小型燃機耦合海水淡化系統的方案優化設計

黃維林，劉曉偉中國東方電氣集團中央研究院系統集成所

小型燃機耦合海水淡化系統的方案優化設計

黃維林，劉曉偉
中國東方電氣集團中央研究院系統集成所

在原有兩類多聯產分布式燃機發電方式（即單循環發電和聯合循環發電）的基礎上，提出耦合多級閃蒸海水淡化系統，并提出三種優化方案，通過熱平衡和經濟性分析計算，結合情況，選擇出適合實際工程尋求的優化配置。

分布式能源；熱電冷多聯產；海水淡化；熱平衡計算；經濟性分析

引言

分布式能源（Distributed Energy Resources）是相對于常規集中式能源供應方式提出的，將能源供應建立在用戶端，根據目標用戶的特殊需求進行需求化能源配置的一種方式。一般情況下，微小型燃機、柴油/內燃機、太陽能光伏/光熱、燃料電池等均可以應用到分布式能源系統發電中。區別于集中式能源供應方式，分布式能源能夠在消費端提供能源輸出，最大化利用建設地特殊的能源結構（如工廠廢氣廢熱，城市管網，當地太陽能、風能等）來滿足能源用戶的實際需求。帶熱電冷的多聯產分布式能源（Combined Cooling Heating and Power，簡稱CCHP）是在一般發電分布式能源基礎上，將區域供熱（如民用熱水供熱，工業蒸汽供熱，工藝供熱等）及集中供冷（如離心式制冷機，吸收式制冷設備等）集成進去的一種方式。其最大的優點是提高了整體分布式能源機組的全廠循環熱效率。根據國家計委等四部委急計基礎[2000]1268號文件規定的評定熱電聯產機組熱經濟性指標方法，通過以下兩組公式計算機組的效率。

新建熱電廠的年平均全廠熱效率可用公式計算：

式中 P(a)表示年供電量（kWh/a），Qa表示機組年向外輸出熱/冷負荷總和（GJ/a），G(a)表示電廠年燃料耗量（kg/a），Qlv表示燃料低熱值（kJ/kg），PH表示機組總額定發電功率（kW），H3表示年運行小時數。

新建熱電廠的熱經濟性可用公式計算：

式中CAP表示項目總資產投入，P表示電廠總發電功率（kW），Qh表示電廠供熱量（kW），Qc表示電廠制冷量（kW），T0表示環境溫度（℃），Th表示供熱熱源溫度（℃），Tc表示制冷冷源溫度（℃）。

目前，CCHP的循環熱效率在74%左右，而一般聯合循環分布式機組循環效率僅50%左右。所以當前新建CCHP的項目越來越多。

本文基于通用電氣旗下較為成熟的小型燃氣輪機GE 6541B作為分析對象（基本參數見表1），將海水淡化系統耦合到CCHP系統中，對新系統進行熱力優化計算以及經濟性比較，分析采用熱電冷多聯產耦合海水淡化系統優化設計的可行性以及經濟效益。

表1　GE 5271RA輕型燃氣輪機參數

此外，整個分析過程依托某特定發電項目，其基本環境與設計參數為了如下幾點限制：

（1）當地設計溫度取25℃，環境相對濕度按70%；

（2）當地海拔300m，即根據大氣壓修正公式，得出的當地設計環境壓力為0.778bar；

（3）燃料采用單燃料，計算中簡化為CH4；

（4）燃料、電網、淡水、熱冷產品價格按最近時間公開價格為準；

（5）工程及施工價格按中國非工會費率進行折算，價格單位以美元為準（USD）；

（6）通貨膨脹及其他固定費率均以4.5%進行考慮；

（7）其他影響因素均以對應標準的默認值或推薦值執行。

1.CCHP系統分析及耦合海水淡化系統地優化

1.1常規CCHP系統簡介

常規CCHP系統是在燃氣輪機/柴油機的簡單循環或聯合循環基礎上，從余熱鍋爐過熱器出口或蒸汽輪機抽汽口抽出工藝蒸汽，通過減溫減壓裝置或者直接供給方式送入熱網首站、工廠工藝用汽、熱交換器或吸收式制冷蒸發器。CCHP的配置方案豐富，一般用于分布式能源的CCHP可以根據消費端對熱、電、冷需求比例不同選擇熱源接入口和發電設備的數量和型號。例如注重發電量的電廠可采用聯合循環方式，熱電需求大的電廠可采用單循環機組或者聯合循環背壓機組。

1.2海水淡化系統簡介

海水淡水系統是沿海缺水地區解決用水資源的重要途徑，其技術發展起始于上世紀50年代。通過數十年的發展創新，海水淡化系統無論從分離方式，還是淡水產水量，產水純度都有了巨大的發展。位于沙特吉達西北的拉比格市已經在新建世界最大海水淡化廠，日淡化能力達600,000m3，而世界范圍內的海水淡化產量已經遠遠突破了35,000,000 m3。

從分離方式來分類，海水淡化技術主要有蒸餾法、膜法、離子交換法、結晶法及溶劑萃取法等。其中蒸餾法又分為多級閃蒸法（MSF）、多效蒸發（MED）和壓汽蒸溜（VC），而膜法則包含反滲透（RO）和電滲析法（ED）。目前用于大規模制水的分離技術主要是MSF、MED和RO。本文將MSF技術耦合到CCHP中，利用汽輪機低壓抽出的過熱或飽和蒸汽作為加熱熱源，通過多級加熱蒸發分離方式，將淡水從鹽水中分離出來。而副產品濃鹽水則進入后續工藝應用如制鹽，提純或工業應用。MSF系統示意見圖1所示。

圖1　國內MSF系統流程示意圖

1.3系統優化方案

綜上所述，耦合MSF的CCHP系統可以存在多種配置方案，本文通過筆者多年項目設計經驗，通過對各類方案的反復比較，選擇出三套最具代表性優化方案作為備選：

方案1：

采用單循環CCHP，從余熱鍋爐過熱器抽汽加熱MSF產生淡水和提供供熱熱源，從余熱鍋爐直接抽汽作為熱源進入熱網加熱器和制冷一體機加熱；

方案2：

采用聯合循環抽凝CCHP，汽輪機中壓抽汽與鍋爐中壓參數抽汽共同作用加熱MSF產生淡水，高壓主汽閥前引一路作為MSF真空熱源，凝汽器作為熱網第一級換熱器，同時部分回水進入HRSG低壓省煤器處加熱，最后匯總到汽機DHC進行二級換熱；

方案3：

采用聯合循環背壓CCHP，汽輪機中壓抽汽與鍋爐中壓參數抽汽共同作用加熱MSF產生淡水，高壓主汽閥前引一路作為MSF真空熱源，汽機乏汽作為熱源送入熱網加熱，然后送入汽機DHC進行二級換熱。

2.系統優化分析

2.1熱力分析比較

對三種方案分別進行熱平衡與物料平衡計算，計算結果摘取部分信息整理得表2。

表2　方案間熱力計算結果對比

2.2經濟性比較

對三種方案分別進行經濟性分析，截取其中的項目總投資成本、內部投資回收期和投資回報率三項敏感因素整理得表3。

表3　方案間經濟性計算結果對比

2.3其他因素分析及方案取舍

除了項目電廠效率和投資成本外，具體方案取舍的還有設備設計和實際消費地需求傾向性。針對上述三個優化方案不難看出，單循環雖然循環效率和單機發電總量低，但實際淡水產量最高。雖然其初期投資成本最高，但單位產水投資卻是最低的；抽凝機組雖然各方面參數較為理想，但初期投資費用較高，且產水率低；至于背壓機組的各個參數介于兩者之間，在綜合性能上較為平衡，但在后期投資回收期因為發電量低于抽凝機組，因此回收年限稍多一點。

綜上所述，三個經過反復優化的方案的取舍應根據實際情況進行綜合性評估。本文的案例項目中，業主明確要求熱電水平均考慮且要求最低投資回收期。因此，該項目選擇方案2作為最終設計方案。

圖2　最終方案熱力系統圖

3.結論

通過本文一系列的計算分析，耦合海水淡化的CCHP分布式電廠系統優化設計是具有可行性的。該系統在海島及沿海缺水地區具有廣泛的應用前景。其主要優點包括：

3.1消費地的分布式電廠不僅能夠利用尾氣對區域內居民穩定地供應熱電冷資源以及高品質淡水，提高了全廠熱利用效率，而且也大大降低了單位能源輸出所產生的二氧化碳生成量，避免了超遠距離高壓電纜敷設所產生的高額費用和對森林植被的破壞；

3.2與大型發電廠相比，該類型電廠通過模塊化設計和安裝，具有更小地土地占用成本，更快地工程建設周期，更短地投資回收期，更少地建設與運維成本；

3.3通過對海水淡化系統的耦合，相較于常規的淡水取得方式，淡水供應更加穩定，水質也能保證，對于缺水地區居民的身體健康以及其他用水質量都能得到保障。

另外，具有強烈消費需求針對性的CCHP分布式電廠耦合汗水淡化優化系統的設計方案能夠大大減少額外地投資成本和基建投入，對于國家提倡節約型經濟政策起到很好地相應措施，對當地經濟和人民生活水平也起到促進作用。

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黃維林（1982-），男，重慶人，學歷：碩士。