應(yīng)笑笑 許紅勝 王少寧

1 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

2 東南大學(xué)電力設(shè)計(jì)院

3 江蘇省電力設(shè)計(jì)院

0 引言

天然氣分布式能源[1-4]與天然氣燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)[5-6]均涉及到了天然氣的利用問題，在天然氣對外依存度逐年提高、價(jià)格劇烈波動[7]的背景下，對于同時(shí)有冷、熱、電需求的用戶而言，選擇最經(jīng)濟(jì)可行的供能方式已成為當(dāng)下亟需解決的問題。

為探究天然氣最佳供能方式，本文針對天然氣冷熱電聯(lián)供與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)這兩種不同的天然氣利用方式，綜合考慮能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等因素的影響，利用層次分析法確定各因素的權(quán)重，以避免人為給定權(quán)重存在的主觀影響，通過多目標(biāo)評價(jià)準(zhǔn)則來優(yōu)化評估基于這兩種利用方式的供能系統(tǒng)的性能，從而獲得天然氣最佳利用方式與供能方式的相關(guān)結(jié)論，以期為今后天然氣的利用與發(fā)展提供參考與指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)介紹

在以內(nèi)燃機(jī)為原動機(jī)的天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)缸套水余熱與煙氣余熱被充分回收利用，系統(tǒng)能源利用效率大大提高。該系統(tǒng)的具體流程如圖1 所示。用戶所需電負(fù)荷由內(nèi)燃機(jī)發(fā)電及電網(wǎng)共同承擔(dān)，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電量無法滿足用戶電負(fù)荷需求時(shí)，則需從電網(wǎng)購電以補(bǔ)充電負(fù)荷。在以冷熱定電這一運(yùn)行策略下運(yùn)行時(shí)，內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的多余電量將輸送給電網(wǎng)。在夏季制冷期，內(nèi)燃機(jī)煙氣與缸套水分別作為高壓發(fā)生器的熱源與低壓發(fā)生器的熱源來驅(qū)動溴化鋰吸收式制冷機(jī)組，為用戶提供冷負(fù)荷，而溴化鋰機(jī)組排煙則進(jìn)入換熱器內(nèi)，為用戶提供生活熱水。當(dāng)冷負(fù)荷無法滿足用戶需求時(shí)，由電制冷機(jī)、補(bǔ)燃器（對帶補(bǔ)燃的溴冷機(jī)而言）或直燃型溴化鋰機(jī)組產(chǎn)生的冷量來補(bǔ)充。在冬季采暖期，內(nèi)燃機(jī)煙氣余熱與缸套水余熱通過煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組為用戶提供熱負(fù)荷，不足部分由直燃型溴化鋰機(jī)組或鍋爐補(bǔ)充。

圖1 以內(nèi)燃機(jī)為原動機(jī)的天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性模型

本文建立了方案經(jīng)濟(jì)性數(shù)學(xué)模型以便于研究比較系統(tǒng)的性能，并假定方案中各設(shè)備在變工況下運(yùn)行時(shí)其效率不發(fā)生變化。

內(nèi)燃機(jī)天然氣耗量VICE(d,h)為：

式中：VICE(d,h)指天然氣耗量，m3；d 指制冷采暖季d 月典型日，d=6、7、8、9、12、1、2、3；h 指典型日的第h 時(shí)，為正整數(shù)；t1、t2分別指典型日第h 時(shí)的上一個運(yùn)行時(shí)刻與下一個運(yùn)行時(shí)刻；ηICE指內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率；EICE(d,h) 指內(nèi)燃機(jī)d 月典型日第h 時(shí)的發(fā)電量，kWh；HV指天然氣低位發(fā)熱量。

以內(nèi)燃機(jī)排煙及缸套水為驅(qū)動熱源的煙氣熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)產(chǎn)生的冷量Qyrc(d,h)及熱量Qyrh(d,h)分別為：

式中：ηrec指內(nèi)燃機(jī)余熱回收效率；COPxlbc、COPxlbh分別指煙氣熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)的制冷系數(shù)、制熱系數(shù)。

對于帶補(bǔ)燃的余熱吸收型溴化鋰機(jī)組即煙氣熱水直燃型溴化鋰吸收式制冷機(jī)，其制冷天然氣補(bǔ)燃耗量Vxlb（cd,h）與制熱天然氣補(bǔ)燃耗量Vxlb（hd,h）分別為：

式中：Qcuser（d,h）指d 月典型日第h 時(shí)的用戶冷負(fù)荷，kWh；ηxlbr指煙氣熱水直燃型溴化鋰吸收式制冷機(jī)的補(bǔ)燃效率；Qhuse（rd,h）指d 月典型日第h 時(shí)的用戶熱負(fù)荷，kWh。

對于直燃型溴化鋰吸收式制冷機(jī)，其制冷耗氣量Vzr（cd,h）及制熱耗氣量Vzr（hd,h）分別為：

式中：COPzrc指直燃型溴化鋰吸收式制冷機(jī)的制冷系數(shù)；COPzrh指直燃型溴化鋰吸收式制冷機(jī)的制熱系數(shù)；指余熱吸收型溴化鋰機(jī)組d 月典型日第h 時(shí)產(chǎn)生的冷量，kWh；Qa（hd,h）余熱吸收型溴化鋰機(jī)組d 月典型日第h 時(shí)產(chǎn)生的熱量，kWh。

對于電制冷機(jī)，其產(chǎn)生的制冷量Qe（cd,h）為：

式中：Qa（lcd,h）指溴化鋰吸收式制冷機(jī)d 月典型日第h時(shí)產(chǎn)生的制冷量，kWh。

電制冷機(jī)消耗的電量Ee（cd,h）為：

式中：COPec指電制冷機(jī)的性能系數(shù)。

對于燃?xì)忮仩t，其制熱量Qb（hd,h）為：

式中：Qa（lhd,h）指溴化鋰吸收式制冷機(jī)d 月典型日第h時(shí)產(chǎn)生的制熱量，kWh。

對兩種系統(tǒng)來說，由于在運(yùn)行中沒有效益可言，故考慮系統(tǒng)費(fèi)用現(xiàn)值（Present Value Cost，PC）。費(fèi)用現(xiàn)值[8]是指按基準(zhǔn)折現(xiàn)率，將系統(tǒng)計(jì)算期內(nèi)各個不同時(shí)間點(diǎn)的現(xiàn)金流出折算到計(jì)算期初的累計(jì)值，其計(jì)算公式如下所示。

式中：（CO）t指第t 年的現(xiàn)金流出；n 指計(jì)算期；i0指基準(zhǔn)折現(xiàn)率；P/F 指復(fù)利現(xiàn)值系數(shù)。

系統(tǒng)費(fèi)用現(xiàn)值的計(jì)算涉及系統(tǒng)的運(yùn)行成本及建設(shè)成本，運(yùn)行成本C 包括燃料費(fèi)、電費(fèi)、材料費(fèi)、工資及福利費(fèi)、折舊費(fèi)、其他費(fèi)用[9]即

式中：Cf指系統(tǒng)年燃料費(fèi)用；Ce指系統(tǒng)年購電費(fèi)用；Cm指材料費(fèi)；Cs指工資及福利費(fèi)；Cd指折舊費(fèi)；Co指其他費(fèi)用；Nd指制冷季d 月的天數(shù)，Md指采暖季d 月的天數(shù)；ygas指天然氣價(jià)格，單位，元/m3；yve指谷電時(shí)段電價(jià)；yre指峰電時(shí)段電價(jià)；yfe指平段電價(jià)。

3 評價(jià)優(yōu)化準(zhǔn)則

3.1 多目標(biāo)評價(jià)準(zhǔn)則

為了便于研究比較基于內(nèi)燃機(jī)余熱回收利用的天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相較電空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)劣，本文取電空調(diào)系統(tǒng)為參比系統(tǒng)。在電空調(diào)系統(tǒng)中，用戶所需電負(fù)荷由電網(wǎng)提供，而電驅(qū)動的風(fēng)冷熱泵所產(chǎn)生的冷量與熱量則用于滿足用戶冷熱負(fù)荷需求。本文擬提出三種評價(jià)準(zhǔn)則，分別是：年一次能源節(jié)約率（即能源評價(jià)準(zhǔn)則）、年當(dāng)量二氧化碳減排率即（即環(huán)境評價(jià)準(zhǔn)則）、年費(fèi)用現(xiàn)值節(jié)約率（即經(jīng)濟(jì)性評價(jià)準(zhǔn)則）。

系統(tǒng)年一次能源節(jié)約率（Primary Energy Saving Ratio，PESR）是指天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)與產(chǎn)生相同冷量、熱量、電量的電空調(diào)系統(tǒng)的天然氣耗量之差與電空調(diào)系統(tǒng)年天然氣耗量的比值，其計(jì)算式如下式所示。

式中：BECBCHP指冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)年一次能源消耗量；BECES指電空調(diào)系統(tǒng)年一次能源消耗量。計(jì)算電方案消耗的年一次能源時(shí)，將消耗的電能轉(zhuǎn)化為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)產(chǎn)生相同電量所消耗的一次能源量，如下式所示。

式中：Ees指電空調(diào)系統(tǒng)耗電量，kWh；ηe指燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率；ηs輸配電損失。

年當(dāng)量二氧化碳排放量[10]是指將各主要?dú)怏w對溫室效應(yīng)的影響等效為等量CO2的影響。在本文中，年當(dāng)量二氧化碳減排率（CO2Equivalent Emission Reduction Ratio，CO2EERR）定義為：冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)與產(chǎn)生相同冷量、熱量、電量的電空調(diào)系統(tǒng)的年當(dāng)量CO2排放量之差與電空調(diào)系統(tǒng)年當(dāng)量CO2排放量的比值，其計(jì)算式如式（23）所示。

式中：CDEES指冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)年當(dāng)量CO2排放量；CDEBCHP指電空調(diào)系統(tǒng)年當(dāng)量CO2排放量；μe為燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電單位耗氣量所對應(yīng)的二氧化碳排放量的轉(zhuǎn)換系數(shù)，2541 g/m3；μf為聯(lián)供系統(tǒng)每千瓦時(shí)能量的天然氣所對應(yīng)的二氧化碳排放量的轉(zhuǎn)換系數(shù)，220 g/kWh。

陳雷對做好2012年機(jī)關(guān)黨建工作提出六點(diǎn)意見：第一，以迎接黨的十八大召開和學(xué)習(xí)貫徹十八大精神為主線，在營造氛圍、凝心聚力上有新氣象；第二，以推進(jìn)水利跨越發(fā)展為主題，在圍繞中心、服務(wù)大局上有新作為；第三，以深化創(chuàng)先爭優(yōu)活動為抓手，在服務(wù)群眾、夯實(shí)基礎(chǔ)上有新舉措；第四，以保持黨的純潔性為重點(diǎn)，在增強(qiáng)黨性、改進(jìn)作風(fēng)上有新變化；第五，以推進(jìn)社會主義核心價(jià)值體系建設(shè)為根本，在文化建設(shè)、文明創(chuàng)建上有新進(jìn)展；第六，以落實(shí)黨建工作責(zé)任制為保障，在加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)、創(chuàng)新機(jī)制上有新成效。

系統(tǒng)年費(fèi)用現(xiàn)值節(jié)約率（Present value cost ratio，PCR）是指天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)與產(chǎn)生相同冷量、熱量、電量的電空調(diào)系統(tǒng)的費(fèi)用現(xiàn)值之差與電空調(diào)系統(tǒng)的費(fèi)用現(xiàn)值的比值，其計(jì)算式如式（23）所示。

式中：PCBCHP指冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的費(fèi)用現(xiàn)值；PCES指電空調(diào)系統(tǒng)的費(fèi)用現(xiàn)值。

為了綜合考慮系統(tǒng)的能源消耗，環(huán)境影響及經(jīng)濟(jì)性，本文擬采用多目標(biāo)評價(jià)準(zhǔn)則來評估比較系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，如下式所示。

式中：w1、w2、w3分別為三個評價(jià)準(zhǔn)則的權(quán)重系數(shù)。

3.2 層次分析法評價(jià)優(yōu)化準(zhǔn)則

由多目標(biāo)評價(jià)準(zhǔn)則表達(dá)式易知，評價(jià)準(zhǔn)則的權(quán)重系數(shù)的確定至關(guān)重要，它將影響最終的評價(jià)結(jié)果。層次分析法[11（]Analytic Hierarchy Process,AHP）可以將半定性半定量問題轉(zhuǎn)化為定量問題進(jìn)行計(jì)算，目前，已被廣泛運(yùn)用于學(xué)科研究工作中，用層次分析法來確定各指標(biāo)權(quán)重可以有效解決權(quán)重賦值問題。

層次分析法的流程如圖2 所示。

圖2 層次分析法流程圖

4 實(shí)例分析

為了探究最佳的供能方式與天然氣利用方式，本文選取南京某醫(yī)院建筑為研究對象，該醫(yī)院由主樓A及主樓B 構(gòu)成，總建筑面積為166374.35 m2，擁有較大的冷、熱、電負(fù)荷需求，且需求較為集中。利用eQUEST軟件對該建筑進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，得到制冷采暖季典型日冷熱電負(fù)荷預(yù)測結(jié)果分別如圖3、圖4、圖5 所示。南京市不同時(shí)段電價(jià)以及天然氣價(jià)格如表1 所示。

表1 南京市電價(jià)及天然氣價(jià)

圖3 夏季典型日冷負(fù)荷曲線

圖4 冬季典型日熱負(fù)荷曲線

圖5 制冷采暖季典型日電負(fù)荷曲線

基于“以冷熱定電”原則，本文提出了天然氣冷熱電聯(lián)供方案（即方案1）及電空調(diào)方案（即方案4），方案3 及方案2 分別為文獻(xiàn)[12]提出的方案及該項(xiàng)目可研報(bào)告提出的方案。表2 為4 種方案主要設(shè)備的配置信息。表3 示出了所提方案所涉及的有關(guān)參數(shù)值。

表2 四種供能方案設(shè)備配置

表3 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)值

在計(jì)算費(fèi)用現(xiàn)值節(jié)約率時(shí)，需要計(jì)算各方案的建設(shè)成本，對于天然氣冷熱電聯(lián)供方案，取當(dāng)前造價(jià)水平20000 元/kW 進(jìn)行計(jì)算。而對于電空調(diào)方案即方案4，其建設(shè)成本考慮了設(shè)備購置費(fèi)及安裝費(fèi)，以當(dāng)前同類工程費(fèi)用水平計(jì)算，為802.87 萬元。

4.1 方案性能比較與分析

表4 評價(jià)準(zhǔn)則權(quán)重系數(shù)

根據(jù)文中所建立的經(jīng)濟(jì)性模型，可以得到四種方案3 項(xiàng)評價(jià)準(zhǔn)則的具體數(shù)值，分別如圖6 至圖8 所示。圖9 為運(yùn)用評價(jià)優(yōu)化準(zhǔn)則得到的各方案的評價(jià)數(shù)值。由圖6 可知，方案1 及方案2 均比電空調(diào)系統(tǒng)更耗能，而方案3 的能耗則略低于電空調(diào)系統(tǒng)（即方案4），因此方案3 是4 種方案中最為節(jié)能的。由圖7 可知，3 種天然氣冷熱電聯(lián)供方案的二氧化碳排放量均較電方案低。而圖8 表明，雖然電方案的建設(shè)成本顯著低于其他三種天然氣冷熱電聯(lián)供方案，但由于電方案每年電費(fèi)較高，從而使得其費(fèi)用現(xiàn)值仍舊可能高于天然氣冷熱電聯(lián)供方案，如方案1。由此可見，當(dāng)考慮的因素不同時(shí)，最佳方案的選擇存在較大差異。由各方案的多目標(biāo)評價(jià)準(zhǔn)則的數(shù)值可知（如圖9 所示），方案1 為最佳供能方案。

圖6 各方案年一次能源節(jié)約率

圖7 各方案年二氧化碳減排率

圖8 各方案年費(fèi)用現(xiàn)值節(jié)約率

圖9 各方案多目標(biāo)評價(jià)準(zhǔn)則值

5 敏感性分析

天然氣價(jià)格與電價(jià)作為影響天然氣冷熱電聯(lián)供項(xiàng)目成本的2 個重要因素，對用戶在供能方式的選擇方面起著重要的影響。因此，本文將主要研究天然氣價(jià)格、電價(jià)對方案費(fèi)用現(xiàn)值節(jié)約率的影響。

圖10、圖11 分別為三種天然氣冷熱電聯(lián)供方案（方案1 至方案3）相對電方案的費(fèi)用現(xiàn)值節(jié)約率與天然氣價(jià)格，電價(jià)變化率之間的關(guān)系圖。

圖10 各方案費(fèi)用現(xiàn)值節(jié)約率與天然氣價(jià)格的關(guān)系

圖11 各方案費(fèi)用現(xiàn)值節(jié)約率與電價(jià)變化率的關(guān)系

由圖10 可知，當(dāng)三種天然氣冷熱電方案的費(fèi)用節(jié)約率均為0 時(shí)，所對應(yīng)的天然氣價(jià)格分別是3.056、2.769、2.325，并且方案2 對天然氣價(jià)格最為敏感，方案3 次之，方案1 最小。由此可見，隨著天然氣價(jià)格的提高，電方案的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢將逐步顯現(xiàn)出來。

圖11 反映了各方案費(fèi)用現(xiàn)值節(jié)約率與電價(jià)變化率的關(guān)系。由于文中計(jì)算電價(jià)時(shí)使用的是分時(shí)電價(jià)，為簡化研究，此處電價(jià)變化率是指各時(shí)段電價(jià)以相同的變化率變化。從圖中數(shù)據(jù)可以知道，隨著電價(jià)的升高，天然氣冷熱電聯(lián)供方案的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢將逐步顯現(xiàn)出來。方案2 對電價(jià)變化最為敏感，方案3 次之，方案1最小。綜上可見，天然氣冷熱電聯(lián)供方案設(shè)備配置是否合理決定了其是否具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，以及對外部因素（如天然氣價(jià)格、電價(jià)等）的敏感度。

6 結(jié)論

本文以南京某醫(yī)院這一典型樓宇建筑為研究對象，利用eQUEST 軟件模擬建筑冷熱電負(fù)荷，根據(jù)天然氣燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電與天然氣冷熱電聯(lián)供這兩種不同的利用方式，提出了兩種不同的供能方案，即天然氣冷熱電聯(lián)供方案與電方案，并與該項(xiàng)目可研報(bào)告以及論文中所提出的方案進(jìn)行比較，建立了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性模型，對比分析了各方案的經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境等方面的指標(biāo)，并研究分析了天然氣價(jià)格、電價(jià)對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能的影響，以評估最優(yōu)的天然氣利用方式與供能方式。本文所得結(jié)論如下：

1）在“以冷熱定電”原則下，四種方案中，方案2 最差，方案1 為最佳供能方案，而電方案優(yōu)勢并不明顯。

2）隨著電價(jià)的提高，天然氣冷熱電方案的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢將逐步顯現(xiàn)，當(dāng)電價(jià)變化率大于16%時(shí)，三種天然氣冷熱電聯(lián)供方案（即方案1、方案2、方案3）的經(jīng)濟(jì)性均將優(yōu)于電方案。而隨著天然氣價(jià)格的提高，在目前電價(jià)水平下，電方案的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢將變得比較突出，并且只有當(dāng)天然氣價(jià)格低于2.325 元/m3時(shí)，3 種天然氣冷熱電聯(lián)供方案的經(jīng)濟(jì)性才會均高于電方案。

3）當(dāng)天然氣冷熱電聯(lián)供設(shè)備選型配置較為合理時(shí)，將天然氣運(yùn)用于天然氣冷熱電聯(lián)供的供能方式將優(yōu)于將天然氣運(yùn)用于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)，再通過供能設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換為冷熱能的供能方式。