热电厂冷水机组方案优选

李文胜

（中电投电力工程有限公司，上海200233）

0 前言

某热电联产项目位于夏热冬暖地区 （海南洋浦），根据项目批复文件，配套供热管网凝结水回收，其参数：1.0MPa／100℃；流量：230m3／h。按《工业余热术语、分类、等级及余热资源量计算方法》 （GB／T1028-2000）有关规定，此余热资源属于二类，应尽快回收利用。现有对此利用方式是直接去给水系统作回热用。

热电厂具有丰富的汽源，冷水机组常采用蒸汽型双效吸收式 （扩建工程常采用这种方案）或蒸汽型双效吸收式＋电动压缩式 （其作为备用机组，因热电厂投运之前无汽源，新建工程常采用这种方案）设计方案。全厂空调、降温通风系统的冷负荷大 （约为2325kW），且全年运行时间长，宜采用集中制冷站设计方案。

结合上述情况，本项目初步选用单双效结合溴化锂吸收式冷水机组，从热网回至热电厂的凝结水接冷水机组单效发生器先经加热后再去锅炉给水系统作回热用，来自低压辅助蒸汽联箱或汽轮机低压缸的蒸汽接冷水机组高压再生器，凝结水和蒸汽作为单双效机组的驱动热源。根据热源条件和冷负荷变化，单双效机组既可单效，也可双效，再或单、双效结合运行。

选择冷水机组方案时，因结合了余热资源利用，故各方案的运行费用不容易确定，而运行费用却是影响决策的重要指标。

本文运用动态费用年值法＋层次分析法＋模糊综合评价法，以便得到全面、合理、准确、科学的结果，提高方案优选的可靠性和精度。

1 经济性对比分析

从集中制冷系统形式，以及相关辅助设备、安装和土建部分等方面，对冷水机组分别采用水冷螺杆式冷水机组 （以下简称水冷机组）、单双效结合溴化锂吸收式冷水机组 （以下简称单双效机组）、蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机组 （以下简称双效机组）和风冷螺杆式冷水机组 （以下简称风冷机组）的四个方案进行经济性对比分析；为对比简化起便，风冷螺杆式冷水机组 （以下简称风冷机组）方案先扣除冷却水系统的初投资和冷却水泵的耗电量 （300kW）以及部分土建部分费用；各方案均不考虑备用机组；对应锅炉给水系统回热设备相差不大，因此，以下内容只对冷水机组进行经济性对比分析。

以上对比分析同时也将100℃的凝结水直接对锅炉给水系统回热的设计方案和先对单双效机组加热然后将产生的87.58℃的凝结水再对锅炉给水系统回热的设计方案也作了经济性对比分析。

因水冷机组不需要使用热网回来的凝结水，所以经济性对比分析均以它为基准。

1.1 冷水机组主要性能参数对比表

表1 .1-1 冷水机组主要性能参数对比表Tab.1.1-1 Comparison table of main performance parameters of water chillers

注：项目投运初期，热负荷较低，热网凝结水回水量不能满足额定制冷量要求，如单双效机组要达到满负荷运行要求，必须另加入部分蒸汽使机组单、双效结合运行。

1.2 运行费用对比

基准方案 （水冷机组方案）、方案一 （单双效机组方案）、方案二 （双效机组方案）、方案三（风冷机组方案）的运行费用对比见表1.2-1。

表1 .2-1 运行费用对比Tab.1.2-1 Comparison for operating cost

注：

1）本表仅对冷水机组能耗作对比；

2）在年运行费用中，燃料费和电费对方案比较的影响较大，而水费较小且区别不大，因制冷系统构成基本相同，故仅对燃料费和电费作对比；

3）考虑人工费及维护管理费较小，相差也不大，表中也未计入；

4）热力 （当量值〉折标煤系数：0.03412 kgce／MJ；

5）再热机组热耗量可由式 （1）计算［1］：

式中：

Qsr— 汽轮机热耗量，kJ／h；

Dzq—汽轮机主蒸汽流量，t／h；

hzq—汽轮机主蒸汽焓值，kJ／kg；

Dgs—最终给水流量，t／h；

hgs—最终给水焓值，kJ／kg；

Dzr—汽轮机再热蒸汽流量，t／h；

hzr—汽轮机再热蒸汽焓值，kJ／kg；

Dlzr—冷再热蒸汽流量，t／h；

hlzr—冷再热蒸汽焓值，kJ／kg；

Dgj—过热器减温水流量，t／h；

hgj—过热器减温水焓值，kJ／kg；

Dzj—再热器减温水流量，t／h；

hzj—再热器减温水焓值，kJ／kg；

Dgoi—锅炉侧排出 （或漏出）的第i股蒸汽（或水）的流量，如锅炉排污、吹灰或其他泄露，t／h；

hgoi—锅炉侧排出 （或漏出）的第 i股蒸汽（或水）的焓值，如锅炉排污、吹灰或其他泄露，kJ／kg。

1.3 年费用比较

基准方案、方案一、方案二、方案三的年费用比较结果见表1.3-1。

表1 .3-1 年费用比较Tab.1.3-1 Comparison for Annual cost

注：本表采用动态费用年值法对基准方案、方案一、方案二、方案三进行经济性比较。年费用的计算公式为：

式中：

AW—年费用，万元；

C0—初投资，万元；

C—年运行费用，万元；

i—年固定费用率，取10．1852%；

m—使用寿命，取15年。

由上述数据比较可知，单双效机组方案经济性较优，水冷机组方案次之，双效机组再次之。

2 综合性对比分析

本文采用的层次分析法对需多目标、多标准、多因素、多方案综合评价的冷水机组设计方案优选被公认为相当有效。

为避免层次分析法在标度等问题上存在的局限性，克服过分主观偏好、片面性，本文运用插值法和隶属度概念对主、客观因素进行量化处理来加以弥补，使确定权重的方式更客观。

按所比选冷水机组的技术特征，选取经济性B1（直接、间接费用及效益、能源市场价格及其变化等）、可行性和可靠性B2（资源条件、气候适应性、制冷出力的衰减性、运维管理等）、调节性和可操作性B3（冷、热量调节能力、稳定性和鲁棒性等）、安全环保性B4（防火防爆、环境及职业健康安全管理、制冷剂的环保性能、碳排放等）和寿命B5（设备的经济寿命、使用寿命等）这5个一级评价因子进行综合评价。其中B1为定量指标；B2～B5为定性指标，用1～9标度 （相对重要性程度）法两两相互比较后打分确定。从基准方案C1、方案一C2、方案二C3、方案三C4中优选出冷水机组方案A。各层次中选取的评价因子应互相独立，使综合评价结果做到客观真实，如相互之间有关联，则需引入网络层次分析法等方法。注：因各冷水机组的环保性能差异容易区别，故对生命周期评价 （LCA）中的常规成本、环境影响成本结合一起考虑。

对B1评价因子，令各方案年费用集合 （0，-59，39，51）中数值0对应得分为1，数值-59对应得分为5，将数值39，51进行均匀插值处理后再在1～1／5之间打分 （分母取整），得出新集合 （1，5，1／3，1／4），以此为基础得到 B1-C判断矩阵如下：

层次结构模型如图2-1所示：

计算A-B判断矩阵的特征向量并归一化处理后求得标准化特征向量bj（＝乘积n次方根／n次方根之和），见表2-1。

图2 -1 模型分层结构示意图Fig.2-1 Block diagram of Hierarchical structure of model

表2 -1 A-B判断矩阵标准化特征向量计算过程Tab.2-1 Calculation process of standardized eigenvectors of A-B judgment matrix

对A-B、B2-C、B3-C、B4-C、B5-C判断矩阵，各矩阵数值暨评价结果 （综合隶属度）按模糊数学中的最大隶属度原则根据模糊综合评价法确定，其中评价等级分成9档暨评价级V＝{1，2，3，4，5，6，7，8，9}，评价项目 （权重）为以上矩阵数值的计算项。打分由本专业科室人员完成。如紧排在最大隶属度所在等级之后的二个等级的综合隶属度之和≥0．5，则评价等级应下调一个等级。

B2-C、B3-C、B4-C、B5-C判断矩阵如下：

按以上方法，将B2～B5判断矩阵的标准化特征向量cij填入表2-2中。

在云算子网页（http：／／www.yunsuanzi.com／）上通过 “矩阵特征值及特征向量在线计算”求得各判断矩阵的最大特征根λmax，并将结果填入表2-2中。基于云计算技术的云算子可在线求解矩阵运算、数学规划和数据挖掘等领域内的问题。

表2 -2 一致性检验计算过程Tab.2-2 The calculation process of consistency check

表2-2中，一致性指标CI按下式计算：

式中，λmax—最大特征值；n—矩阵阶数。

A-B判断矩阵的最大特征值λmax＝5．266，则

随机一致性指标RI查表2-3可得。

表2 -3 随机一致性指标 （RI）数值表Tab.2-3 Numerical table of stochastic consistency index（RI）

因此，A-B、B1-C、B2-C、B3-C、B4-C、B5-C判断矩阵层次单排序均通过一致性检验（0≤CR＜0.1），具有满意一致性。

层次总排序一致性比率CR按下式计算：

层次总排序通过一致性检验。

总排序权值ci按下式计算：

从而得出方案层对目标层的总排序权值：

因方案一c2＞基准方案c1＞方案二c3＞方案二c4，故应首选方案一，基准方案次之，方案二再次之。没有余热利用时，仅对方案c1、c3、c4进行比选，应选基准方案。

3 讨论

结合本文实例，针对DLT 5035-2016：《发电厂供暖通风与空气调节设计规范》第10.2.3条“发电厂人工冷源选择应符合下列原则：”，第1节“当锅炉烟气或其他废热温度较高，且经技术经济论证合理时，宜采用溴化锂吸收式冷水机组供冷；”，目前中、高温余热利用技术经过多年的发展已比较成熟，为降低机组热耗和发电标煤耗，这些废热往往应用于锅炉给水回热系统、空预器、暖风器、性能加热器、供热首站等系统或设备中，故这一条文在设计工作中无实操性；其也不如电动压缩式冷水机组可靠，在全部主机停运时，会无“热”可用。

第2节 “当汽轮机较低级抽汽汽源有可靠保证时，宜采用溴化锂吸收式制冷机组供冷；”，从前述对比分析中看出，相比水冷螺杆式冷水机组，蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机组在经济性、综合性能上均不占优势。此条内容值得认真商榷。

虽中、低温余热利用技术投资回收期较长，但其节能潜力较大，只要找到适合的应用场合，通过改进现有工艺系统，优化设计方案，提升设备功能（如本文中的单双效机组），对热能进行转化及升温、梯级利用、一热多用等，还是会有较好的经济效益，如本文实例。

从优化设计及科学决策角度，故宜对第10.2.3条进行细化。

4 结束语

对于拥有丰富余热资源的企业，可将余热资源利用和用冷需求作为一个整体来考虑，以便从整体上得出对电厂最优化的设计方案。单双效机组对低品位余热资源的利用更高效，能提高汽轮发电机组的热经济性和绝对内效率，建议有热网凝结水回收要求的热电厂，冷水机组宜按单双效机组选型。