天然气分布式能源岸电可行性分析

天然气分布式能源岸电可行性分析岸电简介靠港船舶通常利用辅机发电，以满足船上冷藏、空调、加热、通信、照明和应急等设备的电力需求。船舶辅机为燃油发电机，在消耗燃油的过程中排放出二氧化碳等温室气体以及氮氧化合物、硫氧化合物、一氧化碳、可吸入颗粒物等污染物，对港区及其周边的生态环境造成破坏。利用岸上市政电网供电取代船舶辅机发电可以有效减少船舶靠港期间温室气体和污染物的排放量，提升大气环境质量。天然气分布式能源天然气分布式能源是指利用先进的燃气轮机或燃气内燃机燃烧天然气发电，并利用发电余热进行供冷、供热的能源系统，实现了能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式。天然气分布式能源岸电天然气分布式能源岸电是指将天然气分布式能源系统中输出的电力作为船舶靠港期间的电力需求来源。相对于传统岸电（市政电网供电），电力来源更清洁。并且发电的余热可以按需求通过吸收式制冷机组进行供冷或通过余热锅炉进行供热，输送到港口附近有冷热负荷需求的建筑或者工厂。分析对象集装箱轮船吨位大，靠港期间消耗电力多，采用辅机发电排放废气量大，港口岸电优先考虑用于集装箱轮船上，本可行性分析以集装箱轮船为分析对象。集装箱船简介集装箱船的大小通常是以装载20英尺标准箱（TEU，TwentyfeetEquivalentUnit）的多少来表示的，集装箱船升级换代极快，它与箱位量、尺度、载重吨位大致的关系如下表：类型第一代第二代第三代第四代第五代第六代吨位(载重吨)1000025000-3000040000500006500080000以上运输能力（TEU）1000以下10002000300040005000600070008000营运性质支线型灵便型亚巴拿马型巴拿马型超巴拿马型尺度小型中型大型巨大型航程支线干线洲际航线有统计数据表明一艘4250TEU集装箱船（5万吨位级）停港期间平均功率消耗为1000kW。深圳港口深圳港口有蛇口、赤湾、妈湾、盐田、大铲湾、沙鱼涌、下洞、东角头、福永和内河10个港区，共建成500吨级以上泊位172个（含160个生产性泊位和12个非生产性泊位），其中万吨级以上泊位69个，集装箱专用泊位44个，生产性码头泊位岸线总长度31.38公里。货物年吞吐能力20035万吨，其中集装箱吞吐能力1925万标准箱。客运泊位19个，年设计通过能力550万人次。深圳各港区集装箱泊位蛇口港区13赤湾港区7妈湾港区3盐田港区16大铲湾港区5深圳港口集装箱泊位深圳船舶污染物排放总量深圳是全球第三大集装箱港，每年停靠深圳港的大型船舶达到一万船次，而大多船舶使用的燃料都是含硫率3%的重油，从而使得港口船舶排放成为深圳大气污染重要来源。目前深圳船舶每年排放二氧化硫1.6万吨，占总排放量的65.8%左右；氮氧化物1.9万吨，占总排放量14.1%左右；PM2.5排放量1600吨，占总排放量5.8%左右。深圳船舶各污染物排放量占总排放量比值船舶辅机燃料油目前船舶发电用油主要为IFO380、IFO180、MDO、MGO四种代号的燃油。由于当前针对船舶废气排放的相关标准不健全，船舶公司出于经济效益考虑，往往会优先使用价格相对便宜但含硫率高、污染物排放量大的重柴油IFO380和IFO180。IFO380和IFO180是指50℃运动粘度大于等于380mm2/s和50℃运动粘度大于等于180mm2/s的重柴油。二氧化硫（吨）船舶排放其他排放氮氧化物（吨）船舶排放其它排放PM2.5(吨)船舶排放其它排放0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%二氧化硫氮氧化物PM2.5其它排放占比船舶排放占比船舶使用燃油价格东亚各港口燃油价格（$/mt）当前东亚各港口IFO380平均价格约为357$/mt换算即357*6.19/1000=2.21元/kgIFO180平均价格约为366.3$/mt也即2.27元/kgMDO平均价格约为620.75$/mt也即3.84元/kgMGO平均价格约为631.08$/mt也即3.91元/kg00.511.522.533.54IFO380IFO180MDOMGO各种船用燃料油单价价格（元/kg）柴油发电机耗油量（g/kwh）发电柴油机的燃油消耗率一般为200g/kwh～230g/kwh，国际海事组织(IMO)在计算船舶设计能效指数时，通常取发电柴油机燃油消耗率为210g/kwh。这里参考IMO的做法，取发电柴油机在额定工况下的燃油消耗率为210g/kwh。船舶靠泊时，发电柴油机会在部分负荷下运行，发电柴油机的功率一般为额定功率的30％～40％之间，此状态下发电柴油机的燃油消耗率一般比额定燃油消耗率增加5％。那么，可以认为船舶在靠泊期间发电柴油部分负荷状态下的燃油消耗率为220．5g/kwh。船上发电机全部为同步发电机组，其效率一般为90％，那么船上柴油发电机组生产1kWh电力需要消耗的柴油量为245g。船舶发电成本不同代号的燃油热值相差不大，船舶发电消耗的柴油量可认为是定值245g，那么船舶的发电成本与船舶辅机发电使用的燃油价格成正比。IFO380发电成本=2.12x0.245=0.52元IFO180发电成本=2.27x0.245=0.56元MDO发电成本=3.84x0.245=0.94元MGO发电成本=3.91x0.245=0.96元00.20.40.60.811.2IFO380IFO180MDOMGO发电成本（元/kwh）发电成本（元/kwh）污染物排放量CO2排放量船上柴油发电机组生产1kWh的电力消耗的柴油为245g，柴油的低位热值为42652kJ／kg，柴油CO2排放因子为74100g/GJ，采用柴油发电机组生产1kWh的电力产生的C02为774g。氮氧化物排放IMO对船上发动机氮氧化物的排放有专门的规定，2008年3月31日通过的MARPOL73/78公约附则Ⅵ《防止船舶造成空气污染规则》修正案规定，2011年1月1日以后安装的发动机，转速在130～2000rpm之间的，其排放不得超过44×n（-0.23）g/kWh(n为发动机的转速，rpm)。船舶发电柴油机的转速一般为720rpm。因此，MARPOL附则Ⅵ修正案规定的船舶发电柴油机氮氧化物排放限值为9.7g/kWh。二氧化硫排放量《船用馏分燃料油IS08217—2010》中规定，船舶使用的4种馏分燃料油中硫含量最高不能超过2％(m/m)，船舶发电柴油机的燃料硫含量按照2％进行计算，船舶发电柴油机生产1kWh电力所消耗的燃油中的硫含量为245*2%=4.9g，产生二氧化硫为9.8g。颗粒物排放量《GB20891—2007》规定非道路移动机械用柴油机排气污染物颗粒物PM排放限值为0.2g/kwh。一艘轮船年排放量一艘5万吨级的集装箱轮船靠港平均消耗功率为1000kw，假设其停靠泊位一年按365天计算，每年需要电力为8760000kwh，可产生污染物总量：CO2为8760000x774g=6780吨氮氧化物为8760000x9.7g=85吨二氧化硫为8760000x9.8=86吨颗粒物为8760000x0.2=1.75吨污染物排放量（吨）CO26780氮氧化物85二氧化硫86颗粒物1.75深圳港年总减排量深圳港口万吨级以上泊位69个，根据航运经验估计，停靠港口的船舶平均吨位约为5万吨，泊位利用率按90%算。如果这些船舶靠港停泊期间不使用辅机发电而改用岸电，每年可以减少污染物排放量如下：CO2为69x0.9x6780=421038吨氮氧化物为69x0.9x85=5278.5吨二氧化硫为69x0.9x86=5340.6吨颗粒物为69x0.9x1.75=108.7吨深圳万吨级以上船舶改用岸电后每年可以减少污染物排放量如下表：污染物排放量（吨）CO2421038氮氧化物5278.5二氧化硫5340.6颗粒物108.71000kw分布式能源岸电项目在港口闲置地区使用天然气内燃发电机组，发电机组输出功率为1000kw，发出的电频率为60HZ，通过变压装置提升至6.6kv后通过电缆输送给靠港停泊的轮船（深圳港口停泊的集装箱轮船配电要求大多为6.6kv、60HZ）。发电的余热可以按需求通过吸收式制冷机组进行供冷或通过余热锅炉进行供热，输送到港口附近有冷热负荷需求的建筑或者工厂。项目系统示意图发电机组为GE颜巴赫JGS320GS-N.L型燃气发电机组，额定输出电功率为1050kw，在全负荷运行时消耗天然气量为286NM3/h。排放的烟气温度为512℃，烟气量为4571NM3/h，冷却至180℃可回收热功率560kw。缸套最高水温为95℃，可回收热功率360kw。利用烟气热水型吸收式制冷机组回收烟气余热输出冷负荷（cop为1.2）用于取代中央空调制冷。中央空调COP一般为3.7左右。深圳商业平均电价为0.85元。如果余热全部用来制冷可输出冷量：（560+360）x90%x1.2=993.6kw冷量价值：（993.6/3.7）x0.85=228元/h天然气费用：286x3.5=1001元/h深圳港口岸电价格1.2元/kwh输出电价值：1050x1.2=1260元/h天然气分布式综合发电成本为（1001-228）/1050=0.74元/kwh总经济效益为487元/h按系统一年运行7200小时计算，一年总收益约为350万。产生1kwh电力需要消耗约0.272NM3天然气。天然气燃烧污染物排放天然气燃烧污染物排放（g/1000NM3）氮氧化物排放量3.05g/kwh，二氧化硫排放量0.006g/kwh，颗粒物烟尘量0.044g/kwh，CO2排放量为534g/kwh。船舶使用柴油发电与使用天然气分布式能源岸电污染物排放对比：0100200300400500600700800柴油发电天然气发电CO2排放量g/kwhCO2排放量g/kwh0246810柴油发电天然气发电氮氧化物g/kwh氮氧化物g/kwh系统相对柴油发电年总减排量深圳港口大型集装箱轮船靠港岸电全部采用天然气分布式能源岸电系统，每年可以少排放污染物：CO2：69x0.9x1000x24x365x（774-534）g=130559吨氮氧化物：69x0.9x1000x24x365x（9.7-3.05）=3619吨二氧化硫：69x0.9x1000x24x365x（9.8-0.006）=5328吨颗粒物：69x0.9x1000x24x365x（0.2-0.044）=85吨0246810柴油发电天然气发电二氧化硫g/kwh二氧化硫g/kwh00.050.10.150.2柴油发电天然气发电颗粒物g/kwh颗粒物g/kwh发电成本对比结论从上述对比图表中可以明显看出使用天然气分布式能源岸电替代船舶靠港辅机发电，排放的空气污染物大大减少，对改善大气环境质量有很大作用。如果深圳港口大型集装箱船舶靠港全部改用天然气分布式能源岸电，每年可以减排CO2量约130559吨、氮氧化物约3619吨、二氧化硫5328吨、颗粒物85吨。目前由于排放法规不严格，在当前油价下轮船使用重柴油IFO380发电成本0.52元/kwh、重柴油IFO180发电成本0.56元/kwh。天然气分布式能源岸电系统发电成本约为0.74元/kwh，在经济效益方面对船舶公司来说缺乏吸引力。但考虑日益严格的排放法规，要求提高船舶发电的油品，船电采用MDO（发电成本0.94元/kwh）或者MGO（发电成本0.96元/kwh）作为辅机发电用油时，采用天然气分布式能源岸电系统具有明显的经济效益。天然气分布式能源岸电系统取代船舶辅机发电具有明显的环境效益，可以大大减少大气污染物的排放，保证深圳的天更蓝，空气更新鲜。在排放法规严格日益严格，船舶油品升级后，天然气分布式能源岸电系统的经济性突出。总之，无论从保护环境出发还是经济效益角度分析，天然气分布式能源岸电系统具有很大的可行性，发展前景广阔。00.20.40.60.811.2IFO380IFO180天然气MDOMGO发电成本（元/kwh）IFO380IFO180天然气MDOMGO