陳靖，江婷，徐靜靜，胡永鋒，李躍，劉廣宇

(1.中國華電科工集團有限公司，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。天然氣分布式能源系統(tǒng)利用先進的燃氣輪機或燃氣內(nèi)燃機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)境負面影響小，提高能源供應(yīng)可靠性高和經(jīng)濟效益好的特點。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，不同形式的能源會影響系統(tǒng)的裝機選型及經(jīng)濟性。

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)案例進行經(jīng)濟性分析，黃錦濤等[6]對微型燃氣輪機、內(nèi)燃機、燃料電池和小型燃氣輪機的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)從初投資、運行維護費用、系統(tǒng)效率等方面進行了對比，并對上述4種系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行了計算和分析，結(jié)果表明影響微型燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機、小型燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)系統(tǒng)的主要因素有天然氣價格 、電價、熱價和年供熱天數(shù)。袁家海等[7]以各省省會城市的商業(yè)電價作為比較基準，評價冷熱電聯(lián)產(chǎn)(CCHP)系統(tǒng)在該省份是否具有經(jīng)濟性，并對相關(guān)影響因素進行敏感性分析。分析表明，在中國中東部發(fā)達地區(qū)，CCHP系統(tǒng)具有一定經(jīng)濟性，CCHP平準化發(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]建立分布式能源項目通用技術(shù)經(jīng)濟評價方法，并對某實際項目進行經(jīng)濟指標分析、關(guān)鍵影響因素敏感性分析以及項目風(fēng)險分析，形成指導(dǎo)分布式能源項目投資決策的實際案例。目前，國外學(xué)者[9-10]大多針對新型的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行性能和經(jīng)濟性分析，Kasra等人[11]研究了以耦合空氣底循環(huán)的燃氣輪機循環(huán)系統(tǒng)，并討論了耦合有機朗肯循環(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)負荷分析討論系統(tǒng)裝機配置，最后對該冷熱電蒸汽四聯(lián)供系統(tǒng)進行經(jīng)濟性分析，并對影響其主要經(jīng)濟性指標的影響因素進行敏感性分析，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)冷熱蒸汽負荷分析

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

圖1 典型日逐時冷負荷變化

圖2 延時冷負荷變化

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

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

圖3 典型日逐時冷負荷變化

圖4 延時冷負荷變化

園區(qū)蒸汽負荷需求情況見表1。由表1可知，蒸汽熱負荷最大為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)計規(guī)范》(CJJ 34—2010)，生產(chǎn)熱負荷同時使用系數(shù)可取0.6～0.9?？紤]園區(qū)內(nèi)涉及的行業(yè)類別各不相同，故生產(chǎn)熱負荷同時使用系數(shù)取0.7。設(shè)計能源站的設(shè)計工業(yè)蒸汽熱負荷需求為25.55 t/h。

表1 蒸汽負荷需求

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)電機形式有燃氣輪機加各種形式的余熱吸收式溴化鋰機組。發(fā)電機組與余熱機相結(jié)合可以組成不同的工藝形式，發(fā)電機組的煙氣通過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽或熱水再進入蒸汽或熱水型吸收式溴化鋰機組等。燃氣輪機余熱排放較為集中，適合于蒸汽需求為主的區(qū)域式分布式能源項目，同時燃氣輪機具有系統(tǒng)單位造價相對較低，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。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，采用燃氣輪機更能充分利用余熱資源。因此對應(yīng)的分布式能源系統(tǒng)考慮以燃氣輪機為原動機為園區(qū)企業(yè)提供蒸汽、冷熱等負荷。

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)的蒸汽負荷，并為辦公樓提供冷、熱負荷，發(fā)電直供，余電上網(wǎng)。根據(jù)負荷分析，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等級的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，機組裝機容量為33.244 MW，即2臺燃氣輪機13.871 MW+2臺雙壓余熱鍋爐+抽凝式汽輪機5.5 MW+1臺100萬大卡熱水型溴化鋰機組+3臺15 t/h燃氣鍋爐。余熱鍋爐和蒸汽輪機采用二拖一的模式運行。

4 財務(wù)指標

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

表2 技術(shù)經(jīng)濟指標

表2給出了整個系統(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，建筑工程費和安裝工程費之和為29%左右，說明在分布式能源系統(tǒng)中占比最大的是設(shè)備投資費用。

圖6 系統(tǒng)配置流程

目前我國的自主裝備(燃氣輪機、內(nèi)燃機)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)備費用，則分布式能源系統(tǒng)的造價將會大大降低。

5 敏感性分析

為了評價分布式能源項目的抗風(fēng)險能力，找出敏感性因素，本文對售電價、蒸汽價、靜態(tài)投資及天然氣價四個因素對項目投資財務(wù)內(nèi)部收益率及資本金內(nèi)部收益率進行敏感性分析，分別取-10%，-5%，0，5%以及10%等5個變化率，分析結(jié)果見表3。

表3 敏感性分析 %

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

圖7 項目投資財務(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、蒸汽價、靜態(tài)投資以及天然氣價對資本金內(nèi)部收益率的影響和對項目投資財務(wù)內(nèi)部收益率的影響趨勢相同。因此，調(diào)整運行狀態(tài)，降低運行成本可提高項目效益，建立售冷熱電價格與天然氣價格的聯(lián)動，可避免天然氣價格波動帶來的風(fēng)險，控制好投資，可減輕項目運營期的成本壓力。

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)蒸汽等四種負荷，通過對系統(tǒng)進行負荷分析得出系統(tǒng)配置，并對系統(tǒng)進行經(jīng)濟性分析，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)建立以燃氣輪機為主機的分布式能源系統(tǒng)，保證蒸汽負荷的穩(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，主機裝備如燃氣輪機、汽輪機的國產(chǎn)化可大大降低系統(tǒng)造價。

(3)售電價與蒸汽價與系統(tǒng)經(jīng)濟性有正相關(guān)的關(guān)系，靜態(tài)投資和天然氣價與系統(tǒng)經(jīng)濟性有負相關(guān)的關(guān)系，建立售冷熱電價格與天然氣價格的聯(lián)動機制有利于提高項目經(jīng)濟性，降低項目的運行風(fēng)險。