分布式能源系统最佳策略下碳税与气价敏感性分析

赵　军，王　惠，康利改，安青松

(天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072)



分布式能源系统最佳策略下碳税与气价敏感性分析

赵军，王惠，康利改，安青松

(天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072)

摘 要：针对目前冷热电(CCHP)三联供分布式系统应用的不完善性，提出了一套包含CCHP、电热泵、蓄能系统的分布式能源系统，以及能够模拟分布式系统负荷和系统效率与负荷率、冷却水温的三维关联模型．考虑系统碳排放并引进碳税和电力回购(电力反向卖回电网)，提出综合考虑环境性和经济性的碳税附加到电价的折算系数，构建了以日运行费用为目标的分布式系统分析模型．基于对几种不同运行模式的经济性分析，得出碳税完全附加到电价时分布式系统经济性优势更明显的结论；以热定电模式为经济性最优的运行模式．最后将分布式系统与传统燃煤电厂做对比，并对碳税和气价做敏感性分析，可知碳税、气价对分布式系统和燃煤电厂系统的经济性是相互影响的，当气价为3.15元/m3、碳税大于0.75元/kg时，或碳税为0.30元/kg、气价小于2.00元/m3时，分布式系统经济性更优．

关键词：分布式系统；运行费用；电力回购；碳税；敏感性分析

当前，能源与环境问题不仅是中国也是全世界共同面临的一个难题，实现能源、环境和经济的协调发展已成为人类共同追求的目标．我国是能源消费大国，能源消费约占世界的11％,，已跃居世界第2位，其中建筑能源消耗占到全国能源消耗的30％,左右[1]．然而我国每吨标准煤产出效率仅相当于日本的10.3％,，欧盟的16.8％,，美国的28.6％,[2]，能源浪费严重、利用效率低．

近些年，冷热电(combined cooling，heating and power，CCHP)三联供由于其高效、灵活、清洁、可靠的优点日益受到能源行业的重视．进入21世纪以来，我国陆续颁布了一些鼓励分布式能源利用的法规和补贴政策，在天然气分布式利用领域，从2013年开始，上海、长沙和北京都相继出台了对天然气分布式设备的补贴政策，其中上海对分布式供能项目按1,000元/kW 给予设备投资补贴，对年平均能源综合利用效率达到70％,及以上，且年利用小时在2,000,h及以上的分布式供能项目按制冷量给予2,000元/kW的补贴，每个项目享受的补贴金额最高不超过5,000万元；长沙对符合条件项目给予3,000元/kW装机补贴；2014年，继上海和长沙之后，北京也出台了对天然气分布式补贴政策，规定给予2,000元/kW的补贴.

三联供系统由于设计容量不宜选择且冷、热、电负荷难以同时匹配的局限性，使其很难独立推广使用，因此很多专家学者对以天燃气三联供为主的分布式能源系统进行了研究．Mancarella等[3]考虑电力回购，构建了一套CCHP与补燃锅炉、电热泵相结合的系统，针对不同季节的负荷需求对系统经济性进行优化，并对电网购电和补燃锅炉的能量迁移做了敏感性分析；Li等[4]以系统经济性、环境性和一次能源节约率为目标，分别对住宅型和办公型建筑进行优化，得出办公型建筑综合性能优于住宅型建筑、系统有蓄能装置和空气调节装置经济性更优的结论；Ren等[5]对日本某地区以环境性和经济性为目标，构建了一套包含太阳能和燃料电池的分布式系统，并对碳税做了敏感性分析；Wu等[6]构建了一套CCHP与辅助锅炉结合的系统，以经济性、环境性和一次能源节约率为目标，对日本5个典型气候城市的4种不同类型建筑进行了对比研究；Wang等[7-8]针对北京某宾馆型建筑，对系统全年经济性、环境性和一次能源节约率进行分析，并对气价和电价对系统运行的影响做了敏感性分析．

可见，许多专家学者的研究主要集中在系统建模、目标评判方法、系统优化、敏感性分析等方面，并以经济性、环境性和一次能源节约率为目标对系统进行建模，对不同气候地区、不同建筑类型的不同系统组合形式等进行优化研究．从这些研究中不难发现，大量的研究只是建立系统设备效率和负荷率的二维模型，并没有考虑冷却水温的影响；国外对电力回购和碳税的研究和敏感性分析已有很多，但也仅是对系统运行的敏感性分析，国内少有电力回购和碳税政策的敏感性分析，更鲜有对系统经济性的敏感性分析．我国目前对碳税征收还没有明确的规定，只有与之相关的资源税、成品油消费税、车辆购置税和车船税等，而征收碳税对促进能源使用效率、削减二氧化碳排放具有重要作用[9]．曹静[10]根据环境经济学的基本理论结合中国国情，探讨了基于污染量控制的排污权交易与基于价格变化的碳税政策的优缺点，得出碳税政策更适合当前中国国情的结论．可见电力回购和碳税政策对天然气分布式系统经济性的影响对其推广具有重要的作用．

本文针对天津某办公型建筑，建立了设备普遍适用的效率和负荷率、冷却水温度的三维模型，通过对冷却水温的反馈控制使模型更加符合实际，考虑电力回购并引进碳税，构建了以经济性为目标的分布式系统模型，对系统不同的运行模式进行分析，然后与传统燃煤电厂对比，对2个独立变量——碳税和气价做敏感性分析，比较了在碳税和气价影响下分布式系统和传统系统的经济性．

1 系统建模

本文根据已有研究基础[3-8, 11-12]，针对天津某办公型建筑，构建了一套天燃气内燃机CCHP系统与蓄能、电热泵结合的分布式供能系统，如图1所示(其中R、Q、W分别代表冷、热、电负荷需求量)，该系统冷热电负荷更容易调控，经济性更优[6]．

图1　分布式系统示意Fig.1 Schematic diagram of the distributed system

1.1 设备模型

本文研究系统采用的天燃气内燃机发电机组，额定发电功率1,489,kW，设备部分负载运行(400～2,500,kW)时，电效率eη、热效率hη和部分负载率fGE的关系[6]为

式中ηe0和ηh0分别为内燃机满负荷运行时的电效率和热效率，均取43％,[13]．

考虑到天燃气内燃机在低负载率运行时发电效率比较低，造成能源的极大浪费，因此为充分发挥内燃机优势，对内燃机模型添加约束[14]

式中：W为内燃机实际工作发电量；WGE为内燃机额定发电量．该约束表示，当内燃机需要以低于25％,负荷率运行时，为了避免能源浪费，充分发挥内燃机优势，此时内燃机停机；当内燃机需要工作在负荷率为25％,和满负荷之间时，即以所需负荷率运行；当内燃机需要的工作负荷率超过其额定负荷时以满负荷运行.

系统吸收式制冷模块为双良公司生产的烟气热水型溴化锂吸收式冷热水机组，可同时利用烟气余热和夹套水余热，机组制冷工况与负荷率fAR、冷却水温度Tl的三维模型参考样本的性能曲线，通过烟气和缸套冷却水流量和进出口温度分别计算并拟合[14]，即

系统电热泵选用3台螺杆型Carrier 23xL 724,kW 6.04,COP冷水机组，机组制冷工况与负荷率fEHP、冷却水温度Tl的三维模型[15]为

式中a、b、c、d、e、f和g均为拟合系数，见表1．

表1　系统技术符号和参数Tab.1 Symbol and value of system

系统蓄能装置采用蓄水罐分层水蓄能，通过板式换热器，蓄水罐蓄冷温度和放冷温度分别为10,℃和12,℃，蓄水罐实际冷量RES,i为

式中：ρ、V、cp、Δt分别为水密度、蓄水体积、水的定压比热容和蓄放水温差，乘积即表示蓄冷量；ε为蓄水罐完善度，一般取85％,～90％,；∂为蓄水罐利用率，一般取95％．因此本文蓄水罐蓄能效率取蓄水罐完善度和利用率的乘积为85％,[16]．

系统负荷需求输入选取天津某办公型建筑2013 年7月26日逐时负荷数据，负荷需求信息见图2．冷却水温为冷却塔所能冷却到的最低温度，即当地2013年7月26日全天的逐时湿球温度，通过调用DEST软件库中环境温度和含湿量气象数据，并查焓湿表[17]获得，如图3所示．

图2　某办公型建筑夏季负荷需求Fig.2 Load demand of an office building in summer

图3　冷却水逐时温度曲线Fig.3 Temperature curve of cooling water by hour

1.2 碳税和电力回购

天然气主要成分为甲烷，1,m3天然气完全燃烧产生1,m3二氧化碳，因此天燃气内燃发电机每立方米天然气输入约产生二氧化碳1.96,kg，即当内燃机满负荷运行时，每发1,kW·h的电约产生二氧化碳0.46,kg．

传统燃煤电厂单位千瓦时发电煤耗为

式中：cη为燃煤电厂考虑电网损失后的效率，取40％,；qc为每千克标准煤低热值，取29,300,kJ．

传统燃煤电厂每单位千瓦时发电约产生的二氧化碳(kg)[18]为

式中：Cc为燃料固碳率，我国大约为0.2％,；为煤粉中碳含量，每吨标准煤取0.66,t；为燃料中碳转化为二氧化碳的摩尔比，取44/12．

日本规定碳税为0.02,$/kg；欧洲较高，荷兰为0.05,$/kg，瑞典为0.20,$/kg[19]，意大利为0.23,$/kg[20].借鉴国外经验，本文先取碳税为0.05,$/kg，约合人民币0.3元/kg．经计算传统燃煤电厂每千瓦时发电约排放二氧化碳0.743,0,kg，将碳税引入电价中．由于国内还没有征收碳税的相关规定，而征收碳税势必会对运行费用和电价产生影响，因此本文首次提出并引入碳税附加到电价时的折算系数α，取表示征收碳税对电价没有影响；α=1表示上交的碳税额通过售电可以完全收回．得到引入碳税后的电价为

式中：eP为未引入碳税时的电价；α为折算系数．电力回购价格取电力购买价格的1/2．

1.3 目标函数和约束条件

本文建立了以系统运行费用为目标函数的系统模型，其中分布式系统运行费用由购气费用、购电费用(包括回购收益)和缴纳碳税费用组成，即

其中Wi购电为正，电力回购卖回电网为负．

分布式系统约束条件有2个，即负荷供需平衡约束为

设备最大功率限制约束为

负荷供需平衡约束表示系统提供的负荷等于负荷需求．设备最大功率限制约束表示各设备运行功率不能大于设备的额定功率．

传统燃煤电厂运行费用由购煤费用和缴纳碳税费用组成，即

式中：Qt为燃煤电厂购煤量；Wt为将冷负荷转换为电负荷后的总电负荷需求．

1.4 不同运行模式

本文对比研究了分布式系统以热定电、以电定热、内燃机满负荷运行3种运行模式供能以及负荷需求全部由电网购电提供4种供能方式的经济性．

以热定电模式，即所需冷负荷优先由AR提供，如果RAR≥ R，则冷负荷全部由AR提供，否则欠缺的冷负荷需求由电热泵提供，即天燃气内燃发电机负荷率由AR所需热量决定，产出的电量供用户和电热泵使用，欠缺的电负荷需求从电网购买，多余电量以半价卖回电网．

以电定热模式，即所需电负荷优先由天燃气内燃发电机提供，内燃机负荷率由电负荷需求决定，如果负荷需求大于内燃机额定电功率，则从电网购电．内燃机产生的废热驱动AR，如果则欠缺的冷负荷需求由电热泵提供，否则多余的冷量储存在蓄能装置中，并且如果下一时刻则欠缺的冷负荷需求优先由蓄能装置提供．

内燃机满负荷运行，即天燃气内燃发电机全天以100％,负荷率运行，欠缺的电负荷由电网购买，多余电量以半价卖回电网；欠缺的冷负荷由电热泵提供，多余的冷量储存在蓄能装置中并在下一时刻优先使用．

负荷需求全部由电网购电提供，即将所需冷负荷通过式(15)转换为电热泵所需电负荷．从电网总购电量为

2 结果与讨论

2.1 策略对比分析

本文首先研究碳税引入电价时的折算系数α对运行费用的影响，图4表示在碳税分别为0.30元/ kg、0.50元/kg、0.70元/kg和0.90元/kg时，折算系数α与分布式系统以热定电模式运行费用的关系．从图4中可以看出，随着折算系数α的增加，分布式系统运行费用虽然变化不大，但还是呈减少趋势，所以下面本文选取折算系数α=1进行研究．

该办公型建筑全天的负荷需求由4种供能方式满足，分别为分布式供能系统以热定电、以电定热、内燃机满负荷运行3种运行模式和负荷需求全部由电网购电提供．4种供能方式全天运行费用逐时数据如图5所示，从图中可以看出，在晚上20时到第2 天4时，以热定电模式运行费用要高于从电网购电费用，因此，系统最佳模式为04：00—20：00时间段采用以热定电模式，其余时间段系统停运，依靠电网购电供能．

图4　运行费用与折算系数关系曲线Fig.4 Relation curve of operating cost and α

图5　不同供能方式运行费用Fig.5 Operating costs of different energy supply strategies

几种不同供能方式全天运行总费用见表2．结合图5和表2可以看出，采用该分布式系统为该办公型建筑供能，无论采用何种运行方式，全天运行总费用都要优于从电网购电，可见采用该分布式系统后，可以很好地节约供能成本，采用最佳模式为该建筑供能时，全天可节约运行费用14,017元．

表2　不同供能方式的日运行费用Tab.2 Daily operating costs of different energy supply strategies

图6表示当该办公型建筑所需电负荷全部由燃煤电厂提供时，燃煤电厂提供所需电负荷运行费用和分布式系统最佳模式运行费用的逐时数据．从图6和表2中可以看出，单纯从供应侧角度看，燃煤电厂为该建筑供能时的经济性要优于分布式系统．

图6　燃煤电厂与最佳模式运行费用Fig.6 Operating costs of optimal model and coal-fired power plant

2.2 敏感性分析

分布式系统最大的优势就是采用天然气作为输入能源，一次能源利用率高、节能性和环境性好．碳税和天然气价格是影响该分布式系统经济性的重要因素，碳税越高、气价越低，越有利于分布式系统的推广．因此本文在现有峰谷电价和固定煤炭价格的基础上，分别定气价和碳税，对碳税和气价做敏感性分析．

图7表示当气价为3.15元/m3时，分布式系统最佳模式和燃煤电厂运行费用随碳税的变化曲线．从图7中可以看出，当碳税大于0.75元/kg时，分布式系统供能经济性优于燃煤电厂供能．图8表示当碳税为0.30元/kg时，分布式系统最佳模式和燃煤电厂运行费用随气价的变化曲线，从图8可以看出气价小于2.00元/m3时，分布式系统的经济性要优于燃煤电厂经济性．

图7　不同碳税对两种供能模式运行费用的影响Fig.7 Influence of different carbon taxes on operating costs of the two energy supply strategies

从图7和图8的分析中可以看出，气价和碳税对分布式系统经济性是相互作用、相互影响的，令分布式系统经济性更优的临界气价受碳税影响，同样令分布式系统经济性更优的临界碳税受气价影响．因此同时对碳税和气价做敏感性分析，图9表示分布式系统经济性优于燃煤电厂时，临界碳税与临界气价的耦合曲线，可以看出碳税和气价呈正比例关系，即图9中曲线下方阴影区域都属于分布式系统经济性优于传统系统的碳税和气价范围．

图8　不同气价对两种供能模式运行费用的影响Fig.8 Influence of different gas prices on operating costs of the two energy supply strategies

图9　碳税-气价耦合曲线Fig.9 Coupling curve of carbon tax and gas price

3 结论

(1)在碳税0.30元/kg时，折算系数α对所建立的分布式系统运行费用影响不大；但随着折算系数α的增大，分布式系统运行费用还是呈减少趋势，所以建议碳税完全附加到电价中，分布式系统经济性更优，有利于分布式系统推广．

(2)该分布式系统以热定电模式经济性最优，相比于该办公型建筑负荷需求全部由电网购电满足，该分布式系统可日节约运行费用14,017元．

(3)在现有峰谷电价和固定煤炭价格的基础上，气价为3.15元/m3时，如果碳税大于0.75元/kg时，分布式系统运行费用优于传统燃煤电厂，有利于分布式系统推广．

(4)在现有峰谷电价和固定煤炭价格的基础上，碳税为0.30元/kg时，如果气价小于2.00元/m3时，分布式系统运行费用优于传统燃煤电厂，有利于分布式系统推广．

(5)碳税和气价对分布式三联供系统和传统燃煤电厂系统经济性是相互作用、相互影响的．令分布式系统经济性更优的碳税和气价曲线呈正比例函数关系，即在图9中曲线下方的阴影区域内分布式系统运行费用优于传统燃煤电厂，有利于分布式系统推广.

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（责任编辑：金顺爱）

网络出版时间：2015-05-05. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150505.1453.002.html.

Sensitivity Analysis on Carbon Tax and Gas Price of Distributed Energy System Under Optimal Strategy

Zhao Jun，Wang Hui，Kang Ligai，An Qingsong
(Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Abstract：Considering the limitation of combined cooling，heating and power(CCHP)system application at present，a three-dimensional model simulating the correlation of system load with efficiency，load ratio and cooling water temperature was established，which consisted of CCHP，electric heat pump and energy storage．The conversion coefficient of adding carbon tax to electricity price was put forward，and the system model of distributed system taking the day operating cost as the target was built based on carbon emissions，carbon tax and the electricity buyback from on-site(the surplus electricity out of the distributed system can be sold back to the grid when the generated power exceeds local demands)．Then the conversion coefficient of adding carbon tax to the electricity price that considerated the environment and economy was proposed，the model of regard operating cost as the target was built，based on the analysis on several different operation strategies of the system，it is shown that the distributed system brings out better economic benefit when the carbon tax is added to the electricity price entirely，and the heat priority mode is the best operating strategy．Finally，by comparing the economy of the distributed system with traditional coal-fired power plant system，and conducting a sensitivity analysis on carbon tax value and gas price，it is shown that the carbon tax and gas price for the distributed system and coal-fired power plant system are economically interactive；when the gas price is 3.15 CNY/m3and carbon tax is higher than 0.75 CNY/kg or the carbon tax is 0.30 CNY/kg and gas price is lower than 2.00 CNY/m3，the distributed system has better economic benefit than the traditional coalfired power plant system.

Keywords：distributed system；operating cost；electric buy-back；carbon tax；sensitivity analysis

通讯作者：安青松，anqingsong@tju.edu.cn.

作者简介：赵 军（1964— ），男，博士，教授.

基金项目：国家高技术研究发展计划(863 计划)资助项目(2014AA051901)；中新科技合作资助项目.

收稿日期：2015-01-08；修回日期：2015-04-16.

DOI:10.11784/tdxbz201501019

中图分类号：TK114

文献标志码：A

文章编号：0493-2137(2016)02-0151-07