極寒地區發電機組余熱回收供暖系統的效益分析

王文晶 黃 凱

1.中國極地研究中心 2.華東電力設計院有限公司

極寒地區發電機組余熱回收供暖系統的效益分析

王文晶1黃 凱2

1.中國極地研究中心 2.華東電力設計院有限公司

更新了中國南極中山站發電機組，建立了發電機組冷卻水余熱回收系統。根據實際運行據對余熱回收系統進行了環保效益和經濟效益分析。為人員密度少、城市管網不能到達的極寒地區提供了新的供暖方式，也為此地區今后實際工程提供了參考數據。

發電機組；冷卻水；余熱回收；極寒地區供暖

發電機組冷卻水余溫在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，終年寒冷，每天需要供暖，發電機組冷卻水余熱利用可以降低向周圍環境釋放的廢熱，同時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 發電機組冷卻水余熱回收系統概況

項目位于中國南極中山站，東南極大陸拉斯曼丘陵，在南極圈之內，S69°22′24″、E76°22′40。中山站地區平均氣溫-10℃左右，極端最低溫度達-36.4℃；受來自大陸冰蓋的下降風影響,常吹東南偏東風，8級以上大風天數達174 d，極大風速為43.6 m/s。中山站站區共4棟建筑，全年提供暖氣（發電棟、綜合樓、度夏宿舍樓、越冬宿舍樓），中國南極中山站于2013年11月更新了3臺300 kW柴油發電機組（圖1）（一用、一檢修、一備），一般使用功率為80～110 kW。同時新發電棟內設置一臺雙能源（煙氣、燃油）鍋爐（圖2），功率350 kW，供上述四個單體建筑采暖。目前煙氣使用還未成熟，暫未使用。能源使用順序為：優先考慮發電機組冷卻水，溫度不能達到45℃（夏季40℃），啟用燃油鍋爐（詳見系統圖，圖3）。

2 發電機組余熱回收供暖系統的環保效益分析

2.1 系統節約標準柴油量的計算

（1）發電機組冷卻水回收的熱量

式中：Q1為發電機組冷卻水回收熱量，kW；v為發電機組冷卻水流量，取43 m3/h（通過超聲波流量計，及循環水泵流量參數測定）；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℃（經過冬季夏季兩季長期監測求出的溫差）。

計算求得

（2）系統節約標準柴油量

式中：M1為系統節約標準柴油量，kg；t為鍋爐每天工作小時數，h；η為鍋爐效率，取0.9；q為標準柴油熱值，42 652 kJ/kg。

計算求得

圖1 南極中山站柴油發電機組

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圖

2.2 系統污染物減排量的計算

根據《綜合能耗計算通則(GBT 2589-2008)》提供數據，每千克標準柴油的熱值為42 652 kJ。據《中國環境影響評價培訓教材》，燃燒1 m3的標準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號柴油密度0.82 t/m3計算，一年供暖期可以節省的標準柴油量和減排污染物量列于表1。

表1 節約標準柴油量及污染物減排量kg

3 發電機組余熱回收供暖系統的經濟效益分析

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

中山站發電機組余熱回收系統年節省費用計算式為：

式中：K為中山站發電機組余熱回收年節省費用，元；K1為雪龍船中國上海到中國南極中山站柴油運輸費，元；K2為南極普利茲灣直升機吊掛柴油運輸費用，元；K3為每年中山站提高供暖循環水4℃溫差所需要柴油費用，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力成本大約為1 500元/t，卡32直升機普利茲灣吊掛柴油運輸運力成本為3 125元/t，-35號柴油采購價格為7 500元/t。（以上數據均為中國第33次南極科學考察實際情況計算得出價格）

綜上，中山站發電機組余熱回收系統年節省費用為

K=246 690+513 937+1 233 450=1 994 077元=199.4萬元

4 結論

通過分析和計算，發電機組冷卻水回收和利用供暖系統在極寒地區環保效益十分明顯，污染物減排可觀，經濟性效益突出。發電機組冷卻水回收和利用供暖系統可以考慮未來在沒有城市電網及城市集中供暖的人員密度較小的極寒地區推廣使用。

劉蘭芬，何益英，潘荔.火電廠余熱綜合利用研究評價——全國火電廠余熱利用情況調查報告[R].北京：國電公司環保辦公室，中國水利水電科學院電力環評中心，1999.

金山區大力發展新能源公交車

今年以來，金山區2家公交企業更新新能源公交車135輛，至年底，新能源公交車總數將達到526輛，新能源車應用占比將達64.9%，提前完成市下達“2020年新能源車應用比例達到50%”目標。同時，優化公共充電樁布局，今年計劃完成600個公共充電樁安裝，目前已建成450個。啟動建設14個公共快充站，計劃明年建成投用。全區還加快新能源汽車分時租賃網點建設，目前已建成上線運營網點195個，在建網點20個,區內注冊會員4 000人，每天約有100輛新能源分時租賃汽車在線運營，日均使用300車次。

（金山區）

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