黃維林，劉曉偉中國東方電氣集團(tuán)中央研究院系統(tǒng)集成所

小型燃機(jī)耦合海水淡化系統(tǒng)的方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃維林，劉曉偉
中國東方電氣集團(tuán)中央研究院系統(tǒng)集成所

在原有兩類多聯(lián)產(chǎn)分布式燃機(jī)發(fā)電方式（即單循環(huán)發(fā)電和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電）的基礎(chǔ)上，提出耦合多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)，并提出三種優(yōu)化方案，通過熱平衡和經(jīng)濟(jì)性分析計(jì)算，結(jié)合情況，選擇出適合實(shí)際工程尋求的優(yōu)化配置。

分布式能源；熱電冷多聯(lián)產(chǎn)；海水淡化；熱平衡計(jì)算；經(jīng)濟(jì)性分析

引言

分布式能源（Distributed Energy Resources）是相對(duì)于常規(guī)集中式能源供應(yīng)方式提出的，將能源供應(yīng)建立在用戶端，根據(jù)目標(biāo)用戶的特殊需求進(jìn)行需求化能源配置的一種方式。一般情況下，微小型燃機(jī)、柴油/內(nèi)燃機(jī)、太陽能光伏/光熱、燃料電池等均可以應(yīng)用到分布式能源系統(tǒng)發(fā)電中。區(qū)別于集中式能源供應(yīng)方式，分布式能源能夠在消費(fèi)端提供能源輸出，最大化利用建設(shè)地特殊的能源結(jié)構(gòu)（如工廠廢氣廢熱，城市管網(wǎng)，當(dāng)?shù)靥柲?、風(fēng)能等）來滿足能源用戶的實(shí)際需求。帶熱電冷的多聯(lián)產(chǎn)分布式能源（Combined Cooling Heating and Power，簡稱CCHP）是在一般發(fā)電分布式能源基礎(chǔ)上，將區(qū)域供熱（如民用熱水供熱，工業(yè)蒸汽供熱，工藝供熱等）及集中供冷（如離心式制冷機(jī)，吸收式制冷設(shè)備等）集成進(jìn)去的一種方式。其最大的優(yōu)點(diǎn)是提高了整體分布式能源機(jī)組的全廠循環(huán)熱效率。根據(jù)國家計(jì)委等四部委急計(jì)基礎(chǔ)[2000]1268號(hào)文件規(guī)定的評(píng)定熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)方法，通過以下兩組公式計(jì)算機(jī)組的效率。

新建熱電廠的年平均全廠熱效率可用公式計(jì)算：

式中 P(a)表示年供電量（kWh/a），Qa表示機(jī)組年向外輸出熱/冷負(fù)荷總和（GJ/a），G(a)表示電廠年燃料耗量（kg/a），Qlv表示燃料低熱值（kJ/kg），PH表示機(jī)組總額定發(fā)電功率（kW），H3表示年運(yùn)行小時(shí)數(shù)。

新建熱電廠的熱經(jīng)濟(jì)性可用公式計(jì)算：

式中CAP表示項(xiàng)目總資產(chǎn)投入，P表示電廠總發(fā)電功率（kW），Qh表示電廠供熱量（kW），Qc表示電廠制冷量（kW），T0表示環(huán)境溫度（℃），Th表示供熱熱源溫度（℃），Tc表示制冷冷源溫度（℃）。

目前，CCHP的循環(huán)熱效率在74%左右，而一般聯(lián)合循環(huán)分布式機(jī)組循環(huán)效率僅50%左右。所以當(dāng)前新建CCHP的項(xiàng)目越來越多。

本文基于通用電氣旗下較為成熟的小型燃?xì)廨啓C(jī)GE 6541B作為分析對(duì)象（基本參數(shù)見表1），將海水淡化系統(tǒng)耦合到CCHP系統(tǒng)中，對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行熱力優(yōu)化計(jì)算以及經(jīng)濟(jì)性比較，分析采用熱電冷多聯(lián)產(chǎn)耦合海水淡化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性以及經(jīng)濟(jì)效益。

表1　GE 5271RA輕型燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)

此外，整個(gè)分析過程依托某特定發(fā)電項(xiàng)目，其基本環(huán)境與設(shè)計(jì)參數(shù)為了如下幾點(diǎn)限制：

（1）當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)溫度取25℃，環(huán)境相對(duì)濕度按70%；

（2）當(dāng)?shù)睾０?00m，即根據(jù)大氣壓修正公式，得出的當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)環(huán)境壓力為0.778bar；

（3）燃料采用單燃料，計(jì)算中簡化為CH4；

（4）燃料、電網(wǎng)、淡水、熱冷產(chǎn)品價(jià)格按最近時(shí)間公開價(jià)格為準(zhǔn)；

（5）工程及施工價(jià)格按中國非工會(huì)費(fèi)率進(jìn)行折算，價(jià)格單位以美元為準(zhǔn)（USD）；

（6）通貨膨脹及其他固定費(fèi)率均以4.5%進(jìn)行考慮；

（7）其他影響因素均以對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的默認(rèn)值或推薦值執(zhí)行。

1.CCHP系統(tǒng)分析及耦合海水淡化系統(tǒng)地優(yōu)化

1.1常規(guī)CCHP系統(tǒng)簡介

常規(guī)CCHP系統(tǒng)是在燃?xì)廨啓C(jī)/柴油機(jī)的簡單循環(huán)或聯(lián)合循環(huán)基礎(chǔ)上，從余熱鍋爐過熱器出口或蒸汽輪機(jī)抽汽口抽出工藝蒸汽，通過減溫減壓裝置或者直接供給方式送入熱網(wǎng)首站、工廠工藝用汽、熱交換器或吸收式制冷蒸發(fā)器。CCHP的配置方案豐富，一般用于分布式能源的CCHP可以根據(jù)消費(fèi)端對(duì)熱、電、冷需求比例不同選擇熱源接入口和發(fā)電設(shè)備的數(shù)量和型號(hào)。例如注重發(fā)電量的電廠可采用聯(lián)合循環(huán)方式，熱電需求大的電廠可采用單循環(huán)機(jī)組或者聯(lián)合循環(huán)背壓機(jī)組。

1.2海水淡化系統(tǒng)簡介

海水淡水系統(tǒng)是沿海缺水地區(qū)解決用水資源的重要途徑，其技術(shù)發(fā)展起始于上世紀(jì)50年代。通過數(shù)十年的發(fā)展創(chuàng)新，海水淡化系統(tǒng)無論從分離方式，還是淡水產(chǎn)水量，產(chǎn)水純度都有了巨大的發(fā)展。位于沙特吉達(dá)西北的拉比格市已經(jīng)在新建世界最大海水淡化廠，日淡化能力達(dá)600,000m3，而世界范圍內(nèi)的海水淡化產(chǎn)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了35,000,000 m3。

從分離方式來分類，海水淡化技術(shù)主要有蒸餾法、膜法、離子交換法、結(jié)晶法及溶劑萃取法等。其中蒸餾法又分為多級(jí)閃蒸法（MSF）、多效蒸發(fā)（MED）和壓汽蒸溜（VC），而膜法則包含反滲透（RO）和電滲析法（ED）。目前用于大規(guī)模制水的分離技術(shù)主要是MSF、MED和RO。本文將MSF技術(shù)耦合到CCHP中，利用汽輪機(jī)低壓抽出的過熱或飽和蒸汽作為加熱熱源，通過多級(jí)加熱蒸發(fā)分離方式，將淡水從鹽水中分離出來。而副產(chǎn)品濃鹽水則進(jìn)入后續(xù)工藝應(yīng)用如制鹽，提純或工業(yè)應(yīng)用。MSF系統(tǒng)示意見圖1所示。

圖1　國內(nèi)MSF系統(tǒng)流程示意圖

1.3系統(tǒng)優(yōu)化方案

綜上所述，耦合MSF的CCHP系統(tǒng)可以存在多種配置方案，本文通過筆者多年項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)各類方案的反復(fù)比較，選擇出三套最具代表性優(yōu)化方案作為備選：

方案1：

采用單循環(huán)CCHP，從余熱鍋爐過熱器抽汽加熱MSF產(chǎn)生淡水和提供供熱熱源，從余熱鍋爐直接抽汽作為熱源進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器和制冷一體機(jī)加熱；

方案2：

采用聯(lián)合循環(huán)抽凝CCHP，汽輪機(jī)中壓抽汽與鍋爐中壓參數(shù)抽汽共同作用加熱MSF產(chǎn)生淡水，高壓主汽閥前引一路作為MSF真空熱源，凝汽器作為熱網(wǎng)第一級(jí)換熱器，同時(shí)部分回水進(jìn)入HRSG低壓省煤器處加熱，最后匯總到汽機(jī)DHC進(jìn)行二級(jí)換熱；

方案3：

采用聯(lián)合循環(huán)背壓CCHP，汽輪機(jī)中壓抽汽與鍋爐中壓參數(shù)抽汽共同作用加熱MSF產(chǎn)生淡水，高壓主汽閥前引一路作為MSF真空熱源，汽機(jī)乏汽作為熱源送入熱網(wǎng)加熱，然后送入汽機(jī)DHC進(jìn)行二級(jí)換熱。

2.系統(tǒng)優(yōu)化分析

2.1熱力分析比較

對(duì)三種方案分別進(jìn)行熱平衡與物料平衡計(jì)算，計(jì)算結(jié)果摘取部分信息整理得表2。

表2　方案間熱力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.2經(jīng)濟(jì)性比較

對(duì)三種方案分別進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，截取其中的項(xiàng)目總投資成本、內(nèi)部投資回收期和投資回報(bào)率三項(xiàng)敏感因素整理得表3。

表3　方案間經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.3其他因素分析及方案取舍

除了項(xiàng)目電廠效率和投資成本外，具體方案取舍的還有設(shè)備設(shè)計(jì)和實(shí)際消費(fèi)地需求傾向性。針對(duì)上述三個(gè)優(yōu)化方案不難看出，單循環(huán)雖然循環(huán)效率和單機(jī)發(fā)電總量低，但實(shí)際淡水產(chǎn)量最高。雖然其初期投資成本最高，但單位產(chǎn)水投資卻是最低的；抽凝機(jī)組雖然各方面參數(shù)較為理想，但初期投資費(fèi)用較高，且產(chǎn)水率低；至于背壓機(jī)組的各個(gè)參數(shù)介于兩者之間，在綜合性能上較為平衡，但在后期投資回收期因?yàn)榘l(fā)電量低于抽凝機(jī)組，因此回收年限稍多一點(diǎn)。

綜上所述，三個(gè)經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化的方案的取舍應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合性評(píng)估。本文的案例項(xiàng)目中，業(yè)主明確要求熱電水平均考慮且要求最低投資回收期。因此，該項(xiàng)目選擇方案2作為最終設(shè)計(jì)方案。

圖2　最終方案熱力系統(tǒng)圖

3.結(jié)論

通過本文一系列的計(jì)算分析，耦合海水淡化的CCHP分布式電廠系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是具有可行性的。該系統(tǒng)在海島及沿海缺水地區(qū)具有廣泛的應(yīng)用前景。其主要優(yōu)點(diǎn)包括：

3.1消費(fèi)地的分布式電廠不僅能夠利用尾氣對(duì)區(qū)域內(nèi)居民穩(wěn)定地供應(yīng)熱電冷資源以及高品質(zhì)淡水，提高了全廠熱利用效率，而且也大大降低了單位能源輸出所產(chǎn)生的二氧化碳生成量，避免了超遠(yuǎn)距離高壓電纜敷設(shè)所產(chǎn)生的高額費(fèi)用和對(duì)森林植被的破壞；

3.2與大型發(fā)電廠相比，該類型電廠通過模塊化設(shè)計(jì)和安裝，具有更小地土地占用成本，更快地工程建設(shè)周期，更短地投資回收期，更少地建設(shè)與運(yùn)維成本；

3.3通過對(duì)海水淡化系統(tǒng)的耦合，相較于常規(guī)的淡水取得方式，淡水供應(yīng)更加穩(wěn)定，水質(zhì)也能保證，對(duì)于缺水地區(qū)居民的身體健康以及其他用水質(zhì)量都能得到保障。

另外，具有強(qiáng)烈消費(fèi)需求針對(duì)性的CCHP分布式電廠耦合汗水淡化優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案能夠大大減少額外地投資成本和基建投入，對(duì)于國家提倡節(jié)約型經(jīng)濟(jì)政策起到很好地相應(yīng)措施，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和人民生活水平也起到促進(jìn)作用。

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[3]段秋生.燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站熱力性能分析理論與計(jì)算.北京：清華大學(xué)出版社，2010

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黃維林（1982-），男，重慶人，學(xué)歷：碩士。