燃气分布式系统的经济性分析

黄妮娜，李培元,应炬锋

(1.中国建设银行股份有限公司 北京市分行，北京 宣武 100033；2.中国电能成套设备有限公司，北京 海淀 100080； 3.中国华电科工集团有限公司，北京 丰台 100070)

燃气分布式系统的经济性分析

黄妮娜1，李培元2,应炬锋3

(1.中国建设银行股份有限公司 北京市分行，北京 宣武 100033；2.中国电能成套设备有限公司，北京 海淀 100080； 3.中国华电科工集团有限公司，北京 丰台 100070)

燃气分布式系统是国外应用比较广泛的综合供能系统，在国内，虽然有一系列鼓励政策，但是其发展现状没有达到预期的目标。通过建立燃气分布式系统模型，对燃气分布式的投资成本、能源综合利用效率和供能收益等方面展开分析，并与680 MW超临界火电机组比较，研究燃气分布式的经济性，分析燃气分布式系统的成本优势和应用潜在优势。

燃气分布式能源系统；经济性分析；敏感性分析；供能收益

0 引言

随着城镇化程度的提高和人们生活水平的日新月异，传统集中供能方式的弊端日益显现，为了满足人们对用能品质的要求以及环保的约束，世界各国纷纷将提高能效和构建清洁可持续的能源系统作为主要的应对策略之一。分布式能源系统接近于负荷端，将冷、热、电联产系统以模块化、分散式的方式分布于用户端附近，具有高效、环保、经济、可靠等特点，目前先进的冷、热、电联产系统的能源利用效率可达90%以上[1-4]。

分布式能源系统在美国、日本和欧洲等发达国家已经有了广泛的推广和应用。目前，美国有超过6 000座的区域型分布式能源站；日本分布式能源站的装机总容量超过了9 200 MW，50%以上以天然气为燃料；荷兰40%的电力来自于以天然气作为燃料的冷、热、电三联供系统；在丹麦分布式能源占了总能源供应的半壁江山[5]。

在我国，分布式能源系统的发展起步较晚，但由于近年来，得到国家政策的鼓励，国内已有一批示范项目正在建设或已经投入运行。特别是在2011年，国家能源局牵头出台了“关于发展天然气分布式能源的指导意见”，我国计划在“十二五”期间，建设大约1 000个天然气分布式能源项目，其中拟建设大约10个具备各类代表性的分布式能源示范区域。实际上，截止到2015年底，分布式能源产业联盟统计，国内建成的天然气分布式项目有100个左右，不足预计的十分之一。并且，已投运的多个示范项目也出现效率低或经济效益差的现象，例如，北京燃气集团中心大楼的燃气分布式系统设计发电量为1 200 kW，实际白天的最大负荷不到 500 kW；上海黄浦区中心医院燃气分布式系统设计发电量为1 130 kW，实际负荷仅为600 kW，并且余热也没有充分利用[6]。

本文通过建立燃气分布式系统的模型，从能源综合利用效率和经济性角度，探讨燃气分布式系统的优势，分析阻碍燃气分布式系统发展的原因。

1 燃气分布式能源系统的组成

燃气分布式系统由各种能量转化设备组成，包括原动机、发电机、锅炉和制冷机等。原动机一般以燃气轮机/微燃机、内燃机等设备为主，有些需要调节峰谷负荷的燃气分布式系统包含调峰补燃锅炉和蓄能装置。如图1给出了常见燃气分布式系统的组成和各温度阶段对应的能量应用方式。

图1 燃气分布式系统设备组成Fig.1 Equipment composition of gas distributed system

基于燃气轮机的典型燃气分布式系统的工作流程为：燃料在燃气轮机燃烧室中燃烧，产生的高温燃气驱动透平带动发电机对外做功发电，燃气轮机排烟进入余热锅炉换热，给水通过余热锅炉换热器产生高压高温蒸汽进入蒸汽轮机做功，而进一步降低温度的排烟可以进入到烟气型溴化锂机组进行制冷。在特定的模式下，余热锅炉产生的蒸汽可抽出一部分或全部做功降温后的乏汽进入蒸汽混合器，与来自余热锅炉低压过热器的蒸汽混合后，进入溴化锂吸收式制冷机，驱动制冷机工作，满足用户冷需求。在冷负荷较低时，可通过调整高压蒸汽与低压蒸汽的抽气量来满足负荷需求。极端情况下，低压蒸汽与高压蒸汽全部进入蒸汽轮机做功，系统以联合循环模式工作。当负荷峰期出现的余热需求量超过系统的额定能力之后，可以启动调峰锅炉满足峰期负荷需求；如果分布式能源配备了蓄能装置，也可以将蓄能装置存储的能量释放出来满足负荷需求。

2 燃气分布式评价指标

本文采用2类指标来评价燃气分布式系统，以便比较。一类是基于能量的指标：能源综合利用效率；另一类是经济指标：单位电装机容量投资成本、等效单位装机容量投资成本和供能收益[7-10]。

2.1 能源综合利用效率

能源综合利用效率ηe表示系统输出能量与输入能量的比值：

(1)

式中:Hf为燃料的低位热值，单位为kJ/kg；Eg为燃气轮机的发电量，单位为kW；Es为蒸汽轮机的发电量，单位为kW；Czr为制热机组的制热量，单位为kW；Czl为制冷机的制冷量，单位为kW；mf为燃气分布式系统消耗量的燃料量，单位为kg/s。

2.2 经济指标

单位电装机容量投资成本：根据机组的额定发电量，计算单位发电量的投资成本：

(2)

式中:I为静态投资成本;e为燃气分布式系统的电装机容量。

等效单位装机容量投资成本：考虑到燃气分布式系统输出负荷的特性，其不单有电负荷的输出，还有热、冷负荷的输出，有必要将电、热、冷综合考虑，得到的等效装机容量为电负荷、冷负荷与热负荷的和，来计算单位负荷的投资成本：

(3)

式中L为电站的等效装机容量。

供能收益：根据一次能源的消耗成本和输出负荷得到的收入，得到供能收益：

R=G-C

(4)

式中:G为收入;C为成本。

3 燃气分布式系统模型

为了分析和评价燃气分布式系统，并与集中式煤电机组作对比，建立燃气分布式系统的模型，用以分析能源综合利用效率、投资成本和供能收益。针对燃气分布式系统的多设备组成的特点，采用模块化理论[11]，将燃气分布式系统分为三个环节：能源生产环节、能源转化环节和能源存储环节。每个环节的子系统视为一个模块，进行建模分析。

3.1 能源生产环节

这是燃气分布式系统的第一个环节，将天然气这种一次能源通过燃气轮机或者内燃机被转化为电和热。

在能源生产环节，一次能源转化为二次能源，二次能源的载体有电和热。这个环节主要受到燃气消耗量与燃气轮机/内燃机效率的约束，二次能源载体的产量是一次能源消耗量与转化效率的乘积，可以表示为：

eout,i=ein·ηm

(5)

式中:eout,i为二次能源电或热的数量;ein天然气消耗量;ηm为一次能源转化为二次能源的效率。

在能量生产环节中，所消耗的一次能源都是需要成本的，因此这个环节产生的成本支出为：

C=Pin·ein

(6)

式中:C为一次能源总成本;Pin为单位天然气的价格。

3.2 能源转化环节

能源转化环节紧跟在能源生产环节之后，能源生产环节的出口能流即为能源转化环节的进口能流。在该环节中，二次能源电和热，会通过相应的能源转化技术被转化为其他形式的能源载体，例如汽轮机利用热产生的蒸汽发电、电制冷机利用电制冷等。

对于不同的转化方法，转化的效果不同。对于蒸汽发电涉及到汽轮机发电效率，对于制冷机制冷效果与其性能系数COP有关。因此，经过能源转化环节得到的能量载体量由下式决定：

ec-out,i=eout,i·ξ

(7)

式中:ec-out,i为能源转化环节得到的某种能量形式的数量;ξ表征转化的效果，可能是汽轮机发电效率、制冷机COP等。

经过能量转化环节之后，完成了一次能源到需求负荷的转化过程，带来了收益，包括输出电、热、冷的收益，需要注意的是，电负荷在能源生产环节已经产生了一部分，计算时需要一并计算。因此负荷的收益有如下关系：

G=∑Pout,i·eout,i

(8)

式中:G为收益;Pout，i为对应输出负荷形式eout,i的价格。

3.3 能源储存环节

有些燃气分布式系统为了调峰或者储能，配置了蓄能装置，这样经过能量转换环节之后，得到的负荷就不是全部输出了，在作分析计算的时候，需要在能源转化环节后增加储能环节，并且由于增加了储能环节，可以将存储的能量输出从而获得收益。由于自能源转化环节的出口能量到储能环节存在损失，因此存储的能量为：

es=ec-out,i·ηs

(9)

式中:es为进入储能环节的能量;ec-out,i为来自能量转化环节的能量;ηs为表征储能损失的储能效率。

4 经济性分析

某燃气分布式系统装机规模为6×4.4 MW燃气内燃机，通过“一拖一”形式配置6台4 MW级吸收式烟气热水型冷热水机组，并配置10台电动离心式冷水机组和2座12 000 m3蓄水罐作冷负荷调峰； 2台燃气热水锅炉和2座12 000 m3蓄水罐作热负荷调峰。将该燃气分布式系统与某680 MW等级燃煤机组进行对比，分别从能源综合利用效率、投资成本、供能收益3个方面展开。为了进一步分析燃气分布式系统的供能收益，对燃气分布式系统进行了余热利用量的敏感性分析。表1给出了2个案例的配置信息。

表1 案例设备配置及额定负荷Table 1 Cases’ configuration and rated load

4.1 能源利用效率分析

从表2的能源综合利用效率对比可见，燃气分布式系统与680 MW燃煤机组的发电效率相差很少，体现了燃气分布式系统中动力设备的高效性。而对比能源综合利用效率可以知道，燃气分布式系统由于采用了“能量梯级利用”的原则，有效地利用了动力设备排放出来的尾气的余热来提供冷、热负荷，将排放到大气的余热损失降到最低，从而能够得到较高的效率，案例中的燃气分布式系统可以达到85%以上的能源综合利用效率，比燃煤机组45.5%的效率高得多。

表2 能源利用效率对比
Table.2 Comparison of energy using efficiency

案例发电效率/%能量综合利用效率/%某燃气分布式系统45.486.0(供热)86.0(供冷)某680MW燃煤机组45.545.5

4.2 投资成本分析

表3对比了燃气分布式系统与火电机组的单位电负荷的造价。对于燃气分布式系统由于输出负荷的种类不仅限于电负荷，还有热、冷负荷，并且由于分布式系统应用场合的不同，电、热、冷的比重可能出现较大的不同，因此需要将其他负荷(热、冷)折合为电负荷。在进行折合负荷时，考虑到燃气分布式系统中的冷、热、电均来源于一次能源，将冷热电负荷相加得到燃气分布式系统总的装机容量，以计算等效单位装机容量的投资成本。

表3 投资成本对比Table.3 Comparison of investment cost

从表3投资成本的对比可以看出，如果单独以电负荷作为计量，燃气分布式系统的单位投资成本比燃煤电站高得多，说明仅仅从发电角度来看，燃气分布式系统没有投资成本上的优势。

另一方面，从等效单位装机容量的投资成本角度对比，由于将燃气分布式系统的热、冷负荷进行了综合考虑，其装机规模比单纯的电装机规模大得多，这样计算下来，单位投资成本有了很大的降低，甚至低于火电的单位投资成本。这种衡量燃气分布式系统投资成本的方式表明了燃气分布式系统在投资成本方面的相对优势，体现了采用燃气分布式系统实现冷、热、电三联供的优势。

4.3 供能收益

为了对比燃气分布式与燃煤机组的供能收益，以该燃气分布式系统在额定负荷对应的冷/热、电负荷为需求，计算分别用燃气分布式系统和燃煤机组供能得到的收益，其中在燃煤机组中，冷/热负荷由电制冷/热满足。表4列出了电、热、冷负荷。表5列出了相应的价格，其中上网电价中，燃气分布式系统上网电价目前含有补贴部分，为0.75 kW·h，燃煤机组的上网电价为0.4 kW·h。

根据上述数据计算结果表明，通过燃气分布式系统，月供能收益可以达到770万元；而采用燃煤机组供能时，采用电能直接制取热、冷，将电能这种高品位能量直接转化为低品位能量，在相同的电、热、冷负荷下，月供能收益为555万元，其经济性显著低于燃气分布式系统。

表4 负荷Table.4 Load

表5 单价Table.5 Unit price

注： 标煤价格对应燃气分布式系统投运时的价格

4.4 负荷敏感性分析

不管是从能源利用效率、投资成本还是供能收益来看，从余热产生冷、热负荷的过程直接关系到燃气分布式系统的应用优势。因为燃气分布式系统发电后产生的烟气成本非常低，再通过余热锅炉、溴化锂制冷机等装置可以获得满足冷、热需求的负荷，进一步把烟气降低为10几 ℃的排烟；而燃煤机组采用电制冷、电制热的方式获得冷、热负荷，利用了高品位的电能去实现与燃气分布式系统低品位余热利用相同的效用，没有实现能量的梯级利用，降低了高品位电能的效用。而仅从发电角度看，燃气分布式系统的单位投资成本远大于燃煤机组，因此当燃气分布式系统的余热利用量低于一定量时将使其失去应用优势，而随着余热利用量的增大，燃气分布式系统的优势变得明显，但受装机容量和热/冷电比的限制，燃气分布式系统的最大余热利用量是一定的。这就是说燃气分布式系统输出的冷、热负荷量，在很大程度上决定了燃气分布式系统的应用优势。

为了表征这种优势程度，对该燃气分布式系统的冷、热负荷作敏感性分析。此时，需要扣除燃气分布式系统上网电价的补贴，统一为0.4 kW·h。在燃气内燃机额定电负荷下，内燃机对应额定的排烟量和排烟温度，排烟余热的利用量直接与供能收益相关，而实际的余热利用量与冷/热负荷需求相关。对于不同的余热利用量Q，计算得到供能收益R：

R=f(Q)

(10)

如图2为余热利用量与供能收益的关系，可以看到供能收益与余热利用量成正相关，随着余热利用量的增大，供能收益增大。其中以15.3 MW为供能收益的平衡点：当低于15.3 MW，供能收益为负，表明当余热利用量低于15.3 MW时，该燃气分布式系统由于余热利用量太少，没有供能收益；而高于15.3 MW时，开始产生供能收益，而额定余热利用量23.6 MW为余热利用的最大值，因为一旦超过额定值，将会使得机组超负荷运行，影响机组的寿命。

图2 余热利用的敏感性分析Fig.2 Sensitivity analysis of residual heat utilization

5 结论

本文通过建立燃气分布式系统模型，用于分析燃气分布式系统的投资成本、能源综合利用效率和供能收益，并同680 MW火电机组进行对比，分析燃气分布式系统的经济性。结果表明，仅仅从发电角度看，燃气分布式系统的单位装机投资成本远大于燃煤机组，但是综合考虑电、热、冷负荷的装机容量，那么燃气分布式系统的等效单位投资成本与燃煤机组的投资成本接近；燃气分布式系统可以达到85%以上的能源综合利用效率，远远高于火力发电效率，并且比燃煤机组具有更好的供能收益特性。燃气分布式系统中余热利用量直接影响到系统供能收益，在系统允许的条件下，当余热利用大于一定量时，才能实现供能收益，并且随着余热利用量增大，供能收益增加。

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黄妮娜

(编辑 雷学丽)

Economic Analysis of Gas Distributed System

HUANG Nina1， LI Peiyuan2， YING Jufeng3

(1. Beijing Branch of China Construction Bank Co., Ltd.， Xuanwu District, Beijing 100033, China；2. China Power Complete Equipment Co., Ltd.， Haidian District, Beijing 100080, China;3. China Huadian Engineering Co., Ltd., Fengtai District, Beijing 100070, China)

Gas distribution system is widely used in foreign countries. In China, although there are a series of encouraging policies, the development of the gas distribution system has not reached the expected goal.In this paper，the gas distributed system model is established to analyze the investment costs, the energy utilization efficiency and the benefits. Its economy is further analysed by comparison with the 680MW supercritical thermal power unit to illustrate its cost advantage and potential advantages in use.

gas distributed energy system； economic analysis； sensitivity analysis； energy supply profit

TK9

A

2096-2185(2016)02-0061-06

2016-05-29

黄妮娜(1988—)，女，硕士, 中级经济师，研究方向为产业经济、能源经济，ninahuang2010@163.com；

李培元(1986—)，男，博士，中级工程师，研究方向为热力设备的特性及其优化运行、电力技术经济，ct1912@163.com;

应炬锋(1978—)，男，博士，高级工程师，研究方向为能源经济学、网络经济学，yingjf@chec.com.cn。