天然气分布式能源站的能效指标及经济性探讨

王学勤，邓亚男，徐静静，江 婷

(1.中国华电集团有限公司上海公司，上海 200126；2.华电分布式能源工程技术有限公司，北京 100070)

1 引言

随着我国经济的持续发展，能源消费总量不断增加，能源与环境问题已经成为制约我国经济和社会发展的重要因素。为应对能源与环境、资源以及气候变化的挑战，我国政府正在研究推动能源消费、能源供给、能源技术和能源体制四方面的“革命”，提出了多元化、清洁化和高效化的能源发展战略，发展低碳经济和转变经济增长方式已成为我国实现科学发展的必然要求[1]。

天然气分布式能源技术，因综合能效高(70%以上)，CO2排放低，近零污染排放，利于电网和天然气管网调峰的特点，已成为推进我国能源生产和消费革命的战略性备选技术。据不完全统计，目前我国分布式能源站总装机容量约1500×104kW(含已建、在建、筹建)[2]。本文依托某度假区分布式能源站项目，对其技术及经济性进行了分析，并研究了燃气价格、冷价、热价、电价等因素对能源站运行经济性的影响，为以后新建设的分布式能源项目给出一定的指导意见。

2 项目简介

该分布式能源站位于某国际旅游度假区内，向度假区内所有娱乐设施、公共建筑和酒店等用能设施提供冷、热、电及压缩空气四种能源产品。该项目采用以冷热定电、余电上网的原则规划设计，最大限度利用发电余热制冷、制热，充分实现能源梯级利用。能源站主设备采用5台4.4MW燃气内燃机，发电余热通过5台烟气热水型溴化锂提供园区制冷和制热需求，同时本项目能源站还配备了6台冷水机和2台燃气热水锅炉作为调峰设备，以及用于调节负荷需求的蓄冷罐和蓄热罐。其工艺流程图如图1所示。

3 能效指标分析

该能源站正式投产后，通过对能源站一年运行周期内的运行数据采集分析，对该能源站年平均综合利用效率和年利用小时数等性能指标进行了评估。在此期间，能源站采取综合利用效率最优的运行模式，以能源站一次能源综合利用效率最高为控制目标。

3.1 负荷统计

负荷统计见表1。

3.2 热电负荷分析

分布式供能系统基于“以冷热定电，自发自用、余电上网”的原则运行，最大限度利用发电余热制冷、制热，充分实现能源梯级利用。从整个评估周期的冷热电负荷可见，夏季的冷负荷需求较大，冬季的热负荷需求较大，在过渡季，溴化锂机组供冷和供热则根据实际情况进行调整，既有供冷和供热(图2)。

3.3 天然气热值

天然气从能源站现场取样后送至有资质的某安全和装备质量监督检验站对燃气热值进行测定，测定天然气低位热值为34.91 MJ/m3(表2)。

3.4 能效指标

3.4.1 计算公式

(1)年平均能源综合利用率。年平均能源综合利用效率按下式计算：

(1)

其中：η——年平均能源综合利用率(%)；W——年联供系统净输出电量(kW·h)；Q1——年有效余热供热总量(MJ)；Q2——年有效余热供冷总量(MJ)；B——年联供系统燃气总耗量(Nm3)；QL——燃气低位发热量(MJ/Nm3)。

(2)运行小时数。分布式供能系统年利用小时数计算公式如下：

(2)

其中：H——年运行小时数(h)；W——年联供系统净输出电量(kW·h)；KW——原动机额定装机容量(kW)。

(3)节能量。天然气分布式供能项目年节能量计算公式如下：

Q=A-B

(3)

其中：Q—分布式供能系统年节能量(kgce)；A—

图1 能源站工艺流程表1 能源站完整年度各月耗气量和冷热负荷量统计

时间天然气耗量/Nm3净输出电量/kWh净输出热量/kWh净输出冷量/kWh2016/082485203940878112739188188922016/091482778575879361337260772522016/1012908395081986104936346891242016/1115011596370500480108915676962016/12262058710779549850400010099632017/01331415413642390108270509922432017/02299696312323179978561002017/03264321111130791962911802017/0414913596280375533856202017/0521437188577848405715926637942017/06255810310490223328022355754442017/0726642221065493019149106908328合计271922961104993445992784838302737

注：2017年2～4月系统余热仅用于供热、不制冷，系统净输出冷量按0计算

图2 系统完整年度各月冷热电负荷量表2 天然气热值检测结果

序号检测项目名称及单位检测结果1组分含量%(V/V)O20.22N20.89CH495.00C2H62.73CO2未检出C3H81.16i-C4H10未检出n-C4H10未检出H2未检出2气体热值高位热值MJ/m338.72低位热值MJ/m334.91

常规分供系统的一次能源消耗量(kgce)，按公式4计算；B—分布式供能系统的一次能源消耗量(kgce)，按公式5计算。

常规分供系统的一次能源消耗量计算公式如下：

A=P×eref.p+C×eref.c+H×eref.h

(4)

其中：P—分布式供能系统供电量(kW·h)；C—分布式供能系统供冷量(kW·h)，由于烟气热水型溴化锂COP近似1.0，供冷量可等效于一次供热量；H—分布式供能系统供热量(kW·h)；eref.p—到达终端用户的供电能耗参照值(kgce/kW·h)，参考2015年上海市供电标准煤耗0.300 kgce/kW·h计算；eref.h—到达终端用户供热能耗参照值kgce/kW·h，参考工业燃煤锅炉热效率75%计算，可得供热能耗参照值为0.164 kgce/kW·h；eref.c—到达终端用户供冷能耗参照值(kgce/kW·h)。

分布式供能系统的一次能源消耗量计算公式如下：

B=B1×I

(5)

其中：B1—分布式供能系统的天然气消耗量(Nm3)；I—折算标煤系数(kgce/m3)，根据实测天然气低位热值34.91 MJ/Nm3，可得此处折算系数为1.191 kgce/Nm3。

(d)CO2减排量

二氧化碳减排量按以下公式计算：

二氧化碳减排量=WH.CO2-WCCHP.CO2

WH.CO2=P×λh.CO2+H×λg.CO2

WCCHP.CO2=B1×λr.CO2

(6)

其中： WH.CO2—常规分供系统二氧化碳排放量(kg)； WCCHP.CO2—分布式供能系统二氧化碳排放量(kg)； λh.CO2—华电电网二氧化碳排放因子(kg/kW·h)，根据国家发改委应对气候变化司公布的2015年中国区域电网基准线排放因子报告，华东电网电量边际二氧化碳排放因子为0.8112 kg CO2/kW·h； λg.CO2—标煤二氧化碳排放因子(kg/kg)，根据国家发展改革委能源研究所提供的数据，我国标煤二氧化碳排放因子为2.46 kg/kg；

λr.CO2—天然气二氧化碳排放因子(kg/Nm3)，根据政府间气候变化委员会公布的缺省二氧化碳排放因子为56.1 t/TJ，可知天然气二氧化碳排放因子为1.9242 kg CO2/Nm3。

3.4.2 计算结果

计算得该天然气分布式能源站供能系统全年平均能源综合利用效率、年利用时数、年一次能源消耗量见表3所示。

表3 能源站能效指标

常规分供系统年一次能源消耗量为45263 t标准煤、二氧化碳排放量为111347 t；与常规分供系统对比，该能源站天然气分布式供能系统年节能量为12873 t标准煤，节能率为28.7%； 系统年二氧化碳排放量与常规分供系统相比减排量为59023 t，二氧化碳减排率为53%。

4 能源站经济效益分析

计算能源站的经济性需要考虑能源站的建设成本、运行成本、收益等因素，表4中列出了该天然气分布式能源站的2016年自然年度的主要经济指标。

表4 楼宇型天然气分布式能源站的主要经济指标

根据上表中数据，综合考虑税率等因素，该项目的年收益为-471.02万元。可看出该能源站项目是负收益，主要原因是表中列出的运行站数据是能源站运行初期的数据，冷热负荷量较低，当以近年能源站的运行数据计算，年供冷量46.3 GJ，年供热量25.8 GJ，能源站的年收益为21.554万元，实现正收益。通过分析可知，能源站的供能负荷量对能源站的经济性有影响，因此在进行能源站设计阶段用户负荷的预测很重要。

影响能源站经济性的因素除了用户负荷外，天然气的价格、冷价、热价等因素也会影响能源站的经济性图3～5分别表示了天然气分布式能源站的经济性随着天然气价格、冷价、热价的变化。

图3 天然气价格对楼宇型能源站经济性的影响

从图中可以看出，天然气分布式能源站的经济性随着天然气价格的降低而增强，在供能负荷等其他变量不发生改变的情况下，当天然气的价格小于2.9元/Nm3时，能源站实现正收益。从图中还可看出，天然气分布式能源站的经济性随供冷价和供热价的升高而增强，在保证供冷价和供热价单一变量的基础上，当供冷价高于136元/GJ，供热价高于145元/GJ时，能源站实现正收益。

图4 供冷价对楼宇型能源站经济性的影响

图5 供热价对楼宇型能源站经济性的影响

5 结语

天然气分布式能源项目具有环境友好、能源利用率高、靠近用户、避免远距离传输等优点，具有良好的发展前景，与常规的火电供能方式相比，分布式能源站的经济性还有较大的提升空间。本文以国内某天然气分布式能源站为模型，对能源站的能效指标和经济性进行了分析，并详细研究了天然气价格、供冷价、供热价等因素对能源站经济性的影响，得出以下结论：

(1)通过对该天然气分布式能源站一年的运行数据的采集分析，总体评价该能源站供能系统配置合理，能源综合利用效率高，余热利用效果好，节能效益明显。该旅游度假区用能由天然气分布式能源站集中供给，不再分散安装锅炉、电空调、空气压缩机，提高了资源利用效率，节约能源，减少污染，具有明显的环境和社会效益。

(2)天然气的价格对分布式能源站的经济性影响较大，能源站的经济性随着天然气价格的增加而降低，该能源站在用户负荷等因素不变的情况下，当天然气的价格小于2.9元/Nm3时，能源站实现正收益。

(3)天然气分布式能源站的经济性随着供冷价和供热价的升高而增强，在保证供冷价和供热价单一变量的基础上，当供冷价高于136元/GJ，供热价高于145元/GJ时，能源站实现正收益。

(4)天然气分布式能源站的经济性还受用户负荷的影响，当负荷较低时，能源站的经济性较差，因此，在能源站初步规划时需要做好负荷预测。且用户电负荷在供能负荷中所占的比例也影响能源站的经济性，当电负荷较大时，会降低能源站的经济性，因此在能源站初步设计阶段要根据用户负荷合理进行机组的配备。