PDF《生物质发电燃料成本分析》

第27 卷 增刊

1 农业工程学报Vol.

27 Supp.1

2011 年5月Transactions of the CSAE May.

2011 17 生物质发电燃料成本分析 王爱军,张燕,张小桃 (华北水利水电学院,电力学院,郑州 450011) 摘要:为了对生物质发电成本进行分析,论文对生物质气化发电、直燃发电、混燃发电等几种主要的生物质发电方式 进行了讨论,建立了生物质燃料消耗量模型和燃料成本计算模型.在相同的发电容量(15 MW)基础上,计算了不同发 电方式对应的年燃料消耗量、年燃料收购费用和运输费用和燃料成本.结果表明,发电效率对燃料成本有较大影响,生 物质直燃发电的燃料成本约为其它方式的

2 倍. 关键词:生物质发电,燃料费用,计算模型,成本分析 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2011.z1.004 中图分类号:TK6,TM619 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2011)- Supp.1-0017-04 王爱军,张燕,张小桃. 生物质发电燃料成本分析[J]. 农业工程学报,2011,27(增刊 1):17-20. Wang Aijun, Zhang Yan, Zhang Xiaotao. Fuel cost analysis of biomass power generation [J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(Supp.1): 17-20. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 生物质发电包括生物质气化、直燃、混燃等方式[1-2] , 每种发电方式都有其自身的运行特点及要求,如果没有 合理地评估生物质发电的可行性,盲目投产,将导致电 厂亏损,进一步影响生物质发电技术的推广和应用[3-4] . 生物质电厂成本分析是生物质电厂建设的基础,而生物 质燃料成本是发电成本的主要组成部分[5] ;

通过比较和分 析不同生物质发电方式下的生物质燃料成本,可以为生 物质发电技术的推广和应用提供理论基础及参考. 中国生物质的特点是资源丰富,但分布分散,收集 和运输困难,制约了生物质发电的推广和应用[6-7] .对于 生物质发电这样一个新兴产业,分析其燃料成本构成, 有助于合理安排收集和运输,降低燃料成本和控制生产 成本,对生物质发电的推广有重大意义.

1 生物质发电过程 生物质发电包括:生物质气化发电、生物质直接燃 烧发电、生物质与煤混合燃烧发电等,如图

1 所示. 生物质气化发电:包括气化和发电两个主要过程. 首先将生物质经过气化和净化装置转化成洁净的可燃 气,然后在内燃机或燃气轮机内燃烧发电,其发电效率 大约在 30%左右. 生物质直燃发电:生物质燃料在锅炉中直接燃烧释 放能量并加热工质水产生蒸汽,蒸汽驱动汽轮发电机发 电.小型汽轮发电机组总体上技术比较成熟,造价较低, 收稿日期:2010-12-31 修订日期:2011-02-17 基金项目:河南省教育厅科技攻关项目(2008A47005) ;

郑州市科技发展计 划(074SCCG32108-5) 作者简介:王爱军(1967-) ,男,河南温县人,副教授,主要从事能源开 发和利用方面的研究.郑州 华北水利水电学院,450011. Email: [email protected] 但其发电效率较低,只有 20%左右.这也成为生物质直 燃发电成本高的内在原因,导致多数生物质直燃电厂呈 现亏损局面. 图1生物质发电的主要方式 Fig.1 Main ways of biomass power generation 生物质直接混燃发电[8] : 将生物质经过粉碎等预处理 后与煤一起送入炉膛进行燃烧释放出能量.生物质混燃 发电可以保持较高的发电效率,可达 38%.但生物质直 接混合燃烧在锅炉运行中存在一些问题,甚至影响到锅 炉的正常运行. 生物质间接混合燃烧发电:将生物质气化后生成的 合成气输送至锅炉与煤混合燃烧进行发电.气化是生物 质燃料的一种前期处理形式.这种方式适用于大型发电 机组,不仅能保持较高发电效率,而且送入锅炉的是合 成气,对锅炉燃烧影响较小.

2 生物质发电燃料成本计算模型 燃料成本是发电成本的主要组成部分,它与燃料 的收购费用、运输费用、存储费用和机组发电效率有 关. 2.1 生物质燃料消耗量计算模型 单位电能对应的燃料消耗量计算公式为: 农业工程学报

2011 年18

3 600 fuel fuel e b LHV ? ? (1) 式中,bfuel 为燃料消耗率,kg/kWh;

LHVfuel 为燃料低位热 值,kJ/kg;

η e 为发电效率,%. 其中生物质气化与煤混燃发电效率为: cp gasifier e ? ? ? ? (2) 式中, η cp 为原燃煤机组发电效率, %;

η gasifier 为气化效率, %. 电站规模直接决定了生物质电厂的燃料年消耗量. 根据生物质发电单位电能燃料消耗量,生物质燃料年消 耗量计算公式为: Bfuel=bfuel・ Pe・ a (3) 式中, Bfuel 为燃料年消耗量, t/a;

Pe 为发电机功率, MW;

a 为机组年运行小时数,h. 影响电厂发电效率的主要因素有:锅炉效率和汽轮 机效率.目前燃煤电站锅炉的热效率已经达到 90%以上, 生物质电厂的锅炉效率略低于燃煤锅炉的效率,最高可 达88%.因此,生物质电厂锅炉效率方面的影响较小, 主要的影响因素在汽轮机效率方面.机组容量与蒸汽初 参数对汽轮机效率有直接的影响,从而影响发电效率. 目前, 燃煤发电的机组单机容量大 (可达

1 000 MW) 和蒸汽初参数高(压力超过

34 MPa,温度达到 650℃), 发电效率可以达到 42%;

而生物质直燃电厂单机容量小 (低于

25 MW),蒸汽初参数低(压力

3 MPa 左右,温度400℃左右),发电效率大约 15%~20%. 2.2 生物质发电燃料费用计算模型 生物质发电的燃料到厂价格即燃料费用包括生物质 的收购价格、运输费用和其他费用.由于农业废弃物的 堆积密度低、运费高,收集和运输费用构成了生物质燃 料费用的主要部分. 生物质发电燃料费用的计算公式为: fuel fuel fuel fuel z p y q ? ? ? (4) 式中,zfuel 为燃料费用,元/t;

pfuel 为燃料收购价格,元/t;

yfuel 为燃料运输费用,元/t;

qfuel 为其他部分费用,包括储 存和预处理费用,元/t. 年燃料收购费用为: fuel fuel fuel p B C ? (5) 式中,Cfuel 为年消耗燃料收购费用,元/t. 运输费用与收集半径有直接的关系.收集半径越大, 运输费用越高.随着电站规模的扩大,生物质的收集和 运输范围将会变大,使发电成本增高. 生物质燃料的年需求量和资源密度是决定生物质收 集范围、运输距离的重要指标[9] .以生物质分布密度为基 础,可以决定收集范围和运输距离,公式如下: ? fuel B S ? (6) 式中,S 为生物质的收集范围,km2 ;

ρ为生物质分布密 度,t/(km2 a). 根据收集范围确定收集方案,生物质电厂的燃料需 求量大,需要建立多个小的秸秆储运站(收购点),分 散收集秸秆后再由收储点集中运送到电厂,根据生物质 需求量确定收储点的数量,每个收储点收购的生物质量 相同,如图

2 所示.计算得出收集范围 S 之后,按照图

2 的布局,可以计算生物质电厂收购秸秆的平均运输距离. 假设共 n 个收储点,单个收储点距生物质电厂的距离 Li, 得出生物质电厂收购秸秆的平均运输距离: n L n L L L L n i i n ? ? ? ? ? ? ?

1 2

1 ? (7) 式中,L 为收储点到生物质电厂的平均运输距离,km. 图2生物质收集距离 Fig.2 The distance of collecting biomass 燃料年运输费用的计算公式为: YL B Y fuel fuel ? (8) 式中,Yfuel 为年燃料运输费用,元/a;

Y 为单位运输费用, 元/(t・ km). 年燃料费用的计算公式为: fuel fuel fuel fuel fuel fuel fuel fuel fuel fuel Q Y C Q YL B p B B z Z ? ? ? ? ? ? ? (9) 式中,Zfuel 为年燃料费用,元/a;

Qfuel 为年燃料所需的其 他费用,元/a. 2.3 生物质发电燃料成本计算模型 单位电能燃料成本的计算: q YL b p b z fuel fuel fuel ? ? ?

000 1

000 1 (10) 式中,z 为单位电能所需燃料成本,元/kWh;

q 为单位电 能所需的其他费用,元/kWh.

3 计算实例 3.1 生物质发电燃料消耗量的计算 在计算的过程中,燃料其他费用(包括预处理、储存)不易确定,本文只讨论收购费用和运输费用. 在不同发电方式下,发出相同的电量,生物质的需 求量不同,收集和运输费用也不同.假如发电功率为

15 MW,年运行时间为

6 500 h,生物质燃料的低位热值 为15 222.98 kJ/kg,假定间接混燃的气化炉气化效率为 增刊

1 王爱军等:生物质发电燃料成本分析

19 85%, 计算得到的不同发电方式对应的生物质发电的燃料 消耗量,如表

1 所示. 从表

1 可以看出,燃料消耗量和发电效率密切相关, 发电效率越大,燃料消耗量越小.生物质与煤直接混燃 发电效率达 38%, 是生物质直燃发电效率 15%的2倍多, 其年消耗燃料则比直燃发电的一半还要少.其他几种发 电方式燃料消耗量也明显低于生物质直燃发电的年燃料 消耗量. 表1生物质发电(15 MW)燃料消耗量 Table

1 Fuel consumption masss flow of biomass power generation(15 MW) 发电方式 发电效率/ % 燃料消耗率/ (kg・ kWh-1 ) 年燃料消 耗量/t 直燃

15 1.5766

153 715 直接混燃

38 0.6223

60 677 间接混燃 38* 0.85 0.7390

72 053 气化(内燃机)

30 0.7883

76 857 燃气-蒸汽联合循环

35 0.6757

65 877 3.2 燃料费用的计算 中国平均秸秆资源密度为 88.55 t/(km2 ・ a),在全国

8 大区中, 黄淮海区是中国秸秆资源密度最高的地区,

2005 年平均达到 380.53 t/(km2 ・ a)[10] , 目前秸秆电厂的收购价在 150~200 元/t,计算过程中取秸秆收购价为

170 元/t.运 输距离小于

30 km 选用公路卡车运输,单位距离运输费 用折合为 0.3396 元/(t・ km)[11] .计算得到的不同发电方式 对应的生物质发电燃料费用如表

2 所示. 表2生物质发电(15 MW)燃料费用 Table

2 Fuel costs of biomass power generation(15 MW) 单位:万元 发电方式 年收购费用 年运输费用 燃料费用 直燃

2 613.15 39.24

2 652.39 直接混燃

1 031.51 9.72

1 041.23 间接混燃

1 224.92 12.59

1 237.51 气化(内燃机)

1 306.58 13.87

1 320.45 燃气-蒸汽联合循环

1 119.92 11.01

1 130.93 从表

2 可以看出, 生物质发电燃料年收购费用和年 运输费用随着发电方式的不同而变化.........