王學(xué)勤，鄧亞男，徐靜靜，江 婷

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

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，能源消費(fèi)總量不斷增加，能源與環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素。為應(yīng)對(duì)能源與環(huán)境、資源以及氣候變化的挑戰(zhàn)，我國(guó)政府正在研究推動(dòng)能源消費(fèi)、能源供給、能源技術(shù)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(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式已成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)科學(xué)發(fā)展的必然要求[1]。

天然氣分布式能源技術(shù)，因綜合能效高(70%以上)，CO2排放低，近零污染排放，利于電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)調(diào)峰的特點(diǎn)，已成為推進(jìn)我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命的戰(zhàn)略性備選技術(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)分布式能源站總裝機(jī)容量約1500×104kW(含已建、在建、籌建)[2]。本文依托某度假區(qū)分布式能源站項(xiàng)目，對(duì)其技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，并研究了燃?xì)鈨r(jià)格、冷價(jià)、熱價(jià)、電價(jià)等因素對(duì)能源站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響，為以后新建設(shè)的分布式能源項(xiàng)目給出一定的指導(dǎo)意見(jiàn)。

2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該分布式能源站位于某國(guó)際旅游度假區(qū)內(nèi)，向度假區(qū)內(nèi)所有娛樂(lè)設(shè)施、公共建筑和酒店等用能設(shè)施提供冷、熱、電及壓縮空氣四種能源產(chǎn)品。該項(xiàng)目采用以冷熱定電、余電上網(wǎng)的原則規(guī)劃設(shè)計(jì)，最大限度利用發(fā)電余熱制冷、制熱，充分實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用。能源站主設(shè)備采用5臺(tái)4.4MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，發(fā)電余熱通過(guò)5臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰提供園區(qū)制冷和制熱需求，同時(shí)本項(xiàng)目能源站還配備了6臺(tái)冷水機(jī)和2臺(tái)燃?xì)鉄崴仩t作為調(diào)峰設(shè)備，以及用于調(diào)節(jié)負(fù)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(biāo)分析

該能源站正式投產(chǎn)后，通過(guò)對(duì)能源站一年運(yùn)行周期內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集分析，對(duì)該能源站年平均綜合利用效率和年利用小時(shí)數(shù)等性能指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)估。在此期間，能源站采取綜合利用效率最優(yōu)的運(yùn)行模式，以能源站一次能源綜合利用效率最高為控制目標(biāo)。

3.1 負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

3.2 熱電負(fù)荷分析

分布式供能系統(tǒng)基于“以冷熱定電，自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的原則運(yùn)行，最大限度利用發(fā)電余熱制冷、制熱，充分實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用。從整個(gè)評(píng)估周期的冷熱電負(fù)荷可見(jiàn)，夏季的冷負(fù)荷需求較大，冬季的熱負(fù)荷需求較大，在過(guò)渡季，溴化鋰機(jī)組供冷和供熱則根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)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(xiàn)場(chǎng)取樣后送至有資質(zhì)的某安全和裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站對(duì)燃?xì)鉄嶂颠M(jìn)行測(cè)定，測(cè)定天然氣低位熱值為34.91 MJ/m3(表2)。

3.4 能效指標(biāo)

3.4.1 計(jì)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(jì)算：

(1)

其中：η——年平均能源綜合利用率(%)；W——年聯(lián)供系統(tǒng)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(lián)供系統(tǒng)燃?xì)饪偤牧?Nm3)；QL——燃?xì)獾臀话l(fā)熱量(MJ/Nm3)。

(2)運(yùn)行小時(shí)數(shù)。分布式供能系統(tǒng)年利用小時(shí)數(shù)計(jì)算公式如下：

(2)

其中：H——年運(yùn)行小時(shí)數(shù)(h)；W——年聯(lián)供系統(tǒng)凈輸出電量(kW·h)；KW——原動(dòng)機(jī)額定裝機(jī)容量(kW)。

(3)節(jié)能量。天然氣分布式供能項(xiàng)目年節(jié)能量計(jì)算公式如下：

Q=A-B

(3)

其中：Q—分布式供能系統(tǒng)年節(jié)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(fù)荷量統(tǒng)計(jì)

時(shí)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(jì)271922961104993445992784838302737

注：2017年2～4月系統(tǒng)余熱僅用于供熱、不制冷，系統(tǒng)凈輸出冷量按0計(jì)算

圖2 系統(tǒng)完整年度各月冷熱電負(fù)荷量表2 天然氣熱值檢測(cè)結(jié)果

序號(hào)檢測(cè)項(xiàng)目名稱(chēng)及單位檢測(cè)結(jié)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(guī)分供系統(tǒng)的一次能源消耗量(kgce)，按公式4計(jì)算；B—分布式供能系統(tǒng)的一次能源消耗量(kgce)，按公式5計(jì)算。

常規(guī)分供系統(tǒng)的一次能源消耗量計(jì)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(tǒng)供電量(kW·h)；C—分布式供能系統(tǒng)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(tǒng)供熱量(kW·h)；eref.p—到達(dá)終端用戶(hù)的供電能耗參照值(kgce/kW·h)，參考2015年上海市供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗0.300 kgce/kW·h計(jì)算；eref.h—到達(dá)終端用戶(hù)供熱能耗參照值kgce/kW·h，參考工業(yè)燃煤鍋爐熱效率75%計(jì)算，可得供熱能耗參照值為0.164 kgce/kW·h；eref.c—到達(dá)終端用戶(hù)供冷能耗參照值(kgce/kW·h)。

分布式供能系統(tǒng)的一次能源消耗量計(jì)算公式如下：

B=B1×I

(5)

其中：B1—分布式供能系統(tǒng)的天然氣消耗量(Nm3)；I—折算標(biāo)煤系數(shù)(kgce/m3)，根據(jù)實(shí)測(cè)天然氣低位熱值34.91 MJ/Nm3，可得此處折算系數(shù)為1.191 kgce/Nm3。

(d)CO2減排量

二氧化碳減排量按以下公式計(jì)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(guī)分供系統(tǒng)二氧化碳排放量(kg)； WCCHP.CO2—分布式供能系統(tǒng)二氧化碳排放量(kg)； λh.CO2—華電電網(wǎng)二氧化碳排放因子(kg/kW·h)，根據(jù)國(guó)家發(fā)改委應(yīng)對(duì)氣候變化司公布的2015年中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線(xiàn)排放因子報(bào)告，華東電網(wǎng)電量邊際二氧化碳排放因子為0.8112 kg CO2/kW·h； λg.CO2—標(biāo)煤二氧化碳排放因子(kg/kg)，根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委能源研究所提供的數(shù)據(jù)，我國(guó)標(biāo)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(jù)政府間氣候變化委員會(huì)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(jì)算結(jié)果

計(jì)算得該天然氣分布式能源站供能系統(tǒng)全年平均能源綜合利用效率、年利用時(shí)數(shù)、年一次能源消耗量見(jiàn)表3所示。

表3 能源站能效指標(biāo)

常規(guī)分供系統(tǒng)年一次能源消耗量為45263 t標(biāo)準(zhǔn)煤、二氧化碳排放量為111347 t；與常規(guī)分供系統(tǒng)對(duì)比，該能源站天然氣分布式供能系統(tǒng)年節(jié)能量為12873 t標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)能率為28.7%； 系統(tǒng)年二氧化碳排放量與常規(guī)分供系統(tǒng)相比減排量為59023 t，二氧化碳減排率為53%。

4 能源站經(jīng)濟(jì)效益分析

計(jì)算能源站的經(jīng)濟(jì)性需要考慮能源站的建設(shè)成本、運(yùn)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(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

表4 樓宇型天然氣分布式能源站的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

根據(jù)上表中數(shù)據(jù)，綜合考慮稅率等因素，該項(xiàng)目的年收益為-471.02萬(wàn)元。可看出該能源站項(xiàng)目是負(fù)收益，主要原因是表中列出的運(yùn)行站數(shù)據(jù)是能源站運(yùn)行初期的數(shù)據(jù)，冷熱負(fù)荷量較低，當(dāng)以近年能源站的運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)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(wàn)元，實(shí)現(xiàn)正收益。通過(guò)分析可知，能源站的供能負(fù)荷量對(duì)能源站的經(jīng)濟(jì)性有影響，因此在進(jìn)行能源站設(shè)計(jì)階段用戶(hù)負(fù)荷的預(yù)測(cè)很重要。

影響能源站經(jīng)濟(jì)性的因素除了用戶(hù)負(fù)荷外，天然氣的價(jià)格、冷價(jià)、熱價(jià)等因素也會(huì)影響能源站的經(jīng)濟(jì)性圖3～5分別表示了天然氣分布式能源站的經(jīng)濟(jì)性隨著天然氣價(jià)格、冷價(jià)、熱價(jià)的變化。

圖3 天然氣價(jià)格對(duì)樓宇型能源站經(jīng)濟(jì)性的影響

從圖中可以看出，天然氣分布式能源站的經(jīng)濟(jì)性隨著天然氣價(jià)格的降低而增強(qiáng)，在供能負(fù)荷等其他變量不發(fā)生改變的情況下，當(dāng)天然氣的價(jià)格小于2.9元/Nm3時(shí)，能源站實(shí)現(xiàn)正收益。從圖中還可看出，天然氣分布式能源站的經(jīng)濟(jì)性隨供冷價(jià)和供熱價(jià)的升高而增強(qiáng)，在保證供冷價(jià)和供熱價(jià)單一變量的基礎(chǔ)上，當(dāng)供冷價(jià)高于136元/GJ，供熱價(jià)高于145元/GJ時(shí)，能源站實(shí)現(xiàn)正收益。

圖4 供冷價(jià)對(duì)樓宇型能源站經(jīng)濟(jì)性的影響

圖5 供熱價(jià)對(duì)樓宇型能源站經(jīng)濟(jì)性的影響

5 結(jié)語(yǔ)

天然氣分布式能源項(xiàng)目具有環(huán)境友好、能源利用率高、靠近用戶(hù)、避免遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景，與常規(guī)的火電供能方式相比，分布式能源站的經(jīng)濟(jì)性還有較大的提升空間。本文以國(guó)內(nèi)某天然氣分布式能源站為模型，對(duì)能源站的能效指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，并詳細(xì)研究了天然氣價(jià)格、供冷價(jià)、供熱價(jià)等因素對(duì)能源站經(jīng)濟(jì)性的影響，得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)該天然氣分布式能源站一年的運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集分析，總體評(píng)價(jià)該能源站供能系統(tǒng)配置合理，能源綜合利用效率高，余熱利用效果好，節(jié)能效益明顯。該旅游度假區(qū)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(diào)、空氣壓縮機(jī)，提高了資源利用效率，節(jié)約能源，減少污染，具有明顯的環(huán)境和社會(huì)效益。

(2)天然氣的價(jià)格對(duì)分布式能源站的經(jīng)濟(jì)性影響較大，能源站的經(jīng)濟(jì)性隨著天然氣價(jià)格的增加而降低，該能源站在用戶(hù)負(fù)荷等因素不變的情況下，當(dāng)天然氣的價(jià)格小于2.9元/Nm3時(shí)，能源站實(shí)現(xiàn)正收益。

(3)天然氣分布式能源站的經(jīng)濟(jì)性隨著供冷價(jià)和供熱價(jià)的升高而增強(qiáng)，在保證供冷價(jià)和供熱價(jià)單一變量的基礎(chǔ)上，當(dāng)供冷價(jià)高于136元/GJ，供熱價(jià)高于145元/GJ時(shí)，能源站實(shí)現(xiàn)正收益。

(4)天然氣分布式能源站的經(jīng)濟(jì)性還受用戶(hù)負(fù)荷的影響，當(dāng)負(fù)荷較低時(shí)，能源站的經(jīng)濟(jì)性較差，因此，在能源站初步規(guī)劃時(shí)需要做好負(fù)荷預(yù)測(cè)。且用戶(hù)電負(fù)荷在供能負(fù)荷中所占的比例也影響能源站的經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)電負(fù)荷較大時(shí)，會(huì)降低能源站的經(jīng)濟(jì)性，因此在能源站初步設(shè)計(jì)階段要根據(jù)用戶(hù)負(fù)荷合理進(jìn)行機(jī)組的配備。