冷热电三联供供能系统的清洁发展机制项目分析

摘 要：为研究清洁发展机制(Clean Development Mechanism, CDM)在我国的应用,针对某大学校区建设燃气轮机三联供供能系统(Combined Cooling-Heating-Power system, CCHP)存在的政策、技术、资金障碍问题，进行CDM项目分析.结果表明，每年可实现CO2减排量为25 694.8 t，每年的收益折合人民币为1 522 416.90元，项目所承担的风险可以由CDM收益补偿，发达国家的先进技术能克服项目安装、运行、管理中的技术难题.

关键词：冷热电三联供供能系统；清洁发展机制；分布式能源

中图分类号：TK1；TK47；X382.1 文献标志码：A

Project analysis of CDM on application for CCHP

ZHANG Junying1，2，WUXiping2，SHEN Kai2，

ZHANGXuelai1， YU Qingqing3， RENJianping2

(1.Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China；

2.HV&AC Institute, Tongji Univ., Shanghai 201804, China；

3.Shanghai Southern Power Conservation Technology Co.,Ltd., Shanghai 201100, China)

Abstract： In order to study the application of Clean Development Mechanism (CDM) in China, a project analysis of CDM on the application for Combined Cooling-Heating-Power system (CCHP) in the district of an university is carried out with regard to the problems about policy, technology and finance. The results show that the annual CO2 emission reduction reaches 25 694.8 t, the generated annual income is 1 522 416.90 RMB, and the risk of the projects can be compensated by the CDM income. The problems such as project installation, running and management can be overcome through adopting the technology from the developed country.

Key words： combined cooling-heating-power system；clean development mechanism；distributed energy

0 引 言

据预测，上海某高校新校区夏季最大制冷负荷为35 392 kW，冬季最大采暖负荷为14 315 kW，电力负荷达2万多kW.^［1］学校供能系统主要为夏季制冷和冬季采暖提供能源.据统计，暑假里仍有不少学生和教职员工在校学习或工作，用电量较高.在上海市夏季用电告急的情况下，新校区如果采取传统的电空调制冷方式，会进一步增加上海电网负担，供能成本也会提高.随着西气东输工程的完工和东海气田的天然气开始向上海供气，上海天然气的供给量充裕，且电力负荷在夏季由于空调负荷的增加而呈现明显的高峰,燃气负荷却正处于用气低谷时期.为缓解季节电力供需矛盾、优化能源结构、提高能源总体效率，可以对该新校区能源使用进行合理、有效规划，建设燃气轮机冷热电三联供供能系统(Combined Cooling-Heating-Power system, CCHP).

但目前国内仅广州大学城采用CCHP，其应用发展缓慢^［2］，存在许多障碍要克服.因此，需要制定合理的政策与机制，合理调整各种能源价格，创造有利于天然气使用发展的外部大环境.同时，降低设备利用成本，提高全系统的能源利用率.此外，就是实施清洁发展机制(Clean Development Mechanism, CDM).^［3］

1 新校区CCHP及其负荷匹配

该校能源布局拟采用以热定电的基于燃气轮机机组的CCHP.燃气轮机机组发电，余热锅炉产出的蒸汽供蒸汽溴化锂制冷机产出冷冻水或板式换热器产出热水，送至各建筑物单体进行制冷或采暖.燃气轮机、余热锅炉、蒸汽溴化锂制冷机和板式换热器均设置在能源中心.

该中心供应校区采用集中空调的7个建筑单体的冷热负荷、校区卫生热水负荷、食堂蒸汽负荷及部分电负荷，其中夏季制冷平均负荷为11 280 kW，依照制冷期4个月2 880 h计算，为1.17×1011 kJ，折算成0.8 MPa饱和蒸汽，为37 500 t；冬季采暖平均负荷为4 627 kW，以采暖期3个月2 160 h计算，为3.6×1010 kJ，折算成0.8 MPa饱和蒸汽为15 000 t；校区卫生和生活热水负荷全年约为13 000 t；食堂用蒸汽负荷全年约为6 500 t，合计全年蒸汽需求量约为72 000 t，若按照燃气轮机机组年利用4 000 h计，设计热负荷为18 t/h，最大热负荷32 t/h.

从机组运行安全和成本考虑，采用燃气轮机＋余热锅炉＋蒸汽制冷机的配置方式，即采用2套单机功率为3 510 kW的Centaur-40燃气轮机，每机配置1台余热锅炉，产汽量为9～15 t/h.选用4台以0.8 MPa蒸汽为热源的双效蒸汽溴化锂吸收式制冷机组，每台冷负荷为6 135 kW，作为冷源提供夏季空调所需负荷；冬季采用0.4 MPa的蒸汽，使用2台热负荷为4 372 kW的板式热交换器供空调用热水.

2 CDM的引入

CDM指发达国家通过提供资金（从发展中国家购买CO2的减排量）和技术的方式，与发展中国家开展项目级的合作，通过项目所实现的温室气体“经核证的温室气体减排量”(CER)，由发达国家缔约方用于完成其在《京都议定书》的承诺.为确保CDM项目的环境效益和带来长期的、实际可测量的和额外的减排量，需要建立1套有效的、透明的和可操作的CDM方法学.该方法学主要包括：建立基准线的方法学、确定项目边界和泄漏估算的方法学以及减排量和减排成本效益计算的方法学.

2.1 方法学适用

该校能源中心设计的以热定电的CCHP提供电力、热量及冷量满足设计冷量与热量的需求，并能向校区其他用电负荷供电，使校区少向电网购电.由于采用CCHP后燃料利用效率显著提高，燃烧天然气的发电电量抵消原由华东电网提供的电量，同时减少电力在运输和分配中的损耗，因此，该项目能减排大量温室气体，是应用CDM的基础.该方案分析采用经批准的基准线及监测方法学AM0014的02版，属于能源行业（可再生/不可再生）.

2.2 基准线确定

天然气热电冷联产系统的温室气体减排主要来自以下几个方面：（1）用低碳富氢的天然气发电代替燃煤锅炉；（2）较之传统的用能方式，能源利用效率显著提高；（3）制冷系统采用溴化锂吸收式制冷取代部分压缩式制冷，减少电力消耗，也避免氟化物制冷物质向自然界的散逸.^［4］对于满足新校区冷热负荷需求，除上述提到的方案，CDM替代方案还有：风冷热泵+燃气锅炉；冰蓄冷+燃气锅炉等.后者对电力依赖大，且初投资也远高于对比案，运行管理也复杂；前者往往难以同时匹配冷热负荷，且外界环境对机组效率影响很大，易造成运行时的冷量或热量的浪费或不足，另外机组选型过大不仅投资浪费且增加运行成本.所以恰当并且保守的基准线情景为：电制冷冷水机组+燃气锅炉热水采暖.该方案的初投资低，技术与项目的实施和运行管理成熟；方案的边界为电网电力来源与天然气管网供应，电网电力来源包含产生电力的动力来源为火电及水电等.CDM项目会取代那些从电网获得的那部分电力的当量温室气体排放.

2.3 项目边界

该项目采用以热定电的CCHP，输入来自管网的天然气，输出为校区负荷所需的冷、热、电.项目的边界严格为此CCHP.项目排放完全取决于天然气输入，而减排量可由联供系统发出的电、产生的热量、冷量决定.

2.4 额外性

所谓额外性，指如果不能获得来自发达国家的纯粹用于温室气体减排目的的额外资金，该项目不会自然发生，带来的温室气体减排效应也不会实现.

2.4.1 上海在发展CCHP中普遍存在的问题^［5］

2.4.1.1 目标和规划方面

根据国外的经验,发展CCHP机组是1项系统工程,靠单个企业或部门的局部行为难以实施，必须制定地区发展热电冷三联供机组的目标和系统规划.但上海至今没有1个明确的推广CCHP机组的战略目标以及具体的规划性意见，各项目实施单位处于“散兵游勇”式的自发探索状态，缺乏具体目标和规划指导.

2.4.1.2 技术措施方面

(1)缺乏前期论证的评价体系.从上海试点单位的实施情况分析，目前尚缺乏1套发展CCHP机组的评估体系和标准,造成某些项目出现热电负荷计算失误，投资效益低下；在消防、电力及燃气等配套设施的设计中,屡屡发生技术、管理的矛盾,延误项目进度.

(2)系统设计技术不完善.目前尚缺乏系统设计的技术依据,如现场适用性、热电负荷计算以及在环保和消防等方面的设计规范和标准等.

2.4.1.3 政策和管理方面

(1)项目审核的系统规范问题.由于CCHP机组的实施依赖燃气供应、电网连接及备用电保障和消防安全等内容，缺乏明晰的系统标准.各部门通常“一事一议”，存在一定的随意性.

(2)电力上网和并网的审核规范.凡是成功的CCHP机组项目,都允许其机组上网、并网，实现系统内能源的供需平衡，但目前上海对上网和并网技术的审核缺乏明确规范.

(3)缺乏收费的规范性.在建设CCHP机组中，存在众多的不合理收费现象，如管线接入费、减压装置费、电力接入费、备用电容量费和电量费等，缺乏规范的标准和透明度，不利于推进燃气CCHP技术的应用和发展.

2.4.2 运行成本和初投资^［1］

对方案进行投资估算和运行成本测算.本案为：建设规模为2套单机容量为3.51 MV燃气轮机＋余热锅炉＋蒸汽溴化锂制冷的CCHP方案；比较方案为：电制冷的冷水机组＋热水采暖方案.2个方案的投资费用比较见表1.

表1 投资费用万元项 目本案比较方案工程投资费用12 399.55 626.035 kV变电站费用2 551.22 551.2注：对于本案的35 kV变电站费用，考虑维修停运时的电力需求容量.

在成本测算中，天然气含税价格按1.90元/m3计，高峰电价按0.799元/(kW·h)计，低谷电价按0.363元/(kW·h)计，水费按2元/t计，本案定员按16人计，比较方案按6人计，机组利用小时本案按4 000 h计，比较方案按3 000 h计，折旧年限按15 a计.年运行费用比较见表2.

表2 年运行费用万元项目本案比较方案燃料费（天然气）1 889.36534.66电费-1 473.871 244.30水费172.80122.40工资福利70.5626.46运行维护费359.33167.20折旧费758.59423.56总计1 776.772 518.58

比较方案中用电为纯消耗，而本案中电费为负值，是将能源中心耗电减去燃机发电得到的收益.本案初投资高达12 399.5万元（已扣除政府补贴），比比较方案多投资6 773.5万元，通过运行费用的节省需长达9.13 a才能回收，如此之大的投资往往使人望而却步.

2.4.3 其他问题

(1)天然气供应.本工程天然气供应管网接入校区的路径、天然气供应压力等尚待以后深入研究和论证.另外，东海的天然气价格尚未确定，现天然气价格暂按1.90元/m3（含税）计，实际价格还需物价管理部门最终确定.

(2)本案配置2台发电容量为3 510 kW的燃气机组，机组容量选型时考虑不向电网倒送电.因此，要进一步核实新校区的电负荷预测，以确保大于机组配置容量.

如上所述，天然气三联供项目投资大、天然气价格高、投资回收期长、开发商和用户的资金组织存在风险；在我国天然气热电冷联产是1种先进的、推广中的能源利用模式，缺乏一定的运行管理经验；项目的执行伴随新技术和新设备的采用与安装，技术额外性也显而易见；虽然有政策鼓励，但缺乏具体目标、规划指导和明晰标准；根据上海市人民政府办公厅沪府办(2004)52号文件：在2004—2007年内，对纳入本市燃气空调和分布式供能系统推进计划的燃气空调和单机规模1万kW及以下的分布式供能系统项目，由市政府给予一定的设备投资补贴，标准为：分布式供能系统按700元／kW装机容量补贴.但对于该项目，相对于12 890.9万元的总投资，政府仅补贴491.4万元,占总投资3.8%，可谓杯水车薪.

3 减排量计算^［6］

3.1 项目排放

按天然气热值39.8 TJ/m3（低热值估计）预计，新校区年耗天然气9 944 000 m3，折合热值395 771.2 GJ/a.^［1］项目的排放来自于：联供系统中天然气燃烧的排放QECS，tCO2/a；天然气燃烧中甲烷的排放QEMC，tCH4/a；天然气燃烧过程中N2O的排放QEN2OC，tN2O/a；天然气生产运输分配中难测的泄漏排放QEf，tCH4/a.

联供系统中天然气燃烧的排放QECS=VANG·CENG103(1)式中：CENG为天然气排放系数，kgCO2/GJ，CENG取58.5^［4］；VANG为年耗天然气热值，GJ/a，VANG=395 771.2；计算得QECS=23 152.6.

天然气燃烧中甲烷的排放QEMC=VANG·CMEF106(2)式中：CMEF为甲烷的排放系数，kgCH4/TJ，CMEF取1.4^［4］；得QEMC=0.554.等值于CO2排放QEeCH4C=QEMC·EGWPCH4(3)式中：EGWPCH4为甲烷的全球增温潜能，EGWPCH4=21；计算得QEeCH4C=11.63.

天然气燃烧过程中N2O的排放QEN2OC=VANG·CNEF106(4)式中：CNEF为N2O排放系数，kgN2O/TJ，CNEF取2.3（IPCC 1996^［7］）；得QEN2OC=0.991.等值于CO2排放QEeN2OC=QEN2OC·EGWPN2O(5)式中：EGWPN2O为N2O的全球增温潜能，EGWPN2O=310；计算得QEeN2OC=282.2.

天然气生产运输分配中难测的泄漏排放QEf=VANG·CMLR103(6)式中：CMLR为甲烷的泄漏率，kgCH4/GJ，CMLR取0.3；甲烷在生产过程中泄漏率为39 590～96 000 kgCH4/PJ^［7］，取平均值0.07 kgCH4/GJ；而甲烷在管路运输管网分配中的泄漏为116 000～340 000 kg/PJ，取平均值0.23 kgCH4/GJ.

CMLR=0.07+0.23=0.3，得QEf=0.12.等值于CO2排放QEefu=QEfEGWPCH4计算得，QEefu=2 493.

总排放量QEtotal=QECS+QEeCH4C+QEeN2OC+QEefu(7)代入上述量，计算得QEtotal=25 939.4.

3.2 基准线排放量

基准线情景天然气消耗主要用于燃气锅炉供热，年耗气量为2 814 000 m3，折合热值QBNG=111 997.2 GJ/a^［2］.基准线排放包括：基准线情景天然气燃烧CO2排放QBEth，tCO2/a；基准线情景天然气燃烧中甲烷排放QBEMC，等值CO2排放QBEeM，tCO2/a；基准线情景天然气燃烧中N2O排放QBEN2OC，等值CO2排放QBEeN2O，tCO2/a；基准线情景天然气生产运输分配中难测的泄漏排放QBEfu，等值CO2排放QBEefu，tCO2/a；基准线电力排放QBEelec，tCO2/a；基准线R22泄漏排放QBER22，等值CO2排放QBEeR22，tCO2/a.

上述中，QBEth=6 551.8；QBEeM=3.29；QBEeN2O=79.8；QBEefu=705.6.

（1）基准线电力排放^［8］QBEelec=QNE·CEFy(8)式中：QNE为基准线电力总量，MW·h，包括天然气发电的净供电量与制冷设备消耗电量之和，并考虑8%的电力线损QNE=（QEGEN+QECOM）×1.08(9)其中：QEGEN为联供机组年净供电量，取值为24 162 MW·h^［1］；QECOM为制冷机组年消耗的电量，取值为20 398 MW·h^［1］；计算得QNE=48 125.

CEFy为电力排放因子，tCO2/(MW·h)，CEFy=WOM·EFOM，y+WBM·EFBM,y(10)根据中国DNA数据^［9］，华东电网WOM=0.75，EFOM,y=0.941 1；WBM=0.25，EFBM,y=0.786 9；得CEFy=0.902 55.计算得QBEelec=43 435.2.

(2) R22泄漏排放量QBER22=QFV·CER(11)式中：CER为R22泄漏率，CER取5%；QFV为R22的系统充注量，t.其中QFV=3.6Q106×4.18QFV0(12)式中：QFV0为单位充注量，即每产生106 kcal/h冷量的R22系统充注约为474.6 kg；Q为制冷系统的尖峰供冷负荷，24 730 kW，计算得QFV=10.1.由此得，QBER22=0.505 tR22/a，等值于CO2排放QBEeR22为858.5 tCO2/a.

（3）总排放量

QBEtotal=QBEth+QBEeMC+QBEeN2OC+

QBEefu+QBEelec+QBEeR22(13)

代入上述量计算得，QBEtotal=51 634.2 tCO2/a.

3.3 减排量QER=QBEtotal-QEtotal(14)计算得QER=25 694.8 tCO2/a.

4 引入CDM对可行性分析的影响

根据国家发展改革委员会的建议，CO2减排交易不得低于7.5美元/t.这样，该三联供项目每年的减排量为25 694.8 t，每年的收益折合人民币为1 522 416.9元.以10年的碳信用期为基准，CO2减排收益为1 522.4万元，这样该项目的静态投资回收期缩短为7.6 a.项目业主在推进三联供项目过程中相比现行通用的商业运行技术所遭遇到的技术风险，可以通过CDM项目所增加的回报来得到补偿，CDM项目的排放收益增加项目的收益，也能帮助业主克服项目初投资较大的障碍.三联供在国内尚处于发展阶段，但在发达国家已占有显著地位.由于CDM机制的引入，发展中国家能无偿引进发达国家的先进技术，克服项目安装运行管理中的技术难题.

参考文献：

［1］章学来, 张君瑛. CCHP系统在上海海事大学新校区推行的可行性分析［C］// 能源技术: 长三角清洁能源论坛专辑. 2005, 26(S): 221-236.

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［9］国家发改委气候办.关于确定中国电网基准线排放因子的公告［EB/OL］.(2006-10-11)［2006-12-15］. http://cdm.ccchina.gov.cn/web/index.asp.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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