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        濟(jì)南某燃?xì)?-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱方式經(jīng)濟(jì)分析

        2018-05-18 03:17:26蘭江郭柯

        蘭江 郭柯

        1滇西科技師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院

        2山東華科規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院有限公司

        1 項(xiàng)目熱負(fù)荷

        本項(xiàng)目為濟(jì)南市某片區(qū)供熱發(fā)電項(xiàng)目, 該片區(qū)現(xiàn)有居住面積230萬m2。

        隨著住宅、公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和實(shí)施, 片區(qū)作為城市新區(qū), 必須大力推廣建筑節(jié)能技術(shù), 建筑采暖熱指標(biāo)相應(yīng)呈下降趨勢。依據(jù)建設(shè)部頒發(fā)的中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) (采暖居住部分)》 [1] , 建筑本體采暖綜合平均熱指標(biāo)為20.2 W/m2, 設(shè)計(jì)采暖綜合熱指標(biāo)為29 W/m2。按照 《山東省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB37/5026-2014), 普通住宅的供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)為 25 W/m2。根據(jù)片區(qū)供熱規(guī)劃調(diào)研, 居住建筑設(shè)計(jì)采暖綜合熱指標(biāo)取值29 W/m2。考慮管網(wǎng)損失后, 居住建筑熱源設(shè)計(jì)采暖綜合熱指標(biāo)取值35 W/m2。

        濟(jì)南地區(qū)氣象條件: 室外采暖計(jì)算溫度tw為-5.3℃。采暖期室外平均溫度tp為1.4 ℃。采暖延續(xù)時(shí)間為3120 h (130天)。平均采暖熱負(fù)荷與設(shè)計(jì)采暖熱負(fù)荷之比=(18-1.4)/[18-(-5.3)]=0.7124。平均空調(diào)冷負(fù)荷與設(shè)計(jì)空調(diào)冷負(fù)荷之比 =(31.3-26)/[34.7-26]=0.6092。

        表1為熱負(fù)荷分析表。

        表1 為熱負(fù)荷分析表

        2 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組介紹

        2.1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行原理

        燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組主要設(shè)備由燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、 蒸汽輪機(jī)、 發(fā)電機(jī)組成 (圖 1)。燃?xì)廨啓C(jī)是髙由壓氣機(jī), 燃燒室和燃?xì)馔钙降戎饕K組成的。速旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)通過從環(huán)境中吸入大量空氣并進(jìn)行加壓, 產(chǎn)生具有一定溫度及壓力的壓縮空氣, 將其噴入燃燒室中與燃料進(jìn)行混合燃燒成為高溫、 高壓的燃?xì)猓?再經(jīng)過透平膨脹做功。由于壓氣機(jī)耗功約占透平膨脹做功的1/2~2/3,故燃?xì)廨啓C(jī)能輸出一部分凈功。做功后的燃?xì)馊跃哂休^高的溫度, 且流量較大, 這部分能量如果直接排入大氣,將引起較大的能量損失,故可將燃?xì)廨啓C(jī)排氣引入余熱鍋爐, 通過在余熱鍋爐中布置的換熱器將煙氣的余熱傳遞給蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)的給水, 產(chǎn)生具有一定溫度及壓力的水蒸汽, 送到汽輪機(jī)中去膨脹做功 [2] 。因此, 燃?xì)庖徽羝?lián)合循環(huán)機(jī)組實(shí)質(zhì)上是把燃?xì)廨啓C(jī)的 Brayton 循環(huán)與蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)的Rankine疊置在一起, 實(shí)現(xiàn)了能量的梯級利用, 從而提高了機(jī)組運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性。

        圖1 燃機(jī)機(jī)組原理圖

        2.2 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組選型

        對于分布式能源站, 選擇機(jī)組型式及容量時(shí)必須最大限度地考慮滿足熱負(fù)荷的需求。燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中, 燃?xì)廨啓C(jī)、 余熱鍋爐、 汽輪機(jī)的匹配原則一般是, 余熱鍋爐的蒸發(fā)量與燃?xì)廨啓C(jī)排出的煙氣余熱相匹配, 汽輪機(jī)的進(jìn)汽量與余熱鍋爐的蒸發(fā)量相匹配, 以使能源的利用效率最大化。

        根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會, 國家能源局, 財(cái)政部, 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 環(huán)境保護(hù)部等部分發(fā)布的 《熱電聯(lián)產(chǎn)管理辦法》(發(fā)改能源 [2016]617 號)的通知要求:采暖型聯(lián)合循環(huán)項(xiàng)目供熱期熱電比不低于 60%。供工業(yè)用汽型聯(lián)合循環(huán)項(xiàng)目全年熱電比不低于40%。鼓勵(lì)規(guī)劃建設(shè)天然氣分布式能源項(xiàng)目, 采用熱電冷三聯(lián)供技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源梯級利用, 能源綜合利用效率不低于70%[3]。

        SGT-800型燃機(jī)機(jī)組的高排氣溫度使其特別適于熱電聯(lián)產(chǎn)和聯(lián)合循環(huán)應(yīng)用。全球已有近300臺的銷售業(yè)績, 累積運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過300萬小時(shí)。 目前在國內(nèi)有9臺機(jī)組正在進(jìn)行投標(biāo)。 在聯(lián)合循環(huán)中,SGT-800型機(jī)組的性能是同級別產(chǎn)品中最佳的。鑒于大修間隔高達(dá)60000等效運(yùn)行小時(shí),較低的維護(hù)成本及出色的熱耗率,其壽命周期成本極具競爭力。其單位功率占用空間比很低, 因而安裝時(shí)間短, 施工成本低, 并且方便在惡劣環(huán)境或偏遠(yuǎn)地區(qū)以及占地有限的工業(yè)區(qū)進(jìn)行安裝。所有SGT-800型機(jī)組均配備干式低排放燃燒系統(tǒng), 以盡量減少氮氧化物和一氧化碳的排放, 確保燃?xì)廨啓C(jī)符合全球及地區(qū)規(guī)定??刹捎萌?xì)庾鳛槿剂希?并可進(jìn)行有載燃料切換。SGT-800型機(jī)組的干式低排放系統(tǒng)以其耐用的設(shè)計(jì)、 無復(fù)雜的燃燒器分級或控制裝置而聞名 [4] 。為保證可靠運(yùn)行, 燃燒器具有被動阻尼設(shè)計(jì)。連同單軸工業(yè)設(shè)計(jì)一起,干式低排放系統(tǒng)在處理不同的負(fù)載瞬變時(shí)具有較高的穩(wěn)定性和性能。

        3 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組方案介紹

        本項(xiàng)目兩種方案都遵循以熱定電的原則, 滿足片區(qū)供熱負(fù)荷的基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)電。

        3.1 方案一系統(tǒng)組成及介紹

        方案一 1×75 MW燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組 +1×35 MW燃?xì)忮仩t的模式為片區(qū)供熱供電,即 燃機(jī)機(jī)組采用抽凝的供熱方式,根 據(jù)換熱汽水首站要求,供 熱蒸汽參數(shù)暫定 0.8 MPa,200 ℃,凝 結(jié)回水參數(shù)0.8 MPa,70 ℃。首站一次網(wǎng)熱水參數(shù)要求為 95 ℃/55 ℃,機(jī) 組主要供熱參數(shù)如表2:

        表2 技術(shù)性能參數(shù)表(冬季供熱期)

        3.2 方案二系統(tǒng)組成及介紹

        方案二中采用 1×75 MW燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組 + 直燃型吸收式熱泵( 含燃?xì)舛壖訜幔┑?模式為片區(qū)供熱,凝 汽器的循環(huán)冷卻水作為吸收式熱泵低溫?zé)嵩?,即燃機(jī)機(jī)組采用純凝方式。本項(xiàng)目要求一次網(wǎng)熱水參數(shù)為95 ℃/50 ℃,熱 泵出口水溫受到限制,不 能達(dá)到本工程所需要的95 ℃, 一般熱泵出口溫度不高于80 ℃, 所以使用吸收式熱泵需要兩級加熱系統(tǒng)。

        表3 技術(shù)性能參數(shù)表(純凝發(fā)電工況)

        4 方案對比分析

        本項(xiàng)目設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為 80 MW,平均熱負(fù)荷為56.99 MW,最 小熱負(fù)荷為 48.7 MW,根 據(jù)這三項(xiàng)負(fù)荷數(shù)值,考 慮到計(jì)算方便,分 別計(jì)算兩種方案在供熱負(fù)荷為80 MW、55 MW、50 MW時(shí)的技術(shù)運(yùn)行參數(shù)。

        4.1 方案一運(yùn)行分析

        表4為方案一的計(jì)算結(jié)果。

        表4 方案一不同負(fù)荷下的技術(shù)參數(shù)

        4.2 方案二運(yùn)行分析

        方案二 (圖 2) 用戶側(cè)負(fù)荷已定, 設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為80 MW, 一次網(wǎng)溫差已定為 45 ℃, 可計(jì)算出一次網(wǎng)熱水流量為 1529 t/h,吸收式熱泵供回水溫度 80 ℃/50℃, 溫差 30 ℃, 可計(jì)算出熱水從吸收式熱泵提熱量為53.34 MW,則二級加熱供熱量為80-53.34=26.66 MW(表5)。 供熱負(fù)荷為55MW和50MW時(shí)的計(jì)算過程相類似。

        圖2 方案二系統(tǒng)原理圖

        表5 方案二不同負(fù)荷下的技術(shù)參數(shù)

        4.3 兩種方案對比分析

        由以上計(jì)算結(jié)果可知, 兩種方案的供熱量是相同的, 只有供電量和耗氣量不同, 整理結(jié)果如表6:

        表6 供熱量80MW時(shí)對比

        由表 6 可見,方 案二比方案一多發(fā)電量為13.663 MW,多 耗氣量為 0.963m3/ s,當(dāng) 兩部分費(fèi)用相等時(shí),即 13.663 MW×1000×上 網(wǎng)電價(jià)(元 /kWh)=0.963m3/ s×3600×氣 價(jià)( 元 /m3) 時(shí) ,兩 種方案運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng),即

        因此,當(dāng) 氣電價(jià)格比大于 3.94 時(shí),方 案一運(yùn)行費(fèi)用較低。當(dāng)氣電價(jià)格比等于 3.94時(shí),兩 種方案運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)。當(dāng)氣電比小于3.94時(shí),方 案二運(yùn)行費(fèi)用較低。

        5 結(jié)論

        1)燃 氣- 蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱方式選取抽凝方案配置簡單,運(yùn) 行維護(hù)方便。純凝方案配置相對復(fù)雜,運(yùn) 行方面較為繁瑣。

        2)供 熱量相同的前提下,燃 氣 - 蒸汽聯(lián)合循環(huán)純凝方案比抽凝方案發(fā)電量增加,且 耗氣量增加。

        3)當(dāng) 氣電價(jià)格比( 氣價(jià) /上網(wǎng)電價(jià))大 于 3.94 時(shí),方案一運(yùn)行費(fèi)用較低。當(dāng)氣電價(jià)格比等于 3.94 時(shí),兩種方案運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)。當(dāng)氣電比小于 3.94 時(shí),方 案二運(yùn)行費(fèi)用較低。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 韓朝兵. 燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的能效監(jiān)測及經(jīng)濟(jì)性診斷[D].南京:東南大學(xué),2015.

        [2] 陳杰.基于某燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)建模仿真[D].上海: 上海交通大學(xué),2010.

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        [4] 忻祎 . 燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電廠熱電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)化配置[D]. 上海:上海交通大學(xué),2007.

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