技術(shù)-經(jīng)濟因素對天然氣分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟性影響分析

馮樂軍，付志浩，劉鋒，龔雨桐，李藝敏，韓東江，隋軍

（中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，能源需求和消費量不斷增長，推動經(jīng)濟、能源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展是可持續(xù)發(fā)展的必由之路。分布式供能系統(tǒng)由于其高效、靈活、清潔等優(yōu)點，受到能源行業(yè)的廣泛關(guān)注［1］。

天然氣分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)得到了許多專家學者的關(guān)注，對其經(jīng)濟性的研究主要集中在系統(tǒng)建模、評價指標、目標優(yōu)化、敏感度分析和補貼政策等方面［2-4］。系統(tǒng)建模方面，王加龍［5］對天然氣內(nèi)燃機分布式系統(tǒng)進行了仿真建模和優(yōu)化分析，研究了并網(wǎng)方式對經(jīng)濟性的影響；Yuan 等［6］指出，在不同氣候、不同建筑形式的條件下，分布式供熱系統(tǒng)的靜態(tài)模型會明顯高估儲熱系統(tǒng)的性能，應(yīng)該采用動態(tài)模型。評價指標方面，李昀璐［7］就三聯(lián)供系統(tǒng)建立數(shù)學模型并提出了多層次評價指標；王浩［8］通過能耗分析方法對分布式系統(tǒng)的供冷進行了經(jīng)濟性分析；董福貴等［9］提出了主觀與客觀賦權(quán)相結(jié)合的主觀賦權(quán)法（AHP）-熵權(quán)賦權(quán)法，對分布式系統(tǒng)在經(jīng)濟、環(huán)境、能耗方面進行了綜合評價。目標優(yōu)化方面，Gao 等［10］提出了一種分布式冷熱電三聯(lián)供的優(yōu)化算法，建立了運行成本的動態(tài)模型，有效解決了隨機動態(tài)規(guī)劃算例；王學勤等［11］研究了天然氣分布式能源站的能效指標和經(jīng)濟性并進行了敏感度分析；趙軍等［12］對分布式能源系統(tǒng)碳稅和不同條件氣價的敏感性進行了分析；雷金勇等［13］以最小化年總規(guī)劃成本、最大化可再生能源發(fā)電量、最小化年停電量和最小化年容量短缺量等4個優(yōu)化子目標作為分布式發(fā)電供能系統(tǒng)能量優(yōu)化目標函數(shù)，建立了優(yōu)化模型。

技術(shù)因素對分布式系統(tǒng)經(jīng)濟影響，較多集中在以一次能源利用率為目標或評價指標的建模分析上［14］。王智等［15］通過對樓宇型分布式能源系統(tǒng)建模，研究了設(shè)備容量和運行策略對系統(tǒng)經(jīng)濟、環(huán)境效益的影響；李要紅等［16］通過建立多能源協(xié)同的分布式能源系統(tǒng)模型，以優(yōu)化日購電、購氣費用為目標，研究了高鐵客運站應(yīng)用場景的節(jié)能情況；楊興林等［17］通過分析影響系統(tǒng)運行經(jīng)濟性的各項因素，以年度成本最小化為目標函數(shù)，得出了機組在最大收益情況下的最佳運行組合，并以某示范工程大樓的分布式能源系統(tǒng)為例，驗證了此優(yōu)化模型的適用性；王鵬鷹等［18］以某單位分布式能源系統(tǒng)為例，設(shè)計了3 個額定電功率為526，390，330 kW 的燃氣發(fā)電機組裝機方案，通過采集用電負荷、電價、天然氣價等數(shù)據(jù)，對比分析了裝機方案的經(jīng)濟性，確定了最佳裝機方案。

從上述文獻可以看出，研究者從能源價格角度對天然氣分布式能源系統(tǒng)進行了深入研究，但僅通過市場氣、電價格不能綜合評價系統(tǒng)的經(jīng)濟性，且缺乏定性的結(jié)果指導實際項目的投資及運行。本文突破現(xiàn)有研究的局限，從影響分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟性的經(jīng)濟和技術(shù)因素兩方面著手，探究影響其靜態(tài)投資回收期的主要因素，并分析其對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響規(guī)律以及參數(shù)邊界，從而為天然氣分布式能源系統(tǒng)標準制定及實際運行提供指導。

1 典型的天然氣分布式能源系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)能量守恒模型

基于“溫度對口，梯級利用”的集成原則［19］，典型的天然氣分布式能源系統(tǒng)主要分為動力發(fā)電單元和余熱利用單元兩部分，如圖1 所示。動力發(fā)電單元可以采用燃氣輪機、內(nèi)燃機、燃料電池、斯特林機等不同動力技術(shù)；余熱回收單元可以采用多種余熱回收方式分別進行制冷與制熱，如單/雙效溴化鋰吸收式制冷機、吸收式熱泵、吸收式除濕機等。為簡化分析，本文以圖1 中的典型天然氣分布式能源系統(tǒng)為研究對象，著重分析系統(tǒng)本身的技術(shù)因素對其投資回收期的影響規(guī)律。系統(tǒng)能量守恒及投資回收期模型如下。

燃氣輪機發(fā)電過程的能量守恒模型為

式中：QP為天然氣燃燒所釋放的熱量，可由天然氣低位熱值QLHV（36 MJ/m3）和天然氣消耗量Vng獲得；Qa，Qf分別為空氣和燃料的顯熱值，kJ/s；Pe為軸功率，kW；Qeg為燃氣輪機排煙余熱，kW；ΔQ1為燃氣輪機熱損失，kJ/s。

式中：ηe為軸功效率。

對于煙氣型吸收式制冷機組，其能量守恒模型為

式中：ηac為吸收式制冷機的余熱利用率，可由式（5）計算獲得；COP，ac為煙氣型吸收式制冷機的性能系數(shù)，它反映了消耗單位煙氣熱量所獲得的制冷量［20-21］；Wc為制冷量，kW；ΔQ2為余熱回收裝置的煙氣熱損失，kJ/s。

式中：tc1，tc2分別為吸收式制冷機進、出口煙氣溫度，℃；tc4，tc3分別為吸收式制冷機進、出口冷凍水溫度，℃；qm，c，qm，eg分別為冷凍水和煙氣的質(zhì)量流量，kg/s；cc，ceg分別為冷凍水和煙氣的比熱容，kJ/（kg·℃）；ηc為吸收式制冷機制冷利用率。

對于換熱器滿足熱負荷的系統(tǒng)，其能量守恒模型為

式中：Qcg為吸收式制冷機組出口煙氣余熱，kJ/s；ηh為換熱器換熱效率；Wh為系統(tǒng)產(chǎn)熱量，kW；ΔQ3為換熱器煙氣熱損失，kJ/s。

1.2 靜態(tài)投資回收期模型

天然氣分布式能源系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期即系統(tǒng)初始投資和年收益的比值，可以初步反映系統(tǒng)運行過程的經(jīng)濟收益［22］。結(jié)合天然氣分布式能源系統(tǒng)模型，其對應(yīng)的靜態(tài)投資回收期計算模型為

式中：λ為靜態(tài)投資回收期，a；CI為系統(tǒng)初投資，元；Ia為系統(tǒng)年收益，元；CS為系統(tǒng)裝機成本，元/kW；pin，pout分別為購電、售電價格，元/（kW·h）；pg為天然氣價格，元/m3；η為動力單元平均發(fā)電效率；Wgrid為從電網(wǎng)的購電量，kW；ph，pc為熱價、冷價，元/（kW·h）；te，th，tc分別為年平均發(fā)電時長、年平均供熱時長、年平均制冷時長，h；L為設(shè)備折舊率；Cr為管理費用，元/kW。

2 天然氣分布式能源系統(tǒng)技術(shù)-經(jīng)濟性分析

通過式（7）中系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期的計算模型可以看出，影響天然氣分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟性的技術(shù)因素有發(fā)電效率、工作時長等，經(jīng)濟因素有裝機成本、電價、氣價、熱價、冷價和折舊率等。為分析影響系統(tǒng)投資回收期的主要因素，本文首先通過靈敏度分析探究影響其投資回收期的主要技術(shù)-經(jīng)濟因素；其次，探究各主要因素對系統(tǒng)投資回收期的影響規(guī)律，從而通過確定其合適的邊界來指導實際項目投資及運行。

2.1 主要技術(shù)-經(jīng)濟參數(shù)靈敏度分析

系統(tǒng)初始參數(shù)：投資成本C為10 000 元/kW；售電價格pout為0.80 元/（kW·h），氣價pg為2.50 元/m3，冷價pc和熱價ph分別為0.90，0.25 元/（kW·h）；設(shè)備折舊率L為6%；動力機組發(fā)電效率η為37%；年運行時長t為4 000 h。

影響分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟性的因素錯綜復(fù)雜，主要有市場因素（投資成本、氣電價格）、技術(shù)因素（集成設(shè)計技術(shù)、調(diào)控技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備）、相關(guān)政策和商業(yè)模式等。將影響天然氣分布式供能系統(tǒng)投資回收期的因素按投資成本C、氣電價格比Rge、冷熱價pc，h、年運行時長t、維修費用Cm和設(shè)備折舊率L進行梳理；同時，考慮項目的技術(shù)水平，以相對節(jié)能率ηr為代表，將其作為系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響因素，一并納入考查范圍。通過敏感性分析，得到各影響因素對天然氣分布式能源系統(tǒng)投資回收期的貢獻率，如圖2所示。

圖2 天然氣分布式能源系統(tǒng)投資回收期的技術(shù)-經(jīng)濟因素靈敏度分析Fig.2 Sensitivity analysis on technical and economic factors for the payback period of natural gas distributed energy systems

由圖2 可以看出，影響分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟性的主要因素依次為ηr，C，Rge和t。其中，ηr對項目投資回收期的貢獻率達34.8%，說明項目集成設(shè)計及主動調(diào)控等技術(shù)水平的高低是決定其經(jīng)濟性的關(guān)鍵；其次，C的貢獻率為16.82%，表明設(shè)備及建筑安裝等成本投入對項目的經(jīng)濟性也至關(guān)重要；t和Rge的貢獻率分別為15.78%，14.16%，說明合理的項目年運行時長以及氣電價格比是保證天然氣分布式能源系統(tǒng)長期運行的關(guān)鍵；此外，作為項目收益的冷負荷和熱負荷，對項目投資回收期的貢獻率為10.53%，因此，合理的pc，h亦可進一步改善項目的經(jīng)濟性。

2.2 技術(shù)水平對系統(tǒng)投資回收期的影響

技術(shù)因素對系統(tǒng)經(jīng)濟性有重要影響，反映項目技術(shù)水平的ηr是影響系統(tǒng)經(jīng)濟性的重要因素。

以珠三角地區(qū)某天然氣分布式供能項目為例進行分析。該項目C=8 000 元/kW，t=4 000 h，自用電價=1.000 元/（kW·h），Cm=0.120 元/（kW·h），L=6%，pc=0.567 元/（kW·h），ph=0.648 元/（kW·h）。圖3為不同pg下ηr對系統(tǒng)投資回收期的影響。

由圖3 可以看出，ηr越高，項目投資回收期越短。以10 a 投資回收期為目標，pg為3.0 元/m3，t為4 000 h 時，動力機組的ηr不低于29.0%時系統(tǒng)即能有收益。pg降至2.5 元/m3，系統(tǒng)最低ηr為15.0%。

圖3 ηr對天然氣分布式能源系統(tǒng)投資回收期的影響Fig.3 Influence of ηr on investment payback period of the natural gas distributed energy system

2.3 氣、電價格對系統(tǒng)投資回收期的影響

不同ηr下系統(tǒng)投資回收期隨Rge的變化趨勢如圖4所示。由圖4可以看出，隨著Rge的提高，系統(tǒng)投資回收期呈遞增趨勢；系統(tǒng)節(jié)能性越好，即ηr越高，在相同投資回收期下能接受的Rge越高。以10 a 投資回收期為收益目標，系統(tǒng)ηr為10%，20%，30%，40%時，項目可接受的最高Rge分別為2.38，2.68，3.05，3.57 kW·h/m3。根據(jù)目前狀況，大部分天然氣分布式供能項目的ηr低于20%，而Rge為2.5～4.0 kW·h/m3，高于2.68 kW·h/m3，導致部分項目無法獲得滿意的經(jīng)濟效益。

圖4 Rge對天然氣分布式能源系統(tǒng)投資回收期的影響Fig.4 Influence of Rge on the investment payback period of the natural gas distributed energy system

2.4 投資成本對系統(tǒng)投資回收期的影響

考慮到不同經(jīng)濟區(qū)域的氣候條件、氣電價格比、技術(shù)水平不同，以珠三角地區(qū)天然氣分布式供能項目為研究對象，分析在一定的ηr及Rge下，天然氣分布式供能項目單位投資成本對投資回收期的影響，如圖5所示。

圖5 投資成本對天然氣分布式能源系統(tǒng)投資回收期的影響Fig.5 Influence of project the investment on the system investment payback period

從圖5 可以看出，隨著分布式供能項目單位投資成本的增加，投資回收期呈現(xiàn)出冪指數(shù)增加的趨勢，并且在相同的ηr下，Rge越大，投資回收期越長；同時，當Rge一定時，系統(tǒng)ηr越大，投資回收期越短，說明在一定的投資回收期下，系統(tǒng)的經(jīng)濟性和節(jié)能性表現(xiàn)出一致性，即節(jié)能性較好的系統(tǒng)，其經(jīng)濟性也較好。

相同的投資成本及Rge下，技術(shù)水平（ηr）越高，投資回收期縮短越顯著，說明珠三角地區(qū)使用高技術(shù)水平機組對經(jīng)濟性改善較大；以項目投資回收期10 a為目標，ηr為20%，Rge為2.0 kW·h/m3時，項目投資成本低于9 750 元/kW即可有收益；隨著技術(shù)水平的提高，ηr提高至30%時，項目收益的投資成本范圍更寬（低于10 750 元/kW）。

由以上分析可以看出，初始投資成本是影響天然氣分布式供能系統(tǒng)收益的關(guān)鍵。天然氣分布式供能系統(tǒng)的初始投資主要包括設(shè)備購置費、建筑工程費、安裝工程費等。其中，設(shè)備購置費占初始投資的62%左右（動力機組設(shè)備購置費占總購置費的60%），建筑工程費和安裝工程費與裝機規(guī)模相關(guān)，占初始投資的25%。此外，項目建設(shè)管理費、技術(shù)服務(wù)費、整套啟動試運行費等其他費用大約占總投資的13%。設(shè)備購置費過高是造成目前項目投資成本過高的主要原因，25%左右的建筑工程安裝費會對后續(xù)的人力、物力及財力投入帶來巨大影響，因此，降低設(shè)備購置費和建筑工程安裝費是降低系統(tǒng)投資成本，改善系統(tǒng)收益的突破口，而提高設(shè)備國產(chǎn)化率和對系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計是2 個主要措施。

2.5 年運行時長對系統(tǒng)投資回收期的影響

根據(jù)我國目前運行的天然氣分布式供能項目的統(tǒng)計，大部分項目的年運行時長為3 000～4 500 h。由于我國各地區(qū)氣候差異較大，用戶冷熱負荷需求差別明顯，例如京津冀地區(qū)熱負荷需求多，而珠三角地區(qū)冷負荷需求多，則對應(yīng)的系統(tǒng)在冬季和夏季運行時長就不一樣。根據(jù)京津冀、長三角及珠三角地區(qū)實際天然氣分布式供能系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，三地項目的平均年運行時長分別為3 758，3 940，4 206 h。分析上述3個地區(qū)項目年運行時長對項目經(jīng)濟性的影響。

圖6 為京津冀、長三角和珠三角地區(qū)的天然氣分布式供能項目年運行時長對投資回收期的影響。由圖6可以看出，隨著年運行時長的增加，系統(tǒng)投資回收期呈非線性遞減的趨勢。以投資回收期10 a為目標，當系統(tǒng)ηr為20%時，京津冀地區(qū)天然氣分布式供能項目可承受的最短年運行時長為4 500 h，長三角地區(qū)為4 100 h，珠三角地區(qū)為3 800 h。目前，大部分在運的天然氣分布式供能項目ηr不足20%，年運行時長為3 000～4 500 h，難以達到項目預(yù)期的經(jīng)濟性，因此，延長年運行時長是改善天然氣分布式供能項目經(jīng)濟性的有效途徑。

圖6 年運行時長對天然氣分布式能源系統(tǒng)投資回收期的影響Fig.6 Influence of operating time on the investment payback period of the natural gas distributed energy system

3 結(jié)論

相對節(jié)能率、投資成本、運行時長和氣電價格比是影響天然氣分布式能源項目經(jīng)濟性的主要因素。節(jié)能水平低、動力設(shè)備主要依賴進口、建筑工程安裝費用高、氣價高、自由電價不合理、運行時長短是經(jīng)濟性不理想的主要原因。在一定的氣電價格比下，降低成本，提高運行時長，通過優(yōu)化設(shè)計、采用先進技術(shù)提高項目節(jié)能水平是改善項目經(jīng)濟性的關(guān)鍵。

（1）投資成本方面。設(shè)備購置費占初始投資的62%，建筑安裝工程費占25%。核心動力設(shè)備依賴進口導致項目整體投資成本較高，當系統(tǒng)相對節(jié)能率小于30%，氣電價格比為2.0～3.5 kW·h/m3，系統(tǒng)投資成本低于8 000 元/kW 時，系統(tǒng)才有較好的收益；同時，由于設(shè)計規(guī)程對項目機房的建筑安裝要求高，導致建筑安裝成本居高不下。

建議措施：提高核心動力設(shè)備國產(chǎn)化率和將系統(tǒng)模塊化是降低項目設(shè)備購置費和建筑安裝工程費的有效措施，可以大幅度降低投資成本。

（2）項目運行方面。氣電價格比、運行時長是影響項目經(jīng)濟性的主要因素。燃氣費用約占項目運行費的60%。當天然氣分布式供能項目投資成本為8 000 元/kW，相對節(jié)能率為20%，項目投資回收期為10 a 時，珠三角地區(qū)可承受的最高氣電價格比為2.65 kW·h/m3，而長三角地區(qū)和京津冀地區(qū)分別為2.50，2.42 kW·h/m3。在目前的技術(shù)水平和投資成本條件下，各地區(qū)氣電價格比大多高于其能承受的最高價格，是項目經(jīng)濟性欠佳的主要原因。此外，我國實際運行的分布式供能項目平均運行時長為3 000～4 500 h，也是導致經(jīng)濟性不理想的原因之一。

建議措施：優(yōu)化電價形成機制，實施峰谷電價，降低氣電價格比，提高運行時長，是從運行角度改善系統(tǒng)經(jīng)濟性的有效途徑。

（3）技術(shù)水平提升方面。系統(tǒng)相對節(jié)能率對系統(tǒng)投資回收期有重要影響。在目前實際運行條件下，對于氣電價格比為2.5～4.0 kW·h/m3，運行時長為3 000～4 500 h 的天然氣分布式供能項目，只有系統(tǒng)相對節(jié)能率達到20%以上時才能有一定的經(jīng)濟收益。然而，目前大部分項目節(jié)能率低于20%，很難獲得較好的收益，這也是一些項目難以獲得理想收益的主要原因之一。

建議措施：提高系統(tǒng)集成設(shè)計和變工況調(diào)控水平、發(fā)電效率、余熱利用水平以及系統(tǒng)相對節(jié)能率，以改善系統(tǒng)經(jīng)濟性。