天然气热电冷运行模式对发电成本影响的研究
第24卷
2009矩
第5期
10月
JOURNAL
OF
山东建筑大学学报
SHANDONG
Vo】.24
UNIVERSITY
Oct.
No.52009
J1ANZHU
文章编号:1673—7644(2009105—0454—06
天然每执电冷运行模式对发电成本影响的研究
V,-t’
李恩山1,田贯三2
(1.中国城市建设研究院,北京100029;2.山东建筑大学热能工程学院,山东济南250101)
摘要:根据天然气热电冷系统运行的特点,建立了一个考虑投资、燃料价格、供热和供冷效益的成本分析模型,模型反应了产热和产冷的收益,计算出的发电成本能客观地揭示天然气热电冷系统的经济性。对影响GTCC、CCHP和BCHP经济性的主要因素,如投资、天然气的价格、机组效率和的负荷率等进行了全面分析和研究,并得出了提高经济效益的模式。
关键词:天然气;热电冷;机组效率;负荷率;发电成本中图分类号:TKll2;TU995
文献标识码:
Astudyofimpact
on
generationcostwithoperation
ofnaturalgasCCHPsystem
UEn.shan‘.TIANGuan.san2
(1.China
UrbanConstructionDesign&Research
Institute,Beijing100029,China;2.SchoolofThermalEnergyEn-
gineering,Shandong
JianzhuUniversity,Jinan250101,China)
Abstract:Thispapertriestosetupnaturalgas
acost
analysismodelaccordingtotheoperatingcharacteristicsof
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CCHP.The
analysisisconductedforsuchinfluencinghctors
investment,gasprice,
andheating&coolingefficiency.Thecalculatedcostofpowergenerationrevealsnomicfactorsofnaturalgas
objectivelymajor
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CCHP.The
as
studyactuallycompletelyanalyzessomehctorsimpac・
tingGTCC,CCHPandBCHP,suchtheloadfactoranddeducts
a
economicinvestment,naturalgasprices,unitefficiencyand
modewhichcouldenhanceeconomicefficiency.
Keywords:naturalgas;CCHP;unitefficiency;loadrate;generatingcost
0引言
1970—2002年间,电力领域天然气的消费量的年增长率为6.9%。全世界用于发电的天然气消费份额从1980年的22%升至现在的32%一33%。天然气在2l世纪的发电业中保持发展态势是由于技术进步,主要是采用了燃气一蒸汽联合循环技术
效率。预计到2020年,我国天然气发电量将占全国发电总量的6.7%,目前我国在建、已建和计划建设的天然气发电项目有23个,总容量达到1837万
kW。
为了进一步提高天然气利用率和应用范围,又出
现了热电冷联产技术(CCHP)和小型楼宇热电冷联产
技术(BCHP)。CCHP的热电冷联产系统一般是由燃气轮机、废热锅炉、蒸汽轮机和吸收制冷机组等组成,
(GTCC),目前联合循环可获得50%一58%的发电
收稿日期:2009—06—05
基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAJ031101)
作者简介:李恩山(1961一),男,山东莱州人,中国城市建设研究院高级工程师,学士,研究方向:煤气热力规划
而/丽筮!翅奎垦出笠;丞丛氢垫鱼捡运堑夔基盟蕉鱼盛奎墅堕的班壅
笪兰
这一系统实现了能源从高品位到低品位的合理梯级
利用,因而高效节能。在这一系统中,根据系统容量、系统配置和运行模式的不同,其综合热电效率可高达70%~90%,其中电能占50%一55%,其余为热能,主要用于区域热电冷联供。BCHP一般是由小型燃气轮机或内燃机与高温烟气驱动吸收式空调机,或废热热水锅炉与热水驱动吸收式空调机组成,用于单个建筑或相邻的几个建筑,其热电冷联合循环效率在60%~90%之间,其中电能占25%~40%。1
热电冷经济性分析
1.1发电成本的计算
GTCC、CCHP和BCHP的经济性主要取决于系统的投资,天然气的价格和机组的负荷率。为了将三种发电方式进行比较,首先对其技术经济指标作如下假设:机组折旧年限按20年,投资为4500~
6000形kW(包括所有设备),对应纯发电效率为
50%一55%,CCHP和BCHP热电联供效率为80%~90%,CCHP和BCHP冷电联供效率为65%一70%。以发电成本为基础进行分析,由于三者的运行操作成本相差不大,只对投资和燃料费进行分析,
GTCC单位发电的折旧费和燃料费用式(1)表示。
由于天然气的价格高,直接发电、供热或供冷成本高,效益差,采用热电冷联供技术,可降低发电、供热和供冷成本。对CCHP和BCHP在纯发电的基础上,考虑冬季热电模式、夏季冷电模式和纯发电时的平均效率和燃气价格差异,减去售热和冷的收益,单位发电的折旧费和燃料费用式(2a)表示。为了方便分析把式(2a)改写为式(2b),即计算发电燃料成本时减去产热和产冷的收益比例。这相当于用户由购人燃气经锅炉供热和燃气空调供冷,改为按一定比例的燃气价格购人等热量的热和冷。
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式(2a)、(2b)的使用条件是
咖2≥(th+t1)/8760
式中:Z,为GTCC单位发电的折旧费和燃料费用,元/(kWh);Z,为CCHP与BCHP单位发电的折旧
费和燃料费用,形(kWh);K为GTCC、CCHP与
BCHP单位发电容量投资(含热与冷设备投资),形
(kwh);咖,为GTCC发电机组年负荷率,%,咖。=t/8760;咖2为CCHP与BCHP机组年负荷率,%,咖2=(th+tI+t)/8760;P为纯发电天然气的价格,元/In3;Ph为热电联产天然气的价格,;TV./m3;Pl为冷电
联产天然气的价格,形m3;H.为电天然气的低热
值,kwh/m3;田为GTCC机组热效率,%;/7,为机组折旧或投资偿还年限;叩。,叼2,'7,分别为CCHP与BCHP的热电、冷电和纯发电的效率,%;叼7。,叩’2分
别为CCHP与BCHP的供热和供冷的效率,%;th,
t。,t分别为CCHP与BCHP的热电、冷电和纯发电的运行时间,h;qh,q1分别为CCHP与BCHP每kWh装机容量的年供热量和供冷量,kWh;P。,P,分别为
CCHP与BCHP供热和供冷的单位价格,形
(kWh);c,,c:分别为CCHP与BCHP供热和供冷的
燃料价格系数,本研究取I。
1.2GTCC的经济性分析1.2.1
投资对发电成本的影响
图l天然气价格为1.4形m3时,用式(1)计算
的GTCC机组投资与年发电负荷率增加对发电折旧成本的影响关系曲线。由图1看出随负荷率的增加和投资的减少,发电成本降低,当年负荷率达到
40%时,投资从4500形kW增加到6000:gr_/kW,发
每kWh电的折旧成本增加4分钱,当年负荷率达到80%,只增加2分钱。当负荷率小于30%时,投资对发电成本影响较大,负荷率大于30%时,投资变化对发电成本影响不大。
1.2.2燃气价格对发电成本的影响
天然气发电成本随燃气价格的增加而提高,图2为用式(1)计算的在不同年负荷率下,燃气价格对发电成本的影响关系曲线,条件是机组投资为5000
形kW,发电效率为55%。由图可以看出,随燃气
价格的降低和负荷率的增加,发电燃料成本大幅下
降,燃气价格增加,发电成本大幅增加。当年负荷率小于0.5时,负荷率对发电成本影响较大,当年负荷率大于0.5时,负荷率对发电成本影响较小。
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1.0
机组年负荷率
图l
投资折旧对发电成本的影响
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1.0
机组年负荷率
图2燃气价格对发电成本的影响
天然气价格对发电成本影响最大,因此应该采电天然气的价格最低,而且输电成本比输气低的多,f.50
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(2)直接从天然气输送管网购气,降低发电用
天然气的成本。
1.2.3发电效率对发电成本的影响
在相同投资和燃料价格的情况下,发电效率越高发电成本越低。图4为不同投资对应不同效率下
的发电成本,可以看出当年负荷率小于13%一25%时,投资的影响大于效率的影响,此时采用投资低的机组,发电成本低,对于年负荷率小于25%调峰电
厂要选投资相对低的机组;当年负荷率大于25%时,投资的影响小于效率的影响,此时采用效率高的机组,发电成本低。
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1.0
机组年负荷率
图4发电效率对发电成本的影响
1.2.4年负荷率对发电成本的影响
年负荷率越高发电成本越低,小于50%时对发电成本影响非常大,当大于50%时,影响变小,所以纯发电年负荷率应该大于50%,调峰电厂的年负荷率也应该尽量提高。2
CCHP与BCHP的经济性分析
CCHP与BCHP每kWh装机容量的年供热量和
供冷量的计算方法为:单位装机容量的最大供热量和供冷量分别与供热和供冷最大负荷利用小时数的
乘积。
2.1单循环CCHP与BCHP。
对于CCHP单循环与BCHP发电成本受投资、
燃气价格、发电效率、供热效率、供冷效率和年负荷
率的影响。本研究以北京市民用建筑冷热负荷规律为例进行分析,表l为北京市采暖空调运行时间、最大负荷小时数及最大负荷小时利用率。
用成本低的天然气发电。具体措施:(1)在井口发这样会降低发电成本。例如:西气东输的井口价格
为0.55形1113,陕气进京的井口价格为0.67形m3,气田自销气的井口价格为0.90形m3,图3为
井口发电的折旧与燃料成本,采用0.45形m3的天
然气发电,成本低于平均煤发电成本,采用0.67形
m3的天然气发电,成本接近平均煤发电成本。
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奎垦出笠;云丛氢垫皇硷运堡堪送墅筮电盛奎墅堕笪婴塞
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北京市采暖空调持续时间
2.1.1
投资对发电成本的影响
用式(2b)对CCHP单循环与BCHP的经济性
进行分析,图5为天然气价格为1.4形m3时,发电
效率35%,平均热效率80%,最小年负荷率30.9%,投资与年发电负荷率增加对发电折旧成本的影响关系图。随投资的减少,发电成本降低,出当年负荷率
为最小值30.9%时,投资从4500形kW增加到
6500形kW,发每kwh电的折旧成本增加4分钱,
当年负荷率达到50%,只增加2.5分钱。当负荷率小于30%时,投资对发电成本影响较大,负荷率大于30%时,投资变化对发电成本影响不大。
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机组年负荷率
图5投资对发电成本的影响
2.1.2燃气价格对发电成本的影响
O8O7O6O5O4O3
O2
图6燃气价格对发电成本的影响
一~盂率
图6为用式(2b)计算不同的年负荷率下,燃气价格对发电成本的影响关系,由图看出,当年负荷率
小于10%时,燃料价格对发电成本影响不明显;当年负荷率大于10%时,随燃气价格的降低,发电燃料成本大幅下降。当年负荷率大于0.3时,燃气价格对发电成本影响变化趋于常数。2.2效率对发电成本的影响
机组的发电、供热或制冷效率对发电成本均有
影响。图7为用式(2b)计算的不同发电效率对发
电成本的影响关系曲线,在负荷率小于10%时,影响不大,大于10%时,在相同投资、燃料价格和总热效率的情况下,发电效率越高发电成本越低。图8为用式(2b)计算的不同平均热利用效率对发电成本的影响关系曲线,一般来说供热或供冷的热利用率越高,则投资越高,热利用率每提高10%,每kWh
容量增加约500元的投资,发电成本明显降低。因
此,提高系统的综合热效率,可大幅降低发电成本。
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总热效率80%
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图7发电效率对发电成本的影响
,
^‘发电效率35%,1.4元/m3
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机组年负荷率
图8供热(冷)效率对发电成本的影响
2.3联合循环CCHP
CCHP的发电效率受热利用率影响,降低热利
用率可提高发电效率。以某热电冷方案为例进行分析,表2为设计运行技术参数。该方案为联合循环,
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坐丕建篁太堂堂拯2螋生
为46.4%,投资回收年限对发电成本影响最大,一般为7—10a。考虑到运行与维修成本0.04—0.05
随采暖和制冷负荷的变化,发电效率也变化,在分析
中采用平均值进行分析。图9为按式(2a)计算的
投资回收年限时发电成本与负荷率的关系,其中热
形kWh,发电成本应该在0.45到O.4形kWh之
间。
价按30形GJ、冷价按90形GJ计算,最小负荷率
表2热电冷联供预定运行技术参数
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3结论
根据天然气热电冷系统运行的特点,建立了一
个考虑投资、燃料价格、供热和供冷效益的成本分析模型,模型反应了产热、产冷和发电的收益,计算出的发电成本变化能反应天然气热电冷系统的经济
、、一
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性。对影响GTCC、CCHP和BCHP经济性的投资、
天然气价格、机组效率和年负荷率等主要因素进行了分析和研究,得出以下结论:
图9投资回收年限对发电成本的影响
(1)对纯发电,当年负荷率超过30%时,发电机效率和天然气价格是影响发电成本的主要因素。因此,天然气要考虑电厂建在气田附近,选择发电效率
图10为投资回收年限按10a计算,当供热量和供冷量可变,发电效率不变,提高供热效率和供冷效率,虽然系统投资增加,但发电成本明显降低。所以对CCHP和BCHP要尽量选择发电效率高的机组和平均热利用率高的工艺流程。提高平均热利用率对降低发电运行成本有很大影响i提高热利用率的主要措施是机组容量要选择合理,对利用小时过小的尖峰负荷应采用燃气锅炉调峰。
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高的工艺,发电成本最低。对负荷率小于30%的调峰电厂,要综合考虑发电厂的投资与系统的发电效
率,选取综合发电成本低的发电工艺。
(2)对于热电冷联产,当年负荷率超过30%时,投资对运行的经济性影响不大,天然气价格、系统总热效率和发电效率是主要影响因素。因此,要选择总热效率高,且发电效率尽可能高的工艺,系统运行经济性好。
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(3)天然气热冷电负荷率越高,经济性越好,在系统容量设计时,选择合适的冷容量,做到既有较高的负荷率,又有规模经济效益。
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