江婷，徐靜靜，馬琴，余莉

(1.中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100170；2.國(guó)家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)中心，北京 100170)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，提高能源利用效率和降低污染物排放已經(jīng)成為能源行業(yè)最為關(guān)注的兩大目標(biāo)。2015年以來，燃?xì)夥植际侥茉从捎谄涓咝?、安全、清潔、環(huán)保的特性，在我國(guó)得到了大力發(fā)展[1-4]。在燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)中，LM2500+G4型燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡(jiǎn)稱燃機(jī))發(fā)電效率高、排煙溫度高，是最適合燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的燃機(jī)之一。LM2500+G4型燃機(jī)作為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的核心部分，通常配雙壓余熱鍋爐，余熱鍋爐的排煙溫度通常為95～105 ℃。若進(jìn)一步將排煙溫度降低到80 ℃左右，此部分排煙余熱可利用部分在3 MW左右，提高此部分余熱的利用率對(duì)提升系統(tǒng)整體能源利用效率有重要意義。目前國(guó)內(nèi)很多學(xué)者和工程師都在研究分布式能源系統(tǒng)低溫?zé)煔獾睦?。沈永兵等[5]建立了一個(gè)以低溫?zé)煔鉃闊嵩吹暮暧^余熱發(fā)電模型，研究得出余熱回收量和余熱鍋爐排煙溫度是影響系統(tǒng)凈輸出功率的兩個(gè)主要因素；馬琴等[6]利用LM2500+G4型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組余熱鍋爐尾部的余熱加熱天然氣進(jìn)氣系統(tǒng)，通過對(duì)比分析，將天然氣加熱至80 ℃時(shí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)，該方案不僅顯著提高了系統(tǒng)綜合能源利用效率，還提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性，有效防止了低溫腐蝕。

圖1 煙氣余熱外供生活熱水系統(tǒng)Fig.1 Hot water supplying system heated by flue gas waste heat

本文主要討論將聯(lián)合循環(huán)機(jī)組煙氣余熱發(fā)電后的低溫余熱全部或部分用于產(chǎn)生生活熱水(一般只需50～60 ℃)的方案。根據(jù)目前分布式能源系統(tǒng)的排煙溫度，余熱可以利用的溫度空間比較大。在幾乎不影響燃機(jī)、余熱鍋爐及溴化鋰機(jī)組運(yùn)行的前提下，可以利用煙氣余熱生產(chǎn)90 ℃左右的熱水供給相應(yīng)用戶，如廠區(qū)內(nèi)的職工食堂、浴室或廠區(qū)外居民區(qū)、酒店等用戶使用。

1 系統(tǒng)介紹

圖1為煙氣余熱外供生活熱水系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由余熱鍋爐、水-水換熱器、自來水供水泵以及蓄熱水罐區(qū)組成。由于外部用戶情況較為復(fù)雜多變，本文的研究中采用蓄熱水箱，將熱水蓄積在水箱內(nèi)，通過鋪設(shè)管道直供用戶或?qū)崴捎密囕d的方式對(duì)外銷售?？紤]到運(yùn)輸成本，本文給定的熱水價(jià)格會(huì)低于常規(guī)熱水價(jià)格。本文更偏向于研究熱水量、熱水價(jià)格、自來水價(jià)格變動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的變化。系統(tǒng)采取在余熱鍋爐尾部煙道內(nèi)擴(kuò)大低壓省煤器換熱面面積的方式提高對(duì)低溫?zé)煔庥酂崂寐?，此時(shí)低壓省煤器兼具了尾部煙氣加熱器的作用。20 ℃左右的自來水通過自來水供水泵增壓后輸送至水-水換熱器，與余熱鍋爐產(chǎn)生的熱源水進(jìn)行換熱，自來水被加熱到90 ℃后被儲(chǔ)存到蓄熱水罐區(qū)。

2 運(yùn)行模式分析

考慮到系統(tǒng)可提供的余熱利用量和用戶使用情況的變化，分別考慮余熱利用量為3，2，1 MW的運(yùn)行情況?；趯?shí)際項(xiàng)目情況，考慮3種外輸模式：外輸模式1，白天集中外輸水，上午3 h，下午3 h，儲(chǔ)水18 h；外輸模式2，白天8 h外輸水，儲(chǔ)水16 h；外輸模式3，白天2×8 h分兩班制輸水，儲(chǔ)水8 h。根據(jù)余熱利用量和外輸模式，本文共研究9種方案，見表1。

表1 研究方案匯總Tab.1 Summary of research schemes

根據(jù)余熱利用量可確定熱水流量，根據(jù)外輸模式可以確定不同方案下蓄熱水罐容量。在余熱利用量分別為3，2，1 MW時(shí)，熱水流量分別為32.73，22.04，11.02 t/h。圖2給出了不同方案的蓄熱水罐容量。由圖2可知，當(dāng)余熱利用量不變時(shí)，儲(chǔ)水時(shí)間越長(zhǎng)，需要配備的蓄熱水罐越大；當(dāng)外輸模式不變時(shí)，蓄熱水罐容量隨著煙氣余熱利用量的減小而減小。整體來看，方案A蓄熱水罐容量最大，方案I蓄熱水罐容量最小。

圖2 9種方案下蓄熱水罐容量Fig.2 Storage capacity of tanks under 9 schemes

3 方案投資分析

煙氣余熱外供生活熱水系統(tǒng)的低溫?zé)煔庥酂崂梅桨缚偼顿Y如圖3所示。不同方案的總投資變化趨勢(shì)和不同方案蓄熱水罐容量的變化高度一致，這是由于蓄熱水罐投資在投資中占比最高。

圖3 9種方案下系統(tǒng)總投資Fig.3 Total investment of the system with 9 schemes

4 經(jīng)濟(jì)性影響因素分析

煙氣余熱外供生活熱水系統(tǒng)主要產(chǎn)品為熱水，因此影響系統(tǒng)收益的主要因素為熱水價(jià)格和自來水價(jià)格，本文將對(duì)這2個(gè)因素進(jìn)行分析。

4.1 熱水價(jià)格對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響

熱水價(jià)格的高低直接影響了煙氣余熱外供生活熱水系統(tǒng)的年凈收益，圖4、圖5分別給出了熱水價(jià)格為12.0～20.0元/t時(shí)不同方案系統(tǒng)的年凈收益和投資回收期。為了計(jì)算方便，自來水價(jià)格恒定為5.0元/t。

圖4 9種方案下系統(tǒng)年凈收益與熱水價(jià)格的關(guān)系Fig.4 Relationship between annual net income of the system and hot water price under 9 schemes

圖5 9種方案投資回收期與熱水價(jià)格關(guān)系Fig.5 Relationship between investment payback period and hot water price of 9 schemes

從圖4中可知，方案A，B，C的年凈收益幾乎相同，方案D，E，F(xiàn)年凈收益幾乎相同，方案G，H，I年凈收益幾乎相同，這是由于本系統(tǒng)年運(yùn)維成本及其他成本較少，年凈收益主要和熱水量掛鉤，而年凈收益近似的3種方案售熱水量是相同的。年凈收益和熱水量成正比，隨著熱水價(jià)格升高，系統(tǒng)年凈收益線性增大。

圖5給出了當(dāng)自來水價(jià)定為5.0元/t時(shí)，9種方案投資回收期與熱水價(jià)格的關(guān)系，系統(tǒng)投資回收期最長(zhǎng)為2.4年，最短為0.5年。當(dāng)外輸模式固定時(shí)，系統(tǒng)投資回收期隨著熱水價(jià)格提高而減短，但是降低的比率逐漸減?。划?dāng)余熱利用量固定時(shí)，對(duì)于投資回收期而言，外輸模式3<外輸模式2<外輸模式1，說明系統(tǒng)外輸水量恒定時(shí)，蓄熱水罐容量越小，系統(tǒng)越經(jīng)濟(jì)。方案C投資回收期最短，但是由于輸出的熱水量大，因此需要的熱用戶較多，方案G投資回收期最長(zhǎng)，但是需要的熱用戶相對(duì)較少。因此，當(dāng)實(shí)際項(xiàng)目采用煙氣余熱外供生活熱水系統(tǒng)時(shí)，可根據(jù)用戶熱水需求量和外輸模式選擇系統(tǒng)方案。

4.2 自來水價(jià)格對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響

與熱水價(jià)格影響相反，當(dāng)熱水價(jià)格不變時(shí)，自來水價(jià)格越高，煙氣余熱外供生活熱水系統(tǒng)的年凈收益越低。圖6給出了自來水價(jià)格為4.2～5.8元/t時(shí)不同方案的系統(tǒng)年凈收益和投資回收期，為了計(jì)算方便，此時(shí)熱水價(jià)格恒定為12.0元/t。

由圖6可知，方案A，B，C的年凈收益幾乎相同，方案D，E，F(xiàn)的年凈收益幾乎相同，方案G，H，I年凈收益幾乎相同，說明隨著自來水價(jià)格升高，系統(tǒng)年凈收益線性減少。

圖7給出了當(dāng)熱水價(jià)格定為12.0元/t，自來水價(jià)格為4.2～5.8元/t時(shí)，9種方案投資回收期與熱水價(jià)格的關(guān)系。由圖7可知，系統(tǒng)投資回收期隨著自來水價(jià)格的提高逐漸增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率也逐漸增大。固定余熱利用量時(shí)，對(duì)于投資回收期而言，外輸模式3<外輸模式2<外輸模式1，說明系統(tǒng)外輸水量恒定時(shí)，蓄熱水罐容量越小，系統(tǒng)越經(jīng)濟(jì)。

方案C的投資回收期最短，經(jīng)濟(jì)性較好，投資回收期最短；方案G投資回收期最長(zhǎng)，余熱利用水平最低。綜合來看，將燃機(jī)尾部煙氣全部用來生產(chǎn)生活熱水時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較好。

圖6 9種方案系統(tǒng)年凈收益與自來水價(jià)格的關(guān)系Fig.6 Relationship between annual net income of the system and tap water price under 9 scheme

圖7 9種方案投資回收期與自來水價(jià)格關(guān)系Fig.7 Relationship between the investment payback period and the price of tap water of 9 schemes

5 結(jié)論

本文主要討論將聯(lián)合循環(huán)機(jī)組后續(xù)煙氣余熱全部或部分產(chǎn)生生活熱水，考慮了3種外輸模式下，當(dāng)煙氣余熱利用量分別為3，2，1 MW時(shí)的9種方案，得出結(jié)論如下。

(1)儲(chǔ)水時(shí)間越短，系統(tǒng)需要的初投資越低，經(jīng)濟(jì)性越好；余熱利用量越高，系統(tǒng)收益越高，經(jīng)濟(jì)性越好。

(2)當(dāng)自來水價(jià)格定位為5.0元/t，熱水價(jià)格為12.0～20.0元/t時(shí)，系統(tǒng)投資回收期為1～3年；當(dāng)熱水價(jià)格定為12.0元/t，自來水價(jià)格為4.2～5.8元/t時(shí)，系統(tǒng)投資回收期為1～3年。以上情況均能很快收回成本，經(jīng)濟(jì)性較好。而選擇將燃機(jī)尾部煙氣全部用來生產(chǎn)生活熱水時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較好。

(3)為保證項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，實(shí)際項(xiàng)目可根據(jù)用戶熱水需求量和外輸模式選擇系統(tǒng)方案。