雷 坤

（天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司 上海201612）

引 言

隨著南海島礁開(kāi)發(fā)不斷深入，島礁居民、工業(yè)和旅游對(duì)能源的需求日益增加，原來(lái)主要依靠風(fēng)能、太陽(yáng)能和柴油作為主要能源的供給模式愈發(fā)難以適應(yīng)島礁的需求。此外，太陽(yáng)能和風(fēng)能的占地面積較大，而能量密度卻較低；柴油則會(huì)對(duì)南海島礁的生態(tài)環(huán)境造成不利影響，故也不能進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)一種對(duì)環(huán)境友好，且能持續(xù)提供大量穩(wěn)定能量的能源供應(yīng)系統(tǒng)便顯得尤為重要。

LNG是目前公認(rèn)的清潔、高效能源，LNG作為一次能源，也是解決當(dāng)前城市大氣污染最為經(jīng)濟(jì)有效的措施之一。因此，針對(duì)南海島礁的地理位置、島嶼分布狀態(tài)、碼頭條件和水文氣象等情況，結(jié)合LNG浮式儲(chǔ)存裝置（LNG-FSU）、陸上氣化終端以及LNG分布式能源等裝備的特點(diǎn)，開(kāi)展利用FSU配套陸上氣化終端作為南海島礁LNG分布式能源的燃料儲(chǔ)存和供給模式的技術(shù)研究，為南海島礁規(guī)劃建設(shè)提供整套式的能源供應(yīng)解決方案，具有十分重要的意義。

LNG冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)已在商業(yè)辦公、學(xué)校和醫(yī)院等領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用，并顯現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保和安全等多方面優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，令人遺憾的是對(duì)南海島礁LNG冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)卻鮮有研究，這與南海島礁日益迫切的能源需求很不相符。因此，本文基于南海島礁LNG儲(chǔ)運(yùn)解決方案，對(duì)島礁LNG分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

1 分布式LNG-CCHP系統(tǒng)

分布式LNG冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（LNG-combined cooling heating and power，簡(jiǎn)稱(chēng)LNG-CCHP）是一種新型的建于用戶(hù)所在地或附近的能源系統(tǒng)，是建立在能量梯級(jí)利用的概念基礎(chǔ)上，集制冷、制熱和發(fā)電為一體的多聯(lián)供總能系統(tǒng)。相比于其他分布式能源，LNG-CCHP系統(tǒng)技術(shù)較為成熟，在國(guó)際上得到廣泛應(yīng)用，是中國(guó)分布式能源發(fā)展的主要方向。

相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式供電方式，分布式能源系統(tǒng)是指將適當(dāng)規(guī)模、容量的系統(tǒng)以分散的形式布置在用戶(hù)端，就近供應(yīng)能源，多余的電力可通過(guò)電力設(shè)備供應(yīng)配電網(wǎng)的多連供系統(tǒng)。

LNG-CCHP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)LNG氣化-燃燒的熱量進(jìn)行階梯利用的設(shè)想：LNG氣化獲得天然氣和冷能；天然氣燃燒獲得的高品位熱能推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電；利用燃?xì)廨啓C(jī)尾氣中所含熱量推動(dòng)制冷、制熱設(shè)備工作；所產(chǎn)生的冷、熱能源直接就近供應(yīng)，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

LNG-CCHP系統(tǒng)既可以一臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行，也可以多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行，以應(yīng)對(duì)不同功率負(fù)荷情況下的用戶(hù)需求。由于所產(chǎn)出的能源不需要遠(yuǎn)距離輸送，并且能源均可被充分利用，因此LNG-CCHP系統(tǒng)的能源綜合利用效率高達(dá)80%以上。而且LNGCCHP系統(tǒng)不僅能源利用效率高，還具有節(jié)能減排、對(duì)電網(wǎng)雙重削峰填谷的作用，既能增強(qiáng)能源供應(yīng)的安全性，還具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，有效節(jié)省社會(huì)公共成本。

常規(guī)LNG-CCHP系統(tǒng)的主要設(shè)備包括氣化裝置、發(fā)電機(jī)、余熱鍋爐、制冷機(jī)等。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 LCOE模型介紹

LCOE是給定發(fā)電技術(shù)項(xiàng)目的終生成本與終生發(fā)電量的比值。對(duì)于分布式LNG冷熱電聯(lián)產(chǎn)而言，LCOE是指分布式LNG冷熱電聯(lián)產(chǎn)（LNG-CCHP）能源項(xiàng)目單位發(fā)電量的綜合成本，即LNG-CCHP能源系統(tǒng)在運(yùn)行期間所產(chǎn)生的所有成本與該項(xiàng)目供應(yīng)出的所有能量的比值。本文所述的LNG-CCHP能源系統(tǒng)生命周期內(nèi)所產(chǎn)出的能量不僅包括燃?xì)廨啓C(jī)直接發(fā)出的電能，還包括LNG氣化產(chǎn)生的冷能，以及發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的冷能和熱能。本文將系統(tǒng)所產(chǎn)生的這些冷能和熱能通過(guò)折算公式轉(zhuǎn)化為電能，扣除能源損耗部分，計(jì)算出LNG-CCHP系統(tǒng)產(chǎn)生的全部有效能量平準(zhǔn)化發(fā)電成本（LCOE）。為計(jì)算LCOE，采用如下公式：

式中：N為系統(tǒng)的生命周期，年；Ei為第i年產(chǎn)生的能量，kW h；r為貼現(xiàn)率；Ci為第i年支出的成本，元。

式（1）表達(dá)收入（能量）的凈現(xiàn)值等于成本的凈現(xiàn)值，反映系統(tǒng)生命周期內(nèi)資金的時(shí)間價(jià)值。將式（1）進(jìn)行等式變化即可獲得LCOE的公式：

式（2）中的分子表示整個(gè)生命周期內(nèi)的成本支出，按照成本的構(gòu)成，可以展開(kāi)為式（3）：

式中：I0為初始總投資，元。除設(shè)備購(gòu)置費(fèi)外，還包括征地成本，建造期內(nèi)的融資成本以及相關(guān)許可申請(qǐng)費(fèi)用等。

Vr為系統(tǒng)生命期末的殘值，元。該值等于設(shè)備資產(chǎn)額乘以殘值率v。殘值可以變現(xiàn)為收入，因此要從總成本中扣除。

Di為第i年的系統(tǒng)折舊費(fèi)用，元。考慮到折舊可以帶來(lái)抵稅效益，折舊帶來(lái)的收益應(yīng)從總成本中扣除。

Ai為第i年的運(yùn)營(yíng)成本即其他成本，元。

Tax為所得稅率。

式（2）中的分母表示整個(gè)生命周期內(nèi)的生產(chǎn)能源，按照能源的構(gòu)成，可以展開(kāi)為式（4）：

式中：Hi為第i年每年系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，h；

S為天然氣發(fā)電機(jī)組功率，kW；

o為發(fā)電廠自身用電率；

d為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率的年衰減率；

G為燃?xì)廨啓C(jī)的每小時(shí)耗氣量，m3/h；

Q為每立方米天然氣燃燒釋放的熱量，kJ/m3；

u為冷熱消費(fèi)量占系統(tǒng)所產(chǎn)生的總冷熱量的百分比；

y為供冷熱的時(shí)間與每年系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的比；

η為天然氣發(fā)電系統(tǒng)的總效率；

λ為天然氣發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率；

M為每度電所包含的能量，kJ/kW h；

R為每產(chǎn)生1 m3天然氣所獲得的冷能，kJ/m3；

r為氣化的冷能利用效率。

將式（3）和式（4）帶入式（2），LCOE的計(jì)算公式成為式（5）：

2.2 模型參數(shù)

南海島礁LNG分布式能源供能系統(tǒng)的成本主要包括固定投資成本和運(yùn)營(yíng)成本。固定投資成本主要包括浮式系統(tǒng)（FSU）成本和陸上系統(tǒng)（發(fā)電站等）成本；運(yùn)營(yíng)成本主要包括燃料費(fèi)用、工資福利、生產(chǎn)費(fèi)用（折舊費(fèi)、維修費(fèi)、材料費(fèi)及其他費(fèi)用）、保險(xiǎn)費(fèi)用、土地使用費(fèi)用和銀行貸款利息等。

LNG-CCHP冷熱電三聯(lián)供工藝流程關(guān)鍵設(shè)備主要包括氣化裝置、燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、制冷機(jī)、熱泵等及其相關(guān)的附屬設(shè)備。

2.2.1 基本變量假定

根據(jù)式（5），涉及到的計(jì)算變量假定和取值說(shuō)明參見(jiàn)下頁(yè)表1。

成本主要包括初始投資成本和運(yùn)營(yíng)成本。初始投資成本主要包括FSU、氣化站和發(fā)電站的建造成本；運(yùn)營(yíng)成本包括銀行貸款利息、天然氣費(fèi)用、人工成本、設(shè)備維修費(fèi)、生產(chǎn)材料費(fèi)、生產(chǎn)其他費(fèi)用、保險(xiǎn)費(fèi)和土地使用費(fèi)等。

系統(tǒng)生命周期設(shè)定為20年，建設(shè)期設(shè)為2年，殘值率取5%，貼現(xiàn)率參考行業(yè)通用取值8%，所得稅率采用現(xiàn)行稅法取25%。

表1 成本相關(guān)基本變量假定

銀行貸款利息的影響因素有：

（1）總投資的貸款率L。假定總投資的50%通過(guò)銀行貸款獲得。

（2）貸款利率ir。假定為年利率6%。

天然氣費(fèi)用的影響因素有：

（1）天然氣價(jià)格g。假定為2.5元/m3。

（2）燃?xì)廨啓C(jī)的裝機(jī)功率S和耗氣量G。

（3）考慮到未來(lái)原材料價(jià)格上漲，還引入價(jià)格上漲率，假定為2%。

人工成本包括工資和福利等，其影響因素有：

（1）人員數(shù)量。浮式終端人員數(shù)量假定為23名，陸上電站人數(shù)一般可根據(jù)機(jī)組容量確定，由于分布式能源的自動(dòng)化程度較大，本研究考慮的機(jī)組容量都不是很大，假定機(jī)組容量的人員為3人。

（2）人員工資和福利。不同崗位和級(jí)別人員工資和福利會(huì)有所不同，本文簡(jiǎn)化分析假定人均年收入18萬(wàn)元。

（3）考慮人工成本存在增長(zhǎng)，假定年增長(zhǎng)率為6%。

設(shè)備維修費(fèi)通常按照設(shè)備固定資產(chǎn)總額取某個(gè)百分比，維修費(fèi)比率取2%。電廠的材料費(fèi)和其他費(fèi)用可按照每度電費(fèi)用估算，參閱相關(guān)資料，材料費(fèi)取0.015元/kW h；其他費(fèi)用取0.018元/kW h。保險(xiǎn)費(fèi)用根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通常取設(shè)備資產(chǎn)總額的0.25%。土地使用費(fèi)由于南海島礁土地資源稀缺，土地使用費(fèi)用應(yīng)較大，取25元/kW。

與能源收益有關(guān)的變量假定如表2所示。

表2 能量收益相關(guān)基本變量假定

能源收益（等效電能）主要包括：LNG氣化的冷能、LNG燃燒產(chǎn)生的電能及其回收的冷能和熱能。參考相關(guān)資料，可知LNG分布式能源的利用總效率可達(dá)80%以上。本文LNG-CCHP發(fā)電系統(tǒng)的總效率η取80%。咨詢(xún)?cè)O(shè)備廠家可知20 MW的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率為35%。

燃?xì)廨啓C(jī)每年運(yùn)行4 000～6 000 h，本文取運(yùn)行時(shí)間為5 000 h，且整個(gè)生命周期內(nèi)保持不變。考慮到隨著運(yùn)行時(shí)間增加，系統(tǒng)的效率會(huì)有所減少，本文設(shè)定了效率衰減系數(shù)，取燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率衰減率d為4%。此外，電廠本身也需要消耗部分電能，本文假定自用電率o為8%。

單位天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量Q約為35 000 kJ/m3；每度電的相當(dāng)熱量M為3 600 kJ/kW h。

本文引入冷熱消費(fèi)比u，該指數(shù)反映能夠銷(xiāo)售出去的冷能和熱能占系統(tǒng)能夠供給能量的百分比。本文假定生產(chǎn)的冷熱能都能夠被消費(fèi)，取u為100%。

本文引入供冷熱時(shí)間比y，該指數(shù)反映需要提供冷熱時(shí)間時(shí)間與全年時(shí)間的比值。供冷熱時(shí)間比y取66%。

LNG氣化的冷能利用方面，1 m3LNG氣化為天然氣約可得到冷能845 000 kJ。冷能經(jīng)相關(guān)設(shè)備到達(dá)終端用戶(hù)的有效利用率為90%，對(duì)應(yīng)氣體體積為1 388.9 m3（ISO工況體積），即每氣化1 m3LNG所獲得的冷能為608.4 kJ/m3。

2.2.2 成本估算

本文假定島礁LNG儲(chǔ)存采用10 000 m3駁船式FSU，島礁發(fā)電站容量為20 MW。包括氣化站在內(nèi)，建設(shè)用地成本等整個(gè)的系統(tǒng)初步投資約35 000萬(wàn)元。

2.3 LCOE結(jié)果

本文基于上述模型假定參數(shù)，計(jì)算LNGCCHP整個(gè)生命周期內(nèi)的成本以及能源收益，并獲得20 MW燃?xì)廨啓C(jī)的平準(zhǔn)化電力成本LCOE為0.79元/kW h（折合每度電成本為0.709元）。

3 敏感性分析

敏感性分析是指在基準(zhǔn)情景下，僅改變相應(yīng)敏感性因素，來(lái)觀察該因素對(duì)CCHP能源系統(tǒng)LCOE的影響程度。下面分別改變天然氣價(jià)格、冷熱消費(fèi)比、冷熱時(shí)間比、運(yùn)行時(shí)間和銀行貸款比等參數(shù)，獲得如圖1-圖5所示敏感性分析結(jié)果。

圖1 天然氣價(jià)格敏感性分析

圖2 冷熱消費(fèi)比敏感性分析

圖3 供冷熱時(shí)間比敏感性分析

圖4 運(yùn)行時(shí)間敏感性分析

圖5 投資貸款比率敏感性分析

根據(jù)上述敏感性分析結(jié)果可知：LNG-CCHP系統(tǒng)所產(chǎn)出能源的利用率越高，天然氣價(jià)格就越低，其LCOE也就越小。

首先，影響LCOE變化的重要因素是系統(tǒng)所生產(chǎn)冷能量、熱能量的消費(fèi)比以及供冷、供熱的時(shí)間比，這兩個(gè)比例可統(tǒng)稱(chēng)為系統(tǒng)產(chǎn)出總能量的消費(fèi)比例。在冷、熱消費(fèi)百分比提高時(shí)， LCOE都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在冷、熱消費(fèi)比例或供冷、供熱的時(shí)間比上升時(shí)，LCOE呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；每上升10%，每度電成本下降約0.12元。LCOE產(chǎn)生較大降幅的原因是隨著CCHP系統(tǒng)利用發(fā)電后余熱效率的增高，整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)出且能被利用的能量增多。

其次，燃料價(jià)格和運(yùn)行小時(shí)數(shù)的變動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的LCOE影響較大。隨著天然氣價(jià)格的上漲， LCOE成本必然隨著天然氣價(jià)格上升而上升。當(dāng)燃料價(jià)格每上漲0.1元/m3， LCOE上漲約0.04元。隨著發(fā)電機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)增加，LCOE呈下降趨勢(shì)，每增加1 000 h，LCOE下降約0.08元/kW h。

最后，對(duì)CCHP能源系統(tǒng)LCOE有影響的因素還有銀行貸款占比。不過(guò)，貸款占比的變化對(duì)LCOE有一定影響，但敏感性較低。貸款比率每增加10%，LCOE增加約0.01元/kW h。

4 結(jié) 論

根據(jù)上述經(jīng)濟(jì)性分析可知：南海島礁的LNGCCHP具有一定的經(jīng)濟(jì)可行性，特別是與柴油發(fā)電、光伏和風(fēng)能發(fā)電等在南海島礁大規(guī)模應(yīng)用中具有明顯缺點(diǎn)的能源模式相比，LNG-CCHP能源利用模式更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

成本敏感性分析表明：隨著南海島礁開(kāi)發(fā)的推進(jìn)，對(duì)能源需求不斷增加，LNG-CCHP的能源成本將進(jìn)一步降低，從而更具經(jīng)濟(jì)性。