某数据中心三联供项目的技术经济分析.docx
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某数据中心三联供项目的技术经济分析
某数据中心三联供项目的技术经济分析
摘要
随着改善城市环境的压力日益增加和加速清洁天然气能源开发的能源战略的实施，燃气冷热电三联供在中国的快速发展已经提到议事日程。
而且推动三联供发展的支持政策也日益完善，这将使三联供步入快速发展的阶段。
面对紧张的世界能源形势及日益优化调整的能源结构，提高清洁能源使用率势在必行。
因此，冷热电三联供系统由于可同时为用户提供冷、热、电等多种形式的能量，通过对能源的梯级利用，利用余热，具有一次能源利用效率高、减少污染气体排放、能源供应安全可靠、技术成熟、经济上有竞争力等特点，已在世界范围内已经得到了广泛的关注与应用。
随着中国能源产业的发展，天然气分布式能源系统必将被广泛应用，由于能量输出形式多样，因此燃气冷热电三联供系统是一个复杂的供能系统。
冷热电联供系统的运行策略决定了系统的经济性，运行策略的选择必然直接影响系统运行的经济性，从而又会影响对系统配置方案的评价。
结合某数据中心燃气冷热电三联供项目实际运营情况，参考《北京市供热采暖管理办法》和《火力发电厂运行管理标准》研究分析适用于燃气分布式能源站的运行管理方法，旨在提出燃气分布式能源站运营管理、电力性能、节能减排量以及系统最佳运营策略，指导项目更加稳定、安全运营。
根据项目实际运行情况，采集项目运营累计采集制冷季和采暖季的数据，为分析研究项目运营管理及提出最佳运营策略提供数据支撑。
建立一套适合于三联供项目的运行管理评价指标，既可以提高项目运行的经济性和节能性，又可预防系统运行过程发生事故，保证系统的安全和高效稳定运行，达到“安全、经济、高效、可靠”的运行目标。
研究项目的电能质量有效的评价方法和指标，以指导项目设计和运营。
得到合理科学地计算项目的节能减排量的方法。
通过从电能质量、设备运行特性、节能减排量以及运营管理水平等多角度进行的典型案例分析，对新建燃气冷热电三联供项目的运营过程有一个全面掌握，为今后推广和运营三联供项目提供技术支持和参考。
目录
1.绪论
1.1课题研究背景
燃气冷热电三联供，其英文全称为：
CombinedCoolingHeatingandPower，以下简称CCHP。
这是一种全新的能源供应模式，在全球各国得到了广泛关注。
该系统实施的目标就是要提升一次能源的利用效率，也就是说，将天然气在终端用户实现全过程的能源科学应用，进而践行“温度合适、各得其所以及阶梯利用、分配科学”的科学应用能源的思想，最大限度的提升能源的利用效率。
因此该系统不仅能产生更大的经济效益，同时还能够产生良好的环保效果。
CCHP系统节能功能强大，可以有效的提升环保效果，在发达国家的公共建筑、企事业单位、大众建筑群等领域得到广泛应用，而在我国，正处于发展的初级阶段。
为了有效提升能源利用效率，推进用能结构的调整，提升节能降耗水平，发展CCHP系统极为必要。
为此，国家相关部门在2011年10月，就正式颁布了《关于发展天然气分布式能源的指导意见》（发改能源[2011]2196号）。
在此纲领性意见中，明确了：
提升能源的综合利用效率，已经成为能源结构调整的重要目标，实现这个目标，就需要在能耗中心区大力推动区域和楼宇分布式能源系统的建设，比如工业园区、生态园区和商业区以及旅游集中区等。
国家电网同样给出了《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》，并在此意见稿中提出：
所谓分布式能源，就是在用户附近区域，将所发的电能直接利用，并将10千伏级及其以下的电压等级直接并入电网，而且并网的装机总量不能超过6兆瓦。
由此可见，无论是政府部门，还是能源企业，都已经在积极推动分布式能源系统的建设，而且还给予相应的指导意见，这些都为分布式能源系统的应用打下了良好的政策基础。
CCHP，这是一种提升天然气利用效率的创新的能源供应模式，该模式极大的提升了天然气资源的利用效率。
当前，北京主要是直接利用该资源来进行供冷或者供热。
而随着这种CCHP系统的引入，必然会提升首都的节能降耗水平，同时还能够提升经济效益，另外还能够在电力和天然气使用高峰期产生良好的削峰效应。
然而,CCHP在北京的推广中遇到不少障碍，目前在北京市实际运营项目较少，且连续运营的项目少之又少。
大多数研究与分析针对燃气冷热电三联供方案与设计展开，对于项目实际运行数据的分析及研究较少。
另外，由于我国相关部门尚未发布燃气分布式能源站的可研报告技术要求与内容深度，未发布燃气分布式能源站运营指导手册，未统一制定燃气分布式能源站的节能规范等，燃气分布式能源系统即不属于热力行业也不属于发电行业，造成社会对燃气分布式能源的讨论和意见分歧，不利于促进燃气分布式能源发展。
以某数据中心燃气冷热电三联供项目为研究对象，重点针对燃气三联供系统迫切急需解决的项目运营评价问题、电力并网问题、节能减排问题等开展研究，从项目实际运营出发多层次、多角度地分析项目运营问题。
为此，本课题研究重点针对多系统、多设备的三联供项目开展运营评价指标分析与研究，将围绕项目数据采集、运营评价指标、电能质量专题、节能减排专题以及优化运营策略等方面深入研究，分析项目运营特性及状态，总结项目运营经验，指出分布式能源运营特点，为集团公司今后推广和运营三联供项目提供支持和参考。
1.2国内外研究现状
1.2.1联供系统优化模型的研究现状
当前，无论是国内，还是国外，有关CCHP的能量管理研究内容相对丰富，涉及到的研究方法主要有热力学和模型优化两种方。
对于后者，主要是在目前模型的基础上进一步引入线性或者混合整数线性规划来加以模型的优化研究。
Maifredi等学者表示，应用线性最优化模型来管理CCHP系统具有可行性，该模型可以集中应用在能源管理领域，不过需要做好设备效率的设置工作，该效率通常为定值。
Lee在优化CCHP系统时，则给出了能量流概念，他认为，对系统的优化，实际上就是对能量流的优化。
该学者在研究过程中，选择的对象为基于燃气轮机的CCHP系统，对能量进行管理的研究，应用了模糊算法。
Benonysson在优化模型研究中，则利用了混合整数线性模型，在优化模型时，是以能量运行的成本最低为优化切入点，并由此分析了影响系统热管理经济要素的相关因子的灵敏度。
在国内，江亿等学者则对结合蓄能装置的CCHP系统开展了热管理研究，同时还给出了该系统优化的数学模型，以及动态规划算法。
张万坤在研究中，针对余热吸收制冷机以及燃气轮机对应的CCHP系统的数学模型展开研究，并以具体的建筑物负荷需求变化为前提，分析了这种系统在此场合之下所能实现的最优能量管理。
任禾盛研究的CCHP系统，其动力之源为微型燃气轮机，在对其进行热力优化研究时，应用了二次规划数学法。
王江江则使用了遗传算法，分析了CCHP系统的最佳的容量配置和运行模式，同时还对其优化结果的可靠性进行了分析，另外还研究了系统性能对能源价格的影响，并将其和普通的CCHP系统进行了对比分析。
孔祥强等学者研究的CCHP系统，主要是吸附制冷剂以及燃气内燃气为核心的系统，研究该系统以最低成本满足冷热电的需求，并以此作为优化的目标和构建了相应的最优化模型。
另外，还紧密的结合应用场景负荷需求，进行了相应的计算，给出了具体的优化策略。
研究结果显示，联供系统的热经济性相对较佳，而该系统的最优运行和能源价格有着一定的联系，如果天然气价格维持稳定，电价和经济效益产生正相关关系。
荆有印等学者，则以传统分供系统，以及生命周期分析法，构建了环境、经济效益等诸多目标的优化模型，同时还对系统设备的运行策略，进行了优化研究。
胡燕飞所研究的CCHP系统，是以燃气内燃机为核心的系统，而研究的内容就是该系统的运行策略。
此系统的内核除了内燃机之外，还有电制冷机和燃气锅炉等。
根据天然气和电能的价格信息，在满足用户冷热电需求之下，对该系统的运行模型进行了优化，并结合最低的运行费用目标函数，总结了相应的运行策略。
江丽霞等学者则对比分析了CCHP和传统的分供系统，结果显示，相对于传统分供系统而言，CCHP可以节约能耗达到42.0%。
通过对比两种三联供系统方案，总结了冷热电联供系统中的能量转换规律，同时也构成了这种系统评价原则。
蒋润花等学者则基于以固定燃气轮机构建的CCHP系统为研究对象，给出了分析模型，对系统的冷电比进行了明确。
当相关系数保持不变时，燃气轮机总装机量并不会影响系统的冷电比，如果该轮机的发电效率越大，那么对应的联供系统的性能就越佳。
从实际用户的负荷角度来看，冷热电联供系统的运行方式分别是以电确冷和以冷确电，如果采用前者方式，那么带有电压缩式制冷的联供系统，其性能要比带有补燃机系统的性能更高。
此外，该学者还引入了一个最佳冷电比概念，上述两种运行模式对应的冷电比分别和最佳冷电比进行对比分析，根据差值，可以选择相应的运行方式。
刘凤强则利用热力学分析法，对楼宇CCHP系统进行了相应的研究，在研究过程中，对换热器的换热面积、经济性等层面进行了考量，同时还结合系统自身的工况属性，对能量的调配给出了相应的建议。
蒋毅则将会计模式热经济理论引入进来，结合了系统工程学、经济学以及最优化学，对联供系统中冷热电流以及现金流进行优化。
1.2.2评价和分析方法的研究
吕静等学者对CCHP系统有关的经济性指标进行了研究，这些指标主要包括了系统效率、发电效率以及燃料耗用量等。
经过对比分析，认为系统、经济这两个效率和燃料耗用量是重要的衡量指标。
贾明生等学者主要研究的对象就是该联供系统的评价模型，并以发电耗用、当量热力系数以及能源消耗率等指标作为模型因子。
他们在研究过程中总结了不同的评价模型都有自身的缺点，结合具体的项目，将发电效率、煤炭耗用以及能源消耗率这三个指标用来评价模型，得出的结果相对全面。
皇甫艺等学者则结合了工程诸多的属性，构建了综合性的评价方法，并将其命名为：
混合灰色关联多层次综合评价法。
在分析该方法之前，对之前的相关的评价法进行了综合分析，并由此完善了该CCHP系统的综合评价模型。
王志伟等学者则对基于微型燃气轮机的CCHP系统的诸多评价指标进行了对比分析，然后给出了一种综合性评价方法对该系统的经济性进行评价，其中涉及到的指标有一次能源利用率以及输入的能级等。
通过输入功能系统的能量能级和对应的用能能级差值，或者分析其相对差值，然后将其列为重要的利用质量标准。
如果这个差值越大，那么利用效果就越不佳，相反利用效果越好。
这种评价模式可以很好的评价用能的整体质量。
金红光等学者在研究中总结了冷热电联产系统的评价准则，该准则对以燃气轮机热循环为核心的CCHP系统展开了热力学分析，并对几种常用的评价准则进行了对比，总结了能量利用系数和电、冷、热具有等同效应。
该CCHP系统可以满足用户的冷热电需求，如果统一成发电效率，并不能很好的映射冷、热系统的功能，所以，这些指标并不能很好的评估CCHP系统性能。
节能率，能够衡量出燃料的使用情况，同时也能够展现出具体的系统性能，该指标在评价三联供系统方面具有一定的科学性。
苏磊等学者在进行天然气冷热电联产方案对比研究中，综合分析了不同方案下的系统设备配置情况，第一种，结合用户具体的冷热需求，以及设备应用最低水平，明确相应的电量。
第二，让设备满载运行，其他的余热应用在冷热和生活用水领域。
然后有次进一步衍生出诸多的联产方案，并从技术性和经济性两个层面分析了诸多的方案，总结了这些方案的优劣效果。
分析其技术性能，可以得到不同设备配置下的性能指标差异，通过对比不同方案的产能率和一次能源利用率等指标，可以获得不同技术性能的差异。
由此可见，评价和分析CCHP系统的方法相对较多，对应的评价指标也有着适用的范围，其中的一些指标不乏具有矛盾性。
不同的专家学者，所研究的指标和分析方法往往存有差异，所以制定具有统一性，普适性的评价分析系统，就显得极为重要，这也是今后的重要研究方向。
1.3研究目的与研究内容
结合某数据中心燃气冷热电三联供项目实际运营情况，参考《北京市供热采暖管理办法》和《火力发电厂运行管理标准》研究分析适用于燃气分布式能源站的运行管理方法，旨在提出燃气分布式能源站运营管理、电力性能、节能减排量以及系统最佳运营策略，指导项目更加稳定、安全运营，对项目部提升项目运营人员能力，指导项目部运营人员开展节能运营具有重大意义。
本文重点分析运营管理中评价指标，综合解决燃气分布式能源项目各运营参数之间的关系，简化项目运营管理参考标准，为培训项目部运营人员提供指导。
为此，本文将从以下几个方面开展研究工作：
第一，简述某数据中心燃气冷热电三联供项目概况，确保研究工作符合实际项目情况，为研究工作打下良好基础。
第二，建立一套适合于燃气冷热电三联供项目的运行管理评价指标，既可以提高项目运行的经济性和节能性，又可预防三联供系统运行过程发生事故，保证系统的安全和高效稳定运行，达到“安全、经济、高效、可靠”的运行目标。
第三，研究三联供项目的电能质量有效的评价方法和指标，以指导项目设计和运营，为今后开展项目并网提高支撑。
第四，结合某数据中心燃气冷热电三联供项目实际运营数据，分析优化项目设计及运营模式，通过建立项目运营模型，优化项目运营策略，提出项目最佳运行方式，降低项目运营能耗，提高项目运营经济性。
2、燃气冷热电三联供项目评价指标
2.1指标分类
从指标的功能来看，主要可以分为描述性指标与分析性指标两大类。
描述性指标（也称为结果性指标）指具体反映某种现象的综合性指标。
通常情况下，这类指标是可以计量的，只说明结果，不能说明产生这些结果的原因。
典型的描述性指标有项目总成本、总收益、总供冷量、总供热量、单位供冷成本等等。
分析性指标（通常也称为过程性指标）进一步反映或导向项目运行问题的症结，指明解决问题、优化运行的思路与方向。
典型的分析性指标有发电效率、系统制冷效率、水泵效率等等。
从指标反映问题的方面来说，主要有质量类、经济类、能源类以及效率类四大类。
质量类指标是一系列反映项目产品供应质量的参数，包括供电、供冷、供热效果等指标。
经济类指标主要是从经济的角度反应项目运营的好坏，囊括了成本、收益、投资回收、部分财务控制目标等方面的内容。
包括项目总成本、项目总收益、项目总利润、项目单位供冷量利润等指标。
能源类指标主要是从资源能源的角度反应项目运行状况，从需求侧与供应侧的结果出发评价项目的运行好坏，涵盖了气、电、冷、热、水等资源能源的生产、消耗、损失等的各个方面的内容，既有总体耗量，又有单位指标。
包括项目总发电量、总耗电量、总耗气量、单位面积耗冷量等指标。
效率类指标是从具体的系统设备运行效率的角度反映项目运行情况，是对供应侧状况的直观反应，包括总系统效率、单个系统效率、具体设备效率等。
从所属能源系统而言，可以将指标体系归纳为发电系统类、供冷系统类、供热系统类以及生活热水系统类四大类。
2.2指标体系搭建
依照前述指标分类，可将三联供系统能耗与运行的指标体系按指标所属系统与指标反映问题的属性构建下述矩阵框架。
表2-1指标体系框架矩阵
经济类
能源类
效率类
质量类
发电
成本、收益、利润
水、电、气
发电效率、余热利用率
电压、电流、相位
供冷
水、电、气、冷
系统效率、冷机效率、吸收机效率、水泵效率、冷却塔效率
温度、流量、压力
供热
水、电、气、热
系统效率、锅炉效率、吸收机效率、水泵效率
热水
其中经济、能源与效率类指标有着内在的联系如图2-1所示，在一定供能需求条件下，效率决定了能源消耗总量，进而决定了项目的经济指标。
图2-1指标间关系示意图
2.3评价指标内容
逐类列举阐述指标，详细说明各指标的物理意义、计算表达式、作用、影响因素及关注点说明。
其中总量指标是对具体项目的成本、收益、耗能等的总量统计，适用于具体项目的纵向比较分析；质量类、效率类指标具有一定的通用性，可用于项目间的横向比较分析。
2.3.1经济类指标
经济类指标主要是从经济的角度反应项目运营的好坏，囊括了成本、收益、投资回收、部分财务控制目标等方面的指标与内容。
（1）成本系列指标
成本系列指标主要包括项目年度总成本、项目年度总购电成本、项目年度总购气成本、项目年度总耗水成本、项目年度维护保养成本、项目年度人力成本、项目年度设备折旧成本、项目年度资金成本、项目年度税金、项目年度其他总成本等。
项目年度总成本是对项目所有发生的成本的统计，包括能源成本、人力成本、设备维护、投资折旧、资金利息、税收等，用于对项目总体成本的宏观把握，指标按年度统计，其统计表达式如下：
Ctot
——
项目年度总成本，元；
Ce_totbuy
——
项目年度总购电成本，元；
Cg_tot
——
项目年度总耗气成本，元；
Cw_tot
——
项目年度总耗水成本，元；
Cm_tot
——
项目年度总维护保养成本，元；
Chu_tot
——
项目年度人力成本，元；
Cd_tot
——
项目年度设备折旧成本，元；
Cf_tot
——
项目年度资金成本，元；
Ct_tot
——
项目年度总税金，元；
Co_tot
——
项目年度其他总成本，元；
主要影响因素及关注点说明：
项目折旧摊销、资金成本、税金成本等在项目进入运营阶段后相对稳定。
水电气等能源成本，人力、维护保养等管理成本是项目运营重点关注及优化的重点，其水电气等能源成本是项目运营阶段关注的核心。
项目年度总购电成本仅统计用以维持项目正常供冷、供热、供电的市电购买成本，由于发电补充了一部分用电，因此市电购买量通常小于总耗电量：
Pe尖峰
——
项目尖峰时段电价，元/kWh；
Pe高峰
——
项目高峰时段电价，元/kWh；
Pe平峰
——
项目平峰时段电价，元/kWh；
Pe低谷
——
项目低谷时段电价，元/kWh；
Qe_totbuy尖峰
——
项目尖峰时段购电量，kWh；
Qe_totbuy高峰
——
项目高峰时段购电量，kWh；
Qe_totbuy平峰
——
项目平峰时段购电量，kWh；
Qe_totbuy低谷
——
项目低谷时段购电量，kWh；
主要影响因素及关注点说明：
减少项目年度总购电成本的方向有两个，一个是减少总用电量，另一个是在可能的情况下尽可能减少峰段用电量。
项目年度总购气成本仅统计用以维持项目正常供冷、供热、供电的燃气购买成本，主要包括内燃机、吸收机、以及燃气锅炉的燃气消耗成本：
Pg
——
项目燃气购买单价，元/m3；
Vg_tot
——
项目年购买（消耗）燃气量，m3；
主要影响因素及关注点说明：
近些年，燃气的价格持续上涨，在对燃气价格上涨预判明确的情况下，综合权衡气价的上涨与资金成本，可以考虑提前购买，降低总的燃气使用成本。
项目年度总耗水成本仅统计用以维持项目正常供冷、供热、供生活热水、供电的自来水购买成本：
Pw
——
项目自来水购买单价，元/m3；
Vw_tot
——
项目年购买（消耗）自来水量，m3；
主要影响因素及关注点说明：
项目耗水量通常是由冷却塔蒸发、飘溢、排污，冷热水泄露等等原因导致的，是一般项目中容易被忽视的项。
水量的损失往往伴随着冷、热量的损失，因此需要关注用水量参数，并在此基础上控制水的跑冒滴漏，实现节水节能。
项目年度维护保养成本主要包括设备的维护保养（如设备清洗，易损部件的更换，润滑油的更换，冷却液的补充等），水处理等产生的成本。
项目年度人力成本主要包括人工费（工资、奖金、社会福利、服务费、培训费、工作餐、住宿费等），以及对应产生的交通、差旅、办公用品、耗材、IT设备等办公费用。
项目年度设备折旧成本指在固定资产使用年限内，按照确定的方法对应计的折旧额进行系统分摊后当年所计得的成本。
项目年度资金成本指财务上计得的由于资金筹集与资金占用而产生的成本。
项目年度税金指除所得税和允许抵扣的增值税以外的企业缴纳的各项税金及其附加。
包括消费税、营业税、城乡维护建设税、关税、资源税、土地增值税、房产税、车船税、土地使用税、印花税、教育费附加等产品销售税金及附加。
项目包含在年度总成本内，实际发生的，未计入前述各项成本中的成本计入年度其他总成本中。
（2）收益系列指标
项目收益系列指标包括项目总收益、项目售电总收益、项目售冷总收益、项目售热总收益、项目售生活热水总收益等。
项目年度总收益是对项目所有发生的收益的统计，包括售电、售冷、售热、售生活热水等，指标按一定的时间跨度统计，其统计表达式如下：
Itot
——
项目总收益，元；
Iele_tot
——
项目售电总收益，元；
Ic_tot
——
项目总售冷收益，元；
Ih_tot
——
项目总售热收益，元；
Ihw_tot
——
项目生活热水总收益，元；
Io_tot
——
项目其他收益，包括接驳费、补贴、奖励等各种费用，元；
影响收益的主要因素是能源出售价格与售出能源总量（包括电、冷、热、热水），出售价格越高，售出能源总量越多，则总收益越高。
项目售电包括两个方面，一方面是自用，其收益计算时电价按市电购买价、成本价或外供协议价计；另一方面是向外供电，按协议价或市电价格计。
售电总收益计算表达式如下：
Iele_tot
——
项目售电总收益，元；
Pe尖峰
——
项目尖峰时段电价，元/kWh；
Pe高峰
——
项目高峰时段电价，元/kWh；
Pe平峰
——
项目平峰时段电价，元/kWh；
Pe低谷
——
项目低谷时段电价，元/kWh；
Nele_自用尖峰
——
项目尖峰时段发电自用量，kWh；
Nele_自用高峰
——
项目高峰时段发电自用量，kWh；
Nele_自用平峰
——
项目平峰时段发电自用量，kWh；
Nele_自用低谷
——
项目低谷时段发电自用量，kWh；
Pele_s尖峰
——
项目外售电尖峰时段协议电价，元/kWh；
Pele_s高峰
——
项目外售电高峰时段协议电价，元/kWh；
Pele_s平峰
——
项目外售电平峰时段协议电价，元/kWh；
Pele_s低谷
——
项目外售电低谷时段协议电价，元/kWh；
Nele_外售尖峰
——
项目尖峰时段发电自用量，kWh；
Nele_外售高峰
——
项目高峰时段发电自用量，kWh；
Nele_外售平峰
——
项目平峰时段发电自用量，kWh；
Nele_外售低谷
——
项目低谷时段发电自用量，kWh；
本指标的计算主要是对于发电自用部分的收益计算，计算发电收益时与计算供冷、供热耗电成本时关于发电自用部分，其电价应当一致，推荐采用成本价、与外售等价或市电价。
项目售冷总收益包括两个部分，基价收益及售冷量收益，其计算表达式如下：
Ic_base
——
售冷基价收益，元；
Pc
——
项目售冷单价，元/kWh；
Qc_tot
——
项目总售冷量，kWh；
基价与售冷单价确定，则供冷量越大收益越高。
项目售热总收益包括两个部分，基价收益及售热量收益，其计算表达式如下：
Ih_base
——
售热基价收益，元；
Ph
——
项目售热单价，元/kWh；
Qh_tot
——
项目总售热量，kWh；
基价与售热单价确定，则供热量越大收益越高。
生活热水总收益受热水单价与总热水销售量影响，单价越高、总热水销售量越大，则总收益越高。
Ihw_tot
——
售生活热水总收益，元；
Phw
——
项目热水单价，元/m3；
Vhw_tot
——
项目总生活热水销售量，m3；
（3）利润系列指标
利润系列指标主要包括项目总利润、项目净利润率、项目售电总利润、项目售冷总利润、项目售热总利润、项目售生活热水总利润等。
项目总利润是项目总收益与总成本的差，用于对项目总体
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