分布式能源系统低温烟气余热利用经济性分析

2019-06-14江婷徐静静马琴余莉

综合智慧能源 2019年5期

江婷，徐静静，马琴，余莉

(1.中国华电科工集团有限公司，北京 100170；2.国家能源分布式能源技术研发中心，北京 100170)

0 引言

随着我国经济的发展，提高能源利用效率和降低污染物排放已经成为能源行业最为关注的两大目标。2015年以来，燃气分布式能源由于其高效、安全、清洁、环保的特性，在我国得到了大力发展[1-4]。在燃气分布式能源系统中，LM2500+G4型燃气轮机(以下简称燃机)发电效率高、排烟温度高，是最适合燃气分布式能源系统的燃机之一。LM2500+G4型燃机作为燃气-蒸汽联合循环发电机组的核心部分，通常配双压余热锅炉，余热锅炉的排烟温度通常为95～105 ℃。若进一步将排烟温度降低到80 ℃左右，此部分排烟余热可利用部分在3 MW左右，提高此部分余热的利用率对提升系统整体能源利用效率有重要意义。目前国内很多学者和工程师都在研究分布式能源系统低温烟气的利用。沈永兵等[5]建立了一个以低温烟气为热源的宏观余热发电模型，研究得出余热回收量和余热锅炉排烟温度是影响系统净输出功率的两个主要因素；马琴等[6]利用LM2500+G4型燃气-蒸汽联合循环发电机组余热锅炉尾部的余热加热天然气进气系统，通过对比分析，将天然气加热至80 ℃时技术经济性能最优，该方案不仅显著提高了系统综合能源利用效率，还提高了机组运行的经济性、可靠性和安全性，有效防止了低温腐蚀。

图1 烟气余热外供生活热水系统Fig.1 Hot water supplying system heated by flue gas waste heat

本文主要讨论将联合循环机组烟气余热发电后的低温余热全部或部分用于产生生活热水(一般只需50～60 ℃)的方案。根据目前分布式能源系统的排烟温度，余热可以利用的温度空间比较大。在几乎不影响燃机、余热锅炉及溴化锂机组运行的前提下，可以利用烟气余热生产90 ℃左右的热水供给相应用户，如厂区内的职工食堂、浴室或厂区外居民区、酒店等用户使用。

1 系统介绍

图1为烟气余热外供生活热水系统，整个系统由余热锅炉、水-水换热器、自来水供水泵以及蓄热水罐区组成。由于外部用户情况较为复杂多变，本文的研究中采用蓄热水箱，将热水蓄积在水箱内，通过铺设管道直供用户或将热水采用车载的方式对外销售。考虑到运输成本，本文给定的热水价格会低于常规热水价格。本文更偏向于研究热水量、热水价格、自来水价格变动时，系统经济性的变化。系统采取在余热锅炉尾部烟道内扩大低压省煤器换热面面积的方式提高对低温烟气余热利用率，此时低压省煤器兼具了尾部烟气加热器的作用。20 ℃左右的自来水通过自来水供水泵增压后输送至水-水换热器，与余热锅炉产生的热源水进行换热，自来水被加热到90 ℃后被储存到蓄热水罐区。

2 运行模式分析

考虑到系统可提供的余热利用量和用户使用情况的变化，分别考虑余热利用量为3，2，1 MW的运行情况。基于实际项目情况，考虑3种外输模式：外输模式1，白天集中外输水，上午3 h，下午3 h，储水18 h；外输模式2，白天8 h外输水，储水16 h；外输模式3，白天2×8 h分两班制输水，储水8 h。根据余热利用量和外输模式，本文共研究9种方案，见表1。

表1 研究方案汇总Tab.1 Summary of research schemes

根据余热利用量可确定热水流量，根据外输模式可以确定不同方案下蓄热水罐容量。在余热利用量分别为3，2，1 MW时，热水流量分别为32.73，22.04，11.02 t/h。图2给出了不同方案的蓄热水罐容量。由图2可知，当余热利用量不变时，储水时间越长，需要配备的蓄热水罐越大；当外输模式不变时，蓄热水罐容量随着烟气余热利用量的减小而减小。整体来看，方案A蓄热水罐容量最大，方案I蓄热水罐容量最小。

图2 9种方案下蓄热水罐容量Fig.2 Storage capacity of tanks under 9 schemes

3 方案投资分析

烟气余热外供生活热水系统的低温烟气余热利用方案总投资如图3所示。不同方案的总投资变化趋势和不同方案蓄热水罐容量的变化高度一致，这是由于蓄热水罐投资在投资中占比最高。

图3 9种方案下系统总投资Fig.3 Total investment of the system with 9 schemes

4 经济性影响因素分析

烟气余热外供生活热水系统主要产品为热水，因此影响系统收益的主要因素为热水价格和自来水价格，本文将对这2个因素进行分析。

4.1 热水价格对系统经济性的影响

热水价格的高低直接影响了烟气余热外供生活热水系统的年净收益，图4、图5分别给出了热水价格为12.0～20.0元/t时不同方案系统的年净收益和投资回收期。为了计算方便，自来水价格恒定为5.0元/t。

图4 9种方案下系统年净收益与热水价格的关系Fig.4 Relationship between annual net income of the system and hot water price under 9 schemes

图5 9种方案投资回收期与热水价格关系Fig.5 Relationship between investment payback period and hot water price of 9 schemes

从图4中可知，方案A，B，C的年净收益几乎相同，方案D，E，F年净收益几乎相同，方案G，H，I年净收益几乎相同，这是由于本系统年运维成本及其他成本较少，年净收益主要和热水量挂钩，而年净收益近似的3种方案售热水量是相同的。年净收益和热水量成正比，随着热水价格升高，系统年净收益线性增大。

图5给出了当自来水价定为5.0元/t时，9种方案投资回收期与热水价格的关系，系统投资回收期最长为2.4年，最短为0.5年。当外输模式固定时，系统投资回收期随着热水价格提高而减短，但是降低的比率逐渐减小；当余热利用量固定时，对于投资回收期而言，外输模式3<外输模式2<外输模式1，说明系统外输水量恒定时，蓄热水罐容量越小，系统越经济。方案C投资回收期最短，但是由于输出的热水量大，因此需要的热用户较多，方案G投资回收期最长，但是需要的热用户相对较少。因此，当实际项目采用烟气余热外供生活热水系统时，可根据用户热水需求量和外输模式选择系统方案。

4.2 自来水价格对系统经济性的影响

与热水价格影响相反，当热水价格不变时，自来水价格越高，烟气余热外供生活热水系统的年净收益越低。图6给出了自来水价格为4.2～5.8元/t时不同方案的系统年净收益和投资回收期，为了计算方便，此时热水价格恒定为12.0元/t。

由图6可知，方案A，B，C的年净收益几乎相同，方案D，E，F的年净收益几乎相同，方案G，H，I年净收益几乎相同，说明随着自来水价格升高，系统年净收益线性减少。

图7给出了当热水价格定为12.0元/t，自来水价格为4.2～5.8元/t时，9种方案投资回收期与热水价格的关系。由图7可知，系统投资回收期随着自来水价格的提高逐渐增长，增长率也逐渐增大。固定余热利用量时，对于投资回收期而言，外输模式3<外输模式2<外输模式1，说明系统外输水量恒定时，蓄热水罐容量越小，系统越经济。

方案C的投资回收期最短，经济性较好，投资回收期最短；方案G投资回收期最长，余热利用水平最低。综合来看，将燃机尾部烟气全部用来生产生活热水时，系统经济性较好。