基于熱電分攤的低溫多效海水淡化成本分析

摘要：應用于熱電廠的低溫多效蒸餾海水淡化系統較好地解決了臨海電廠淡水資源緊缺的問題。與商用海淡裝置有明確的用汽、用電價格不同，熱電廠內海淡裝置的用汽、用電價格取決于電廠的產汽、發電成本，因此有必要在厘清熱電廠產汽、發電成本的基礎上，建立海水淡化運行成本的核算方法。本文利用熱電分攤理論，構建了熱電廠低溫多效蒸餾海水淡化系統的成本模型，分析了影響運行成本的主要指標因素，提出了提高造水比的技術措施，達到了降低成本的目的，對熱電廠新型耗能系統的技術經濟性研究與應用具有指導作用。

關鍵詞：熱電分攤；低溫多效蒸餾；海水淡化；成本

中圖分類號：F42""""""""" 文獻標志碼：A

海水淡化技術是淡水資源緊缺的臨海電廠向海洋獲取新鮮淡水的主要方式，目前主要有反滲透膜法和低溫多效蒸餾（MED）等技術路線。某臨海電廠采用低溫多效蒸餾海水淡化系統，建設規模為12000t/d，蒸發器采用“4+2”效方案，物料海水采用平流進料方式，設計造水比10∶1。低溫多效蒸餾將汽輪機的中壓缸排汽作為熱源加熱海水，多級蒸發器在真空狀態下工作，海水最高蒸發溫度為70℃，蒸汽冷凝后獲得淡化水。海水淡化裝置的用電接自廠用電系統。制水的直接成本包括蒸汽成本、電費和藥品費用。

與商用海淡裝置有明確的用汽、用電價格不同，熱電廠內海淡裝置的用汽、用電價格取決于電廠的產汽、發電成本。因此構建一套海水淡化運行成本的核算方法十分必要。本文采用熱電分攤理論，將海水淡化系統與發電系統作為一個整體進行研究，以指導熱電廠生產經營。

1熱電分攤理論模型

熱電廠是熱、電共同產出的聯產過程，其原理是將燃料的化學能轉化為高品位熱能并用來發電，同時將已在汽輪機中做了部分功后的低品位熱能進行供熱。熱、電產品合理定價的前提是選取科學、適當的分攤方法。

熱電分攤理論明確了熱電廠總熱耗量在生產電能和生產熱能間的分配，確定了電能和熱能的生產成本[1-2]。熱電分攤可歸納為3類典型分配方法，即熱量法、實際焓降法和做功能力法。

熱量法是將總熱耗量按照供熱電廠生產2種能量的數量比例進行分配。熱量法供熱標準煤耗率如公式（1）所示。

（1）

式中：bstp（h）為供熱標準煤耗率，kg標準煤/GJ；ηb為鍋爐效率，%；ηp為管道效率，%。

熱量法認為，供熱的熱耗量為電廠對外供熱熱耗加上供熱時鍋爐和管道中的熱損失。該分配方法將生產電能和熱能的熱量視為等價，不反映不同參數供熱蒸汽質量方面的不等價。熱量法又稱為聯產效果歸電法。

實際焓降法是把聯產蒸汽的熱耗量，按照供熱抽汽焓降不足的部分與供熱機組凝汽發電時的實際焓降之比來分配供熱方面的耗熱量。實際焓降法供熱標準煤耗率如公式（2）所示。

（2）

式中：Btp為熱電廠總燃料消耗量，kg/h；Qh為抽汽熱量，kJ/h；Qnet，p為標煤低位發熱量，kJ/kg；Dh，t為抽汽流量，t/h；為主蒸汽流量，t/h；hh為抽汽焓，kJ/kg；h0為主蒸汽焓，kJ/kg；hc為汽輪機排汽焓，kJ/kg；i為機組臺數，i=1，2，... ；n為抽汽口數，n=1，2，...。

實際焓降法考慮了供熱抽汽的品質，供熱參數越高，供熱方面分攤的耗熱量越大。但實際上該法是把熱電聯產的好處全部歸功于供熱方面，即將冷源損失都歸到發電方面[3-4]。

做功能力法是把聯產蒸汽的耗熱量按照蒸汽的最大做功能力在熱、電產品間進行分配。做功能力法供熱標準煤耗率如公式（3）所示。

（3）

做功能力法以熱力學第一定律和第二定律為基礎，考慮了熱能的數量和質量差別，將熱電聯產得到的好處較合理地分配給熱、電2個方面，但因供熱汽輪機排汽參數與環境參數較接近，供熱方面分攤的耗熱量與實際焓降法算得的值相近，因此該法無法被生產單位接受[5]。

供熱標準煤耗率與供熱量相乘可得供熱熱耗量，那么發電方面的熱耗量就等于總熱耗量減去供熱熱耗量后的剩余部分，如公式（5）所示。計算發電熱耗量、發電機輸出電功率、標煤低位發熱量可得發電標準煤耗率，分別如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

式中：bstp（e）為發電標準煤耗率，kg標準煤/（kW·h）；Pe為發電機輸出電功率，kW·h；Qtp（e）為發電熱耗量，kJ/h；Qtp為熱電廠總熱耗量，kJ/h；Qtp（h）為供熱熱耗量，kJ/h。

2海水淡化成本核算

低溫多效蒸餾海水淡化的成本是一個受多種因素影響的復雜問題。海水淡化工程單位水量成本費用可分解為固定成本和可變成本。固定成本是指成本總額不隨產量變化的各項費用，主要包括工資或薪酬、固定資產折舊費、長期借款利息和其他費用等。變動成本是指成本總額隨產品產量變化而發生同向變化的各項費用，主要包括蒸汽、耗電、化學藥品、人工以及維修等費用[6]。本文重點研究包括蒸汽費、耗電費用、化學藥品消耗費用在內的變動成本。

制水耗標煤量將蒸汽、耗電成本統一到標準煤量上來，便于統計與分析，是海水淡化成本的綜合指標，應用了熱電分攤供熱標準煤耗率、發電標準煤耗率模型，如公式（6）所示。

Bdh=bstp（e）Wdh+bstp（h）Qdh（6）

式中：Bdh為制水耗標煤量，kg/h；Wdh為制水電耗量，kW·h；Qdh為制水熱耗量kJ/h。

某臨海電廠2臺300MW等級海水直流冷卻燃煤機組配備了低溫多效蒸餾海水淡化裝置，兼顧發電、供熱和制水的多聯產過程。其中，海水淡化用汽來自機組中壓排汽和輔助蒸汽。

根據機組發電、抽汽和海淡的熱力性能數據（見表1～表3），核算d得出海水淡化裝置經濟性指標數據，見表4。其中，管道效率取99%，鍋爐效率取93%，汽輪機排汽焓取2673kJ/kg，環境溫度為16.3℃，海水淡化用藥單位成本取0.46元/t，標煤單價取1079元/t。

海水淡化裝置采用不同的熱電分攤方法，包括汽、電和藥品在內的變動成本核算結果如下：熱量法為14.31元/t，實際焓降法為6.76元/t，做功能力法為9.01元/t。

出于熱電企業的特殊性考量，選擇不同的熱電分攤方法將影響終端電熱產品的成本，繼而影響企業決策和行業政策。

海水淡化成本除了與所采用的核算方法有關，還與裝置的運行績效相關，下文將選取熱量法進行成本分析。

3成本敏感性分析

將制水耗標煤量與淡化水量的比值定義為制水單耗，制水單耗是表征海水淡化制水成本的單耗指標，如公式（7）所示。

bdh=bwdh+b（7）

式中：bdh為制水單耗，kg標煤/t水；wdh為制水耗電率，指每制1t淡水所消耗的電量，kW·h/t水；qh為單位供熱量，kJ/kg；GOR為造水比，即淡水產量與首效加熱蒸汽消耗量的比值。

公式（7）由2部分組成，前半部分為制水耗電單耗，后半部分為制水耗汽單耗。其中，耗電方面與制水耗電率相關，耗汽方面與造水比相關。

選取熱量法海淡成本模型的核算統計見表5。從數量級上看，耗電方面占總制水單耗的7.9%，耗汽方面占92. 1%。可見通過技術優化降低造水比是降低制水成本的主要方向。

4技術優化

低溫多效蒸餾海水淡化造水比是指系統淡化得到的淡水與加熱蒸汽消耗量之比，是反映系統熱量利用率和整個海水淡化設備經濟性指標的重要參數。影響造水比的因素包括首效蒸發溫度、進料流量和傳熱系數等[7]。

在傳熱系數方面，物料海水在蒸發器內換熱過程中需要消耗海水蒸發產生的二次蒸汽加熱海水，并將其作為熱量補償。當物料水溫度較低時，此部分熱量需要從加熱蒸汽中獲得，導致加熱蒸汽量增加，影響經濟運行。根據表5的運行績效可知，2023年5月凝汽器入口海水溫度為22.65℃，遠低于設計值（28.9℃～31. 1℃），造水比為8.03。需要通過提高凝汽器入口海水溫度的技術優化措施，來達到提高造水比的目的。

4.1設備維護優化（換熱器的防污堵）

低溫多效海水淡化對進口海水水質要求不高，預處理工藝包括簡單的沉淀處理、粗濾過濾。換熱器采用板式結構，容易出現污堵現象，影響換熱器效果，需要對換熱器進行定期清洗，以提高換熱效率。換熱器清洗可采用離線解體清洗、在線超聲波清洗方式。定期工作安排在每年的夏、冬兩季。

4.2運行控制策略優化（海水溫度調節）

在不同的季節，海水溫度變化較大。根據海水溫度，通過調節凝汽器、海水預熱器和產品水冷卻器等海水管路調節門開度來控制凝汽器入口海水溫度，如圖1、表6所示。根據冷卻海水進入海水淡化系統的溫度，優化為3個控制模式。1）冬季模式。冷卻海水溫度為8℃～15℃。凝汽器入口海水溫度通過海水預熱器鹽水旁路調節門控制，閥門開度增大，鹽水溫度下降，反之鹽水溫度上升。海水預熱器冷卻海水旁路調節門完全關閉，所有冷卻海水從海水預熱器和成品水冷卻器通過。2）春秋季模式。冷卻海水溫度為15℃～25℃。凝汽器入口海水溫度通過海水預熱器鹽水旁路調節門控制，閥門開度增大，鹽水溫度下降，反之鹽水溫度上升。海水預熱器冷卻海水旁路調節門部分打開，部分冷卻海水經由此旁路管道直接流至凝汽器，其余冷卻海水從海水預熱器和成品水冷卻器通過。3）夏季模式。冷卻海水溫度為25℃～29℃。凝汽器入口海水溫度通過成品水冷卻器后冷卻海水排放門控制，閥門開度增大，鹽水溫度下降，反之鹽水溫度上升。冷卻海水旁路調節門部分打開，大部分冷卻海水經由此旁路管道直接流至凝汽器，其余冷卻海水從成品水冷卻器通過。一部分經成品水冷卻器后冷卻海水排放門排放，剩余部分與旁路海水混合流向凝汽器。海水預熱器冷卻海水出口門關閉，冷卻海水不從海水預熱器通過。

4.3優化后效果

海水淡化裝置在2023年6月停備期間進行了海水預熱器、產品水冷卻器清洗。7月份，通過運行控制策略優化調整，凝汽器入口海水溫度由22.65℃提高至30.6℃。造水比從5月份的8.03提高至7月份的9.17，降低了運行成本。2023年7月的制水量為45806t，月節能量為1. 14×45806/1000=52.22t標煤，節約成本5萬余元。

5結論

本文總結了熱電廠總熱耗量的分配方法和理論模型，厘清了電能和熱能的生產經濟指標。根據熱電分攤理論模型，推導出熱量法、實際焓降法、做功能力法3種海水淡化裝置運行成本核算方法，指導熱電廠生產經營。海水淡化裝置運行成本主要包括2個方面，一方面是制水耗電率，另一方面是造水比。本文分析了造水比低的主要因素，明確了調整方向。通過制定提高凝汽器入口海水溫度的技術優化措施，達到提升造水比運行績效、降低制水成本的目的。

參考文獻

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