內(nèi)燃機(jī)分布式供能企業(yè)經(jīng)濟(jì)運行研究

吳 強(qiáng), 袁言周, 范 方

(中國華電集團(tuán)有限公司 上海分公司, 上海 200126)

國家在《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出,要“提高天然氣發(fā)電利用比重,鼓勵發(fā)展天然氣分布式多聯(lián)供項目”“加快建設(shè)天然氣分布式能源項目和天然氣調(diào)峰電站”。但是,天然氣分布式供能企業(yè)的實際經(jīng)濟(jì)運行狀況并不理想,與設(shè)計工況存在較大差異,個別系統(tǒng)已經(jīng)停產(chǎn)[1-3]。這與系統(tǒng)設(shè)計、配置和運行策略有很大關(guān)系。針對這些問題,國內(nèi)外學(xué)者從熱力學(xué)、環(huán)境排放、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了研究[4-11]。對于內(nèi)燃機(jī)分布式供能企業(yè)的經(jīng)營者而言,提高分布式供能系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性,保證各發(fā)電供能設(shè)備始終在企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大的條件下運行,提升企業(yè)的市場競爭力,是運營企業(yè)關(guān)注的重點。本文從經(jīng)營的角度出發(fā),基于邊際效益最大的經(jīng)濟(jì)運行評價方法,結(jié)合用戶需求的變化,研究不同負(fù)荷下內(nèi)燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行策略,為生產(chǎn)人員合理調(diào)整運行模式提供參考依據(jù)。

1 內(nèi)燃機(jī)分布式供能企業(yè)收益變化簡化模型

內(nèi)燃機(jī)分布式供能企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)一般由內(nèi)燃機(jī)-溴化鋰機(jī)組、電制冷設(shè)備、燃?xì)忮仩t等供能設(shè)備組成,具體如圖1所示。

圖1 內(nèi)燃機(jī)分布式供能企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)

其中,內(nèi)燃機(jī)-溴化鋰機(jī)組為冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組,可在發(fā)電的同時向用戶提供熱能或冷能;燃?xì)忮仩t和電制冷設(shè)備為分產(chǎn)供能設(shè)備,前者僅向用戶提供熱能,后者僅向用戶提供冷能。用戶一般同時需要供熱和供冷,且用能負(fù)荷隨季節(jié)、早晚、天氣等因素而發(fā)生變化;供電則是在滿足冷熱需求的前提下,以熱/冷定電,余電上網(wǎng)。

企業(yè)的經(jīng)營效益不僅與用戶需求相關(guān),而且隨著地域差異、燃料價格、供能價格、上網(wǎng)電價等發(fā)生變化。在折舊費用、人員費用、財務(wù)費用不變的條件下,其運行收益的變化取決于輸入系統(tǒng)的燃料費用、賣給冷/熱用戶和電網(wǎng)的冷、熱、電產(chǎn)品收益以及設(shè)備的檢修維護(hù)費用,因此在針對運行優(yōu)化的簡化分析模型中,只需關(guān)注燃料的輸入與冷、熱、電產(chǎn)品的輸出以及檢修維護(hù)費用。

構(gòu)建經(jīng)濟(jì)性分析模型的時間尺度選擇以小時為測算周期,主要考慮3個方面的因素:一是單位運行小時內(nèi)的供能較為穩(wěn)定,波動性相對較小,所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性相對較高;二是數(shù)據(jù)統(tǒng)計方面,以單位運行小時統(tǒng)計發(fā)電量和供能量等數(shù)據(jù)相對直接、且容易收集,企業(yè)常用的月度、季度或年度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)也可通過單位運行小時進(jìn)行折算;三是以單位運行小時為周期能夠較靈活地進(jìn)行不同工況的測算,并可以實現(xiàn)不同設(shè)備、不同工況的供能負(fù)荷與用能需求的匹配,對企業(yè)典型供能負(fù)荷的運行調(diào)配具有指導(dǎo)意義。

由圖1可知,內(nèi)燃機(jī)分布式供能企業(yè)的基本生產(chǎn)模式可分為3種情況:一是內(nèi)燃機(jī)-溴化鋰機(jī)組,消耗天然氣GN,同時產(chǎn)生電能PN,熱能QR-N或冷能QL-N;二是電制冷設(shè)備,消耗電能PL,產(chǎn)生冷能QL-L;三是燃?xì)忮仩t,消耗天然氣GG,產(chǎn)生熱能QR-G。每一種生產(chǎn)模式每小時供電、供冷或供熱所增加的收益,即邊際效益可由以下計算公式得出。

式中:EN——內(nèi)燃機(jī)-溴化鋰機(jī)組邊際效益,元/h;

EL——電制冷設(shè)備邊際效益,元/h;

EG——燃?xì)忮仩t邊際效益,元/h;

CP——上網(wǎng)電價,元/kWh;

CR——供熱價格,元/GJ;

CL——供冷價格,元/GJ;

CG——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣價格,元/m3;

MN,ML,MG——內(nèi)燃機(jī)-溴化鋰機(jī)組、電制冷設(shè)備和燃?xì)忮仩t的檢修維護(hù)費用,元/h。

內(nèi)燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)的生產(chǎn)成本為單位運行小時消耗的天然氣成本或電能成本,以及由設(shè)備運行帶來的檢修維護(hù)費用。燃料的化學(xué)能或電能經(jīng)供能設(shè)備轉(zhuǎn)化后,以產(chǎn)品“供能熱量(冷量)和上網(wǎng)電量”的形式輸出,而實際運行模式可以是多種生產(chǎn)模式的組合。內(nèi)燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)每小時供電、供冷或供熱的邊際效益計算公式為

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2 邊際效益系數(shù)計算模型

邊際收益是指增加單位產(chǎn)品的銷售所增加的收益,邊際效益E是指邊際收益與邊際成本的比率。對于企業(yè)來講,邊際效益相對邊際成本越大,企業(yè)增產(chǎn)帶來的收益越大,經(jīng)濟(jì)性越好。為此,在滿足用戶用能需求的前提下,本文將內(nèi)燃機(jī)分布式供能企業(yè)單位運行小時內(nèi)產(chǎn)生的邊際效益E與供能量Q的比值定義為邊際效益系數(shù)ε,即

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式中:E——內(nèi)燃機(jī)分布式供能企業(yè)單位小時的邊際效益;

Q——內(nèi)燃機(jī)分布式供能企業(yè)單位小時的供能量。

式(5)的物理意義為:內(nèi)燃機(jī)分布式企業(yè)在滿足用戶用能需求的前提下,當(dāng)企業(yè)固定成本不變時,隨著供能的增加E的變化情況。采用不同的組合運行模式,ε亦不相同。顯然,內(nèi)燃機(jī)分布式企業(yè)在運行時,選擇生產(chǎn)模式的ε越大,企業(yè)增產(chǎn)效益越好,盈利能力越強(qiáng)。因此,ε可以有效反映不同運行模式下內(nèi)燃機(jī)分布式企業(yè)增產(chǎn)的邊際效益E與供能量Q變化之間的關(guān)系,可以作為衡量企業(yè)盈利能力的重要指標(biāo)。

基于ε建立的模型可以從宏觀角度分析內(nèi)燃機(jī)分布式企業(yè)的成本與收益,把研究對象集中到產(chǎn)品的輸出和成本的消耗上。利用該模型可以得到企業(yè)在滿足供能要求的前提下,不同供能運行模式下單位運行小時產(chǎn)生的E,通過對比可得出最優(yōu)的運行模式。在供能負(fù)荷確定后,也可以利用該模型分析經(jīng)營條件(天然氣價、冷熱價、上網(wǎng)電價)發(fā)生變化時,不同運行模式下單位運行小時E產(chǎn)生的變化,其本質(zhì)是通過調(diào)整運行模式,使企業(yè)在單位時間內(nèi)產(chǎn)生最大的邊際效益。

3 案例及分析

以某度假區(qū)內(nèi)燃機(jī)分布式供能企業(yè)為例進(jìn)行分析。該企業(yè)裝有5臺4.4 MW內(nèi)燃機(jī)-溴化鋰機(jī)組、8臺冷水機(jī)組(電制冷設(shè)備)和2臺燃?xì)忮仩t。在當(dāng)前的運營條件下,企業(yè)運行采取以熱(冷)定電、冷熱電平衡的原則,最大限度利用發(fā)電余熱制冷制熱,保障度假區(qū)的用能需求。企業(yè)供能設(shè)備在不同工況下單位運行小時的指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 不同工況下單位運行小時的指標(biāo)參數(shù)

注:*—冷水機(jī)組靠電制冷,消耗電能為內(nèi)燃機(jī)發(fā)電,故可看作供電為負(fù)值;用氣量采用的均為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體體積。

根據(jù)表1的運行參數(shù),采用本文介紹的邊際效益計算方法,計算企業(yè)不同供能設(shè)備在不同季節(jié)工況下單位運行小時邊際效益和單位供能量邊際效益。在計算內(nèi)燃機(jī)-溴化鋰機(jī)組時,將發(fā)電收益折合為供能收益。單位為元/GJ。其中經(jīng)營條件采用:上網(wǎng)電價0.659 9元/kWh,供熱價格143.57元/GJ,供冷價格121.52元/GJ,內(nèi)燃機(jī)用天然氣價格(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)3.05元/m3,燃?xì)忮仩t用天然氣價格(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)3.51元/m3。利用計算結(jié)果分析企業(yè)采用不同供能設(shè)備在不同季節(jié)的單位供能量邊際效益。其計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同工況下邊際效益計算結(jié)果

由表2可知,基于當(dāng)前的運營價格體系,夏季制冷模式下冷水機(jī)組邊際效益系數(shù)略優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)-溴化鋰機(jī)組邊際效益系數(shù),春秋季制冷模式下內(nèi)燃機(jī)-溴化鋰機(jī)組邊際效益系數(shù)優(yōu)于冷水機(jī)組邊際效益系數(shù);冬季制熱模式下內(nèi)燃機(jī)-溴化鋰機(jī)組邊際效益系數(shù)明顯優(yōu)于燃?xì)忮仩t邊際效益系數(shù),春秋季同樣差距較大。也就是說,夏季供冷時冷水機(jī)組的邊際貢獻(xiàn)已優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)-溴化鋰機(jī)組,若能通過網(wǎng)電制冷,冷水機(jī)組的優(yōu)勢將更加明顯。這與設(shè)計時冷水機(jī)組(電制冷設(shè)備)僅作為輔助供能的初衷已發(fā)生變化。這主要是因為采用冷水機(jī)組(電制冷設(shè)備)供能所需人力、材料、維護(hù)成本明顯優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)-溴化鋰機(jī)組。

由此可知,內(nèi)燃機(jī)分布式供能企業(yè)在運行時可根據(jù)邊際效益系數(shù)ε的變化確定企業(yè)的運行模式:當(dāng)冷熱負(fù)荷增加時,ε最大的生產(chǎn)模式先增產(chǎn);負(fù)荷減小時,ε最小的生產(chǎn)模式先減產(chǎn)。結(jié)合年度預(yù)測負(fù)荷曲線情況,組織企業(yè)對設(shè)備運行策略進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化分解,按照“耦合用能負(fù)荷最優(yōu)化、設(shè)備運行效益最優(yōu)化”的思路,形成實際指導(dǎo)日常運行的年度設(shè)備調(diào)用策略執(zhí)行方案。同時依據(jù)ε的計算結(jié)果,可以采用在線監(jiān)測數(shù)據(jù)實時對運行中的內(nèi)燃機(jī)分布式企業(yè)冷、熱、電負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整,當(dāng)調(diào)整到ε最大時,對于企業(yè)運營者而言才是最佳運行狀態(tài)。

4 結(jié) 論

(1) 本文從企業(yè)經(jīng)營者的角度出發(fā),回歸到企業(yè)作為市場經(jīng)濟(jì)主體以盈利為目的的本質(zhì),以邊際效益最大為目標(biāo),建立邊際效益系數(shù)ε模型用以分析內(nèi)燃機(jī)分布式供能企業(yè)的運行模式,可以快速有效地確定不同條件下內(nèi)燃機(jī)分布式供能企業(yè)的經(jīng)濟(jì)運行模式。

(2) 根據(jù)邊際效益系數(shù)ε模型的計算分析可知,當(dāng)冷熱負(fù)荷增加時,ε最大的生產(chǎn)模式應(yīng)先增產(chǎn);當(dāng)冷熱負(fù)荷減小時,ε最小的生產(chǎn)模式應(yīng)先減產(chǎn)。

(3) 針對某度假區(qū)內(nèi)燃機(jī)分布式供能企業(yè)的邊際效益系數(shù)ε模型的計算分析表明,由于夏季制冷模式下冷水機(jī)組ε優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)-溴化鋰機(jī)組,因此供冷負(fù)荷增加時應(yīng)優(yōu)先考慮增加水冷機(jī)供冷,與設(shè)計時聯(lián)產(chǎn)供能優(yōu)先不同。