基于能品位的生物质冷热电联供系统成本分摊研究

李 猛， 王江江

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

基于能品位的生物质冷热电联供系统成本分摊研究

李 猛， 王江江

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

基于可再生能源的冷热电联供系统是一种扩展可再生能源应用并提高能效的有效方法。基于能量梯级利用原理，提出了一种基于生物质-空气气化的冷热电联供集成系统，分析了夏季、冬季及过渡季不同运行工况下的运行模式，依据热力学第一和第二定律对系统进行了热力性能分析。为了合理确定联供系统的产品成本分摊，提出了一种基于能品位的经济方法，建立了生物质冷热电联供系统的成本分摊模型，得到了不同运行工况下的电、冷冻水(供暖热水)和生活热水的成本。通过对比分析，发现基于能品位的成本分摊方法更能体现优质优价的定价原则。

冷热电联供； 成本分摊；经济； 能品位

0 引言

目前环境污染与能源危机已成为全球性问题，而在我国的能源系统中仍然以传统的分供式能源系统为主。为了缓解能源危机以及空气污染等问题，以生物质为燃料的冷热电联供系统应运而生。冷热电联供系统利用能源的阶梯利用原理提高了能源利用效率，与传统的分供系统相比冷热电联供系统更加经济、灵活和环保[1]。由于目前的冷热电联供系统主要以天然气和液化石油气等一次能源为主，而我国一次能源相对短缺[2]，为了缓解能源压力改善环境质量寻求一种可再生替代能源势在必行。生物质能源在我国含量非常丰富而且与系统的匹配性较好，非常适合作为冷热电联供系统的能源输入。目前对于生物质冷热电联供系统的研究尚处于起步阶段，主要集中在可行性分析、技术利用形式及其存在的主要障碍、政策等方面的讨论[3]。

由于冷热电联供系统的冷、热、电3种产品有品质差异，所以对系统热经济性的评价和优化是研究的重点难点。经济分析方法通过计算各产品生产成本，有统一量化能量品质差异的潜力，成为国内外研究热点。多产品成本分摊是经济学分析的重要环节，文献[4]根据F-P准则[5]进行了冷热电联供系统的多产品成本分摊研究，但该方法只考虑了成本与量的关系而忽略了产品品质的差异，所以有一定的局限性。文献[6]提出了流贡献度的成本分摊方法，虽然该方法能反映出产品的品质差异，但是该方法在定义贡献度时人为因素较多，也存在局限性。此外，文献[7-8]也分别提出按能级相近最大化相供策略和后进先出法建立辅助方程，不过这些方法在成本分摊时都没有将能量品质与其单位成本结合起来，也不能充分反映经济学中优质优价的原则。在前人研究的基础上，文献[9]提出了基于能的品位概念的成本分析方法，与传统的分摊方法相比更合理，但是在运用到具体系统的运算中时仍然会存在一些不合理的因素，比如乏气的成本分摊问题等。

1 系统流程

1.1系统流程概述

图1所示为生物质气化冷热电联供系统[10]。该系统主要有汽化炉、气体净化装置、内燃机、吸收式制冷机组以及换热器这些装置组成。首先，生物质被送到汽化炉中进行一系列化学反应生成生物质气。随后这些包含大量杂质的生物质气先经过热管式换热器进行降温处理，然后进入到气体净化装置经过干燥、洗涤、除尘等一系列净化处理产生洁净的生物质气。洁净的生物质气被送到气体储存装置中进行储存和利用。随后储存装置中的生物质气被分成两路，一路通入内燃机作为内燃机燃料发动内燃机做功发电，同时内燃机的缸套水接入板式换热器加热给水为用户提供生活用水。内燃机排出的高温气体通入到吸收式制冷机组用于驱动机组运行。另外一路生物质气接入吸收式制冷机组，当内燃机烟气量不足时作为补燃气体驱动制冷机组。制冷机组产生的冷、热和生活热水可根据不同需求提供给用户。系统设计参数如表1所示。

图1 基于生物质-空气气化的冷热电联供系统

表1 系统设计参数表

1.2运行模式

该研究主要介绍了系统在夏季、冬季和过渡季3种运行工况。夏季工况时，打开阀门V1，V2以及V10，V11，关闭其他阀门，此工况下吸收式制冷机组由3部分能量驱动，从管式换热器回收的热量、内燃机高温尾气以及生物质气的燃烧。系统产出电、冷冻水和生活热水。

冬季工况下打开阀门V3，V4，V8和V9，关闭其他阀门。与夏季不同的是冬季工况下吸收式制冷机组由2种热源驱动，一种是生物质气燃烧，另一种是内燃机的高温烟气。此时热管式换热器用于预热采暖回水。该系统在冬季工况下产出电、生活热水、以及采暖用水。

过渡季工况时打开阀门V5和V6，关闭其他阀门。此时吸收式制冷机组只由内燃机高温尾气驱动，自来水直接与板式换热器换热，被预热的自来水进入吸收式制冷机组的高温发生器再次加热达到生活用水的温度。过渡季工况下系统只产生电和生活热水。

基于热力学第一第二定律对该系统进行热力计算，得出设计工况下各个状态点的和品位的数值如表2所示。

表2 设计工况各状态点的和品位的数值

表2 设计工况各状态点的和品位的数值

状态点制冷工况制热工况过渡季工况/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

续表2

2 基于能品位的经济方法

2.1经济费用平衡方程

(1)

费用平衡方程[5]：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Zk是k单元的投资成本；τ为年运行小时数；γk表示固定费用占初始投资成本的比例系数；β为资本回收系数，可表示为：

(6)

式中：i是年利率；n为系统寿命。关于系统初投资费用以及运行参数如表3所示。

表3 联供系统初投资及运行参数

2.2基于能品位的成本分摊模型

以往产品成本分摊的研究方法通常是根据燃料-产品(F-P)准则[5]。F准则表明对同一流，在部件中损失的部分的单位成本应当与进出口的的单位成本相同，P准则表明部件的所有产品的单位成本相同。根据F-P准则对图2系统有如下关系：

c12=c10=c17-18

(7)

(8)

式中：c12、c10、c17-18分别是内燃机发电、高温烟气以及缸套水换热部分的单位成本分别是进出吸收式制冷机组的烟气的单位成本。

图2 内燃机和制冷机组串联的费用流模型

上述方法显然违背了优质优价的原则，因为同一种能量其温度的不同决定了其品位的不同，所以单位成本必定不相同。能的品位是反映能转化为有用功能力的度量，反映了能量的品质[13]，其定义[14]式如下：

(9)

式中：dE为能量传递过程的变化；dH为能量传递过程的焓变化；dS为能量传递过程的熵变化；A为能量的品位；T0=273.15 K。

所以，将品位这一概念融合到产品成本分摊中去显得更为合理。针对图2的系统，融合品位后对原研究方法进行修正如下：

(10)

式中：A12，A10和A17-18分别是电、乏气和缸套水的品位。在计算过程中往往会遇到像A17-18这样的热以及A13-14这种冷的品位计算[15]，其计算方法分别如下：

(11)

(12)

式中：m和cp分别是工质的质量流量和比热；T17和T18分别是缸套水给回水的温度(T17>T18)；T14和T13分别是冷冻水给回水的温度(T14

由于该部分烟气直接排到环境中去，没有再被利用，所以就本系统而言这部分烟气是没有价值的，不能按照产品去计算。另外，如果这部分烟气继续被后续设备或者环节所利用，则其成本不能按0来计算，于是在本文的研究中提出了乏气的成本分摊方法，把这部分的成本分摊到其他产品中去。因为是内燃机排出并被吸收式制冷机组所利用，所以乏气这部分的费用应该由内燃机和制冷机组共同分摊。对原方法进行再次修正。将内燃机烟气单位成本c10应该改为c10-111，所以对图2系统针对乏气分摊修改辅助方程如下：

内燃机：

(13)

吸收式制冷机组：

(14)

式中：c10-111是内燃机烟气在状态点10～11之间的单位成本；A10-111是其对应的品位；c111-111和A111-111分别是乏气的相对单位成本和相对品位。

2.3系统经济方程

对于整个系统的费用平衡方程及辅助方程(夏季工况)如下：

汽化炉：

(15)

(16)

热管式换热器：

(17)

(18)

气体净化装置：

(19)

吸收式制冷机组：

(21)

(22)

(23)

内燃机：

(24)

(25)

(26)

板式换热器：

(27)

(28)

分离点：

(29)

(30)

与夏季工况相比，冬季和过度季工况只在吸收式制冷机组的运行条件以及生物质的供给量上发生改变，系统其他设备的运行并未发生变化。所以针对吸收式制冷机组在冬季和过渡季工况下的费用平衡方程以及辅助方程列写如下：

冬季工况：

(31)

(32)

(33)

过渡季：

(34)

(35)

3 结果与讨论

3.1系统热力性能

为了对系统及其设备进一步的优化提供理论依据，根据热力学第一定律和第二定律为基础分别对系统做能效率和效率分析。该系统的能效率和效率计算如下所示[16]

(36)

(37)

式中：ηen,ηex分别为能效率和效率；E为输出电能；Q为能量；Ex为量，下标12、13-14、14-16、26和1分别表示系统输出的电、冷、采暖热水、生活热水和生物质。

针对表1所列的设计工况参数，可得：夏季工况下系统的热效率最高，约为50%，但效率最低约为6.2%。在冬季供暖工况下，系统热效率小于夏季而效率大于夏季，因为冬季工况下制冷机组的COP低于夏季，导致其能量损失和损失较夏季高。冬季工况下系统的能效率和效率分别为37.8%和12.5%；过渡季工况下系统的效率最高为13.8%,热效率最低为37%。

3.2联供系统多产品成本分摊结果

首先通过对比2种不同研究方法下内燃机3种产品(电，乏气，缸套水)的成本区别如图3所示，在之前的研究中[4]对于多产品的成本分摊方法是依据F-P准则，即只考虑和能对成本的影响，所以对于同一部件来说其不同产品的单位成本是一样的，正如图3中所示，对于内燃机其电、乏气和缸套水单位成本都为0.41元/kW·h。但是由于3种产品的能量品位是不同的，电的品位最高为1.00，缸套水的品位最低为0.18。因此运用基于能品位的经济方法的计算结果分别为0.55, 0.27, 0.10元/kW·h(电，乏气，缸套水)。显然修正后的方法更符合优质优价的原则，同时也验证了该方法的可靠性。

图3 基于能品位的经济方法的对比论证

图4，图5，图6分别为运用修正后的方法计算3种工况下的结果，由此可以得出3种工况下电的单位成本约为0.6元/kW·h，较之前相比有所提升，原因主要有两点：首先是因为乏气成本的分摊，其次电的能量品位最高。冷冻水(采暖水)是多产品单位成本最高的一种产品，主要是因为吸收式制冷机组等设备的投资和维护成本的增加。夏季和冬季工况下的生活热水成本较之前有明显的下降，大约为0.41元/kW·h。其主要原因是生活热水的品位最低，大部分成本被电和内燃机的乏气所分摊。过渡季工况下的生活热水成本最高约为3.6元/kW·h，因为在过渡季工况下生活热水的能量来源除了内燃机缸套水换热之外还有部分是来自制冷机组的，所以由于设备的投资和维护成本的原因这部分能量的成本是会增加的。不管是哪种成本分摊方法最后系统的总成本是一样的。

图4 夏季工况

图5 冬季工况图

图6 过渡季工况

3.3敏感性分析

冷热电成本随生物质成本变化的曲线如图7所示，从图中可看出：电、冷冻水和生活热水的单位成本均随着生物质单价的增大而增大，且呈线性关系。3个产品单位成本变化的速率不同，冷冻水变化率最大，电和生活热水的变化率均较小，说明冷冻水的单位成本对生物质单价的变化最敏感，电和生活热水的单位成本对生物质单价的变化较不敏感。

图7 生物质成本对冷热电成本的影响

图8 系统运行时间系数对冷热电成本的影响

4 结论

本文采用基于能的品位的成本分摊方法对生物质冷热电联供系统的电、冷冻水、供暖热水和生活热水等不同产品的单位成本进行了分析，得出如下结论：

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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。

国家自然科学基金(51406054)。

李猛(1992-)，硕士研究生，研究方向为分布式供能与多能互补供能。王江江(1979-)，博士，副教授，主要从事分布式供能与可再生能源利用方面的研究。