分布式天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟性研究

根據分布式天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)(CCHP)的系統特性，在國際通用的平準化發(fā)電成本(LCOE)基本計算方法基礎上，將燃氣輪機產(chǎn)生的電能與冷、熱能量經(jīng)過(guò)折算之后的能量之和視為CCHP系統的總能量產(chǎn)出，計算得出不同容量機組包含冷、熱能量的全能量LCOE。以各省省會(huì )城市的商業(yè)電價(jià)作為比較基準，評價(jià)CCHP系統在該省份是否具有經(jīng)濟性，并對相關(guān)影響因素進(jìn)行敏感性分析。分析表明，在中國中東部發(fā)達地區，CCHP系統具有一定經(jīng)濟性;CCHP平準化發(fā)電成本對能量輸出量及燃料成本的敏感性較高。最后從電網(wǎng)、氣價(jià)改革及供冷供熱系統等方面提出相關(guān)建議，以促進(jìn)CCHP系統在“十三五”期間的市場(chǎng)發(fā)展。

1 分布式天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統

相對于傳統的集中式供電方式，分布式能源系統是指將適當規模、容量的系統以分散的形式布置在用戶(hù)端，就近供應能源，多余的電力可以通過(guò)電力設備供應配電網(wǎng)的多連供系統。分布式天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)(Combined Cooling Heating and Power，簡(jiǎn)稱(chēng)CCHP)系統是一種新型的建于用戶(hù)所在地或附近的能源系統，是建立在能量梯級利用的概念基礎上，集制冷、制熱和發(fā)電為一體的多聯(lián)供總能系統。相比于其他分布式能源，CCHP系統技術(shù)較為成熟，在國際上得到廣泛應用，是中國分布式能源發(fā)展的主要方向。

CCHP系統實(shí)現了對天然氣燃燒后的熱量進(jìn)行階梯利用的設想：高品位的熱能推動(dòng)燃氣輪機進(jìn)行發(fā)電，然后利用燃氣輪機尾氣中所含熱量推動(dòng)制冷、熱設備制冷、熱。所產(chǎn)生的冷、熱能源直接就近供應，產(chǎn)生經(jīng)濟效益。CCHP系統既可以一臺獨立運行，也可以多臺并聯(lián)運行，以應對不同功率負荷情況下的用戶(hù)需求。由于不需要遠距離輸送所產(chǎn)出的能源，以及對熱能的充分利用，CCHP系統的能源綜合利用效率高達80%以上。不僅能源利用效率高，而且CCHP系統具有節能減排、對電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)雙重削峰填谷的作用，能增強能源供應的安全性，具有較好的經(jīng)濟效益，同時(shí)節省社會(huì )公共成本。

隨著(zhù)社會(huì )發(fā)展和生活水平的提高，居民對冷、熱能源的需求日漸增大，目前社會(huì )對冷、熱能量需求的滿(mǎn)足主要依靠電能。這種冷、熱負荷不斷增加的背后是煤電機組容量的不斷增加，而燃煤電廠(chǎng)在提供電能的同時(shí)排放出了大量的大氣污染物。相比而言，CCHP系統對環(huán)境較為友好，因此CCHP能源系統越來(lái)越受到政府重視。早在2000年，原國家計委等4部委印發(fā)了初步為分布式能源系統的發(fā)展鋪平道路的文件，在文件中，國家鼓勵在較分散的公用建筑發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)。在隨后的幾年里，國家發(fā)改委、財政部、住房和城鄉建設部、國家能源局、國家電網(wǎng)公司等相關(guān)單位先后聯(lián)合或獨立出臺了促進(jìn)CCHP能源系統發(fā)展的政策文件。從2010年8月住房和城鄉建設部發(fā)布為CCHP發(fā)展建設提供相關(guān)建設技術(shù)指標參考依據的技術(shù)規程文件，到國家發(fā)改委、能源局、住房和城鄉建設部聯(lián)合頒發(fā)為分布式天然氣能源示范項目提供相關(guān)激勵和優(yōu)惠政策的實(shí)施細則，這些文件為CCHP能源系統的初步發(fā)展奠定了基礎。中國共產(chǎn)黨第十八屆中央委員會(huì )第五次全體會(huì )議通過(guò)的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展第十三個(gè)五年規劃的建議》中的相關(guān)建議，進(jìn)一步明確了政府對發(fā)展CCHP能源系統的重視程度。

雖然有眾多政策支持，然而CCHP能源系統在中國的普及速度并不快。為尋找原因，一些學(xué)者在政策的基礎上做了很多探討，大多數學(xué)者針對具體案例對CCHP能源系統經(jīng)濟性進(jìn)行評價(jià)，由于CCHP能源系統在各個(gè)地區的運行環(huán)境、負荷均不同，這類(lèi)探討有一定的局限性。在能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展以及在《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展第十三個(gè)五年規劃的建議》對分布式能源愈加重視、能源政策逐漸完善、分布式能源定位逐漸明確的政策環(huán)境下，這種比較方法所具有的參考價(jià)值有限。本文在現有分布式能源政策、其他學(xué)者研究成果的基礎上，將CCHP能源系統所有的能量產(chǎn)出折算為電能，扣除能源損耗部分，計算出CCHP能源系統的全能量平準化發(fā)電成本(LCOE)，然后將商業(yè)電價(jià)與CCHP系統LCOE之差設定為經(jīng)濟性指標，通過(guò)這種比較方式可以較為直觀(guān)地評價(jià)CCHP具有潛在經(jīng)濟性的地域分布情況。

2 分析框架

2.1 LCOE模型

美國國家可再生能源實(shí)驗室(NREL)把LCOE定義為平準化發(fā)電成本(levelized cost of energy);弗勞恩霍夫太陽(yáng)能系統研究所(Fraunhofer-ISE)把LCOE定義為度電成本(levelized cost of electricity)。對于分布式天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)而言，LCOE是指CCHP能源項目單位發(fā)電量的綜合成本，即CCHP能源系統在運行期間所發(fā)生的所有成本與該項目供應出的所有能量的比值。在本文中，CCHP能源系統生命周期內所產(chǎn)出的能量不僅包括燃氣輪機發(fā)出的電能，還包括系統提供的冷、熱能量。為了計算LCOE，采用如下公式。

公式(1)代表的意義是收入的凈現值等于成本的凈現值，即LCOE的恒等式定義，其中LCOE與En的乘積是系統在生命周期內的總收益。將公式(1)進(jìn)行恒等變形后得出公式(2)。

將公式(3)、(4)、(5)、(6)帶入公式(2)，可得出在本文中計算CCHP系統LCOE的計算公式。

在上述公式中，各符號及其含義見(jiàn)表1。

2.2 系統能量去向解釋

根據CCHP能源系統能夠對天然氣燃燒后的熱量進(jìn)行階梯利用的特性，將天然氣完全燃燒后的熱量利用流向分為4個(gè)部分(見(jiàn)圖1)。能量流向1，為利用高品位熱量發(fā)出來(lái)的電能，其熱量利用率為，即燃氣輪機發(fā)電熱效率。2、3能量流向為利用中品位熱量所產(chǎn)生的冷、熱能量，其利用率為，由于在CCHP系統實(shí)際運行過(guò)程中，這部分熱量不太可能被全部充分利用，所以在本文中加入了Un、Dn兩個(gè)比例參數，當這兩個(gè)參數發(fā)生變化時(shí)，能量流向2、3的比例大小會(huì )隨之發(fā)生相應變化。能量流向2即為CCHP系統產(chǎn)生且被消費者消費掉的冷、熱能量，能量流向3是系統產(chǎn)生但是沒(méi)有被利用的冷、熱能量。在實(shí)際運行中，能量流向1、2表示被利用的能量;系統利用效率及消費市場(chǎng)不足，造成3、4能量流向，即散失的能量。

2.3 變量解釋和參數假設

本文通過(guò)衡量整個(gè)系統在生命周期內的花費和生命周期內所產(chǎn)出的總能量來(lái)計算LCOE，其中一些變量解釋和參數取值見(jiàn)表2。

運營(yíng)費率是為了保持系統日常運行而產(chǎn)生的費用，包括每年的大修費用、保險費用、系統所占空間的租賃費用。每年的大修費用數額為設備的資產(chǎn)額與大修費率的乘積;CCHP占地面積較小，而且對所在位置要求較低，因此其租賃費用較低，對LCOE的影響很小，在本文中沒(méi)有參與成本計算。固定資產(chǎn)支出包括燃氣輪機發(fā)電設備，供冷、供熱設備費用及其相應管道設備的費用以及各設備的設計安裝費用。設計安裝費用的計算方法是：燃氣輪機、冷熱設備的購買(mǎi)費用與設計安裝費率的乘積，燃氣輪機發(fā)電設備價(jià)格由進(jìn)口的先進(jìn)設備30兆瓦、50兆瓦機組價(jià)格通過(guò)匯率折算得來(lái)。CAPXn為CAPX按照直線(xiàn)折舊所得出的每年折舊成本。各種稅率及銀行貸款利率、年限、各種職工工資及福利待遇等數據均由實(shí)際考察取數。

人工成本包括職工工資、福利費，同時(shí)考慮了職工工資的增長(cháng)情況。供冷熱時(shí)間比的計算方法為：系統供應冷熱的時(shí)間之和與全年小時(shí)數(365×24)的比。產(chǎn)生冷、熱的消費比例，即系統產(chǎn)出的冷、熱能量被消費的比例。職工人數根據相關(guān)文獻和本文中的機組容量共同確定。分布式天然氣能源系統的自動(dòng)化程度較高，在本文中各容量機組均為單機組容量，所以用人數量取相同值。銀行貸款利率為商業(yè)銀行長(cháng)期貸款利率取整數值。

3 計算結果

3.1 基準情景參數設定

基準情景下有良好的多余電量上網(wǎng)政策支持，CCHP能源系統所產(chǎn)出的電能90%被消費，在敏感性分析中考慮了被消費的電量以2%的幅度增減的情況。雖然CCHP的系統總效率可以達到80%以上，但考慮到實(shí)際的運行情況，在本文中設定基準值為80%。燃氣輪機運行小時(shí)數的取值范圍為4000～6000小時(shí)，在本文中的基準情景取值5000小時(shí)，敏感性分析的取值在基準取值基礎上上下浮動(dòng)1000小時(shí)。天然氣價(jià)格取燃氣發(fā)電用氣價(jià)格2.51元/立方米。冷、熱消費比指能夠銷(xiāo)售出去的冷、熱能量占系統能夠供給量的百分比，考慮到“以熱定電”運行策略系統的經(jīng)濟效益突出，但對電網(wǎng)的依賴(lài)程度大，在本文中以冷熱消費量70%為基準情景參數，在敏感性分析中考慮了冷、熱消費較少(40%)及CCHP系統所產(chǎn)生的冷、熱全部消費的情況下系統的LCOE。與傳統的電力生產(chǎn)設備相比，CCHP系統的單位造價(jià)更高，融資較為困難，因此在基準情景下本文設定無(wú)銀行貸款。供冷熱時(shí)間比的參數是根據北京的供熱、制冷空調開(kāi)放時(shí)間，計算得出總冷熱供應時(shí)間為243天，考慮到商業(yè)運營(yíng)的特殊性，冷熱供應為全天供應，共計5832小時(shí)，與全年時(shí)間的比約為0.666，據此設定基準情景的供冷熱時(shí)間比為0.66。根據不同的電網(wǎng)，過(guò)網(wǎng)費用在40元/兆瓦時(shí)上下，由于所占成本很小在本文的LCOE計算中沒(méi)有參與成本計算，具體參數及浮動(dòng)范圍見(jiàn)表3。

3.2 基準情景LCOE結果及其與商業(yè)電價(jià)的比較

根據相關(guān)文獻、案例可以估算出每兆瓦裝機容量大約能覆蓋5萬(wàn)平方米的建筑面積，因此在商業(yè)聚集區，對冷、熱、電要求較高的地區可以根據實(shí)際情況選擇適當大小容量的機組和熱電比，以免造成冷、熱供給大于所需造成的系統效率較低情況的發(fā)生。本文假設不同容量的機組都有良好的規劃及多余電量上網(wǎng)政策環(huán)境，即滿(mǎn)足基準情景的參數設置。結合上節的基本運行參數假設，可以得到一個(gè)分布式天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)在不同容量機組下的LCOE及其成本組成(見(jiàn)圖2)。

在基準情景下各容量機組CCHP系統的LCOE在區間0.68～0.74元/千瓦時(shí)。LCOE隨著(zhù)機組容量的增大、熱利用效率的增高而降低，在單位燃料成本相同的情況下，大容量機組更具有優(yōu)勢。從成本組成來(lái)看，各機組LCOE構成中燃料成本占據了總成本的85%左右。

為了更好地把握CCHP能源系統在不同環(huán)境下的經(jīng)濟性，利用LCOE的計算方法，根據不同省份的氣候特征、天然氣價(jià)格和商業(yè)電價(jià)，分別計算出30兆瓦機組在中國各省份的省會(huì )城市商業(yè)電價(jià)與LCOE的差值，根據差值把各地的CCHP系統分為5種情況：虧損巨大的省份、略微虧損的省份、略盈利省份、盈利省份和豐厚盈利省份(見(jiàn)圖3)?？傮w來(lái)看，CCHP能源系統在各省份天然氣價(jià)格、電價(jià)等條件下的競爭性有所不同，虧損省份主要集中在經(jīng)濟不發(fā)達地區，略盈利、虧損的省份較多，在中東部經(jīng)濟較為發(fā)達的省份CCHP能源系統在設定的標準情景下具有較好的經(jīng)濟性。為了進(jìn)一步找出對LCOE影響較大的因素，下文對可能影響成本的因素進(jìn)行敏感性分析。

3.3 敏感性分析

敏感性分析是在基準情景下僅改變相應敏感性因素，來(lái)觀(guān)察該因素對CCHP能源系統LCOE的影響程度。分析結果表明CCHP系統所產(chǎn)出能源的利用率越高、天然氣價(jià)格越低，其LCOE就越小。

首先，影響LCOE變化的重要因素是系統所生產(chǎn)冷、熱能量的消費比，供冷、熱的時(shí)間比與電量消費比，以上比例可以統稱(chēng)為系統產(chǎn)出的總能量的消費比例。對于不同容量的機組，在冷、熱消費百分比提高時(shí)，各容量機組的LCOE都呈現下降趨勢(見(jiàn)圖4)。在冷熱消費比例上升時(shí)，各容量機組的成本下降0.19～0.25元/千瓦時(shí)。隨著(zhù)供冷、熱時(shí)間的增長(cháng)，不同容量的機組的LCOE降幅在0.08元/千瓦時(shí)左右(見(jiàn)圖5)。有較大降幅的原因是隨著(zhù)CCHP系統利用發(fā)電后余熱效率的增高，整個(gè)系統產(chǎn)出且被利用的能量增多。說(shuō)明CCHP能源系統在冷、熱需求較高的地區具有較好的經(jīng)濟性。當上網(wǎng)電量比下降20%時(shí)，會(huì )造成度電成本上升0.1元左右(見(jiàn)圖6)。因此，在進(jìn)行CCHP能源系統規劃時(shí)，不但要考慮到當地的冷、熱需求量，在滿(mǎn)足供電需求的前提下要選擇冷、熱需求較高的區域，使CCHP系統能夠長(cháng)時(shí)間以較高的負荷穩定地輸出冷、熱能量，還要有較好的多余電量上網(wǎng)政策的支持。

其次，燃料價(jià)格和利用小時(shí)數的變動(dòng)對系統的LCOE影響較大，主要原因是燃料成本占總成本的85%左右。隨著(zhù)天然氣價(jià)格的上漲，各容量機組的LCOE成本必然隨著(zhù)天然氣價(jià)格的上升而上升(見(jiàn)圖7)。對于不同容量的機組，當燃料價(jià)格取值為天然氣門(mén)站價(jià)格(2元/立方米)時(shí)，LCOE在0.56～0.6元/千瓦時(shí)之間，在此種情境下有較高的經(jīng)濟性。隨著(zhù)利用小時(shí)數增加，各容量機組的LCOE均呈下降的趨勢(見(jiàn)圖8)。

最后，對CCHP能源系統LCOE有影響的因素是銀行貸款占比。不論是對大容量機組還是小容量機組，貸款占比的變化對LCOE均有影響，貸款(或自有資金)占比敏感性較小(見(jiàn)圖9)。

從以上各個(gè)因素的敏感性分析中可見(jiàn)，天然氣價(jià)格、冷熱供應及消費量、發(fā)電量消費比、貸款占比和機組容量對LCOE均有不同程度的影響，基于對這些影響因素進(jìn)行的定量經(jīng)濟性分析，筆者提出影響CCHP能源系統大規模推進(jìn)的主要因素及對應的政策建議。

4 結論及政策建議

4.1 結論

全國競爭性地圖及經(jīng)濟性分析表明，CCHP能源系統在良好規劃條件下是有一定經(jīng)濟性的，尤其在中東部經(jīng)濟較為發(fā)達地區，其發(fā)展潛力較大。在內部收益率為8%的條件下，廣東、重慶、湖北、浙江等省份仍然具有較高的競爭力?？紤]到天然氣市場(chǎng)改革的進(jìn)一步深化，天然氣價(jià)格的進(jìn)一步合理化，CCHP能源系統的經(jīng)濟性會(huì )進(jìn)一步提高，其發(fā)展前景也會(huì )不斷明朗。另外，CCHP系統由于其LCOE受冷熱能量輸出影響較大，在氣候較為溫和、經(jīng)濟欠發(fā)達、商業(yè)電價(jià)較低的地區，其經(jīng)濟性不高，甚至沒(méi)有經(jīng)濟性。

成本分析及敏感性分析表明，燃料成本占總成本的比重較高，燃料價(jià)格的高低對CCHP能源系統的經(jīng)濟性具有決定性的影響;LCOE對影響因素有不同的敏感性，其中敏感性較高的因素是所產(chǎn)生能量的輸出量及天然氣價(jià)格。在“十三五”期間，國家需要制定合理的天然氣價(jià)格、分布式能源產(chǎn)出能量消費政策，促進(jìn)CCHP能源系統在環(huán)境、資源允許地區的有序發(fā)展。

4.2 政策建議

4.2.1 完善CCHP能源系統發(fā)展機制

明確CCHP能源系統在全國能源系統中的地位，優(yōu)化能源結構，完善CCHP能源系統發(fā)展機制。CCHP能源系統對電網(wǎng)和氣網(wǎng)都有積極作用，同時(shí)對環(huán)境較為友好，明確其地位可以加快資本的進(jìn)入，加快發(fā)展。確定地位，優(yōu)化能源結構，可以解決資本對此類(lèi)項目的觀(guān)望態(tài)度，相關(guān)主管部門(mén)需要根據不同區域經(jīng)濟性的差異來(lái)制定相應的促進(jìn)政策，協(xié)調相關(guān)利益主體，促進(jìn)CCHP能源系統發(fā)展。

4.2.2 加快能源供應與消費市場(chǎng)改革

1)電力市場(chǎng)。對于CCHP能源系統而言，電能上網(wǎng)量對其是否具有經(jīng)濟性有較大影響，但是在現有政策條件下，電能順利上網(wǎng)存在技術(shù)和市場(chǎng)兩方面的阻礙。為消除這些障礙，首先應加快統一具有約束力的并網(wǎng)技術(shù)標準，為CCHP系統多余電量上網(wǎng)提供技術(shù)保證。同時(shí)加快能源互聯(lián)網(wǎng)建設，協(xié)調各方利益，打開(kāi)電力交易柵欄，使CCHP能源系統能夠參與電力市場(chǎng)交易，允許CCHP能源系統與中、小電力用戶(hù)直接簽訂交易合同，自主協(xié)商確定電量和電價(jià)，加大電力供應端和消費端的靈活性，增加系統的上網(wǎng)電量，保障系統運營(yíng)的經(jīng)濟性，以吸引投資充分發(fā)揮分布式能源在電網(wǎng)末端的輔助作用。

2)天然氣市場(chǎng)。CCHP能源項目的正常、穩定運行離不開(kāi)充足的天然氣資源供應，天然氣供應中斷、氣壓不足都會(huì )對其覆蓋范圍內的居民和企業(yè)造成不良影響，因此天然氣分布式能源項目的穩定供應必不可少。根據成本組成分析，燃料成本占據LCOE的85%左右，這意味著(zhù)天然氣價(jià)格高低對CCHP能源系統是否具有經(jīng)濟性起著(zhù)決定性作用。建議氣價(jià)的制定要充分考慮到不同用戶(hù)的社會(huì )、節能環(huán)保效益，特別是類(lèi)似CCHP能源系統之類(lèi)的大用戶(hù)穩定持續用氣對氣網(wǎng)、電網(wǎng)削峰填谷的作用，用相應的方式計算不同的輸氣價(jià)格和配氣價(jià)格，降低CCHP能源系統的燃料成本、運行風(fēng)險，使之充分發(fā)揮對電網(wǎng)、氣網(wǎng)的積極作用，促進(jìn)CCHP能源系統的發(fā)展，爭取達到“十三五”規劃中提出的天然氣消費目標。

3)冷熱供應市場(chǎng)。CCHP能源系統的LCOE對冷、熱能量的消費量比例較為敏感，如果不能有效地保障系統冷熱能量的輸出、系統總熱效率，CCHP能源系統的發(fā)展將面臨巨大挑戰。建議在系統覆蓋范圍內給予冷、熱特許經(jīng)營(yíng)，以充分挖掘CCHP能源系統冷熱能量的就地消納的能力。此外，完善規劃策略，在系統規劃時(shí)要充分考慮當地氣候、政策環(huán)境，最大程度保障系統的冷、熱輸出量。

4.2.3 推進(jìn)燃氣輪機科技創(chuàng )新，降低投資門(mén)檻

CCHP能源系統規模偏小、單位造價(jià)較高、融資困難，對于項目投資者而言一次性建設投入成本、風(fēng)險較大，而且中國當前的分布式能源技術(shù)還不是很完善，燃氣輪機等核心設備購買(mǎi)、維護費用相對較高，所導致的投資門(mén)檻較高。針對這些問(wèn)題，建議出臺積極的金融及研發(fā)政策，以加快分布式天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)的核心技術(shù)研究，實(shí)現核心設備的國產(chǎn)化，形成具有自主知識產(chǎn)權的分布式天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)裝備的產(chǎn)業(yè)體系，降低項目初期建設成本以及日常維護成本。針對CCHP能源系統項目，鼓勵銀行向CCHP能源系統項目投資，減小投資方的初始資金壓力，降低CCHP系統的度電成本，讓投資方能夠獲得一定的收益，從而吸引資本進(jìn)入CCHP能源系統的建設。