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发布时间: 2020-06-10
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DOI: 10.3969/j.issn.2096-8299.2020.03.019
2020 | Volume 36 | Number 3




        




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内燃机分布式供能企业经济运行研究
expand article info 吴强, 袁言周, 范方
中国华电集团有限公司 上海分公司, 上海 200126

摘要

为有效评价分布式供能企业运行的经济性, 以内燃机分布式供能企业为研究对象, 在满足客户冷热需求的前提下, 建立了边际效益系数计算模型。通过计算不同运行模式下的边际效益系数, 可有效确定不同条件下内燃机分布式供能企业的经济运行模式。案例分析表明, 在实际运行中, 并非所有运行工况下选择内燃机-溴化锂机组联产供能的运行模式均为最好。当冷热负荷增加时, 应选择边际效益系数最大的生产模式增产; 当冷热负荷减小时, 应选择边际效益系数最小的生产模式减产。

关键词

内燃机; 分布式供能企业; 运行模式; 边际效益系数

Research on Economic Operation of Distributed Power Enterprise of Internal Combustion Engine
expand article info WU Qiang, YUAN Yanzhou, FAN Fang
China Huadian Corporation Ltd., Shanghai Branch, Shanghai 200126, China

Abstract

In order to effectively evaluate the economy of distributed power enterprises, this paper takes distributed power enterprises of internal combustion engine as the research object, and establishes the calculation model of marginal benefit coefficient under the premise of satisfying the cold and hot needs of customers.By calculating the marginal benefit coefficient under different operation modes, the economic operation mode of distributed power enterprises of internal combustion engine under different conditions can be effectively determined.The case study shows that in the actual operation, the operation mode of internal combustion engine-lithium bromide unit is not always the best choice in all operating conditions.When the heat and cold load increases, the production mode with the maximum marginal benefit coefficient should be selected first, and when the load reduces, the production mode with the minimum marginal benefit coefficient should be first selected.

Key words

internal combustion engine; distributed power enterprises; operation modes; marginal benefit coefficient

国家在《能源发展“十三五”规划》中明确指出, 要“提高天然气发电利用比重, 鼓励发展天然气分布式多联供项目”“加快建设天然气分布式能源项目和天然气调峰电站”。但是, 天然气分布式供能企业的实际经济运行状况并不理想, 与设计工况存在较大差异, 个别系统已经停产[1-3]。这与系统设计、配置和运行策略有很大关系。针对这些问题, 国内外学者从热力学、环境排放、经济性等方面进行了研究[4-11]。对于内燃机分布式供能企业的经营者而言, 提高分布式供能系统运行的经济性, 保证各发电供能设备始终在企业经济效益最大的条件下运行, 提升企业的市场竞争力, 是运营企业关注的重点。本文从经营的角度出发, 基于边际效益最大的经济运行评价方法, 结合用户需求的变化, 研究不同负荷下内燃机分布式供能系统的经济运行策略, 为生产人员合理调整运行模式提供参考依据。

1 内燃机分布式供能企业收益变化简化模型

内燃机分布式供能企业生产系统一般由内燃机-溴化锂机组、电制冷设备、燃气锅炉等供能设备组成, 具体如图 1所示。

图 1 内燃机分布式供能企业生产系统

其中, 内燃机-溴化锂机组为冷热电联产机组, 可在发电的同时向用户提供热能或冷能; 燃气锅炉和电制冷设备为分产供能设备, 前者仅向用户提供热能, 后者仅向用户提供冷能。用户一般同时需要供热和供冷, 且用能负荷随季节、早晚、天气等因素而发生变化; 供电则是在满足冷热需求的前提下, 以热/冷定电, 余电上网。

企业的经营效益不仅与用户需求相关, 而且随着地域差异、燃料价格、供能价格、上网电价等发生变化。在折旧费用、人员费用、财务费用不变的条件下, 其运行收益的变化取决于输入系统的燃料费用、卖给冷/热用户和电网的冷、热、电产品收益以及设备的检修维护费用, 因此在针对运行优化的简化分析模型中, 只需关注燃料的输入与冷、热、电产品的输出以及检修维护费用。

构建经济性分析模型的时间尺度选择以小时为测算周期, 主要考虑3个方面的因素:一是单位运行小时内的供能较为稳定, 波动性相对较小, 所收集数据的准确性相对较高; 二是数据统计方面, 以单位运行小时统计发电量和供能量等数据相对直接、且容易收集, 企业常用的月度、季度或年度的统计数据也可通过单位运行小时进行折算; 三是以单位运行小时为周期能够较灵活地进行不同工况的测算, 并可以实现不同设备、不同工况的供能负荷与用能需求的匹配, 对企业典型供能负荷的运行调配具有指导意义。

图 1可知, 内燃机分布式供能企业的基本生产模式可分为3种情况:一是内燃机-溴化锂机组, 消耗天然气GN, 同时产生电能PN, 热能QR-N或冷能QL-N; 二是电制冷设备, 消耗电能PL, 产生冷能QL-L; 三是燃气锅炉, 消耗天然气GG, 产生热能QR-G。每一种生产模式每小时供电、供冷或供热所增加的收益, 即边际效益可由以下计算公式得出。

$\begin{aligned} E_{\mathrm{N}}=& P_{\mathrm{N}} C_{\mathrm{P}}+Q_{\mathrm{R}-\mathrm{N}} C_{\mathrm{R}}+Q_{\mathrm{L}-\mathrm{N}} C_{\mathrm{L}}-\\ & G_{\mathrm{N}} C_{\mathrm{G}}-M_{\mathrm{N}} \end{aligned}$ (1)

$E_{\mathrm{L}}=Q_{\mathrm{L}-\mathrm{L}} C_{\mathrm{L}}-P_{\mathrm{L}} C_{\mathrm{P}}-M_{\mathrm{L}}$ (2)

$E_{\mathrm{G}}=Q_{\mathrm{R}-\mathrm{G}} C_{\mathrm{R}}-G_{\mathrm{G}} C_{\mathrm{G}}-M_{\mathrm{G}}$ (3)

式中:EN——内燃机-溴化锂机组边际效益, 元/h;

EL——电制冷设备边际效益, 元/h;

EG——燃气锅炉边际效益, 元/h;

CP——上网电价, 元/kWh;

CR——供热价格, 元/GJ;

CL——供冷价格, 元/GJ;

CG——标准状态下天然气价格, 元/m3;

MN, ML, MG——内燃机-溴化锂机组、电制冷设备和燃气锅炉的检修维护费用, 元/h。

内燃机分布式供能系统的生产成本为单位运行小时消耗的天然气成本或电能成本, 以及由设备运行带来的检修维护费用。燃料的化学能或电能经供能设备转化后, 以产品“供能热量(冷量)和上网电量”的形式输出, 而实际运行模式可以是多种生产模式的组合。内燃机分布式供能系统每小时供电、供冷或供热的边际效益计算公式为

$ \begin{array}{c} E=E_{\mathrm{N}}+E_{\mathrm{L}}+E_{\mathrm{G}}=\left(P_{\mathrm{N}}-P_{\mathrm{L}}\right) C_{\mathrm{P}}+ \\ Q_{\mathrm{R}-\mathrm{G}} C_{\mathrm{R}}+Q_{\mathrm{L}} C_{\mathrm{L}}-\left(G_{\mathrm{N}}+G_{\mathrm{G}}\right) C_{\mathrm{G}}- \\ M_{\mathrm{N}}-M_{\mathrm{L}}-M_{\mathrm{G}} \end{array} $ (4)

2 边际效益系数计算模型

边际收益是指增加单位产品的销售所增加的收益, 边际效益E是指边际收益与边际成本的比率。对于企业来讲, 边际效益相对边际成本越大, 企业增产带来的收益越大, 经济性越好。为此, 在满足用户用能需求的前提下, 本文将内燃机分布式供能企业单位运行小时内产生的边际效益E与供能量Q的比值定义为边际效益系数ε, 即

$ \varepsilon=\frac{E}{Q} $ (5)

式中:E——内燃机分布式供能企业单位小时的边际效益;

Q——内燃机分布式供能企业单位小时的供能量。

式(5)的物理意义为:内燃机分布式企业在满足用户用能需求的前提下, 当企业固定成本不变时, 随着供能的增加E的变化情况。采用不同的组合运行模式, ε亦不相同。显然, 内燃机分布式企业在运行时, 选择生产模式的ε越大, 企业增产效益越好, 盈利能力越强。因此, ε可以有效反映不同运行模式下内燃机分布式企业增产的边际效益E与供能量Q变化之间的关系, 可以作为衡量企业盈利能力的重要指标。

基于ε建立的模型可以从宏观角度分析内燃机分布式企业的成本与收益, 把研究对象集中到产品的输出和成本的消耗上。利用该模型可以得到企业在满足供能要求的前提下, 不同供能运行模式下单位运行小时产生的E, 通过对比可得出最优的运行模式。在供能负荷确定后, 也可以利用该模型分析经营条件(天然气价、冷热价、上网电价)发生变化时, 不同运行模式下单位运行小时E产生的变化, 其本质是通过调整运行模式, 使企业在单位时间内产生最大的边际效益。

3 案例及分析

以某度假区内燃机分布式供能企业为例进行分析。该企业装有5台4.4 MW内燃机-溴化锂机组、8台冷水机组(电制冷设备)和2台燃气锅炉。在当前的运营条件下, 企业运行采取以热(冷)定电、冷热电平衡的原则, 最大限度利用发电余热制冷制热, 保障度假区的用能需求。企业供能设备在不同工况下单位运行小时的指标参数如表 1所示。

表 1 不同工况下单位运行小时的指标参数

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供能设备季节工况供电量/
kWh
供热量/
GJ
供冷量/
GJ
用气量/
m3
设备维护成本/
(元·h-1)
内燃机-溴化锂机组夏季3 6261.611.3960480.48
冬季3 77611.0960480.48
春秋季(制冷)3 6262.012.0960480.48
春秋季(制热)3 77611.0960480.48
冷水机组夏季-1 467*23.30.15
冬季-7 92*11.20.15
春秋季-1 167*17.70.15
燃气锅炉夏季20.06130.15
冬季25.17660.15
春秋季21.76620.15
注:*—冷水机组靠电制冷, 消耗电能为内燃机发电, 故可看作供电为负值; 用气量采用的均为一个标准大气压下的气体体积。

根据表 1的运行参数, 采用本文介绍的边际效益计算方法, 计算企业不同供能设备在不同季节工况下单位运行小时边际效益和单位供能量边际效益。在计算内燃机-溴化锂机组时, 将发电收益折合为供能收益。单位为元/GJ。其中经营条件采用:上网电价0.659 9元/kWh, 供热价格143.57元/GJ, 供冷价格121.52元/GJ, 内燃机用天然气价格(标准状态下)3.05元/m3, 燃气锅炉用天然气价格(标准状态下)3.51元/m3。利用计算结果分析企业采用不同供能设备在不同季节的单位供能量边际效益。其计算结果如表 2所示。

表 2 不同工况下边际效益计算结果

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供能设备季节工况成本/
(元·h-1)
收入/
(元·h-1)
单位小时边际效益/
(元·h-1)
边际效益系数ε/
(元·GJ-1)
内燃机-溴化锂机组夏季3 110.543 996.00885.4678.36
冬季3 110.544 070.98960.4487.31
春秋季(制冷)3 110.544 138.491 027.9585.66
春秋季(制热)3 110.544 070.98960.4487.31
冷水机组夏季968.242 831.371 863.1379.96
冬季522.801 361.00838.2074.84
春秋季770.272 150.871 380.6078.00
燃气锅炉夏季2 151.222 871.45720.2336.01
冬季2 686.533 603.68917.1436.54
春秋季2 323.173 115.53792.3636.51

表 2可知, 基于当前的运营价格体系, 夏季制冷模式下冷水机组边际效益系数略优于内燃机-溴化锂机组边际效益系数, 春秋季制冷模式下内燃机-溴化锂机组边际效益系数优于冷水机组边际效益系数; 冬季制热模式下内燃机-溴化锂机组边际效益系数明显优于燃气锅炉边际效益系数, 春秋季同样差距较大。也就是说, 夏季供冷时冷水机组的边际贡献已优于内燃机-溴化锂机组, 若能通过网电制冷, 冷水机组的优势将更加明显。这与设计时冷水机组(电制冷设备)仅作为辅助供能的初衷已发生变化。这主要是因为采用冷水机组(电制冷设备)供能所需人力、材料、维护成本明显优于内燃机-溴化锂机组。

由此可知, 内燃机分布式供能企业在运行时可根据边际效益系数ε的变化确定企业的运行模式:当冷热负荷增加时, ε最大的生产模式先增产; 负荷减小时, ε最小的生产模式先减产。结合年度预测负荷曲线情况, 组织企业对设备运行策略进行进一步细化分解, 按照“耦合用能负荷最优化、设备运行效益最优化”的思路, 形成实际指导日常运行的年度设备调用策略执行方案。同时依据ε的计算结果, 可以采用在线监测数据实时对运行中的内燃机分布式企业冷、热、电负荷进行调整, 当调整到ε最大时, 对于企业运营者而言才是最佳运行状态。

4 结论

(1) 本文从企业经营者的角度出发, 回归到企业作为市场经济主体以盈利为目的的本质, 以边际效益最大为目标, 建立边际效益系数ε模型用以分析内燃机分布式供能企业的运行模式, 可以快速有效地确定不同条件下内燃机分布式供能企业的经济运行模式。

(2) 根据边际效益系数ε模型的计算分析可知, 当冷热负荷增加时, ε最大的生产模式应先增产; 当冷热负荷减小时, ε最小的生产模式应先减产。

(3) 针对某度假区内燃机分布式供能企业的边际效益系数ε模型的计算分析表明, 由于夏季制冷模式下冷水机组ε优于内燃机-溴化锂机组, 因此供冷负荷增加时应优先考虑增加水冷机供冷, 与设计时联产供能优先不同。

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