力學(xué)第一和第二定律對系統(tǒng)進(jìn)行了熱力性能分析。為了合理確定聯(lián)供系統(tǒng)的產(chǎn)品成本分?jǐn)偅岢隽艘环N基于能品位的經(jīng)濟(jì)方法，建立了生物質(zhì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的成本分?jǐn)偰Ｐ停玫搅瞬煌\(yùn)行工況下的電、冷凍水(供暖熱水)和生活熱水的成本。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)基于能品位的成本分?jǐn)偡椒ǜ荏w現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)的定價(jià)原則。
冷熱電聯(lián)供； 成本分?jǐn)?；?jīng)濟(jì)； 能品位
0 引言
目前環(huán)境污染與能源危機(jī)已成為全球性問題，而在我國的能源系統(tǒng)中仍然以傳統(tǒng)的分供式能源系統(tǒng)為主。為了緩解能源危機(jī)以及空氣污染等問題，以生物質(zhì)為燃料的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)利用能源的階梯利用原理提高了能源利用效率，與傳統(tǒng)的分供系統(tǒng)相比冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)、靈活和環(huán)保[1]。由于目前的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要以天然氣和液化石油氣等一次能源為主，而我國一次能源相對短缺[2]，為了緩解能源壓力改善環(huán)境質(zhì)量尋求一種可再生替代能源勢在必行。生物質(zhì)能源在我國含量非常豐富而且與系統(tǒng)的匹配性較好，非常適合作為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的能源輸入。目前對于生物質(zhì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，主要集中在可行性分析、技術(shù)利用形式及其存在的主要障礙、政策等方面的討論[3]。
由于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的冷、熱、電3種產(chǎn)品有品質(zhì)差異，所以對系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的評價(jià)和優(yōu)化是研究的重點(diǎn)難點(diǎn)。經(jīng)濟(jì)分析方法通過計(jì)算各產(chǎn)品生產(chǎn)成本，有統(tǒng)一量化能量品質(zhì)差異的潛力，成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。多產(chǎn)品成本分?jǐn)偸墙?jīng)濟(jì)學(xué)分析的重要環(huán)節(jié)，文獻(xiàn)[4]根據(jù)F-P準(zhǔn)則[5]進(jìn)行了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的多產(chǎn)品成本分?jǐn)傃芯?，但該方法只考慮了成本與量的關(guān)系而忽略了產(chǎn)品品質(zhì)的差異，所以有一定的局限性。文獻(xiàn)[6]提出了流貢獻(xiàn)度的成本分?jǐn)偡椒?，雖然該方法能反映出產(chǎn)品的品質(zhì)差異，但是該方法在定義貢獻(xiàn)度時人為因素較多，也存在局限性。此外，文獻(xiàn)[7-8]也分別提出按能級相近最大化相供策略和后進(jìn)先出法建立輔助方程，不過這些方法在成本分?jǐn)倳r都沒有將能量品質(zhì)與其單位成本結(jié)合起來，也不能充分反映經(jīng)濟(jì)學(xué)中優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)的原則。在前人研究的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[9]提出了基于能的品位概念的成本分析方法，與傳統(tǒng)的分?jǐn)偡椒ㄏ啾雀侠?，但是在運(yùn)用到具體系統(tǒng)的運(yùn)算中時仍然會存在一些不合理的因素，比如乏氣的成本分?jǐn)倖栴}等。
1 系統(tǒng)流程
1.1系統(tǒng)流程概述
圖1所示為生物質(zhì)氣化冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)主要有汽化爐、氣體凈化裝置、內(nèi)燃機(jī)、吸收式制冷機(jī)組以及換熱器這些裝置組成。首先，生物質(zhì)被送到汽化爐中進(jìn)行一系列化學(xué)反應(yīng)生成生物質(zhì)氣。隨后這些包含大量雜質(zhì)的生物質(zhì)氣先經(jīng)過熱管式換熱器進(jìn)行降溫處理，然后進(jìn)入到氣體凈化裝置經(jīng)過干燥、洗滌、除塵等一系列凈化處理產(chǎn)生潔凈的生物質(zhì)氣。潔凈的生物質(zhì)氣被送到氣體儲存裝置中進(jìn)行儲存和利用。隨后儲存裝置中的生物質(zhì)氣被分成兩路，一路通入內(nèi)燃機(jī)作為內(nèi)燃機(jī)燃料發(fā)動內(nèi)燃機(jī)做功發(fā)電，同時內(nèi)燃機(jī)的缸套水接入板式換熱器加熱給水為用戶提供生活用水。內(nèi)燃機(jī)排出的高溫氣體通入到吸收式制冷機(jī)組用于驅(qū)動機(jī)組運(yùn)行。另外一路生物質(zhì)氣接入吸收式制冷機(jī)組，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)煙氣量不足時作為補(bǔ)燃?xì)怏w驅(qū)動制冷機(jī)組。制冷機(jī)組產(chǎn)生的冷、熱和生活熱水可根據(jù)不同需求提供給用戶。系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。
圖1 基于生物質(zhì)-空氣氣化的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)
表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)表
1.2運(yùn)行模式
該研究主要介紹了系統(tǒng)在夏季、冬季和過渡季3種運(yùn)行工況。夏季工況時，打開閥門V1，V2以及V10，V11，關(guān)閉其他閥門，此工況下吸收式制冷機(jī)組由3部分能量驅(qū)動，從管式換熱器回收的熱量、內(nèi)燃機(jī)高溫尾氣以及生物質(zhì)氣的燃燒。系統(tǒng)產(chǎn)出電、冷凍水和生活熱水。
冬季工況下打開閥門V3，V4，V8和V9，關(guān)閉其他閥門。與夏季不同的是冬季工況下吸收式制冷機(jī)組由2種熱源驅(qū)動，一種是生物質(zhì)氣燃燒，另一種是內(nèi)燃機(jī)的高溫?zé)煔?。此時熱管式換熱器用于預(yù)熱采暖回水。該系統(tǒng)在冬季工況下產(chǎn)出電、生活熱水、以及采暖用水。
過渡季工況時打開閥門V5和V6，關(guān)閉其他閥門。此時吸收式制冷機(jī)組只由內(nèi)燃機(jī)高溫尾氣驅(qū)動，自來水直接與板式換熱器換熱，被預(yù)熱的自來水進(jìn)入吸收式制冷機(jī)組的高溫發(fā)生器再次加熱達(dá)到生活用水的溫度。過渡季工況下系統(tǒng)只產(chǎn)生電和生活熱水。
基于熱力學(xué)第一第二定律對該系統(tǒng)進(jìn)行熱力計(jì)算，得出設(shè)計(jì)工況下各個狀態(tài)點(diǎn)的和品位的數(shù)值如表2所示。
表2 設(shè)計(jì)工況各狀態(tài)點(diǎn)的和品位的數(shù)值
表2 設(shè)計(jì)工況各狀態(tài)點(diǎn)的和品位的數(shù)值
狀態(tài)點(diǎn)制冷工況制熱工況過渡季工況/MW品位/MW品位/MW品位15 9761 1564 2111 1563 4581 15620000003000000400000052 0340 8301 4400 8301 1970 83161 9700 8531 3880 8531 1970 83171 9410 8921 3680 8921 1370 89281 1370 8921 1370 8921 1370 89290 8040 8920 2310 89500100 2530 6550 2530 6550 2530 655110 2091 1000 1471 0970 1221 099120 4461 0000 4461 0000 4461 000130 054-0 0210 0840 047--140 146-0 0330 1470 062--150 0820 0890 0840 04700
續(xù)表2
2 基于能品位的經(jīng)濟(jì)方法
2.1經(jīng)濟(jì)費(fèi)用平衡方程
(1)
費(fèi)用平衡方程[5]：
(2)
(3)
(4)
(5)
式中：Zk是k單元的投資成本；τ為年運(yùn)行小時數(shù)；γk表示固定費(fèi)用占初始投資成本的比例系數(shù)；β為資本回收系數(shù)，可表示為：
(6)
式中：i是年利率；n為系統(tǒng)壽命。關(guān)于系統(tǒng)初投資費(fèi)用以及運(yùn)行參數(shù)如表3所示。
表3 聯(lián)供系統(tǒng)初投資及運(yùn)行參數(shù)
2.2基于能品位的成本分?jǐn)偰Ｐ?/p>
以往產(chǎn)品成本分?jǐn)偟难芯糠椒ㄍǔＪ歉鶕?jù)燃料-產(chǎn)品(F-P)準(zhǔn)則[5]。F準(zhǔn)則表明對同一流，在部件中損失的部分的單位成本應(yīng)當(dāng)與進(jìn)出口的的單位成本相同，P準(zhǔn)則表明部件的所有產(chǎn)品的單位成本相同。根據(jù)F-P準(zhǔn)則對圖2系統(tǒng)有如下關(guān)系：
c12=c10=c17-18
(7)
(8)
式中：c12、c10、c17-18分別是內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、高溫?zé)煔庖约案滋姿畵Q熱部分的單位成本分別是進(jìn)出吸收式制冷機(jī)組的煙氣的單位成本。
圖2 內(nèi)燃機(jī)和制冷機(jī)組串聯(lián)的費(fèi)用流模型
上述方法顯然違背了優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)的原則，因?yàn)橥环N能量其溫度的不同決定了其品位的不同，所以單位成本必定不相同。能的品位是反映能轉(zhuǎn)化為有用功能力的度量，反映了能量的品質(zhì)[13]，其定義[14]式如下：
(9)
式中：dE為能量傳遞過程的變化；dH為能量傳遞過程的焓變化；dS為能量傳遞過程的熵變化；A為能量的品位；T0=273.15 K。
所以，將品位這一概念融合到產(chǎn)品成本分?jǐn)傊腥ワ@得更為合理。針對圖2的系統(tǒng)，融合品位后對原研究方法進(jìn)行修正如下：
(10)
式中：A12，A10和A17-18分別是電、乏氣和缸套水的品位。在計(jì)算過程中往往會遇到像A17-18這樣的熱以及A13-14這種冷的品位計(jì)算[15]，其計(jì)算方法分別如下：
(11)
(12)
式中：m和cp分別是工質(zhì)的質(zhì)量流量和比熱；T17和T18分別是缸套水給回水的溫度(T17>T18)；T14和T13分別是冷凍水給回水的溫度(T14 由于該部分煙氣直接排到環(huán)境中去，沒有再被利用，所以就本系統(tǒng)而言這部分煙氣是沒有價(jià)值的，不能按照產(chǎn)品去計(jì)算。另外，如果這部分煙氣繼續(xù)被后續(xù)設(shè)備或者環(huán)節(jié)所利用，則其成本不能按0來計(jì)算，于是在本文的研究中提出了乏氣的成本分?jǐn)偡椒?，把這部分的成本分?jǐn)偟狡渌a(chǎn)品中去。因?yàn)槭莾?nèi)燃機(jī)排出并被吸收式制冷機(jī)組所利用，所以乏氣這部分的費(fèi)用應(yīng)該由內(nèi)燃機(jī)和制冷機(jī)組共同分?jǐn)?。對原方法進(jìn)行再次修正。將內(nèi)燃機(jī)煙氣單位成本c10應(yīng)該改為c10-111，所以對圖2系統(tǒng)針對乏氣分?jǐn)傂薷妮o助方程如下： 內(nèi)燃機(jī)： (13) 吸收式制冷機(jī)組： (14) 式中：c10-111是內(nèi)燃機(jī)煙氣在狀態(tài)點(diǎn)10～11之間的單位成本；A10-111是其對應(yīng)的品位；c111-111和A111-111分別是乏氣的相對單位成本和相對品位。 2.3系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)方程 對于整個系統(tǒng)的費(fèi)用平衡方程及輔助方程(夏季工況)如下： 汽化爐： (15) (16) 熱管式換熱器： (17) (18) 氣體凈化裝置： (19) 吸收式制冷機(jī)組： (21) (22) (23) 內(nèi)燃機(jī)： (24) (25) (26) 板式換熱器： (27) (28) 分離點(diǎn)： (29) (30) 與夏季工況相比，冬季和過度季工況只在吸收式制冷機(jī)組的運(yùn)行條件以及生物質(zhì)的供給量上發(fā)生改變，系統(tǒng)其他設(shè)備的運(yùn)行并未發(fā)生變化。所以針對吸收式制冷機(jī)組在冬季和過渡季工況下的費(fèi)用平衡方程以及輔助方程列寫如下： 冬季工況： (31) (32) (33) 過渡季： (34) (35) 3.1系統(tǒng)熱力性能 為了對系統(tǒng)及其設(shè)備進(jìn)一步的優(yōu)化提供理論依據(jù)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)分別對系統(tǒng)做能效率和效率分析。該系統(tǒng)的能效率和效率計(jì)算如下所示[16] (36) (37) 式中：ηen,ηex分別為能效率和效率；E為輸出電能；Q為能量；Ex為量，下標(biāo)12、13-14、14-16、26和1分別表示系統(tǒng)輸出的電、冷、采暖熱水、生活熱水和生物質(zhì)。 針對表1所列的設(shè)計(jì)工況參數(shù)，可得：夏季工況下系統(tǒng)的熱效率最高，約為50%，但效率最低約為6.2%。在冬季供暖工況下，系統(tǒng)熱效率小于夏季而效率大于夏季，因?yàn)槎竟r下制冷機(jī)組的COP低于夏季，導(dǎo)致其能量損失和損失較夏季高。冬季工況下系統(tǒng)的能效率和效率分別為37.8%和12.5%；過渡季工況下系統(tǒng)的效率最高為13.8%,熱效率最低為37%。 3.2聯(lián)供系統(tǒng)多產(chǎn)品成本分?jǐn)偨Y(jié)果 首先通過對比2種不同研究方法下內(nèi)燃機(jī)3種產(chǎn)品(電，乏氣，缸套水)的成本區(qū)別如圖3所示，在之前的研究中[4]對于多產(chǎn)品的成本分?jǐn)偡椒ㄊ且罁?jù)F-P準(zhǔn)則，即只考慮和能對成本的影響，所以對于同一部件來說其不同產(chǎn)品的單位成本是一樣的，正如圖3中所示，對于內(nèi)燃機(jī)其電、乏氣和缸套水單位成本都為0.41元/kW·h。但是由于3種產(chǎn)品的能量品位是不同的，電的品位最高為1.00，缸套水的品位最低為0.18。因此運(yùn)用基于能品位的經(jīng)濟(jì)方法的計(jì)算結(jié)果分別為0.55, 0.27, 0.10元/kW·h(電，乏氣，缸套水)。顯然修正后的方法更符合優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)的原則，同時也驗(yàn)證了該方法的可靠性。 圖3 基于能品位的經(jīng)濟(jì)方法的對比論證 圖4，圖5，圖6分別為運(yùn)用修正后的方法計(jì)算3種工況下的結(jié)果，由此可以得出3種工況下電的單位成本約為0.6元/kW·h，較之前相比有所提升，原因主要有兩點(diǎn)：首先是因?yàn)榉獬杀镜姆謹(jǐn)?，其次電的能量品位最高。冷凍?采暖水)是多產(chǎn)品單位成本最高的一種產(chǎn)品，主要是因?yàn)槲帐街评錂C(jī)組等設(shè)備的投資和維護(hù)成本的增加。夏季和冬季工況下的生活熱水成本較之前有明顯的下降，大約為0.41元/kW·h。其主要原因是生活熱水的品位最低，大部分成本被電和內(nèi)燃機(jī)的乏氣所分?jǐn)偂＿^渡季工況下的生活熱水成本最高約為3.6元/kW·h，因?yàn)樵谶^渡季工況下生活熱水的能量來源除了內(nèi)燃機(jī)缸套水換熱之外還有部分是來自制冷機(jī)組的，所以由于設(shè)備的投資和維護(hù)成本的原因這部分能量的成本是會增加的。不管是哪種成本分?jǐn)偡椒ㄗ詈笙到y(tǒng)的總成本是一樣的。 圖4 夏季工況 圖5 冬季工況圖 圖6 過渡季工況 3.3敏感性分析 冷熱電成本隨生物質(zhì)成本變化的曲線如圖7所示，從圖中可看出：電、冷凍水和生活熱水的單位成本均隨著生物質(zhì)單價(jià)的增大而增大，且呈線性關(guān)系。3個產(chǎn)品單位成本變化的速率不同，冷凍水變化率最大，電和生活熱水的變化率均較小，說明冷凍水的單位成本對生物質(zhì)單價(jià)的變化最敏感，電和生活熱水的單位成本對生物質(zhì)單價(jià)的變化較不敏感。 圖7 生物質(zhì)成本對冷熱電成本的影響 圖8 系統(tǒng)運(yùn)行時間系數(shù)對冷熱電成本的影響 本文采用基于能的品位的成本分?jǐn)偡椒▽ι镔|(zhì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的電、冷凍水、供暖熱水和生活熱水等不同產(chǎn)品的單位成本進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論： [1] 金紅光, 鄭丹星, 徐建中. 分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)裝置及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社， 2010. 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Then, an exergoeconomic methodology based on energy levels is proposed to analyze the cost allocations of electricity, chilled water (heating hot water), and domestic hot water from the biomass CCHP system in different work conditions. Compared with previous methods, the proposed method based on energy levels is more reasonable, which embodies and accords with the principle of higher quality with higher cost. combined cooling heating and power; cost allocation; exergoeconomic analysis; energy level 10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.10.005 TM611 A 1672-0792(2017)10-0026-08 2017-05-15。 國家自然科學(xué)基金(51406054)。 李猛(1992-)，碩士研究生，研究方向?yàn)榉植际焦┠芘c多能互補(bǔ)供能。王江江(1979-)，博士，副教授，主要從事分布式供能與可再生能源利用方面的研究。3 結(jié)果與討論
4 結(jié)論
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