采用分布式能源系统的容量配置与投资收益的分析探讨

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[摘 要]本文阐述了我国发电厂目前的节能减排问题以及转型开发设计。作者根据自己多年来的经验，对开发中的设计理想，也是逐一进行叙述探讨。以杨树浦发电厂区域内建设分布式能源站为例，突出特色意义和使用清洁能源的示范亮点。

[关键词]分布式能源；容量配置；投资收益

中图分类号：TK01 9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）20-0167-01

一、建设分布式能源站的技术边界条件

1、以热定电匹配发电容量，电力输出机制为并网上网。

2、最高冷热电负荷的测算值：冷负荷132W/m2、热负荷59.25W/m2，区域内冷热负荷用户的同时使用系数取0.65～0.7、区域电负荷指标值0.082kW/m2、分布式能源站供能电耗率0.174kW/kW。

3、天然气气源来之于城市中压燃气管道，压力为0.2～0.4MPa。

4、分布式能源站供能的建筑体量30万m2

5、选址条件：老汽机房、绿地及道路地下或半地下、原烟囱的部分建筑体量。

二、分布式能源站方案的设备配置及容量

1、实际冷热负荷指标值的确定如表1

2、总量电负荷的确定如表2

分布式能源站的设备容量按以上核算后的三联供负荷进行配置。其中冷负荷的介质进出温度为13℃/6℃、热负荷的介质进出温度70℃/40℃。

3、配置设备的性能参数

（1）内燃机

GE公司生产的颜巴赫内燃机其主要性能参数略。经计算：单机尾气利用热量2051kW折合0.8MPa（给水温度25℃）的干饱和蒸汽2773.6kg/h。单机可供蒸汽及热水介质的热量为4137kW合14.9GJ/h。

（2）吸收式溴化锂机组

吸收式溴化锂机组的单机容量，按内燃机性能输出的热能进行配置。由江苏双良空调有限公司生产的吸收式蒸汽热水、烟气热水溴化锂机组，江苏双良空调有限公司生产的吸收式溴化锂机组，可根据用户需求进行制冷机组的容量设计制造，目前已制造的最大单台容量为1000万大卡机组。一台颜巴赫4035kW发电容量的内燃机，利用4137kW的余热，配吸收式蒸汽、热水溴化锂机组的制冷量约为3379kW，配烟气热水溴化锂机组的制冷量约为3898kW。

（3）电动水冷机（水水热泵）

美国约克公司生产的离心式水冷机组，其主要性能参数为单台机组制冷量6681 kW、机组额定输入功率1312 kW、COP5.09、制冷剂R134a、压缩机转速8370 rpm、冷水入口温度5℃、冷水出口温度13℃、冷水额定流量720m3/h。

（4）蓄冷槽

采用水蓄冷方式的设备配置，主要优点体现在三个方面，一是可以平衡系统负荷的波动，就区域内综合楼宇群而言的冷热负荷，随季节性、用户需求的时间段及随意性而定，要把握好这一负荷特性的波动程度，实现最节能的运行方式水蓄冷是必不可少的配置，否则仅依赖热机去进行负荷调节，效果迟缓、精确性差、多耗能、折损热机的使用寿命。二是如果能利用分时电价，又可提高生产经营的收益。三是可减少辅助设备的相关容量，节约项目投资费用。

蓄冷槽的大小有一个最佳容量的概念，为使散热损失尽可能的小，只需满足系统冷热负荷调节量的需求即可。本方案电负荷实现的是完全上网，内燃机运行的年利用小时数较高，内燃机排放的余热原则上不进行蓄冷（热）的运行方式，在能享受分时电价的条件下更是如此（分时电价小于内燃机发电的综合成本价），实现了按冷热负荷的高低选择开机台数，余热量多，且能及时利用节能量大。因此蓄冷运行由水水热泵在夜间低谷完成。

以蓄冷槽容积数值分析，为使散热损失最小，它与需要供冷的负荷和预计供冷的时间有关。当热泵额定容量一定时，蓄冷时间和开机台数也就确定了。

从商务楼宇负荷特性曲线的形态可知，供能高峰时间为9：00至17：00。

在计算得到的三个水槽容积数据中，理论上，数据1最为理想，次为数据2，其供冷调节时间充足，利用低谷电时间最充分，再次为数据3，原因是当尖峰负荷时，冷水机将使用名义的峰电电价来顶峰，优点是减轻了区域内建造水槽面积的压力，适合60%的负荷调节。如果利用区域内原烟囱的建筑作为水槽面积使用，经测算不需大的内部变动将有7720m3容积体量，与数据3一致。所以选择合适的水槽容积应根据实际情况而定，主要与需求侧建筑的常年入住率、季节内，延续某一点负荷时间的长短、可提供建设水槽的面积有关。

4、设备配置的数量及种类

区域内分布式供能站主设备配置的数量种类如表3

对于设备配置的几点注释：

（1）增大内燃机发电容量可减少配置台数，目前GE公司制造的内燃机最大容量为4401kW，但余热利用量为3861kW，联合循环效率87.4%。故选择余热利用量高的4035kW容量机组。如有其它品牌容量大的机组，可在技经分析后作出定论。

（2）不考虑另增备用机组，供冷高峰时5台内燃机全开额定制冷量为17414kW，蓄水槽供冷量为10514kW，总供冷能力27928kW，考虑沿路5%的管损，满足高峰冷负荷26532kW的需求，则电动冷水机可作顶峰之用。供热高峰时3台内燃机全开额定可利用余热为12411kW，也考虑沿路5%的管损，热交换器的效率98%，满足高峰热负荷11555kW的供热能力。

（3）考虑到供热高峰时段的热负荷需求，烟气热水溴冷机组只配置一台，如配置二台，影响供热的可靠性（无备用，且采用溴冷机组供热方式经济性差）。

（4）设备配置的技术路线，主要以提高一次能源的梯级利用和热效率为主，不采用燃气锅炉及少采用高品位电能驱动的供能设备。设备种类的单一，有利于系统参数的匹配、运行方式的简捷、备品备件的简化、设备管理成本的降低。

（5）配置机组总容量的余热利用制冷量，为区域基本空调负荷（峰值）的65.63%，余热利用热量100%全部用于区域冬季、夏季基本空调负荷，发电容量为区域总用电负荷的69%。故有较好的节能效果。

5、配置设备的系统示意图略。

系统中吸收式溴化锂机组仍设置了蓄冷的功能，以提高运行调节的灵活性。当不能享受低谷电价时，可进行蓄冷运行方式。

冷负荷峰值运行时，蓄冷释放的负荷量占总负荷的35.62%。

系统供冷时热力介质参数0.8MPa、175℃，为溴冷机热源。供热时参数为70℃，直接供向用户，当然中间还需设热交换器。

四、运行策略

可根据冷热负荷需求选择开机时间和台数。内燃机冷态启动至满负荷运行5分钟左右即可完成，经济运行的负荷50～100%，溴化锂机组10分钟左右至满负荷，负荷调节范围30～100%。综合负荷的响应能力不差。

从节能、能源梯级利用角度衡量，保持内燃机高负荷运行是最佳的运行指导策略。内燃机开机台数作为负荷的粗调，水蓄冷作为负荷的细调，冷热水的温差作为调节的定值，介质温度和流量作为调节的变量。

关于内燃机运行小时数，由于电力并网上网条件已无限制，在以热定电的原则下，再去关注内燃机的运行小时数已无实际意义。其设备利用小时数一定大于受限上网条件下的相同容量利用小时数。然而应重点关注的是机组年利用小时数所反映出的一次能源梯级利用和节能效果，它必然体现在项目供能产品的量价关系上。

参考办公建筑的空调使用时间为7时至19时，周末及节假日不使用空调；商业建筑的空调使用时间为8时至21时，全年运行。系统供冷期为4月15日至10月31日，供热期为11月15日至3月30日。按此供能的年时间条件，机组年运行利用小时可经估算得出供冷期供热期最大负荷小时和年平均负荷率。

年平均低负荷率是指，除去商业和办公建筑同时供能的高负荷率时间段，在剩下时间段中的年平均低负荷率。年平均低负荷率越高，年利用小时数越大。

机组年平均低负荷率还与区域内建筑的种类有关，依据建筑暖通空调设计的冷热负荷指标值分析，有每平方米办公建筑必小于商业建筑供冷（热）量的结论。所以机组年利用小时的统计，一定是随着区域内商业面积与办公面积比率的增加而增加。而上表给出的两个建筑体量是开发区域内的预估值。

五、分布式能源站方案的评价指标如下

燃料的节能率，是以分别产生同质量的电和冷（热），常规供能方式与分布式供能方式燃料消耗量的比较。常规供能方式是指燃气―蒸汽联合循环机组（不供热、联合循环效率60%）+燃气锅炉（热效率95%）下的供能方式。按机组年运行利用小时数2970h计算，年可节约天然气279万m3，折合标准煤3252吨。

在电力上网不受限的条件下，节能率的大小与选择内燃机的性能有关，节能量的多少与装机规模容量有关，这二点决定了三联供一次能源的使用成本。

如果将余热锅炉的乏气温度120℃降低至100℃，技术上是可以做到的，那么联合循环热效率还将提高。这要待热力系统设计优化时考虑。

本方案的热经济性评价指标与一般的集中供能站相比，在商业运作上，不仅凸显了建设分布式三联供供能站的意义，同时也为用户提供相对廉价的供能产品有了技术经济基础的保障。

六、分布式能源站方案的初步投资及收益的测算和评价

1、投资估算

按主设备配置方案的总投资费用推算（供货方报价信息）其它设备的总投资费用暂定为1000万元。系统一次性注水量1.7万吨，费用约6万元。

建筑工程费、安装工程费、设备购置费等其他费用暂定为4000万元。

项目总投资约19000万元，如蓄冷槽利用烟囱空间，则为17660万元。

然而在测算收益时，可根据不同的投资总额确定对应的供能产品价格。

项目的注册资本金比例按20%计，注册资金以外的资金，以贷款方式筹措，贷款利息为6.55%。

2、热经济性指标表略。

3、财务分析基础数据表4如下：

三联供可变成本的费用由年天然气消耗量、年补水总量、年购电量（谷电）、年内燃机油耗量、年管道水保养药剂费构成。成本费用按总投资17000万元、年平均低负荷率40%（冷）/55%（热）、年利用小时2970h计算。

4、财务分析

分析以发电行业基准收益率即IRR为8%时的不同投资总额、年利用小时数的年平均低负荷率所得到的供冷（热）产品价格，投资回收期Pt为10.55年。从分析数据结果看，当项目投资总额确定后，只有定量了年平均低负荷率的大小，也就可得到较切合实际的供能产品价格。这也是当今建设分布式能源站项目可行性研究时，在盈利上最难预估的不确定点。而它只有经过生产实践过程中的深入统计研究，才能清晰核定。（以上分析采用了虹桥机场年平均低负荷率进行类比得出的结果）。

按上海市建设分布式能源站的政府补贴规定，有装机容量1000元/kW的项目补贴，则本项目得到的政府补贴总额为2017.5万元。

结合开发区域内商业与办公建筑2：8的比例，取40%（冷）/55%（热）的年平均低负荷率、年利用小时2970h、投资总额1.7亿，在规定的上网电价0.674元/kW条件下，供冷（热）产品的价格（扣税）：冷价0.47元/kWh、热价0.82元/kWh，静态全周期净利润NPV为16958万元。

如果以本方案界定的年供能时间段，要使供冷（热）价格再低，必须有年冷热平均低负荷率的提升，特别是商业建筑体量的比例大小，对年低负荷率的影响更大些。随着年利用小时数的增加，可见供冷（热）价格更低。

在供冷（热）价格的商务运作上，可根据用户供能量的大小，实施灵活的收费模式，诚信服务的调整空间，以取信于用户。

至于天然气价格的变化，可以通过两部制供能价格的计算公式进行调整，来确保盈利不受影响。

七、结束语

国务院颁布的《“十二五”节能减排综合性工作方案》，到2015年，全国单位GDP总值单位能耗，相比2010年降低率为16%，天然气占一次能源的比重从现在的5.4%提高到10%以上。

在已经拟定的《国家能源中长期发展规划（2004年～2020年）》中，提出了“节能优先，效益为本”的方针，是解决我国能源问题的重要途径。

因此分布式能源系统应用于城市大型商务楼群是实现天然气资源合理高效利用的正确方式，它将产生巨大的经济和社会效益，对于改善城市的能源结构意义重大。

当前制约分布式能源发展的问题，表现在并网机制和售电价格，真正的瓶颈在于我国《电力法》与分布式能源发展边界条件上的矛盾。

参考文献

[1] 《分布式冷热电联产系统装置及应用》中国电力工业出版社.

[2] 《浦东前滩冷热电分布式供能》华东建筑设计院.

[3] 《余热利用技术技术》江苏双良空调设备股份有限公司.

[4] 《天然气热电冷联供技术及应用》中国建筑工业出版社.

（作者：何建华、工程师，杨树浦发电厂厂长）