PDF《分布式冷热电联供能源系统经济性分析》

(本文发表于天然气工业

2007 26(7)118-120) 分布式冷热电联供能源系统经济性分析 华贲 龚婕 .

强化传热与过程节能教育部重点实验室 华南理工大学汽车工程学院天然气利用研究中心,广州,510640 摘要:冷热电联供/分布式能源系统(DES/CCHP)由于实现了能源的梯级、循环、高效利用和避免多次转换、传 输损失的 就地直供 ,因而具有比传统方式高的能源利用效率和经济效益.我国不同地域气候、用能需求、经 济条件,乃至地方政策等差异甚大;

对DES/CCHP 系统经济性有很大影响.本文重点对对建筑物用途和所在地域 不同而致的负荷及时间分布的差异,天然气和电的价格和比价,以及 DES/CCHP 项目所能够得到的政策和经济支 撑条件等三类因素对 DES/CCHP 系统经济性的影响进行了全面的分析;

揭示了冷热电负荷需求和时间分布以及气、 电价格比影响 DES/CCHP 经济性要的客观规律,和发挥集成优化和规模化的优势以改善项目经济性的对策;

强调 了政府在规划、政策支撑、税收优惠等措施增加 DES/CCHP 项目的经济性的作用. 关键词:分布式能源 冷热电联供 天然气 经济性 [文章编号] [中图分类号] TK, [T-9] [文献标识码] A 前言 分布式冷热电联供(Distributed Energy System /Combined Cold, Heat and Power;

DES/CCHP) 能源系统是通过各种一次能源转换技术的集成运用, 在一个区域内同时提供用户对电、热、冷等多 种终端用能需求,实现能源的梯级利用、高效利用的系统. 分布式冷热电联供系统是在热电联产基础上发展起来的. 作为一种能源高效利用的方式,在七 十年代末期在各发达国迅速发展起来. 欧洲一直重视分布式冷热电联产系统的发展, 丹麦和荷兰全 国40%以上的电力来自联产系统.至2003 年,美国 DES/CCHP 总装机容量为 56000MW,占全美电力 总装机容量的 7%,年发电总量为

310 亿kWh.截止至

2003 年三月,日本全国 DES/CCHP 总装机容 量也达到了 6503MW.近年来各国更是进一步加大了其发展力度.中国的冷热电联供系统起步晚, 主要是受到天然气的限制. 我国北方以煤为一次能源、 城市集中供热为主的热电联产近年发展较快;

但是, 随着改善城市环境的压力日益增加和加速清洁天然气能源开发的能源战略的实施,DES/CCHP 在中国的快速发展已经提到议事日程.特别是在中、南部夏热地区,采用 DES/CCHP 和蓄冷空调不 仅可以缓解电力不足的状况,更可起到电网削峰填谷的作用.但是近年来 DES/CCHP 在中国还是呼 声高而进展慢.除了天然气供应不足,价格趋高的因素外,对在中国发展 DES/CCHP 的具体条件缺 乏深刻的研究和探讨,和缺乏必要的规划、政策法规支撑也是重要的制约. 1. DES/CCHP 系统经济性的本源 以天然气为一次能源的 DES/CCHP 系统,通常藉燃气轮机或内燃机先作功发电,高温烟气再通 过余热锅炉―蒸汽轮机进一步发电;

低温烟气和低压抽汽则等低品位热则可用于采暖、 制冷等用途. 在联产的冷热电比例不适合终端用户需求的比例时,则可采用各种热泵技术,达到最经济、高效的 冷热电联供 的目标;

使能源利用总效率可达 90%以上. DES/CCHP 联供 系统同传统的 热电联产 的重大区别,一是通过各种技术的优化集成,真 正实现能源的梯级、循环、高效利用;

联产 只着眼于一次能源的转换,是线性的能源经济,而 联供 则是循环型的能源经济.二是 就地直供 ;

电的就地直供可以大幅度节省电网的建设投 资、输变电损耗和运营费用,削减电网的峰荷从而提高运行效率并节省调峰电厂的建设投资;

冷、 和热的就地直供可以避免多次转换损失和 高能低用 . 用于调峰的天然气联合循环电站规模较大、效率较高,一般为 500-1000MW,,

热效率 55-60%, 运行 4000h/a,单位投资

4000 元/kW;

但加上电网的投资

5000 元/kW、运营费用和 10%以上的输变 电损失,终端供电效率就只有 50%多一点,能源成本和折旧成本则远远高于煤电,在目前天然气/ http://www.paper.edu.cn 煤的等热值比价大于 2.5 的情况下,没有同煤电的竞争力.而规模在 10-50MW 的DES/CCHP 单位投 资4000-4500 元/kW,略高于联合循环电站,但电网投资很少,运行时间长可达 5000-6000h/a,而 且建在负荷中心,冷、热、电均可就地直供,在优化的集成匹配下总的终端能源利用效益可以高达 90%.根据美国商务部数据:分布式能源系统的平均节能率可以达到 46%.据最新的项目经济核 算,在天然气价格 2.5 元/立方米、直供电价 0.80 元/kWh、区域供冷价格 0.46 元/kWh 条件下,一 个中等规模(10MW)的DES/CCHP 的投资回收期不超过

10 年,项目收益的 40%来自供冷和热水. 除此之外 DES/CCHP 还有巨大的社会效益: 改善城市大气环境和平衡电网的峰谷差, . 这两个效 益的经济性也不容忽视.改善环境的效益可以通过参与发达国家的 碳税交易 (CDM)而直接获得 数量可观的投资补偿.电网调峰的经济效益则可以根据各地具体数据计算出来. 2. 影响 DES/CCHP 系统经济性的负荷及时间分布因素 我国地处北温带,南北气候差异很大;

因而供暖和空调需求负荷差别很大.不同功能的建筑物 供暖和空调需求负荷以及昼夜分布差别也很大.这是影响 DES/CCHP 年运行时数,从而影响设备投 资折旧率和项目经济效益的重要的客观因素. ① 空调系统: 我国地域辽阔,从北到南,气候特点大不相同.气候是影响分布式能源系统经济性的一个重要 因素.经暖通行业研究院的调研小组在

2005 年对北京、上海、长沙等大城市的公用建筑的空调运 营费用进行了调查,见表 1. 表1四大城市空调平均年运营小时数(小时/年) 空调平均年运营 (小时) 北京 上海 长沙 广州* 酒店

3845 6025

6450 6588 写字楼,机关

1350 1080

1650 1921 商场

2880 1440

2416 2928 *根据建筑标准和使用情况进行的估算. ② 采暖和热水系统 在南方,一年只有冬季需要少量的采暖,而夏季对洗澡热水的需求量也较少.而在北方,一年 有5~6 个月的时间需要集体供暖,但在这五个月里期间采暖负荷会随气温的变化(0℃~-30℃) 而变. 按 《城市热力网设计规范》 的建筑物采暖热指标, 居民住宅的采暖热指标推荐值 58~64W/m

2 . 但是随着建筑节能的深入,维护结构隔热性能的改善,采暖热指标将会降低. ③ 不同建筑的负荷的时间分布 城市住宅、工业、机关的用能时间都不相同.居民住宅用能高峰在工作

8 小时之外,用电、用热、用冷高峰一般集中在晚间的 19:00~23:00,而机关用能高峰在工作

8 小时之内,商业负荷 高峰在下午和晚间,酒电则全天都有负荷;

工厂负荷有两种:过程工业一般是

24 小时连续运行, 离散制造业则 8―16 小时不等. 以上诸多因素使得 DES 的实际年运行时间随地域和负荷构成而不同.不论在中国的南方或北 方,一年中都有春、秋两段时间气候宜人,不须供冷或采暖;

例如,在我国华南地区,供冷时间在 5--6 个月,几乎不需供暖;

而东北地区则相反,供暖时间约 5--6 个月,夏季也有 1―2 个月的供冷 负荷;

中部地区的冷、暖负荷介乎其间.因此,系统全年能够按冷热电联供高效运行的时间一般在 4000-6000h/a,这比过程工业的

8000 h/a 要短,但比做调峰用的联合循环电站(一般不超过

4000 h/a)要长.年运行时间是影响项目经济性的一个重要因素;

因为它决定设备的使用年限和折旧率, 从而影响投资回收期.因此,不同的地域和建筑物类型,DES/CCHP 项目的经济性会有差别. 3. 影响 DES/CCHP 系统经济性的规模及集成优化因素 目前国内外有上万个分布式冷热电联供系统, 其中绝大部分是小型的, 一次能源发电的功率一 般在

1 MW 左右甚至更低,大于

10 MW 的很少.这是因为这些小型的分布式能源系统多半用于商业 建筑、医院、酒店、商场、机关、学校等一栋建筑物或一个单位;

冷、热需求总量少,电也不多. 国内对 DES 概念有一种习见,以为既然是分布式,就必然是很小的;

并以国外大部分 DES 都很小 为佐证.其实不然,国外大型的分布式能源系统(DES)数目不多,但是容量都很大.以美国

1999 年的数据为例,大型 DES 平均装机容量

78 MW,数量只站全国 DES 总数的 2.8 %,但发电容量却占 42.8 % [7] .大型 DES 必定都是以集中供热或区域供冷作为基础的;

因为有了区域供冷和/或集中供 热,冷、热负荷总量就很大,燃气轮机容量也可以很大 [2] .大型的同时包括酒店、写字楼、商场和 居民住宅的 DES/CCHP 系统,负荷大、运行时间长、冷和电的负荷高峰错开,区域供冷系统的同时 系数小,设备的初投资低,设备运行负荷率高,因而经济性较好 [1] .充分注意到地域和建筑物类型 的特点,采取相应的集成优化对策,实现优势互补,可以使特定条件下的 DES/CCHP 项目经济性有 所改进.我国在城市发展、城镇化进程中,和在现有公用建筑能量系统改造中,适宜采用规模为

50 MW 左右甚至规模更大的机组,与几万冷吨的区域供冷系统和/或几百万平方米的供暖系统结合, 并且与末端系统的创新改进集合起来,会使系统的经济性大大改善. 相对来说,小型 DES/CCHP 的优点是冷热电都在单位或建筑物内直供,输送距离短,没有销售 和纳税问题,生产关系简单;

但是机组小,必然导致单位投资高、效率和运行负荷率低,一个单位 内冷热电负荷的时间分布单一,没有多种用户互补,因此系统的经济性显然不如规模大的项目.但 许多地方有适宜发展小型 DES/CCHP 的土壤,特别是电价很高、空调和热水需求量大的商业建筑. DES/CCHP 项目配置必须既能满足冷热电负荷随季节、昼夜的变化及电力、燃气能源价格等外 部边界条件大幅度变化的不同运行方案, 也能根据内外部条件的动态变化, 实现变化工况下的实时 优化运行 [3] . 所以必须把系统的配置和设备选型建立在集成优化设计和柔性设计的基础上, 才能实 现能源用户、投资商、电网、社会四赢的目标 4. 影响 DES/CCHP 系统经济性的气、电价格和比价因素 4.1 电价-天然气价格的影响 天然气价格决定 DES/CCHP 的主要成本,在分布式能源系统总成本中,燃料成本占比最大,其次 是折旧、维修费用,人力成本居第三位.火电类公司年运行成本中燃料费用占 44%~78% [4] .在文 献[4]的分析中,随着气价的增加,投资回收期迅速增长,天然气上涨 50%,投资回收期最大增幅达 到229%.天然气的价格变动将会对系统经济性产生重大影响.图2和图

3 是广州某新城区的 DES/CCHP 规划方案对天然气价格敏感性分析.可以看出天然气价格上涨,发电成本直线上涨,年 总净收益也迅速下降,同样回收年限也迅速增长. 天然气价格-动态投资回收年

0 2

4 6

8 10

12 2.3 2.5 2.7 天然气价格(元) 动态投资回收年动态投资回收年 天然气价格-发电成本/年总净收益

0 0.2 0.4 0.6 0.8

1 1.2 2.3 2.5 2.7 天然气价格(元) 发电成本(元/kwh) 年总净收益(千万元) 图2天然气价格-发电成本/年总净收益变化 图3天然气-动........