天然气冷热电蒸汽联产系统经济性分析

陈靖，江婷，徐静静，胡永锋，李跃，刘广宇

(1.中国华电科工集团有限公司，北京 100160； 2.国家能源分布式能源技术研发中心，北京 100160)

0 引言

随着当今世界经济的不断发展，不可再生的化石能源被不断消耗。为了人类社会的可持续发展，一方面，需要积极探索太阳能、风能、地热能等可再生能源的稳定利用途径；另一方面，亟需提高目前化石能源利用效率，优化传统能源利用方式。天然气分布式能源系统具有靠近用户，能量梯次利用，相对于传统的集中式供电方式而言具有低碳、高效、清洁、环保等特点。天然气分布式能源系统利用先进的燃气轮机或燃气内燃机燃烧洁净的天然气发电，经过能源的梯次利用，可为一个区域提供蒸汽、供暖、供冷、供电，解决区域能源需求。能源利用效率从常规发电系统的40%左右提高到80%左右，大量节省了一次能源。分布式能源技术是未来世界能源技术的重要发展方向[1-2]，它具有能源利用效率高，环境负面影响小，提高能源供应可靠性高和经济效益好的特点。一般而言,为工业园区、高新产业园等区域供能的系统称为区域式分布式能源系统，为商业办公楼、酒店等小型集中办公楼供能的系统称为楼宇型分布式能源系统。通常，分布式能源系统根据用户需求，为用户夏季供冷、冬季供暖、提供生活热水、生产蒸汽、电力等多种形式的能源，不同形式的能源会影响系统的装机选型及经济性。

1 国内外研究现状

国内学者[3-5]大多针对现有的天然气分布式能源系统案例进行经济性分析，黄锦涛等[6]对微型燃气轮机、内燃机、燃料电池和小型燃气轮机的冷热电联供系统从初投资、运行维护费用、系统效率等方面进行了对比，并对上述4种系统的经济性进行了计算和分析，结果表明影响微型燃气轮机、燃气内燃机、小型燃气轮机热电联产(CHP)系统的主要因素有天然气价格 、电价、热价和年供热天数。袁家海等[7]以各省省会城市的商业电价作为比较基准，评价冷热电联产(CCHP)系统在该省份是否具有经济性，并对相关影响因素进行敏感性分析。分析表明，在中国中东部发达地区，CCHP系统具有一定经济性，CCHP平准化发电成本对能量输出量及燃料成本的敏感性较高。朱晓军等[8]建立分布式能源项目通用技术经济评价方法，并对某实际项目进行经济指标分析、关键影响因素敏感性分析以及项目风险分析，形成指导分布式能源项目投资决策的实际案例。目前，国外学者[9-10]大多针对新型的联产系统进行性能和经济性分析，Kasra等人[11]研究了以耦合空气底循环的燃气轮机循环系统，并讨论了耦合有机朗肯循环系统、溴化锂吸收式制冷系统、余热锅炉等8种不同形式的余热利用系统，系统可提供电力、淡水、冷量、热水、工业用热等多种形式的能源，研究结果表明，该系统可适用于居民和商业应用。

本文以某医药产业园为研究对象，提供一种可以为该产业园提供电、采暖、供冷以及工业蒸汽等4种能源的分布式能源系统，结合系统负荷分析讨论系统装机配置，最后对该冷热电蒸汽四联供系统进行经济性分析，并对影响其主要经济性指标的影响因素进行敏感性分析，研究成果可以指导同类型的园区合理配置分布式联产系统。

2 系统冷热蒸汽负荷分析

园区内负荷包括办公冷热负荷、工业蒸汽，因此分布式能源系统的设计需要先进行负荷分析。园区内需要空调冷热负荷的区域包括厂区内办公所需的空调冷热负荷和电气房间所需的冷负荷。典型日冷负荷曲线如图1所示，延时冷负荷曲线如图2所示。

图1 典型日逐时冷负荷变化

图2 延时冷负荷变化

通过典型日逐时冷负荷分析，制冷负荷在15:00—16:00时出现用冷高峰。通过延时冷负荷变化图可知设计冷负荷为850 kW。

典型日热负荷曲线如图3所示，延时热负荷曲线如图4所示。通过典型日逐时热负荷分析，热负荷在08：00—09：00时出现用热高峰，通过延时热负荷变化图可知设计热负荷为600 kW。

图3 典型日逐时冷负荷变化

图4 延时冷负荷变化

园区蒸汽负荷需求情况见表1。由表1可知，蒸汽热负荷最大为45.0 t/h，平均为36.5 t/h，最小为15.0 t/h。依据《城镇供热管网设计规范》(CJJ 34—2010)，生产热负荷同时使用系数可取0.6～0.9。考虑园区内涉及的行业类别各不相同，故生产热负荷同时使用系数取0.7。设计能源站的设计工业蒸汽热负荷需求为25.55 t/h。

表1 蒸汽负荷需求

分布式能源系统主要由发电设备、余热利用设备、空调调峰设备及相关主辅设备构成。目前三联供系统中应用较多的发电机形式有燃气轮机加各种形式的余热吸收式溴化锂机组。发电机组与余热机相结合可以组成不同的工艺形式，发电机组的烟气通过余热锅炉产生蒸汽或热水再进入蒸汽或热水型吸收式溴化锂机组等。燃气轮机余热排放较为集中，适合于蒸汽需求为主的区域式分布式能源项目，同时燃气轮机具有系统单位造价相对较低，寿命周期较长(大修周期在6万～8万h左右)、出口烟气温度较高、氮氧化物排放率低等优点。综合考虑，从能源利用角度考虑，园区内以工业蒸汽为主，采用燃气轮机更能充分利用余热资源。因此对应的分布式能源系统考虑以燃气轮机为原动机为园区企业提供蒸汽、冷热等负荷。

3 系统介绍

本文中的园区是以食品加工、生物药业研发为主导的加工基地，对应的分布式能源系统建成后主要满足园区内部分食品加工、医药生产等企业的蒸汽负荷，并为办公楼提供冷、热负荷，发电直供，余电上网。根据负荷分析，系统配置流程图如图5所示。

图5 系统配置流程

根据负荷分析，该园区配备的分布式能源系统拟配置两套15 MW等级的燃气-蒸汽联合循环机组，机组装机容量为33.244 MW，即2台燃气轮机13.871 MW+2台双压余热锅炉+抽凝式汽轮机5.5 MW+1台100万大卡热水型溴化锂机组+3台15 t/h燃气锅炉。余热锅炉和蒸汽轮机采用二拖一的模式运行。

4 财务指标

根据《建设项目经济评价方法与参数》(第3版)以及分布式发电项目有关税收政策，经计算财务分指标见表2。项目资本金财务内部收益率为12.28%，项目投资回收期为12～13年。

表2 技术经济指标

表2给出了整个系统的工程静态投资为27 931万元，工程静态投资中各个部分的占比如图6所示，工程静态投资的60%为设备购置费，建筑工程费和安装工程费之和为29%左右，说明在分布式能源系统中占比最大的是设备投资费用。

图6 系统配置流程

目前我国的自主装备(燃气轮机、内燃机)制造能力较落后，如果提高核心装备国产化能力，降低设备费用，则分布式能源系统的造价将会大大降低。

5 敏感性分析

为了评价分布式能源项目的抗风险能力，找出敏感性因素，本文对售电价、蒸汽价、静态投资及天然气价四个因素对项目投资财务内部收益率及资本金内部收益率进行敏感性分析，分别取-10%，-5%，0，5%以及10%等5个变化率，分析结果见表3。

表3 敏感性分析 %

项目投资财务内部收益率和资本金内部收益率随售电价、蒸汽价、静态投资及天然气价的变化情况如图7、图8所示。售电价和蒸汽价对项目投资财务内部收益率的影响为正线性相关关系，静态投资和天然气价对项目投资财务内部收益率的影响为负线性相关关系。同时，售电价和天然气价格对项目投资财务内部收益率的影响最大，静态投资和蒸汽价影响次之。

图7 项目投资财务内部收益率敏感性分析

图8 资本金内部收益率敏感性分析

从图8中可以看出，售电价、蒸汽价、静态投资以及天然气价对资本金内部收益率的影响和对项目投资财务内部收益率的影响趋势相同。因此，调整运行状态，降低运行成本可提高项目效益，建立售冷热电价格与天然气价格的联动，可避免天然气价格波动带来的风险，控制好投资，可减轻项目运营期的成本压力。

6 结论

本文以某医药产业园为研究对象，提供一种分布式能源系统，满足园区内电、采暖、供冷以及工业蒸汽等四种负荷，通过对系统进行负荷分析得出系统配置，并对系统进行经济性分析，得出如下结论。

(1)对于以工业蒸汽为主的工业园区，应当建立以燃气轮机为主机的分布式能源系统，保证蒸汽负荷的稳定持续供应。

(2)目前工程静态投资中占比最大的为设备购置费，主机装备如燃气轮机、汽轮机的国产化可大大降低系统造价。

(3)售电价与蒸汽价与系统经济性有正相关的关系，静态投资和天然气价与系统经济性有负相关的关系，建立售冷热电价格与天然气价格的联动机制有利于提高项目经济性，降低项目的运行风险。