王文晶 黃 凱

1.中國(guó)極地研究中心 2.華東電力設(shè)計(jì)院有限公司

極寒地區(qū)發(fā)電機(jī)組余熱回收供暖系統(tǒng)的效益分析

王文晶1黃 凱2

1.中國(guó)極地研究中心 2.華東電力設(shè)計(jì)院有限公司

更新了中國(guó)南極中山站發(fā)電機(jī)組，建立了發(fā)電機(jī)組冷卻水余熱回收系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行據(jù)對(duì)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益分析。為人員密度少、城市管網(wǎng)不能到達(dá)的極寒地區(qū)提供了新的供暖方式，也為此地區(qū)今后實(shí)際工程提供了參考數(shù)據(jù)。

發(fā)電機(jī)組；冷卻水；余熱回收；極寒地區(qū)供暖

發(fā)電機(jī)組冷卻水余溫在50℃以下，屬于低品位能源，直接利用范圍不廣泛且效率低。在南極地區(qū)，終年寒冷，每天需要供暖，發(fā)電機(jī)組冷卻水余熱利用可以降低向周圍環(huán)境釋放的廢熱，同時(shí)余熱利用可以減少化石能源的消耗，減少CO2、SO2和NOx及煙塵的排放量[1]。

1 發(fā)電機(jī)組冷卻水余熱回收系統(tǒng)概況

項(xiàng)目位于中國(guó)南極中山站，東南極大陸拉斯曼丘陵，在南極圈之內(nèi)，S69°22′24″、E76°22′40。中山站地區(qū)平均氣溫-10℃左右，極端最低溫度達(dá)-36.4℃；受來(lái)自大陸冰蓋的下降風(fēng)影響,常吹東南偏東風(fēng)，8級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)達(dá)174 d，極大風(fēng)速為43.6 m/s。中山站站區(qū)共4棟建筑，全年提供暖氣（發(fā)電棟、綜合樓、度夏宿舍樓、越冬宿舍樓），中國(guó)南極中山站于2013年11月更新了3臺(tái)300 kW柴油發(fā)電機(jī)組（圖1）（一用、一檢修、一備），一般使用功率為80～110 kW。同時(shí)新發(fā)電棟內(nèi)設(shè)置一臺(tái)雙能源（煙氣、燃油）鍋爐（圖2），功率350 kW，供上述四個(gè)單體建筑采暖。目前煙氣使用還未成熟，暫未使用。能源使用順序?yàn)椋簝?yōu)先考慮發(fā)電機(jī)組冷卻水，溫度不能達(dá)到45℃（夏季40℃），啟用燃油鍋爐（詳見(jiàn)系統(tǒng)圖，圖3）。

2 發(fā)電機(jī)組余熱回收供暖系統(tǒng)的環(huán)保效益分析

2.1 系統(tǒng)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)柴油量的計(jì)算

（1）發(fā)電機(jī)組冷卻水回收的熱量

式中：Q1為發(fā)電機(jī)組冷卻水回收熱量，kW；v為發(fā)電機(jī)組冷卻水流量，取43 m3/h（通過(guò)超聲波流量計(jì)，及循環(huán)水泵流量參數(shù)測(cè)定）；ρ為水的密度；c為水的比熱，4.19 kJ/(kg·℃)；Δt為冷卻水出水與回水溫差，4℃（經(jīng)過(guò)冬季夏季兩季長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)求出的溫差）。

計(jì)算求得

（2）系統(tǒng)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)柴油量

式中：M1為系統(tǒng)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)柴油量，kg；t為鍋爐每天工作小時(shí)數(shù)，h；η為鍋爐效率，取0.9；q為標(biāo)準(zhǔn)柴油熱值，42 652 kJ/kg。

計(jì)算求得

圖1 南極中山站柴油發(fā)電機(jī)組

圖2 南極中山站雙能源鍋爐

圖3 南極中山站鍋爐房采暖系統(tǒng)圖

2.2 系統(tǒng)污染物減排量的計(jì)算

根據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則(GBT 2589-2008)》提供數(shù)據(jù)，每千克標(biāo)準(zhǔn)柴油的熱值為42 652 kJ。據(jù)《中國(guó)環(huán)境影響評(píng)價(jià)培訓(xùn)教材》，燃燒1 m3的標(biāo)準(zhǔn)柴油排放的主要大氣污染物總量：NOx為8.57kg，SO2為 10.0 kg，煙塵為 1.80 kg，CO2為2630 kg。以中山站用-35號(hào)柴油密度0.82 t/m3計(jì)算，一年供暖期可以節(jié)省的標(biāo)準(zhǔn)柴油量和減排污染物量列于表1。

表1 節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)柴油量及污染物減排量kg

3 發(fā)電機(jī)組余熱回收供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益分析

南極中山站新發(fā)電棟內(nèi)集成了發(fā)電機(jī)房以及鍋爐房（與發(fā)電機(jī)房一墻之隔），發(fā)電機(jī)組冷卻水余熱回收系統(tǒng)在初投資上，僅僅多了發(fā)電機(jī)房到鍋爐房的供回水管路及保溫海綿，價(jià)格可以忽略不計(jì)。因此，這里就不討論系統(tǒng)初投資的差異。

中山站發(fā)電機(jī)組余熱回收系統(tǒng)年節(jié)省費(fèi)用計(jì)算式為：

式中：K為中山站發(fā)電機(jī)組余熱回收年節(jié)省費(fèi)用，元；K1為雪龍船中國(guó)上海到中國(guó)南極中山站柴油運(yùn)輸費(fèi)，元；K2為南極普利茲灣直升機(jī)吊掛柴油運(yùn)輸費(fèi)用，元；K3為每年中山站提高供暖循環(huán)水4℃溫差所需要柴油費(fèi)用，元。

K1=1500元/t×164.46 t=246 690元

K2=3125元/t×164.46 t=513 937元

K3=7500元/t×164.46 t=1 233 450元

上述式中，雪龍船往返上海與中山站間運(yùn)力成本大約為1 500元/t，卡32直升機(jī)普利茲灣吊掛柴油運(yùn)輸運(yùn)力成本為3 125元/t，-35號(hào)柴油采購(gòu)價(jià)格為7 500元/t。（以上數(shù)據(jù)均為中國(guó)第33次南極科學(xué)考察實(shí)際情況計(jì)算得出價(jià)格）

綜上，中山站發(fā)電機(jī)組余熱回收系統(tǒng)年節(jié)省費(fèi)用為

K=246 690+513 937+1 233 450=1 994 077元=199.4萬(wàn)元

4 結(jié)論

通過(guò)分析和計(jì)算，發(fā)電機(jī)組冷卻水回收和利用供暖系統(tǒng)在極寒地區(qū)環(huán)保效益十分明顯，污染物減排可觀，經(jīng)濟(jì)性效益突出。發(fā)電機(jī)組冷卻水回收和利用供暖系統(tǒng)可以考慮未來(lái)在沒(méi)有城市電網(wǎng)及城市集中供暖的人員密度較小的極寒地區(qū)推廣使用。

劉蘭芬，何益英，潘荔.火電廠余熱綜合利用研究評(píng)價(jià)——全國(guó)火電廠余熱利用情況調(diào)查報(bào)告[R].北京：國(guó)電公司環(huán)保辦公室，中國(guó)水利水電科學(xué)院電力環(huán)評(píng)中心，1999.

金山區(qū)大力發(fā)展新能源公交車

今年以來(lái)，金山區(qū)2家公交企業(yè)更新新能源公交車135輛，至年底，新能源公交車總數(shù)將達(dá)到526輛，新能源車應(yīng)用占比將達(dá)64.9%，提前完成市下達(dá)“2020年新能源車應(yīng)用比例達(dá)到50%”目標(biāo)。同時(shí)，優(yōu)化公共充電樁布局，今年計(jì)劃完成600個(gè)公共充電樁安裝，目前已建成450個(gè)。啟動(dòng)建設(shè)14個(gè)公共快充站，計(jì)劃明年建成投用。全區(qū)還加快新能源汽車分時(shí)租賃網(wǎng)點(diǎn)建設(shè)，目前已建成上線運(yùn)營(yíng)網(wǎng)點(diǎn)195個(gè)，在建網(wǎng)點(diǎn)20個(gè),區(qū)內(nèi)注冊(cè)會(huì)員4 000人，每天約有100輛新能源分時(shí)租賃汽車在線運(yùn)營(yíng)，日均使用300車次。

（金山區(qū)）

Benefit Analysis on Power Generation Waste Heat Recovery Heating System in Extreme Cold Region

Wang Wenjin, Huang Kai
Shanghai Polar Region Research Center East China Electric Power Design Co.,Ltd

People has upgraded power generator at Chinese Zhongshan station in Antarctic and built power generation cooling water heat recovery system. According to practical data, the author carries out analysis on environment effect and economic benefit.The technology puts forward new heating method for low population density without municipal heating pipe network at extreme cold region and reference data to engineering projects in the future.

Power Generator, Cooling Water, Waste Heat Recovery, Extreme Cold Area Heating

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.11.011