考虑碳排放的冷热电联供系统综合评价研究

2020-09-11宇永香邵媛媛

冶金动力 2020年8期

宇永香，邵媛媛

（1.沈阳城市燃气规划设计研究院有限公司；2.沈阳燃气有限公司，辽宁沈阳 110000）

1 绪论

我国大力倡导的绿色低碳能源战略中，冷热电联供作为低碳能源利用的重要手段，具有减少一次能源消耗，降低大气污染以及运行效率较高等特点。目前，我国的冷热电三联供系统在工业园区、医院、机场、计算机交换站等方面建设发展很快。对于冷热电三联供系统的研究范围也相当广泛，涉及三联供系统发电、储能、能量转换等技术问题，这些成果为冷热电联供系统的稳定运行提供了很好的技术支持[1-2]。

国内关于冷热电联供系统规划的研究虽然很多，然而重点都放在对系统经济性的研究上，而对二氧化碳排放造成的影响缺少经济性、节能性和环保性的综合研究。本文对冷热电联供系统的经济效益、环境效益、能耗效益进行了综合考虑，提出了包含以上三者的综合评价指标，并以该指标为目标函数，分析了电价、气价和碳排放税价对综合评价指标的影响[3-4]。

2 系统的模型与目标函数

冷热电联供系统是利用天然气的燃烧，产生高温高压的烟气，经燃气轮机发电，再经余热回收设施，提供给用户需要的冷（热）负荷。极热（冷）天气时，当烟气余热无法满足冷、热负荷需求时，可通过燃烧设备进行补燃[5]。同时采用锅炉、电制冷机、连接市政电网等辅助方式调节冷热电的波动，流程如图1所示。

图1 冷热电联供系统的流程图

分供系统电负荷采用市政电网购买，冷负荷通过电制冷机提供，热负荷通过燃气锅炉提供，分供系统流程如图2所示。

图2 分供系统的流程图

2.1 联供系统模型

燃气轮机的电负荷和热负荷的模型分别为：

式中：Wgt——单台燃气轮机发电功率，kW；

Vgt——燃气耗量（m3）；

Qch——单台燃气轮机的余热量，kW；

ηch、ηce——燃气轮机的烟气余热效率和发电效率；

H1——天然气低热值，kJ/m3。

2.2 分供系统模型

分供系统的冷热电各自需要单独的设备，与联供相比较分散。

（1）电制冷机模型

冷负荷需求主要由电制冷机制冷提供，

式中：Qsc——园区冷负荷的需求量,kW；

Esc——系统电制冷机耗电量,kW。

（2）分供系统燃气锅炉制热模型

式中：Qsh——园区热负荷的需求量，kW；

Vsh——分供系统燃气消耗量，m3；

ηsh——燃气锅炉热效率。

2.3 目标函数

（1）能耗性目标函数

能耗性指标，主要是一次能源消耗的计算。联供系统主要考虑燃气轮机的燃气耗量与补燃的燃气量，分供系统主要是燃气锅炉消耗的燃气量。联供与分供系统所消耗的燃料量如下所示：

式中：Vgt——燃气轮机燃气消耗量,m3；

Vcb——联供系统补燃燃气耗量,m3；

Vsb——分供系统燃气耗量,m3。

（2）经济性目标函数

经济性目标函数考虑了系统全部的投入成本，比如初投资、运行费、维修费等。联供系统和分供系统的经济目标函数公式如下所示[4]：

式中：Cc2、Cs2——分别为联供与分供系统年总投资成本；

Cinv——联供系统年初投资成本；

Crun——联供系统年运行成本；

Cserv——联供系统年维修成本；

R——投资回收系数；

r——年利率；

n——系统设备寿命,年。

（3）环境性目标函数

由于天然气在燃烧之前已经进行过深度洁净处理，焚烧排放产物以CO2为主，体积容积高达98%。本文也只讨论CO2的排放作为环境性的评价。联供系统与分供系统的排放量公式如下所示[4]：

式中：Cc3、Cs3——分别为联供与分供系统CO2的排放量；

ε3——购电所产生的CO2排放量的转化系数；

Ebuy——联供系统的购电量,kWh；

εg——一次能源燃烧时CO2排放量的转化系数。

（4）综合评价指标

本文对三联供系统的能耗指标、经济指标和环保指标综合考虑，提出了三者互相耦合的综合评价指标。目标函数表示为：

式中：ω——综合性评价指标；

ω1、ω2、ω3——分别为能效指标、经济指标和环境指标在综合目标函数中的权重。其中ω1+ω2+ω3=1，0 ≤ω1、ω2、ω3≤1。

3 案例研究

3.1 冷热电负荷计算

本项目的工业园区包括商业建面积筑13.1 km2，民用建筑6.8 km2，工业企业8.8 km2，整个系统以采暖、制冷和过渡季三种模式运行，运行时间见表1。园区的冷、热、电年逐时负荷如图3所示。

表1 各季节运行时间

图3 工业园区冷、热、电年逐时负荷

从图3中可以看出，该工业园区电负荷均匀，昼夜时间波动大，不受季节影响，平均负荷4000 kW。冷、热负荷有存在季节变化，热负荷在 2000～13000 kW 范围内变化，平均负荷7600 kW；冷负荷在1500～16000 kW 范围内变化，平均负荷8500 kW。

对该工业园区，采用燃气轮机+余热锅炉+吸收式制冷机（正常工况），电制冷机+燃气锅炉（补燃工况）的配置方案[6-7]。比较了不同权重对冷热电三联供方案的影响，并分别对只考虑经济效益、环境效益和综合效益的方案进行了横向对比，并与分供系统进行了比较。其中方案1为只考虑经济效益的情况，此时ω2=1、ω1=0、ω3=0；方案2 为只考虑环境效益的情况，此时ω3=1、ω1=0、ω2=0；方案3为综合效益的情况，取ω2=1/3、ω1=1/3、ω3=1/3；方案4为分供系统。

假定燃气费用3.10 元/m3，平均电费0.75 元/kWh。初投资费采用平均折旧法，以10 年期进行平均计算。年度花费计算结果见表2。

表2 不同方案的计算结果

在只考虑前三列的情况下，年费用从大到小的顺序是方案4、方案2、方案3、方案1。联供系统中方案1费用最低，但CO2排放量也最高。方案3费用最高，但CO2排放量也最低。方案3 同时兼顾了经济性和环保性，总费用相对于单纯考虑经济性有所增加，而相比于单纯考虑环保性有所减少。

考虑CO2排放的情况下，本文参考了日本和欧洲对于碳税的规定，综合比较后取本文先取碳税为0.05 $/kg，约合人民币0.3 元/kg[8]，得到的计算结果见表3。

表3 考虑二氧化碳排放时的计算结果

表3中数据表明，考虑到碳税，年总费用从大到小依次是方案4、方案2、方案1、方案3，与不考虑排放时的结果差距较大。尤其是分供系统（方案4）在与联供系统比较时，由于排放量高，考虑碳税时，费用增加了14.5%。在考虑碳排放时，冷热电联供系统优势明显，回收期更短。综合评价指标Z 从大到小分别为方案4、方案1、方案3、方案2。方案2最低意味着环境效益的优势大于经济效益。进行方案选择时，采用综合效益评价指标，效果明显。

3.2 权重变化的影响

表2、表3 的结果表明，采用综合效益评价更为合理，为了找到ω1～ω3分别从0 递增到1 时的最优方案。分别做了总费用和综合评价指标的变化图，如图4、图5所示。

图4 综合效益方案总费用图

从图4可以看出，总费用变化呈抛物面图形，费用的最低值位于ω1=0.31、ω2=0.34、ω3=0.35 处，总费用为5101万元。而单一考虑经济指标、效益指标和能耗指标，都会提高总费。

从图5可以看出，ω2从0增加到1时，综合评价指标Z 变化很小，说明经济效益对于综合评价指标的影响不大。ω3从0 增加到1 时，Z 从0.8 下降到0.56，这说明和传统分供系统相比，联供系统的环境效益明显高于经济效益。合理的联供系统方案确实能够实现“节能”“减排”的目的。

图5 综合评价指标图

3.3 敏感度研究

方案1～4都是在固定电价和燃气价格的条件下进行的，而电价和天然气价格同样影响联供和分供系统的运行[9]。本文对电价、燃气价格和碳税进行联供系统的灵敏度研究。图6 是电价在0.5～1 元/kWh 变化时，经济效益指标（ω2=1）、环境效益指标（ω3=1）和综合效益指标（ω2=0.34、ω1=0.31、ω3=0.35）随着电价的变化情况。图7、图8分别是燃气价格在1.6～4 元/m3、碳税在0.2～0.8 元/kg 变化时，上述三种指标的变化情况。

图6 不同电价对综合评价指标的影

图7 不同燃气价格对综合评价指标的影响

图8 不同碳税对综合评价指标的影响

从图6～8中看到，随着电价上升，联供系统的经济效益和综合效益指标比起分供系统有很大的提升，但环境效益变化很小，而且随着电价的上升有略微的下降，这是因为碳税和CO2排放变化较小的原因；从电价的综合评价指标变化数据中可以得出，该园区只有当平均电价高于0.53元/ kWh时，联供系统的经济性是优于分供系统的；但联供系统综合效益和环境效益指标仍具有明显的优势。而随着天然气价格上升，相比于传统分供系统，联供系统的经济效益和综合效益开始下降，对天然气价格的综合评价指标分析中可以看出，天然气价格低于3.4 元/m3时，联供系统的经济性优于分供系统。单纯考虑经济性能时，联供系统会有比传统的分供系统不经济的情况，但是由于考虑到了碳排放，使得联供系统的综合效益指标在燃气价格达到4 元/m3时，仍然比分供系统要好。

碳税的增加对于联供系统指标都有明显提升，尤其当碳税价格达0.4 元/kg 时，分布式能源系统综合性指标更优。当碳税达到0.8 元/kg 时，环境效益的综合评价指标低于0.5。因此碳税越高、气价越低，越有利于分布式系统的推广。