天然气分布式能源经济可行性评估方法研究

丁小川，周宇昊，王思文

天然气分布式能源经济可行性评估方法研究

丁小川，周宇昊，王思文

（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

对气电价格、运行时间、单位造价、一次能源利用率以及系统节能率等影响天然气分布式能源系统的关键技术经济指标进行了深入研究，经过数学推导，得到了基于天然气价格和目标电价关系的天然气分布式能源项目经济可行性数学模型。该模型全面反映了影响天然气分布式能源项目经济性的各种影响因素。应用本方法和模型，选择了两种典型的用户负荷进行了实例计算。所得结论可以为天然气分布式能源系统运行控制和相关研究提供理论依据。

天然气；分布式能源；经济可行性；评估方法；关键指标

0 引言

天然气分布式能源是分布在用户端的天然气热电联供系统（CHP）或冷热电联供系统（CCHP），其特点是以天然气为燃料、能源利用效率高、运行安全可靠、能够适应用户负荷的波动变化。随着环境污染问题的日趋严重和能源价格的不断攀升，发达国家越来越重视能源的高效清洁利用技术的应用[1，2]。在美国，截止2012年，天然气分布式能源项目装机约为6000万kW，并计划到2020年新增40 GW发电装机。在日本，截止2010年，天然气分布式能源项目装机约为640万kW，并在2011年东日本大地震后计划2020年达到800万kW[3]。然而，我国天然气分布式能源技术的发展起步较晚，近年来随着国家对电力安全、环境治理的重视度加大，北京、上海、广东等地开始发展天然气分布式能源项目，目前总装机容量仅为80多万kW，在全国年发电量中的比重还较小[4]。

与传统集中式发电技术相比，天然气分布式能源系统与用户端联系紧密，为用户提供电能、热能、冷能等多种品质能源，项目的造价、运行时间等都受到用户负荷特性的影响，系统具有输出多样性的特点，导致系统的技术经济评价指标多、评估方法复杂，对分布式能源项目经济性的分析，目前常用方法是在完成系统设计和明确各项边界条件后，建立项目技术经济分析模型进行计算和可行性研究，分析过程复杂、周期长、不够灵活方便。

本文通过研究天然气分布式能源系统关键评价指标，提出基于天然气价格和目标电价关系的系统经济可行性分析方法和数学模型，该模型全面反映了影响天然气分布式能源项目经济性的各种影响因素，通过该模型可以计算分析各影响因素对项目经济性的敏感度。针对区域式和楼宇式的天然气分布式能源项目案例，应用模型对案例进行了分析和研究，为分布式能源项目经济可行性分析提供参考依据。

1 关键指标分析

1.1 气价和电价

作为天然气分布式能源系统唯一的燃料输入，天然气价格对系统运行成本的影响较大。受国内需求和国际石油价格的影响，近年来我国天然气价格逐年走高。根据国家最新出台的天然气价格调整政策，2013年各地管道天然气存量气和增量气价格均有所波动，其中存量气价格为1.41～2.74元/m3，增量气价格为2.29～3.32元/m3，其中广东、上海、江苏、浙江等南方地区价格较高，而新疆、宁夏、西藏等地价格较低。此外，我国沿海经济发达地区还在积极引进海外LNG，其价格与石油价格挂钩，受日本等国的需求拉动影响，近年来价格持续走高，2013年引进LNG出站价格约合4元/m3（不含管输费）。

电价决定了系统的收益。天然气分布式能源是分布在用户端的供能系统，系统输出主要用于自身的电冷热负荷需求，因此系统电价取决于用户用电价格。系统一方面为用户直供电，另外冷、热的传统供能方式也来自电，若采用发电余热制冷（热），就有很好的利润空间。我国现行的电价机制是按不同用户类型来制定价格，不同用户电价相差近66%。

从分析来看，天然气价格决定了系统的主要成本，而电价则决定了系统的大部分收益，因此项目用户当地的气、电价格差异如何，将是影响项目投资回收期和收益率的最为关键的因素，差异越大则投资回收期越短。

1.2 负荷匹配性和年运行时间

分布式能源主要位于用户端，能够按用户的需求供应能量，从而实现能源的就地生产和就地供应模式。和发电厂不同，分布式能源系统输出具有多样性，不仅仅是电能，因而冷热电负荷需求的一致性和匹配性，对系统的年运行时间、系统能效和运行经济性有重要影响。系统年运行时间是影响项目经济性的关键指标之一，决定了系统关键设备的使用寿命、维护成本、项目投资回收期限等。一般天然气调峰发电项目年运行时间约3500h，而天然气分布式能源系统的年运行时间能达到4000～6000h左右。

1.3 原动机和项目造价

原动机主要有燃气轮机、燃气内燃机、微型燃气轮机以及燃料电池等型式，目前燃气轮机、燃气内燃机以及微型燃机的应用较为广泛，燃料电池因其技术不成熟、产业化程度低等原因推广程度不高。分布式能源原动机的选型和用户负荷特性、施工安装条件、周边环境要求等有关，不同原动机的适用规模、发电效率、投资和运维成本等差异较大。根据国内外目前已安装运行的项目统计数据，工业和企业等较大型项目采用燃气轮机较多，医院、酒店、商场等商业和公共建筑项目采用燃气内燃机和微型燃机较多，如美国冷热电联供项目中，内燃机系统装机容量约占总规模2%，而项目个数却占46%，燃气轮机则均为13%，可见小型楼宇式项目以内燃机为主，大型工业区域式项目采用燃气轮机为主[5，6]。

表1 典型原动机系统特性

1.4 总能利用率和节能率

天然气冷热电三联供系统总能利用率是指系统有效能源输出（包括供冷、供热、供电量）总量与系统消耗的天然气总量的比值，和传统集中式发电相比，天然气分布式供能系统（CHP、CCHP）总能利用率更高，能达到80%以上，可以通过以下公式计算得到：

式中η1—系统发电效率，不同的原动机效率不同，约合40%左右；

η2，η3—系统制冷和制热的热效率，可以通过将系统用于制冷（热）的余热能量和总的输入天然气热值比值计算求得。

系统总能利用率所体现的主要是对一次能源（天然气）充分利用的程度和系统整体能源转换的输入与输出比较情况，但总能利用率并未考虑输出能的品质，因此在评价系统时还需要引入节能率指标。

系统相对节能率是指在单位时间内产生等量冷热电，联产系统相对于常规分产系统所节省的能量与常规分产系统所耗能量的比值，则节能率X的表达式为：

式中Qa—冷、热、电独立分产系统（基准）的单位时间内一次能源消耗量，J；

Qb—热电冷联供系统的单位时间内一次能源消耗量，J。

系统相对节能率指的是，与常规系统相比分布式能源系统支付的燃料代价节省情况，通常相对节能率选择当前使用最为广泛的分产系统作为参照。实用时，相对节能率的评价意义更为简明，数值处理也相对容易[7]。

2 理想经济模型

2.1 项目收益分析

天然气分布式能源系统的输出为电力和冷、热供应，因此项目一年内系统的收益主要包含电、冷、热的销售收入为：

式中A—天然气销售价格，元/m3；

B—销售电价，元/kWh；n—系统年运行时间，h；Qh—系统的制热量，J；E—系统总发电装机容量，W。系统总装机E与系

统耗气率Q、发电效率等有关，可以根据系统年发电量与耗气量的能量平衡关系得到，即：

式中Q—系统耗气率，m3/s；

η1—系统发电效率。

可以得到Qh=nQη3。计算热销售收入时，可以按燃气锅炉生产等量热能的用气成本计算，而燃气锅炉的效率可以取平均水平为90%[8]。

Qc为系统的制冷量，与系统耗气率Q、制冷效率η2、吸收式溴冷机COP（取值1.2）等有关，可以得到Qc=1. 2nQη2。计算冷销售收入时，可以按电制冷机生产等量冷用电成本计算，其中电制冷空调COP取水冷式中央空调值4.5。

2.2 项目成本分析

天然气分布式能源项目利用天然气发电，同时充分利用余热制热（冷），因此项目主要成本为天然气的采购费用，此外考虑到项目投资回收和设备运行维护费用等，则一年项目经营成本为：

式中Cg—一年天然气消费成本，元/a。主要受系统耗气率Q、年运行时间n、天然气销售价格A的影响；

Cf—系统预计投资年折旧费用，元/a。可以按照10a的投资回收期限，通过系统单位投资D和系统总装机容量E计算；

Cm—系统运行维护费用，元/a。主要受系统度电运行维护费Ce、系统年发电量（nE）影响。

2.3 经济性分析模型

项目运行的盈利能力是决定投资的首要考虑。和其他发电或供能系统相比，天然气冷热电三联供系统的特点在于输出的多样性，其经济模型也相对复杂，受到电价、冷价、热价、气价等多种因素的影响，因此本文对模型进行分析和梳理，提出简易可行的系统经济性分析方法。

系统能否盈利，销售收入需要大于成本，即：

也即：

式中D—项目单位造价，元/kW；

Ce—系统单位运维成本，元/kWh。

二者均与原动机的选型有关，参照目前应用广泛的燃机和内燃机设备，系统单位造价约合7000～17000元/kW，而度电运维成本约合0.03～0.18元/kWh；项目年运行时间约4000～6000h；天然气价格A、电价B是衡量项目经济性的核心指标，在国内各地区、各行业差异较大，是项目经济可行性分析评价的重要指标。

受以下因素影响，本文所构建的理想模型和实际情况会有一定的差异：

（1）在收益方面，受用户习惯、设备改造投入以及用能经济承受力等影响，实际的冷销售收入会低于电制冷成本。

（2）预设的吸收式制冷设备COP、电制冷空调COP、燃气锅炉热效率90%等参数，均按照国内一般平均取值，实际项目受设备选型影响存在差异。

3 实例分析

本文针对典型的大型区域式和小型楼宇式天然气分布式能源案例，根据前述理论推导的经济性分析模型，对项目经济可行性进行分析和探讨，研究天然气分布式能源项目开发可行性的边界条件。项目Ⅰ为杭州某食品加工厂，工厂主要生产速冻食品，是典型的工业用户，主要有电和蒸汽热负荷，负荷需求相对稳定，预计年需求时间达到6000h；项目Ⅱ为南方某商业中心，以办公和商场为主要功能，是典型商业建筑用户，主要有电和空调冷（热）负荷，负荷为工作时间间歇性负荷，白天稳定、夜间停止供应，全年负荷需求时间约4000h。

表2 项目Ⅰ、Ⅱ关键指标值

针对项目Ⅰ和项目Ⅱ，在分析前，本文根据负荷特性对模型中几项关键指标进行初步判断：

应用本文提出的研究方法和模型，通过计算，可以分析两个典型的天然气分布式能源项目经济可行性，构建基于天然气价格和目标电价关系的项目经济可行性平衡线，作为项目初评估的依据，目标电价所对应的就是用户用电价格情况。如图1所示，在预订的天然气价格波动区间内，平衡线以上的目标电价能够将为项目带来较好的经济收益，用户具备建设天然气分布式能源系统的基本条件，因此可以开展进一步的可行性研究和前期工作，而处在平衡线以下的目标电价则预示着项目不具备投资条件。

图1 项目天然气价格与目标电价关系图

如图1所示，当天然气价格定为3元/m3时，为保持较好的经济性，项目Ⅰ的适用电价需要高于0.8元/kWh，而项目Ⅱ则为1.04元/kWh。从分析结果可以看到，面对同样的天然气价格，项目Ⅰ的目标电价低于项目Ⅱ，即与小型楼宇式分布式能源相比，大型区域式分布式能源项目对气电价格差异的适应性更强。

此外，通过应用本文构建的分析模型，还可以进一步研究项目年运行时间、造价、系统效率等指标对项目经济性的影响情况。以项目Ⅱ为案例进行分析，通过分别变换各项指标值，可以得到年运行时间、造价、效率等对项目经济性的影响，如图2、图3、图4所示。

从图2可以看出，当项目Ⅱ年运行时间由4000h增加50%至6000 h后，目标电价下降明显，项目可行性也相应提高。

图2 年运行时间对项目经济性的影响图

图3 系统一次能源利用率对项目经济性的影响图

图4 项目造价对项目经济性的影响图

从图3可以看出，当项目Ⅱ发电效率不变，余热利用效率由40%下降到30%后，系统一次能源利用率相应下降，目标电价顺应上涨，项目可行性也大大降低。

从图4可以看出，当项目Ⅱ单位造价由15000元/kWh减少30%至10000元/kWh后，目标电价下降明显，项目可行性也相应提高。

4 结语

本文深入分析了天然气分布式能源系统的关键技术经济指标，包括气电价格、运行时间、单位造价、一次能源利用率以及系统节能率等，并在充分考虑各项指标影响的基础上，提出了基于天然气价格和目标电价关系的天然气分布式能源项目经济可行性分析方法和数学模型。和目前常用的分析方法相比，本文提出的分析模型和方法更为简便灵活、分析时间短。在项目开发前期初评估阶段，通过本方法和模型，可以初步评估项目投资的经济可行性，为下一步开展项目的设计和实施工作提供参考依据。

本文分别选择两种典型的用户负荷案例—工业负荷和商业建筑负荷，应用本方法分别对两种典型系统进行了计算和分析，得到天然气价格与项目经济可行的目标电价关系趋势。通过算例可以看到，天然气价格和目标电价的差异，始终是决定天然气分布式能源项目经济性的关键影响因子，但同时项目年运行时间、系统的一次能源利用率以及工程造价等都对项目的投资收益都有着重要的影响。因此在项目建设的前期，投资方应该在对用户负荷特性进行充分和详实的分析基础上，尽可能争取更好的价格优惠和补贴政策，以确保项目投资经济性。

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Method for Evaluating Economic Feasibility of Distributed Energy

DING Xiao-chuan，ZHOU Yu-hao，WANG Si-wen
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Studying the key technical and economic indicators affecting the natural gas distributed energy such as nature gas price，electricity price，running time，unit cost，system energy efficiency and energy saving rate，etc.Established a DE project economic feasibility mathematical model based on the price of natural gas and electricity.The model reflects the comprehensive influence of various economic factors of natural gas distributed energy project impact.The paper selected two typical user load cases and use the methods and analytical models to calculate and analyze the cases.The conclusions can provide a theoretical basis for the run of natural gas distributed energy and its related research.

nature gas；distributed energy；economic feasibility；evaluating method；key Indicators

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.001

TK-9

A

2095-3429（2015）01-0001-05

2014-11-10

修回日期：2015-01-08

丁小川（1984-），男，安徽怀宁人，硕士，工程师，研究方向：分布式能源和新能源技术。