技术-经济因素对天然气分布式能源系统经济性影响分析

冯乐军，付志浩，刘锋，龚雨桐，李艺敏，韩东江，隋军

（中国科学院工程热物理研究所，北京 100190）

0 引言

随着我国经济的发展，能源需求和消费量不断增长，推动经济、能源、环境协调发展是可持续发展的必由之路。分布式供能系统由于其高效、灵活、清洁等优点，受到能源行业的广泛关注［1］。

天然气分布式冷热电三联供系统得到了许多专家学者的关注，对其经济性的研究主要集中在系统建模、评价指标、目标优化、敏感度分析和补贴政策等方面［2-4］。系统建模方面，王加龙［5］对天然气内燃机分布式系统进行了仿真建模和优化分析，研究了并网方式对经济性的影响；Yuan 等［6］指出，在不同气候、不同建筑形式的条件下，分布式供热系统的静态模型会明显高估储热系统的性能，应该采用动态模型。评价指标方面，李昀璐［7］就三联供系统建立数学模型并提出了多层次评价指标；王浩［8］通过能耗分析方法对分布式系统的供冷进行了经济性分析；董福贵等［9］提出了主观与客观赋权相结合的主观赋权法（AHP）-熵权赋权法，对分布式系统在经济、环境、能耗方面进行了综合评价。目标优化方面，Gao 等［10］提出了一种分布式冷热电三联供的优化算法，建立了运行成本的动态模型，有效解决了随机动态规划算例；王学勤等［11］研究了天然气分布式能源站的能效指标和经济性并进行了敏感度分析；赵军等［12］对分布式能源系统碳税和不同条件气价的敏感性进行了分析；雷金勇等［13］以最小化年总规划成本、最大化可再生能源发电量、最小化年停电量和最小化年容量短缺量等4个优化子目标作为分布式发电供能系统能量优化目标函数，建立了优化模型。

技术因素对分布式系统经济影响，较多集中在以一次能源利用率为目标或评价指标的建模分析上［14］。王智等［15］通过对楼宇型分布式能源系统建模，研究了设备容量和运行策略对系统经济、环境效益的影响；李要红等［16］通过建立多能源协同的分布式能源系统模型，以优化日购电、购气费用为目标，研究了高铁客运站应用场景的节能情况；杨兴林等［17］通过分析影响系统运行经济性的各项因素，以年度成本最小化为目标函数，得出了机组在最大收益情况下的最佳运行组合，并以某示范工程大楼的分布式能源系统为例，验证了此优化模型的适用性；王鹏鹰等［18］以某单位分布式能源系统为例，设计了3 个额定电功率为526，390，330 kW 的燃气发电机组装机方案，通过采集用电负荷、电价、天然气价等数据，对比分析了装机方案的经济性，确定了最佳装机方案。

从上述文献可以看出，研究者从能源价格角度对天然气分布式能源系统进行了深入研究，但仅通过市场气、电价格不能综合评价系统的经济性，且缺乏定性的结果指导实际项目的投资及运行。本文突破现有研究的局限，从影响分布式能源系统经济性的经济和技术因素两方面着手，探究影响其静态投资回收期的主要因素，并分析其对系统经济性的影响规律以及参数边界，从而为天然气分布式能源系统标准制定及实际运行提供指导。

1 典型的天然气分布式能源系统

1.1 系统能量守恒模型

基于“温度对口，梯级利用”的集成原则［19］，典型的天然气分布式能源系统主要分为动力发电单元和余热利用单元两部分，如图1 所示。动力发电单元可以采用燃气轮机、内燃机、燃料电池、斯特林机等不同动力技术；余热回收单元可以采用多种余热回收方式分别进行制冷与制热，如单/双效溴化锂吸收式制冷机、吸收式热泵、吸收式除湿机等。为简化分析，本文以图1 中的典型天然气分布式能源系统为研究对象，着重分析系统本身的技术因素对其投资回收期的影响规律。系统能量守恒及投资回收期模型如下。

燃气轮机发电过程的能量守恒模型为

式中：QP为天然气燃烧所释放的热量，可由天然气低位热值QLHV（36 MJ/m3）和天然气消耗量Vng获得；Qa，Qf分别为空气和燃料的显热值，kJ/s；Pe为轴功率，kW；Qeg为燃气轮机排烟余热，kW；ΔQ1为燃气轮机热损失，kJ/s。

式中：ηe为轴功效率。

对于烟气型吸收式制冷机组，其能量守恒模型为

式中：ηac为吸收式制冷机的余热利用率，可由式（5）计算获得；COP，ac为烟气型吸收式制冷机的性能系数，它反映了消耗单位烟气热量所获得的制冷量［20-21］；Wc为制冷量，kW；ΔQ2为余热回收装置的烟气热损失，kJ/s。

式中：tc1，tc2分别为吸收式制冷机进、出口烟气温度，℃；tc4，tc3分别为吸收式制冷机进、出口冷冻水温度，℃；qm，c，qm，eg分别为冷冻水和烟气的质量流量，kg/s；cc，ceg分别为冷冻水和烟气的比热容，kJ/（kg·℃）；ηc为吸收式制冷机制冷利用率。

对于换热器满足热负荷的系统，其能量守恒模型为

式中：Qcg为吸收式制冷机组出口烟气余热，kJ/s；ηh为换热器换热效率；Wh为系统产热量，kW；ΔQ3为换热器烟气热损失，kJ/s。

1.2 静态投资回收期模型

天然气分布式能源系统静态投资回收期即系统初始投资和年收益的比值，可以初步反映系统运行过程的经济收益［22］。结合天然气分布式能源系统模型，其对应的静态投资回收期计算模型为

式中：λ为静态投资回收期，a；CI为系统初投资，元；Ia为系统年收益，元；CS为系统装机成本，元/kW；pin，pout分别为购电、售电价格，元/（kW·h）；pg为天然气价格，元/m3；η为动力单元平均发电效率；Wgrid为从电网的购电量，kW；ph，pc为热价、冷价，元/（kW·h）；te，th，tc分别为年平均发电时长、年平均供热时长、年平均制冷时长，h；L为设备折旧率；Cr为管理费用，元/kW。

2 天然气分布式能源系统技术-经济性分析

通过式（7）中系统静态投资回收期的计算模型可以看出，影响天然气分布式能源系统经济性的技术因素有发电效率、工作时长等，经济因素有装机成本、电价、气价、热价、冷价和折旧率等。为分析影响系统投资回收期的主要因素，本文首先通过灵敏度分析探究影响其投资回收期的主要技术-经济因素；其次，探究各主要因素对系统投资回收期的影响规律，从而通过确定其合适的边界来指导实际项目投资及运行。

2.1 主要技术-经济参数灵敏度分析

系统初始参数：投资成本C为10 000 元/kW；售电价格pout为0.80 元/（kW·h），气价pg为2.50 元/m³，冷价pc和热价ph分别为0.90，0.25 元/（kW·h）；设备折旧率L为6%；动力机组发电效率η为37%；年运行时长t为4 000 h。

影响分布式能源系统经济性的因素错综复杂，主要有市场因素（投资成本、气电价格）、技术因素（集成设计技术、调控技术、关键设备）、相关政策和商业模式等。将影响天然气分布式供能系统投资回收期的因素按投资成本C、气电价格比Rge、冷热价pc，h、年运行时长t、维修费用Cm和设备折旧率L进行梳理；同时，考虑项目的技术水平，以相对节能率ηr为代表，将其作为系统经济性的影响因素，一并纳入考查范围。通过敏感性分析，得到各影响因素对天然气分布式能源系统投资回收期的贡献率，如图2所示。

图2 天然气分布式能源系统投资回收期的技术-经济因素灵敏度分析Fig.2 Sensitivity analysis on technical and economic factors for the payback period of natural gas distributed energy systems

由图2 可以看出，影响分布式能源系统经济性的主要因素依次为ηr，C，Rge和t。其中，ηr对项目投资回收期的贡献率达34.8%，说明项目集成设计及主动调控等技术水平的高低是决定其经济性的关键；其次，C的贡献率为16.82%，表明设备及建筑安装等成本投入对项目的经济性也至关重要；t和Rge的贡献率分别为15.78%，14.16%，说明合理的项目年运行时长以及气电价格比是保证天然气分布式能源系统长期运行的关键；此外，作为项目收益的冷负荷和热负荷，对项目投资回收期的贡献率为10.53%，因此，合理的pc，h亦可进一步改善项目的经济性。

2.2 技术水平对系统投资回收期的影响

技术因素对系统经济性有重要影响，反映项目技术水平的ηr是影响系统经济性的重要因素。

以珠三角地区某天然气分布式供能项目为例进行分析。该项目C=8 000 元/kW，t=4 000 h，自用电价=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）。图3为不同pg下ηr对系统投资回收期的影响。

由图3 可以看出，ηr越高，项目投资回收期越短。以10 a 投资回收期为目标，pg为3.0 元/m3，t为4 000 h 时，动力机组的ηr不低于29.0%时系统即能有收益。pg降至2.5 元/m3，系统最低ηr为15.0%。

图3 ηr对天然气分布式能源系统投资回收期的影响Fig.3 Influence of ηr on investment payback period of the natural gas distributed energy system

2.3 气、电价格对系统投资回收期的影响

不同ηr下系统投资回收期随Rge的变化趋势如图4所示。由图4可以看出，随着Rge的提高，系统投资回收期呈递增趋势；系统节能性越好，即ηr越高，在相同投资回收期下能接受的Rge越高。以10 a 投资回收期为收益目标，系统ηr为10%，20%，30%，40%时，项目可接受的最高Rge分别为2.38，2.68，3.05，3.57 kW·h/m3。根据目前状况，大部分天然气分布式供能项目的ηr低于20%，而Rge为2.5～4.0 kW·h/m3，高于2.68 kW·h/m3，导致部分项目无法获得满意的经济效益。

图4 Rge对天然气分布式能源系统投资回收期的影响Fig.4 Influence of Rge on the investment payback period of the natural gas distributed energy system

2.4 投资成本对系统投资回收期的影响

考虑到不同经济区域的气候条件、气电价格比、技术水平不同，以珠三角地区天然气分布式供能项目为研究对象，分析在一定的ηr及Rge下，天然气分布式供能项目单位投资成本对投资回收期的影响，如图5所示。

图5 投资成本对天然气分布式能源系统投资回收期的影响Fig.5 Influence of project the investment on the system investment payback period

从图5 可以看出，随着分布式供能项目单位投资成本的增加，投资回收期呈现出幂指数增加的趋势，并且在相同的ηr下，Rge越大，投资回收期越长；同时，当Rge一定时，系统ηr越大，投资回收期越短，说明在一定的投资回收期下，系统的经济性和节能性表现出一致性，即节能性较好的系统，其经济性也较好。

相同的投资成本及Rge下，技术水平（ηr）越高，投资回收期缩短越显著，说明珠三角地区使用高技术水平机组对经济性改善较大；以项目投资回收期10 a为目标，ηr为20%，Rge为2.0 kW·h/m3时，项目投资成本低于9 750 元/kW即可有收益；随着技术水平的提高，ηr提高至30%时，项目收益的投资成本范围更宽（低于10 750 元/kW）。

由以上分析可以看出，初始投资成本是影响天然气分布式供能系统收益的关键。天然气分布式供能系统的初始投资主要包括设备购置费、建筑工程费、安装工程费等。其中，设备购置费占初始投资的62%左右（动力机组设备购置费占总购置费的60%），建筑工程费和安装工程费与装机规模相关，占初始投资的25%。此外，项目建设管理费、技术服务费、整套启动试运行费等其他费用大约占总投资的13%。设备购置费过高是造成目前项目投资成本过高的主要原因，25%左右的建筑工程安装费会对后续的人力、物力及财力投入带来巨大影响，因此，降低设备购置费和建筑工程安装费是降低系统投资成本，改善系统收益的突破口，而提高设备国产化率和对系统进行模块化设计是2 个主要措施。

2.5 年运行时长对系统投资回收期的影响

根据我国目前运行的天然气分布式供能项目的统计，大部分项目的年运行时长为3 000～4 500 h。由于我国各地区气候差异较大，用户冷热负荷需求差别明显，例如京津冀地区热负荷需求多，而珠三角地区冷负荷需求多，则对应的系统在冬季和夏季运行时长就不一样。根据京津冀、长三角及珠三角地区实际天然气分布式供能系统运行数据，三地项目的平均年运行时长分别为3 758，3 940，4 206 h。分析上述3个地区项目年运行时长对项目经济性的影响。

图6 为京津冀、长三角和珠三角地区的天然气分布式供能项目年运行时长对投资回收期的影响。由图6可以看出，随着年运行时长的增加，系统投资回收期呈非线性递减的趋势。以投资回收期10 a为目标，当系统ηr为20%时，京津冀地区天然气分布式供能项目可承受的最短年运行时长为4 500 h，长三角地区为4 100 h，珠三角地区为3 800 h。目前，大部分在运的天然气分布式供能项目ηr不足20%，年运行时长为3 000～4 500 h，难以达到项目预期的经济性，因此，延长年运行时长是改善天然气分布式供能项目经济性的有效途径。

图6 年运行时长对天然气分布式能源系统投资回收期的影响Fig.6 Influence of operating time on the investment payback period of the natural gas distributed energy system

3 结论

相对节能率、投资成本、运行时长和气电价格比是影响天然气分布式能源项目经济性的主要因素。节能水平低、动力设备主要依赖进口、建筑工程安装费用高、气价高、自由电价不合理、运行时长短是经济性不理想的主要原因。在一定的气电价格比下，降低成本，提高运行时长，通过优化设计、采用先进技术提高项目节能水平是改善项目经济性的关键。

（1）投资成本方面。设备购置费占初始投资的62%，建筑安装工程费占25%。核心动力设备依赖进口导致项目整体投资成本较高，当系统相对节能率小于30%，气电价格比为2.0～3.5 kW·h/m3，系统投资成本低于8 000 元/kW 时，系统才有较好的收益；同时，由于设计规程对项目机房的建筑安装要求高，导致建筑安装成本居高不下。

建议措施：提高核心动力设备国产化率和将系统模块化是降低项目设备购置费和建筑安装工程费的有效措施，可以大幅度降低投资成本。

（2）项目运行方面。气电价格比、运行时长是影响项目经济性的主要因素。燃气费用约占项目运行费的60%。当天然气分布式供能项目投资成本为8 000 元/kW，相对节能率为20%，项目投资回收期为10 a 时，珠三角地区可承受的最高气电价格比为2.65 kW·h/m3，而长三角地区和京津冀地区分别为2.50，2.42 kW·h/m3。在目前的技术水平和投资成本条件下，各地区气电价格比大多高于其能承受的最高价格，是项目经济性欠佳的主要原因。此外，我国实际运行的分布式供能项目平均运行时长为3 000～4 500 h，也是导致经济性不理想的原因之一。

建议措施：优化电价形成机制，实施峰谷电价，降低气电价格比，提高运行时长，是从运行角度改善系统经济性的有效途径。

（3）技术水平提升方面。系统相对节能率对系统投资回收期有重要影响。在目前实际运行条件下，对于气电价格比为2.5～4.0 kW·h/m3，运行时长为3 000～4 500 h 的天然气分布式供能项目，只有系统相对节能率达到20%以上时才能有一定的经济收益。然而，目前大部分项目节能率低于20%，很难获得较好的收益，这也是一些项目难以获得理想收益的主要原因之一。

建议措施：提高系统集成设计和变工况调控水平、发电效率、余热利用水平以及系统相对节能率，以改善系统经济性。