聯合循環機組煙氣余熱利用制冷項目研究及經濟性分析

賈利訪，劉麗麗（.中國華電集團公司上海分公司，上海00000；.國家能源分布式能源技術研發中心，浙江杭州30030）

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聯合循環機組煙氣余熱利用制冷項目研究及經濟性分析

賈利訪1，劉麗麗2
（1.中國華電集團公司上海分公司，上海200000；2.國家能源分布式能源技術研發中心，浙江杭州310030）

摘要：為解決國內某聯合循環燃機電廠自用電率高、氣價上漲的實際情況，開展煙氣余熱利用制冷項目技術研究以及經濟性分析，選取兩種余熱利用方式，在不同的邊界條件下進行比較，得出結論，為電廠余熱利用制冷改造項目提供可行性方案，提高機組運行的經濟性。

關鍵詞：余熱制冷；經濟性分析

0　引言

國內某聯合循環燃機電廠采用6F級重型燃機組成的燃氣－蒸汽聯合循環供熱機組，建設“2拖1”燃氣－蒸汽聯合循環供熱機組，容量為246MW，配置2套50t/h燃氣鍋爐作為供熱備用。

目前該電廠化水樓、集控樓及辦公室冷（熱）負荷需求較高，電廠發電自用電率占發電量的3%，同時天然氣氣價較高，且氣價漲價趨勢明顯，為進一步提高能源利用率，為電廠整體運行提供科學合理的技術支持，在測算綜合數據后，選擇兩種余熱制冷方案，并進行比較，研究得到電廠余熱利用最佳供能方案。

1　負荷和供能模式分析

1.1負荷分析

根據該電廠提供的氣象、環境等的測算，該燃機電廠中的辦公室、化水樓、集控樓總的冷負荷為1591.7kW，總熱負荷為1057.9kW。

表1　電廠負荷分析

1.2供能模式選取

供熱制冷模式基本上可分為以下幾類：市政集中供熱，冷凍站集中供冷；自建鍋爐房供熱，冷凍站集中供冷；水源熱泵系統供熱供冷；VRV多聯機獨立系統；直燃型溴化鋰機組供熱/制冷系統；余熱型溴化鋰供熱/制冷系統。建設項目采用哪種供熱/制冷方式，往往受到市政條件、建筑物形式、建筑使用性質及使用特點、園區建筑布局、供熱/制冷方式的投資大小與回收周期的長短、系統運行的安全可靠程度、系統維護運行費用的經濟性、物業管理難易程度與收益大小等多種因素的影響，依據建設項目的自身條件和特點選用最適合本項目的方案，是必須遵循的基本準則。結合本項目的預期目標和電廠實際情況，選用余熱型溴化鋰機組供能方案。其具有消耗低品位熱源、節能環保、可靠性高、耗電量很小、一機兩用或三用等特點。

2　設計方案

根據對該電廠數據的調研情況，該電廠經常處于75%負荷工況運行，為保證余熱利用系統以最優工況運行，故采用電廠夏季75%工況參數作為余熱利用系統選型依據，本次設計中主要選取蒸汽型和熱水型溴化鋰機組為余熱回收設備。

2.1方案一：蒸汽型溴化鋰機

組方案設計

蒸汽型余熱利用系統制冷所需蒸汽量Qzl：

蒸汽型余熱利用系統制熱所需蒸汽量Qzr：

式中 hin—蒸汽進口焓值，kJ/kg；

hout—蒸汽出口焓值，kJ/kg；

Pzl—制冷熱源功率；

Pzr—制熱熱源功率；

制冷COP—1.41；

制熱COP—0.95。

計算得到：

Qzl=1.732t/h，Qzr=1.7t/h。

根據公式：

式中 c—水的比熱容，kJ/（kg·K）；

t1—冷水額定出口溫度為7℃；

t2—冷水額定進口溫度為12℃；

t3—熱水出口溫度為65℃；

t4—熱水進口溫度為55℃。

計算得到冷水流量Qls為274m3/h；熱水流量Qrs為90.8m3/h；冷卻水流量Qlq為366m3/h。

2.2方案二：熱水型溴化鋰機組方案設計

熱水型溴化鋰機組主要參數如下：

式中 制冷COP—1.1；

制熱COP—0.95。

得到熱水型余熱利用系統制冷需求電廠提供熱源功率P水冷為1454kW；制熱需求電廠提供熱源功率P水熱為1115kW。

根據公式：

計算得到余熱利用系統熱水流量Qrs為90.8m3/h；冷卻水流量Qlq為366m3/h。

3　余熱利用方案對發電系統影響分析

3.1蒸汽型溴化鋰系統抽蒸汽影響分析

根據抽取蒸汽量Δx與功率損失量ΔP之間的關系為：

式中 y—功率修正率；

x—低壓蒸汽流量，t/h；

P—汽輪機發電功率；

Δx—抽取蒸汽量；

ΔP—功率損失量。

計算汽輪機因為余熱制冷損失的功率為：ΔP=201.06 kW。

即蒸汽型溴化鋰機組抽取蒸汽時，系統發電量減少201.06kW。

3.2熱水型溴化鋰系統抽蒸汽影響分析

（1）低壓蒸汽變化對汽輪機功率影響

抽取蒸汽量ΔQ與功率損失量ΔP1之間的關系為：

式中 P1—汽輪機發電功率；

y1—功率修正率；

Q—低壓蒸汽流量，t/h；

ΔQ—抽取蒸汽量；

ΔP1—功率損失量。

汽輪機因為余熱制冷損失的功率為：ΔP1=142.03 kW。

（2）低壓蒸汽焓值對汽輪機的功率的影響

汽輪機抽取蒸汽焓值變化Δh與功率損增加量ΔP2之間的關系為：

式中 P2—汽輪機發電功率；

y2—功率修正率；

h—低壓蒸汽流量，t/h；

Δh—抽取蒸汽量；

ΔP2—功率損失量。

汽輪機因為低壓蒸汽焓值的上升而增加的功率：ΔP2=26.31kW

綜上所述，熱水型溴化鋰制冷機組，應為抽取熱水導致汽輪機下降的功率為ΔP=ΔP1-ΔP2=115.72kW。

4　設計方案經濟性分析

4.1投資估算

經測算蒸汽型溴化鋰機組余熱利用系統總投資約469.3萬元，熱水型總投資約431.5萬元。

4.2財務評價

（1）蒸汽型溴化鋰余熱利用方案經濟性分析

當上網電價為0.96元/kWh，系統供能時間為2673h，燃氣聯合循環分別向余熱利用系統供能1000h，其余時間系統熱源來自余熱鍋爐，系統供熱價格為90 元/GJ，系統供冷價格為190元/GJ，對蒸汽型溴化鋰機組余熱利用系統方案財務評價見表2。

表2　項目財務指標

由上表可知，本方案項目投資財務內部收益率為15.53%，資本金內部收益率為16.16%，資本金凈利潤率為10.58%，項目盈利能力強。

（2）熱水型溴化鋰余熱利用方案經濟性分析

當上網電價為0.96元/kWh，系統總供能時間為2673h，燃氣聯合循環分別向余熱利用系統供能1000h，其余時間系統熱源來自余熱鍋爐，系統供熱價格為90 元/GJ，系統供冷價格為190元/GJ，對熱水型溴化鋰機組余熱利用系統方案進行財務評價計算。項目盈利能力分析見表3。

表3　項目財務指標

由上表可知，本方案項目投資財務內部收益率為11.53%，資本金內部收益率為11.91%，資本金凈利潤率為7.51%，項目盈利能力強。

4.3不同邊界條件下經濟性分析

當電價為0.77元/kWh，天然氣價格為3.36元/m3，每天運行11h，年運行2673h，燃氣聯合循環供能1000h，其余熱源來自燃氣鍋爐，供熱價格為90元/GJ（1.01MPa，360℃），兩種余熱利用制冷方案經濟性分析見表4。

表4　兩種方案2015年運行邊界條件下敏感性分析

當蒸汽型溴化鋰余熱利用系統上網電價為0.96元/kWh，系統總供能時間為2673h，燃氣聯合循環分別向余熱利用系統供能1000h、2000h、2673h時，其余熱源來自燃氣鍋爐時，各邊界條件下，蒸汽型溴化鋰余熱利用系統方案經濟性分析見表5。

表5　蒸汽型溴化鋰系統不同邊界條件下經濟性分析

從圖中可以看出：當燃氣聯合循環系統向余熱利用系統供能時間越長，方案經濟性越好。

當熱水型溴化鋰余熱利用系統上網電價為0.96元/kWh，系統總供能時間為2673h，燃氣聯合循環分別向余熱利用系統供能1000h、2000h、2673h時，其余熱源來自燃氣鍋爐時，各邊界條件下，蒸汽型溴化鋰余熱利用系統方案經濟性分析見表6。

從圖中可以看出：當燃氣聯合循環系統向余熱利用系統供能時間越長，方案經濟性越好。

當蒸汽、熱水型溴化鋰余熱利用系統上網電價為0.96元/kWh，燃氣鍋爐供熱價格為90元/GJ，系統總供能時間為2673h，燃氣聯合循環分別向余熱利用系統供能1000h、2000h、2673h時，其余熱源來自燃氣鍋爐時，各邊界條件下，蒸汽、熱水型溴化鋰余熱利用系統方案經濟性分析見表7。

從圖中可以看出：當聯合循環系統向蒸汽、熱水型溴化鋰系統供能不小于2673h時，其他邊界條件相同時，熱水型溴化鋰系統方案經濟性最高、蒸汽型溴化鋰系統方案次之。

當蒸汽、熱水型溴化鋰余熱利用系統上網電價為0.96元/kWh，燃氣鍋爐供熱價格為90元/GJ，系統總供能時間為2673h時，燃氣聯合循環系統向余熱利用系統供能時間越長，方案經濟性越好。上網電價、燃氣鍋爐供熱價格影響蒸汽、熱水型溴化鋰系統方案經濟性。當燃氣聯合循環系統向余熱利用系統供能時間超過1650h時，熱水型溴化鋰系統經濟性高于蒸汽型溴化鋰系統，當燃氣聯合循環系統向余熱利用系統供能低于1650h時，熱水型溴化鋰系統經濟性低于蒸汽型溴化鋰系統。

表6　熱水型溴化鋰系統不同邊界條件下經濟性分析

表7　蒸汽、熱水型溴化鋰系統相同邊界條件下經濟性分析

4.4方案對比分析

蒸汽型、熱水型溴化鋰供能方案比對分析見表8（當蒸汽、熱水型溴化鋰余熱利用系統上網電價為0.96 元/kWh，燃氣鍋爐供熱價格為90元/GJ，系統總供能時間為2673h，燃氣聯合循環分別向余熱利用系統供能1000～2673h時經濟性分析對比）。

表8　兩種方案對比分析

從上表分析可知：

（1）從能的梯級利用角度考慮，天然氣與電的能品位較高高蒸汽能源品位此次之，熱水能源品位最低，應優先選擇熱水型溴化鋰供能方案；

（2）系統投資中蒸汽型溴化鋰系統高于熱水型溴化鋰系統方案；

（3）當聯合循環系統運行小時數在1000～2673h范圍內時，蒸汽、熱水型溴化鋰系統運行成本隨著聯合循環系統運行時間的增長而降低。

（4）當蒸汽、熱水型溴化鋰余熱利用系統上網電價為0.96元/kWh，燃氣鍋爐供熱價格為90元/GJ，聯合循環機組運行時間小于2673h時，聯合循環機組運行時間越長，方案經濟性越好。

（5）當燃氣聯合循環系統運行小時數高于超過1650h時，熱水型溴化鋰系統經濟性高于蒸汽型溴化鋰系統，當燃氣聯合循環系統運行小時數低于1650h時，熱水型溴化鋰系統經濟性低于蒸汽型溴化鋰系統。

（6）當聯合循環系統運行小時數不小于2673h時，其他邊界條件相同時，熱水型溴化鋰系統方案節能性高。

5　結語

該廠用天然氣供給充足，并且廠內天然氣輸送管網發達，能夠滿足新增天然氣需求，蒸汽型、熱水型溴

化鋰機組都有驅動能源，方案都具有可行性；余熱利用系統不改變電廠現有場地的規劃布局；能夠利用現有的廠房空間完成供冷（熱）系統管道的布置，可對現有的空調系統和冷卻水管網系統幾乎不加改動的利用，兩種技術方案具有工程可實施性；當聯合循環發電機組運行小時數低于1650h，建議實施蒸汽型溴化鋰機組方案；運行小時高于1650h，建議實施熱水型溴化鋰機組方案。

本次研究工作為該電廠即將開展的煙氣余熱制冷利用改造提供了可行性技術方案，進一步節約了能源利用率，提高了機組運行的經濟性。

參考文獻：

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修回日期：2016-01-21

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Research and Economic Analysis on the Utilization of Waste Heat From Flue Gas of Combined Cycle Unit

JIA Li-fang1，LIU Li-li2
（1. The Shanghai Branch of China Huadian Corporation，Shanghai 200000，China；2. National Energy Distributed Energy Technology R&D Center，Hangzhou 310030，China）

Abstract：For the actual situation to solve the fuel electric plant auxiliary power rate is high and rising gas prices of a domestic combined cycle，to carry out waste heat of the flue gas using refrigeration project technology research and economic analysis，selecting two waste heat utilization，and are compared under different boundary conditions，draw the conclusion，power plant waste heat by cooling transformation project provides a feasible scheme，and improve the economy of unit operation.

Key words：waste heat utilization；economic analysis

收稿日期：2015-12-07

作者簡介：賈利訪（1976-），男，湖北陽新人，碩士，工程師，主要從事能源規劃和能源技術研究工作；劉麗麗（1979-），女，吉林省吉林市人，碩士，主要從事控制系統研究工作。

中圖分類號：TK115

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）01-0001-05

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.001