燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的典型案例分析

李子申，趙嘉瑋，單東雷，劉 偉，趙志勇

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)天津電力設(shè)計(jì)院有限公司，天津 北辰 300400；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)天津電力建設(shè)有限公司，天津 和平 300041)

0 引言

當(dāng)前，我國能源結(jié)構(gòu)正處于油氣替代煤炭、非化石能源替代化石能源的雙重更替期，天然氣分布式能源作為一種清潔能源產(chǎn)業(yè)，具有低碳、環(huán)保、節(jié)能、安全等特點(diǎn)[1]。發(fā)展天然氣分布式能源必將成為調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔的能源產(chǎn)業(yè)體系的關(guān)鍵之一，是能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略選擇。

分布式能源指相對于集中供能的分散式供能方式，是分布在用戶端、能夠在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式[2]。天然氣分布式能源是利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯(lián)供等方式實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上。天然氣分布式能源可滿足用戶電力、采暖、制冷、蒸汽、熱水等需求，是清潔能源高效利用的重要方式。具有穩(wěn)定基礎(chǔ)電力負(fù)荷、冷暖負(fù)荷且年運(yùn)行時(shí)間較長的工業(yè)園區(qū)、商業(yè)綜合體、醫(yī)院、賓館、寫字樓、機(jī)場、數(shù)據(jù)中心等均適合采用[3]。

我國天然氣分布式能源的發(fā)展起步較晚，截至2015年底，我國天然氣分布式能源項(xiàng)目(單機(jī)規(guī)模小于或等于50 MW，總裝機(jī)容量200 MW以下)共計(jì)288個(gè)，其中樓宇式133項(xiàng)，區(qū)域式155項(xiàng)，總裝機(jī)超過11 120 MW，主要集中在上海、北京、廣州、長沙等經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)或天然氣資源較豐富地[4]。美國從1978年開始提倡發(fā)展小型分布式熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，至今已建成近萬座燃?xì)饽茉凑荆谏虉?、醫(yī)院等大型公共建筑中廣泛推廣，計(jì)劃到2020年，天然氣分布式能源裝機(jī)占總裝機(jī)規(guī)模的比重達(dá)到30%[5-6]；日本早在2011年，其分布式供能系統(tǒng)總裝機(jī)規(guī)模已超過9 400 MW，近幾年來，開始將天然氣分布式能源廣泛應(yīng)用于住宅及小型商務(wù)用戶市場，計(jì)劃到2030年，分布式能源發(fā)電量達(dá)到全部電力供應(yīng)的20%[7]。

本文通過調(diào)研天津市靜海區(qū)醫(yī)院和薊州上倉工業(yè)園區(qū)能源利用現(xiàn)狀，通過分析不同季節(jié)的運(yùn)行策略，對這2種系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益進(jìn)行分析，得出其系統(tǒng)的優(yōu)越性，以便為以后燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的發(fā)展指明方向。

1 政策及負(fù)荷指標(biāo)分析

1.1 政策分析

2000年國內(nèi)第一批項(xiàng)目籌建，上海浦東機(jī)場、北京燃?xì)饧瘓F(tuán)指揮調(diào)度中心、廣州大學(xué)城等一批項(xiàng)目相繼開工，標(biāo)志著行業(yè)正式起步；2007年國家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于印發(fā)天然氣利用政策的通知》，行業(yè)發(fā)展全面啟動(dòng)，全國大批項(xiàng)目相繼進(jìn)入研究論證階段；2011年國家發(fā)展改革委、財(cái)政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家能源局等四部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》開始政策引領(lǐng)；2014年國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家能源局等三部委聯(lián)合發(fā)布《天然氣分布式能源示范項(xiàng)目實(shí)施細(xì)則》，行業(yè)已規(guī)范發(fā)展；2017年國家發(fā)改委印發(fā)《加快推進(jìn)天然氣利用的意見》，天然氣分布式能源發(fā)展正式進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。我國部分省市天然氣分布式能源優(yōu)惠政策與補(bǔ)貼機(jī)制如表1所示。

1.2 負(fù)荷指標(biāo)分析

根據(jù)CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》及GB 50137—2011《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》，不同用地性質(zhì)的冷、熱、電負(fù)荷指標(biāo)取值如表2—3所示[8-9]。

表1 天然氣分布式能源優(yōu)惠政策與補(bǔ)貼機(jī)制Table 1 Preferential policies and subsidy mechanisms for natural gas distributed energy

表2 冷、熱負(fù)荷指標(biāo)分析Table 2 Analysis of load index of cooling and heat

表3 電負(fù)荷指標(biāo)分析Table 3 Analysis of load index of electrical

1.3 能量平衡

系統(tǒng)能量平衡約束條件如下。

電量平衡：P+Ee,i-Eer,i=Ei

(1)

冷量平衡：Qc1+Qc2=Qci

(2)

熱量平衡：Qwb,i-Qrc,i+Qbi=Qi

(3)

煙氣平衡：QGT,i=Qwh,i+Qdh,i

(4)

式中：P為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電出力，kW；Ei、Qci和Qi分別為建筑電、冷和熱負(fù)荷；Qwb,i和Qbi分別為余熱鍋爐和燃?xì)忮仩t的制熱量，kW；Qwh,i為消耗煙氣的熱量，kW；QGT,i為燃?xì)廨啓C(jī)排出煙氣的可利用熱值，kW；Qdh,i為廢棄的余熱[10-12]。

關(guān)于分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)指標(biāo)有很多，本文采用年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約率和增量投資回收期對分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析[13]。這2個(gè)指標(biāo)避免了目前市場上較為混亂的供熱供冷價(jià)格，評價(jià)較為客觀。

年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約率的計(jì)算公式為：

I1=(C1-C)/C1

(5)

式中：I1為年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約率；C為分布式能源系統(tǒng)的年度運(yùn)行費(fèi)用，元/年；C1為常規(guī)系統(tǒng)的年度運(yùn)行費(fèi)用，元/年。

投資回收期的計(jì)算公式為：

ΔN=ΔZ/(C1-C)

(6)

式中：ΔN為增量投資回收期，年；ΔZ為分布式能源系統(tǒng)比常規(guī)系統(tǒng)的增量投資，元。

2 典型案例概算、經(jīng)濟(jì)評價(jià)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

天然氣分布式能源系統(tǒng)主要包括樓宇型和區(qū)域型這2種形式，樓宇型一般適用于二次能源需求性質(zhì)相近且用戶相對集中的樓宇(群)，包括賓館、學(xué)校、醫(yī)院、寫字樓以及商場等，一般采用內(nèi)燃機(jī)或小型燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力設(shè)備。區(qū)域型一般適用于冷、熱(包括蒸汽、熱水)、電需求較大的工業(yè)園區(qū)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、大型商務(wù)區(qū)等，一般采用燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力設(shè)備。

2.1 樓宇型—靜海區(qū)醫(yī)院分布式能源項(xiàng)目

靜海區(qū)醫(yī)院是綜合性三級甲等公立醫(yī)院，占地6.4萬 m2，建筑面積9.5萬 m2。目前改擴(kuò)建一期外科樓工程已投入使用，改擴(kuò)建二期急診綜合樓、科研樓、大型停車場等工程正在建設(shè)之中。

醫(yī)院現(xiàn)狀供熱面積84 079.26 m2，供冷面積67 810.43 m2?，F(xiàn)狀供冷、供熱設(shè)備采用1 t燃?xì)鉄崴仩t10臺(tái)，五開五備，消毒蒸汽采用1 t燃?xì)庹羝仩t3臺(tái)，2 t燃?xì)庹羝仩t1臺(tái)。

規(guī)劃建設(shè)天然氣分布式能源系統(tǒng)，項(xiàng)目機(jī)組配置方案：1套燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)C1750N5C機(jī)組+1臺(tái)煙氣熱水型冷溫水機(jī)組。系統(tǒng)發(fā)電功率1.75 MW，供冷量2 030 kW/h，供熱量1 860 kW/h。內(nèi)燃機(jī)發(fā)電可用于商場和寫字樓辦公、照明等，煙氣熱水型冷溫水機(jī)組產(chǎn)生冷量及熱量用于商場和寫字樓的供冷、供熱基礎(chǔ)負(fù)荷，現(xiàn)狀燃?xì)鉄崴仩t作為供熱調(diào)峰及備用。表4為該項(xiàng)目靜態(tài)初始投資表，系統(tǒng)靜態(tài)初投資為3 681.6萬元。表5為該項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價(jià)表，對能源站的耗氣量、用水量和售電量等進(jìn)行分析。

表4 靜海區(qū)醫(yī)院項(xiàng)目靜態(tài)初始投資表Table 4 Static investment table of Jinghai District Hospital

表6為該項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總表，可得，在天然氣含稅價(jià)格1.78元/m3，集中供熱40元/m2，集中供冷價(jià)格60元/m2和電價(jià)0.7元/(kW·h)的前提下，全部投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率可以達(dá)到8.02%，總投資收益率達(dá)到6.91%，經(jīng)濟(jì)效益較好。

表5 靜海區(qū)醫(yī)院項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價(jià)表Table 5 Economic evaluation of Jinghai District Hospital

表6 靜海區(qū)醫(yī)院項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總表Table 6 Economic indicators of Jinghai District Hospital

2.2 區(qū)域型—薊州上倉分布式能源項(xiàng)目

天津上倉工業(yè)園坐落于薊州區(qū)上倉鎮(zhèn)，為市級示范工業(yè)園區(qū)，園區(qū)規(guī)劃面積1 060萬m2。上倉工業(yè)園起步區(qū)以釀酒、食品、飲料料、生物制藥產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)，擴(kuò)展區(qū)以新能源源、新材料、節(jié)能環(huán)保、電子信息產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)，建立綠色食品生產(chǎn)基地，碳纖維新材料生產(chǎn)基地地，著力將上倉工業(yè)園打造成為一流的科技園區(qū)。

上倉分布式能源站系統(tǒng)圖如圖1所示，項(xiàng)目總規(guī)劃規(guī)模為4套44 MW等級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)分布式能源機(jī)組，一期規(guī)劃建設(shè)2套44 MW等級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)分布式能源機(jī)組，包含2臺(tái)31.9 MW的燃?xì)廨啓C(jī)(GE LM2500+G4 RD型)+2臺(tái)雙壓余熱鍋爐+1臺(tái)抽凝式汽輪機(jī)+1臺(tái)背壓汽輪機(jī)+2臺(tái)1 MW熱水型溴化鋰+1臺(tái)1 MW的離心式電制冷機(jī)+3臺(tái)30 t/h燃?xì)庹羝仩t。一期機(jī)組裝機(jī)容量為77.91 MW，兩期總占地約8萬 m2。表7為該項(xiàng)目靜態(tài)初始投資表，系統(tǒng)靜態(tài)初始投資為64 843.1萬元。表8為該項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價(jià)表，對能源站的耗氣量、用水量和售電量等進(jìn)行分析。

圖1 上倉分布式能源站系統(tǒng)圖Fig.1 Shangcang distributed energy system

表9為該項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總表，可得，在天然氣含稅價(jià)格2.42元/m3，集中供熱25元/m2，集中供冷價(jià)格60元/m3和電價(jià)0.7元/(kW·h) 的前提下，全部投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率可以達(dá)到8.13%，總投資收益率達(dá)到7.01%。

由于上倉項(xiàng)目天然氣價(jià)格相對于靜海區(qū)醫(yī)院項(xiàng)目較高，售熱價(jià)格相對于靜海區(qū)醫(yī)院項(xiàng)目較低，而全部投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率和總投資收益率均大于靜海區(qū)醫(yī)院項(xiàng)目，由此可得上倉項(xiàng)目相對于靜海區(qū)醫(yī)院項(xiàng)目具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

表7 薊州上倉項(xiàng)目靜態(tài)初始投資表Table 7 Static investment table of Jizhou Shangcang Industrial Park

表8 薊州上倉項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價(jià)表Table 8 Economic evaluation of Jizhou Shangcang Industrial Park

表9 薊州上倉項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總表Table 9 Economic indicators of Jizhou Shangcang Industrial Park

3 社會(huì)效益分析

3.1 環(huán)保性和節(jié)能性分析

天然氣是清潔能源，燃燒后的產(chǎn)物主要是水和CO2，以及少量的NOx。與燃煤相比，天然氣燃燒后可以減少NOx，SO2，CO碳以及固體顆粒物的排放，減少對大氣的影響，起到環(huán)保的作用。

通過表10得出，兩項(xiàng)目實(shí)施后，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤26.35萬 t，SO2減排量1萬 t，CO2減排量72.54萬 t，NOx減排量0.37萬 t，固體顆粒物減排量6.02萬 t。

表10 分布式項(xiàng)目節(jié)能減排量預(yù)測Table 10 Forecast of energy saving and emission reduction of distributed projects 104 t

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

1) 對區(qū)域資源配置的影響。分布式能源站旨在提升清潔能源綜合利用效率，促進(jìn)天然氣資源合理應(yīng)用，充分利用了區(qū)域自然資源稟賦，優(yōu)化了區(qū)域資源配置。

2) 對上下游行業(yè)的影響。項(xiàng)目建設(shè)實(shí)施期間，預(yù)計(jì)建筑工程費(fèi)達(dá)到0.44億元，設(shè)備購置費(fèi)達(dá)到3.8億元，將在一定程度上緩解鋼鐵、水泥等產(chǎn)能嚴(yán)重過剩行業(yè)需求不足的壓力。項(xiàng)目投產(chǎn)后，預(yù)計(jì)年消耗天然氣1.3億 m3，將帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)投資需求。

3) 分布式系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)營和維護(hù)，能夠帶動(dòng)裝備產(chǎn)業(yè)、建筑產(chǎn)業(yè)等發(fā)展，促進(jìn)能源投資、建設(shè)、運(yùn)行等服務(wù)公司的成立，預(yù)計(jì)增加就業(yè)崗位一百余個(gè)。

4 結(jié)論

天然氣分布式能源系統(tǒng)，與單獨(dú)供熱、電、冷的常規(guī)系統(tǒng)相比，一次能源綜合能效高，同時(shí)由于分布式系統(tǒng)可以緊鄰負(fù)荷中心，減少了供電、供冷、供熱的管線輸送損失，因此天然氣分布式能源系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果，利用燃?xì)馓娲济?，可以減少有害氣體及固體顆粒物的排放，達(dá)到節(jié)能減排的作用。主要結(jié)論如下：

1) 靜海區(qū)醫(yī)院燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)屬于樓宇型分布式能源系統(tǒng)，在天然氣含稅價(jià)格1.78元/m3，集中供熱40元/m2，集中供冷價(jià)格60元/m2和電價(jià)0.7元/(kW·h)的前提下，全部投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率可以達(dá)到8.02%，總投資收益率達(dá)到6.91%，經(jīng)濟(jì)效益較好。

2) 上倉工業(yè)園區(qū)燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)屬于區(qū)域型分布式能源系統(tǒng)，在天然氣含稅價(jià)格2.42元/m3，集中供熱25元/m2，集中供冷價(jià)格60元/m2和電價(jià)0.7元/(kW·h) 的前提下，全部投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率可以達(dá)到8.13%，總投資收益率達(dá)到7.01%。

3) 具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，兩項(xiàng)目實(shí)施后，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤26.35萬 t，SO2減排量1萬 t，CO2減排量72.54萬 t，NOx減排量0.37萬 t，固體顆粒物減排量6.02萬 t。