联合循环机组烟气余热利用制冷项目研究及经济性分析

贾利访，刘丽丽（.中国华电集团公司上海分公司，上海00000；.国家能源分布式能源技术研发中心，浙江杭州30030）



联合循环机组烟气余热利用制冷项目研究及经济性分析

贾利访1，刘丽丽2
（1.中国华电集团公司上海分公司，上海200000；2.国家能源分布式能源技术研发中心，浙江杭州310030）

摘要：为解决国内某联合循环燃机电厂自用电率高、气价上涨的实际情况，开展烟气余热利用制冷项目技术研究以及经济性分析，选取两种余热利用方式，在不同的边界条件下进行比较，得出结论，为电厂余热利用制冷改造项目提供可行性方案，提高机组运行的经济性。

关键词：余热制冷；经济性分析

0　引言

国内某联合循环燃机电厂采用6F级重型燃机组成的燃气－蒸汽联合循环供热机组，建设“2拖1”燃气－蒸汽联合循环供热机组，容量为246MW，配置2套50t/h燃气锅炉作为供热备用。

目前该电厂化水楼、集控楼及办公室冷（热）负荷需求较高，电厂发电自用电率占发电量的3%，同时天然气气价较高，且气价涨价趋势明显，为进一步提高能源利用率，为电厂整体运行提供科学合理的技术支持，在测算综合数据后，选择两种余热制冷方案，并进行比较，研究得到电厂余热利用最佳供能方案。

1　负荷和供能模式分析

1.1负荷分析

根据该电厂提供的气象、环境等的测算，该燃机电厂中的办公室、化水楼、集控楼总的冷负荷为1591.7kW，总热负荷为1057.9kW。

表1　电厂负荷分析

1.2供能模式选取

供热制冷模式基本上可分为以下几类：市政集中供热，冷冻站集中供冷；自建锅炉房供热，冷冻站集中供冷；水源热泵系统供热供冷；VRV多联机独立系统；直燃型溴化锂机组供热/制冷系统；余热型溴化锂供热/制冷系统。建设项目采用哪种供热/制冷方式，往往受到市政条件、建筑物形式、建筑使用性质及使用特点、园区建筑布局、供热/制冷方式的投资大小与回收周期的长短、系统运行的安全可靠程度、系统维护运行费用的经济性、物业管理难易程度与收益大小等多种因素的影响，依据建设项目的自身条件和特点选用最适合本项目的方案，是必须遵循的基本准则。结合本项目的预期目标和电厂实际情况，选用余热型溴化锂机组供能方案。其具有消耗低品位热源、节能环保、可靠性高、耗电量很小、一机两用或三用等特点。

2　设计方案

根据对该电厂数据的调研情况，该电厂经常处于75%负荷工况运行，为保证余热利用系统以最优工况运行，故采用电厂夏季75%工况参数作为余热利用系统选型依据，本次设计中主要选取蒸汽型和热水型溴化锂机组为余热回收设备。

2.1方案一：蒸汽型溴化锂机

组方案设计

蒸汽型余热利用系统制冷所需蒸汽量Qzl：

蒸汽型余热利用系统制热所需蒸汽量Qzr：

式中 hin—蒸汽进口焓值，kJ/kg；

hout—蒸汽出口焓值，kJ/kg；

Pzl—制冷热源功率；

Pzr—制热热源功率；

制冷COP—1.41；

制热COP—0.95。

计算得到：

Qzl=1.732t/h，Qzr=1.7t/h。

根据公式：

式中 c—水的比热容，kJ/（kg·K）；

t1—冷水额定出口温度为7℃；

t2—冷水额定进口温度为12℃；

t3—热水出口温度为65℃；

t4—热水进口温度为55℃。

计算得到冷水流量Qls为274m3/h；热水流量Qrs为90.8m3/h；冷却水流量Qlq为366m3/h。

2.2方案二：热水型溴化锂机组方案设计

热水型溴化锂机组主要参数如下：

式中 制冷COP—1.1；

制热COP—0.95。

得到热水型余热利用系统制冷需求电厂提供热源功率P水冷为1454kW；制热需求电厂提供热源功率P水热为1115kW。

根据公式：

计算得到余热利用系统热水流量Qrs为90.8m3/h；冷却水流量Qlq为366m3/h。

3　余热利用方案对发电系统影响分析

3.1蒸汽型溴化锂系统抽蒸汽影响分析

根据抽取蒸汽量Δx与功率损失量ΔP之间的关系为：

式中 y—功率修正率；

x—低压蒸汽流量，t/h；

P—汽轮机发电功率；

Δx—抽取蒸汽量；

ΔP—功率损失量。

计算汽轮机因为余热制冷损失的功率为：ΔP=201.06 kW。

即蒸汽型溴化锂机组抽取蒸汽时，系统发电量减少201.06kW。

3.2热水型溴化锂系统抽蒸汽影响分析

（1）低压蒸汽变化对汽轮机功率影响

抽取蒸汽量ΔQ与功率损失量ΔP1之间的关系为：

式中 P1—汽轮机发电功率；

y1—功率修正率；

Q—低压蒸汽流量，t/h；

ΔQ—抽取蒸汽量；

ΔP1—功率损失量。

汽轮机因为余热制冷损失的功率为：ΔP1=142.03 kW。

（2）低压蒸汽焓值对汽轮机的功率的影响

汽轮机抽取蒸汽焓值变化Δh与功率损增加量ΔP2之间的关系为：

式中 P2—汽轮机发电功率；

y2—功率修正率；

h—低压蒸汽流量，t/h；

Δh—抽取蒸汽量；

ΔP2—功率损失量。

汽轮机因为低压蒸汽焓值的上升而增加的功率：ΔP2=26.31kW

综上所述，热水型溴化锂制冷机组，应为抽取热水导致汽轮机下降的功率为ΔP=ΔP1-ΔP2=115.72kW。

4　设计方案经济性分析

4.1投资估算

经测算蒸汽型溴化锂机组余热利用系统总投资约469.3万元，热水型总投资约431.5万元。

4.2财务评价

（1）蒸汽型溴化锂余热利用方案经济性分析

当上网电价为0.96元/kWh，系统供能时间为2673h，燃气联合循环分别向余热利用系统供能1000h，其余时间系统热源来自余热锅炉，系统供热价格为90 元/GJ，系统供冷价格为190元/GJ，对蒸汽型溴化锂机组余热利用系统方案财务评价见表2。

表2　项目财务指标

由上表可知，本方案项目投资财务内部收益率为15.53%，资本金内部收益率为16.16%，资本金净利润率为10.58%，项目盈利能力强。

（2）热水型溴化锂余热利用方案经济性分析

当上网电价为0.96元/kWh，系统总供能时间为2673h，燃气联合循环分别向余热利用系统供能1000h，其余时间系统热源来自余热锅炉，系统供热价格为90 元/GJ，系统供冷价格为190元/GJ，对热水型溴化锂机组余热利用系统方案进行财务评价计算。项目盈利能力分析见表3。

表3　项目财务指标

由上表可知，本方案项目投资财务内部收益率为11.53%，资本金内部收益率为11.91%，资本金净利润率为7.51%，项目盈利能力强。

4.3不同边界条件下经济性分析

当电价为0.77元/kWh，天然气价格为3.36元/m3，每天运行11h，年运行2673h，燃气联合循环供能1000h，其余热源来自燃气锅炉，供热价格为90元/GJ（1.01MPa，360℃），两种余热利用制冷方案经济性分析见表4。

表4　两种方案2015年运行边界条件下敏感性分析

当蒸汽型溴化锂余热利用系统上网电价为0.96元/kWh，系统总供能时间为2673h，燃气联合循环分别向余热利用系统供能1000h、2000h、2673h时，其余热源来自燃气锅炉时，各边界条件下，蒸汽型溴化锂余热利用系统方案经济性分析见表5。

表5　蒸汽型溴化锂系统不同边界条件下经济性分析

从图中可以看出：当燃气联合循环系统向余热利用系统供能时间越长，方案经济性越好。

当热水型溴化锂余热利用系统上网电价为0.96元/kWh，系统总供能时间为2673h，燃气联合循环分别向余热利用系统供能1000h、2000h、2673h时，其余热源来自燃气锅炉时，各边界条件下，蒸汽型溴化锂余热利用系统方案经济性分析见表6。

从图中可以看出：当燃气联合循环系统向余热利用系统供能时间越长，方案经济性越好。

当蒸汽、热水型溴化锂余热利用系统上网电价为0.96元/kWh，燃气锅炉供热价格为90元/GJ，系统总供能时间为2673h，燃气联合循环分别向余热利用系统供能1000h、2000h、2673h时，其余热源来自燃气锅炉时，各边界条件下，蒸汽、热水型溴化锂余热利用系统方案经济性分析见表7。

从图中可以看出：当联合循环系统向蒸汽、热水型溴化锂系统供能不小于2673h时，其他边界条件相同时，热水型溴化锂系统方案经济性最高、蒸汽型溴化锂系统方案次之。

当蒸汽、热水型溴化锂余热利用系统上网电价为0.96元/kWh，燃气锅炉供热价格为90元/GJ，系统总供能时间为2673h时，燃气联合循环系统向余热利用系统供能时间越长，方案经济性越好。上网电价、燃气锅炉供热价格影响蒸汽、热水型溴化锂系统方案经济性。当燃气联合循环系统向余热利用系统供能时间超过1650h时，热水型溴化锂系统经济性高于蒸汽型溴化锂系统，当燃气联合循环系统向余热利用系统供能低于1650h时，热水型溴化锂系统经济性低于蒸汽型溴化锂系统。

表6　热水型溴化锂系统不同边界条件下经济性分析

表7　蒸汽、热水型溴化锂系统相同边界条件下经济性分析

4.4方案对比分析

蒸汽型、热水型溴化锂供能方案比对分析见表8（当蒸汽、热水型溴化锂余热利用系统上网电价为0.96 元/kWh，燃气锅炉供热价格为90元/GJ，系统总供能时间为2673h，燃气联合循环分别向余热利用系统供能1000～2673h时经济性分析对比）。

表8　两种方案对比分析

从上表分析可知：

（1）从能的梯级利用角度考虑，天然气与电的能品位较高高蒸汽能源品位此次之，热水能源品位最低，应优先选择热水型溴化锂供能方案；

（2）系统投资中蒸汽型溴化锂系统高于热水型溴化锂系统方案；

（3）当联合循环系统运行小时数在1000～2673h范围内时，蒸汽、热水型溴化锂系统运行成本随着联合循环系统运行时间的增长而降低。

（4）当蒸汽、热水型溴化锂余热利用系统上网电价为0.96元/kWh，燃气锅炉供热价格为90元/GJ，联合循环机组运行时间小于2673h时，联合循环机组运行时间越长，方案经济性越好。

（5）当燃气联合循环系统运行小时数高于超过1650h时，热水型溴化锂系统经济性高于蒸汽型溴化锂系统，当燃气联合循环系统运行小时数低于1650h时，热水型溴化锂系统经济性低于蒸汽型溴化锂系统。

（6）当联合循环系统运行小时数不小于2673h时，其他边界条件相同时，热水型溴化锂系统方案节能性高。

5　结语

该厂用天然气供给充足，并且厂内天然气输送管网发达，能够满足新增天然气需求，蒸汽型、热水型溴

化锂机组都有驱动能源，方案都具有可行性；余热利用系统不改变电厂现有场地的规划布局；能够利用现有的厂房空间完成供冷（热）系统管道的布置，可对现有的空调系统和冷却水管网系统几乎不加改动的利用，两种技术方案具有工程可实施性；当联合循环发电机组运行小时数低于1650h，建议实施蒸汽型溴化锂机组方案；运行小时高于1650h，建议实施热水型溴化锂机组方案。

本次研究工作为该电厂即将开展的烟气余热制冷利用改造提供了可行性技术方案，进一步节约了能源利用率，提高了机组运行的经济性。

参考文献：

[1]孟凡强.锅炉烟气余热利用系统的设计[J].华电技术，2012（07）：65～67.

[2]花秀峰，李晓明.火力发电厂烟气余热利用的分析与应用[J].节能，2011，（12）：89～91.

[3]赵玺灵，付琳，江亿.天然气供热中烟气余热利用的潜力及途径[J].区域供热，2013，（03）：41～45.

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

作者简介：贾利访（1976-），男，湖北阳新人，硕士，工程师，主要从事能源规划和能源技术研究工作；刘丽丽（1979-），女，吉林省吉林市人，硕士，主要从事控制系统研究工作。

中图分类号：TK115

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）01-0001-05

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.001