徐明才，王廣宏，周 歡

(1.黑龍江省能源研究所 哈爾濱 150001;2.黑龍江省節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心 哈爾濱 150001)

黑龍江地處嚴(yán)寒地區(qū)，采暖期天數(shù)從167～225 d，采暖小時數(shù)均超過4000 h，利用小型供暖背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組解決冬季采暖問題，可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)和節(jié)能效益。依據(jù)熱負(fù)荷如何配置背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組是熱電聯(lián)產(chǎn)業(yè)界關(guān)注度較高的話題，以往的重點只是經(jīng)濟(jì)和節(jié)能效益負(fù)荷效果的最大值(在《小型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》條文說明中，對熱化系數(shù)確定原則引用的是原東北電力學(xué)院研究結(jié)論，熱化系數(shù)最優(yōu)值范圍為0.51～0.83，這是指眾多采樣點的匯集，不是本文研討的一個采樣點的可選范圍)，沒有將系統(tǒng)作為動態(tài)過程來研究，現(xiàn)時的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱體系總是隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而帶來的熱負(fù)荷發(fā)展而變化，體系中重要的組成部分熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組有其自身特點(投資大、建設(shè)周期長)在較短的周期內(nèi)不宜變化，因而促使人們?nèi)パ芯繜峄禂?shù)的范圍適用性問題，以使機(jī)組配置在一個階段中保持合理的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益。本文力圖通過對各影響因素的分析，以簡單的圖解方法，尋找某一特定地點適合建設(shè)條件的機(jī)組配置形式下的熱化系數(shù)適用范圍。

1 研究模型設(shè)計

鑒于目前縣級城鎮(zhèn)人口規(guī)模在6～20萬人之間(可供采暖建筑面積在200×104m2～650×104m2)，故擬通過針對10萬人口(可供采暖建筑面積330×104m2)的中等規(guī)模城鎮(zhèn)采暖供熱為基礎(chǔ)(設(shè)計狀況熱化系數(shù)0.6)，擴(kuò)展比較規(guī)模為6～20萬人，以配置2×B12－4.9/0.294+3×75 t/h背壓熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為基本熱源，輔以調(diào)峰熱水鍋爐形成的供熱體系，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行熱負(fù)荷的調(diào)整，在投資、節(jié)能和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等諸方面觀察受影響的敏感度，進(jìn)而得出熱化系數(shù)的適合范圍。為分析方便假設(shè)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組規(guī)模不變，上下調(diào)整熱負(fù)荷和與之相配的熱水鍋爐組合，形成期望的系統(tǒng)熱化系數(shù)，機(jī)組熱化系數(shù)的增減幅度為以5%遞增(絕對值0.05)。極限狀況，全部為熱水鍋爐供熱(7×58 MW)655.5×104m2(設(shè)計狀況熱化系數(shù)0.0)，全部為機(jī)組供熱(2×B12)196.6 ×104m2(設(shè)計狀況熱化系數(shù)1.0)，機(jī)組參與時起始熱化系數(shù)定為0.3(主要考慮本地區(qū)采暖期初始熱負(fù)荷占比一般為30%左右，機(jī)組可以在采暖期滿負(fù)荷運(yùn)行)。比較元素采用單位供熱能力(MW)下的利潤總額和節(jié)能量價值。

2 基本計算參數(shù)

(1)研究區(qū)域:選擇黑龍江地區(qū)具有代表性的區(qū)域北緯47°左右環(huán)境為事件演繹地，平均綜合熱指標(biāo)值按現(xiàn)狀60 W/m2計。

(2)采暖參數(shù)設(shè)定:采暖期天數(shù)185 d，采暖室外計算溫度－26℃，采暖期室外平均溫度－9.5℃。

(3)供熱形式及參數(shù):假定熱網(wǎng)為間供網(wǎng)，一級熱網(wǎng)供回水溫度130℃/70℃。

(4)原材料及產(chǎn)品價格:煤價4500 kacl/kg，500元/t，合標(biāo)煤價777.78元/tce;熱價使用面積40.35 元/m2，建筑面積27.83 元/m2(平均建筑系數(shù)按1.45 計)，折 46 元/GJ(0.6GJ/m2);鍋爐房購電價 0.8元/kWh;購水價 0.3元/t;售電價0.38 元/kWh。

(5)估算及經(jīng)濟(jì)評價:背壓機(jī)造價8000元/kW，熱水鍋爐造價60萬元/MW;發(fā)電材料費(fèi)5元/MWh，供熱材料費(fèi)1元/GJ;人員工資30000元/人·年;大修費(fèi)2.5%;建設(shè)期一年。

3 設(shè)備選擇及計算方法

3.1 設(shè)備選擇

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組按2×B12－4.9/0.294+3×75t/h不變配置，調(diào)峰熱水爐則按五個檔次7、14、28、46和58MW按熱負(fù)荷需求合理搭配，聯(lián)產(chǎn)機(jī)組設(shè)備參數(shù)見表1，調(diào)峰設(shè)備參數(shù)見表2。

表1 鍋爐、汽輪機(jī)參數(shù)表

表2 熱水鍋爐參數(shù)表

3.2 計算方法

3.2.1 供熱量計算

(1)熱負(fù)荷延續(xù)曲線。利用統(tǒng)計公式計算不同室外氣溫tw下的延續(xù)時間H:

式中:H為延續(xù)時數(shù);hi為采暖時數(shù);tw為任意室外溫度℃;t′w為采暖室外計算溫度;b為采暖修正系數(shù)。

按公式(1)計算出不同室外氣溫tw下的延續(xù)小數(shù)H，按計算結(jié)果數(shù)據(jù)繪制各個對應(yīng)熱化系數(shù)的采暖熱負(fù)荷延續(xù)曲線。全年供熱量是由年熱負(fù)荷延續(xù)曲線和坐標(biāo)軸之間的面積決定的，也可由平均熱負(fù)荷值乘以年供熱時間。

(2)機(jī)組運(yùn)行方式。

根據(jù)公式(1)繪制各個對應(yīng)熱化系數(shù)的采暖熱負(fù)荷延續(xù)曲線，按機(jī)組供熱能力及熱水鍋爐運(yùn)行條件，繪制機(jī)組運(yùn)行熱負(fù)荷分配圖，再按機(jī)組和調(diào)峰熱水鍋爐承擔(dān)熱負(fù)荷的比例計算各自的年供熱量。

以熱化系數(shù)α=0.65為例，根據(jù)優(yōu)先運(yùn)行背壓機(jī)組，再運(yùn)行熱水鍋爐的原則，取2×B12機(jī)組供熱能力數(shù)值作一條平行坐標(biāo)軸(H)的直線與年熱負(fù)荷延續(xù)曲線相交，直線下部年熱負(fù)荷延續(xù)曲線和坐標(biāo)軸之間的面積是機(jī)組承擔(dān)的采暖熱負(fù)荷，直線上部年熱負(fù)荷延續(xù)曲線和坐標(biāo)軸之間的面積是熱水鍋爐承擔(dān)的采暖熱負(fù)荷?？紤]到熱水鍋爐啟動運(yùn)行應(yīng)承擔(dān)熱負(fù)荷，需對機(jī)爐承擔(dān)熱負(fù)荷進(jìn)行修正，如圖1所示，直線CD數(shù)值為單臺熱水鍋爐運(yùn)行承擔(dān)最小熱負(fù)荷，曲線BC與年熱負(fù)荷延續(xù)曲線對應(yīng)曲線平行。按修正后機(jī)組和熱水鍋爐承擔(dān)熱負(fù)荷區(qū)域面積計算各自的年供熱量。

圖1 采暖熱負(fù)荷延續(xù)曲線

3.2.2 熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計算

(1)年發(fā)電量。

按機(jī)組年供熱量計算其熱化發(fā)電量

符號及意義同《熱電聯(lián)產(chǎn)項目可行性研究技術(shù)規(guī)定》，以下同。實際計算中，可分別計算機(jī)組運(yùn)行各工況的熱化發(fā)電率，取加權(quán)平均值再計算Pr。

年供電量:

式中ξ為綜合廠用電率，根據(jù)爐型和熱化系數(shù)不同有所改變。

(2)發(fā)電標(biāo)煤耗率與供熱標(biāo)煤耗率。

用汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行平均熱耗率計算機(jī)組年平均發(fā)電標(biāo)煤耗率:

年平均供熱標(biāo)煤耗率:

(3)耗煤量。

年耗標(biāo)煤量:

(4)全廠熱效率。

年平均全廠熱效率:

3.2.3 經(jīng)濟(jì)評價

依系統(tǒng)計算的發(fā)電量、供電量、供電標(biāo)煤耗、供熱標(biāo)煤耗和總耗煤量等數(shù)據(jù)，按國家發(fā)改委頒布的《建設(shè)項目經(jīng)濟(jì)評價方法與參數(shù)》(第三版)，計算經(jīng)濟(jì)方面的有關(guān)投資強(qiáng)度和利潤總額等參數(shù)。

3.2.4 節(jié)能量計算

(1)比較基線。

根據(jù)近年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，節(jié)能量計算比較基線選擇機(jī)組發(fā)電平均標(biāo)煤耗率0.325 kg/kWh，供熱鍋爐生產(chǎn)單位吉焦的標(biāo)準(zhǔn)煤耗率取46.42 kg/GJ(此數(shù)據(jù)不含電耗，僅考慮鍋爐運(yùn)行熱效率)。

(2)節(jié)能計算。

年節(jié)能量:

4 機(jī)組配置研究

4.1 研究對象及條件

以所擬供熱體系模型和基本計算參數(shù)為基礎(chǔ)，擬定燃料價格變化區(qū)間為基準(zhǔn)價格的150%～50%(在經(jīng)濟(jì)評價中燃料價格變化對評價指標(biāo)影響較敏感，也是市場影響最大的因素)，熱負(fù)荷變化范圍393.30～117.99 MW，對應(yīng)熱化系數(shù)為0.3～1.0，采用單位供熱負(fù)荷利潤總額(投資)價值、節(jié)能價值和綜合價值三項指標(biāo)，研究機(jī)爐配置所對應(yīng)的最佳熱化系數(shù)區(qū)間。

4.2 三項指標(biāo)變化狀態(tài)

按研究模型及計算參數(shù)，繪制熱化系數(shù)與價值關(guān)系圖，如圖2～圖7所示。

利潤總額(投資)價值變化狀態(tài)。燃料價格在基準(zhǔn)價格的118.5% ～150%狀況下，利潤總額(投資)價值在熱化系數(shù)0.3～1.0區(qū)間均為負(fù)值，在50%～110%狀況下均為正值。在每個燃料價格狀態(tài)下，利潤總額(投資)價值均隨熱化系數(shù)的提高而下降，整個燃料價格變化區(qū)間，利潤總額(投資)價值隨燃料價格的降低而升高。

節(jié)能價值變化狀態(tài)。燃料價格在基準(zhǔn)價格的50% ～150%整個區(qū)間，節(jié)能價值在熱化系數(shù)0.3～1.0區(qū)間均為正值，且隨熱化系數(shù)的提高而增加;但隨燃料價格的降低，節(jié)能價值也隨之下降。

綜合價值變化狀態(tài)。燃料價格在基準(zhǔn)價格的150%狀況下，綜合價值在熱化系數(shù)0.3～1.0區(qū)間基本為零值，在118.5% ～50%區(qū)間均為正值。在每個燃料價格狀態(tài)下，綜合價值在熱化系數(shù)0.3 ～0.4區(qū)間呈上升趨勢，0.4 ～0.85 區(qū)間呈平穩(wěn)趨勢，0.85～1.0區(qū)間呈下降趨勢。整個燃料價格變化區(qū)間，綜合價值隨燃料價格的降低而升高。

4.3 機(jī)爐配置研究分析

從上述利潤總額(投資)價值、節(jié)能價值和綜合價值三項指標(biāo)變化狀態(tài)可知，不同價值的變化隨熱化系數(shù)變化的趨勢是不同的，反映出不同的機(jī)爐配置所產(chǎn)生的價值效果是不同的。本文從利潤總額(投資)價值、節(jié)能價值和綜合價值三項指標(biāo)來研究分析經(jīng)濟(jì)合理的機(jī)爐配置。

利潤總額(投資)價值隨熱化系數(shù)的提高而下降，即熱化系數(shù)越低，投資效益越好。若從投資利益角度考慮，應(yīng)以低熱化系數(shù)進(jìn)行機(jī)爐配置，選擇小規(guī)模背壓機(jī)組，配備大容量調(diào)峰熱水鍋爐，減少投資，提高利潤效益。從燃料價格和利潤總額(投資)價值變化趨勢來看，燃料價格越低，利潤總額(投資)價值越高。

節(jié)能價值隨熱化系數(shù)的提高而增加，即熱化系數(shù)越高，節(jié)能效益越好。若從節(jié)能利益角度考慮，應(yīng)以高熱化系數(shù)進(jìn)行機(jī)爐配置，選擇大規(guī)模背壓機(jī)組，配備小容量調(diào)峰熱水鍋爐，提高發(fā)電機(jī)組供熱比重，增加節(jié)能效益。從燃料價格和節(jié)能價值變化趨勢來看，燃料價格越低，節(jié)能價值越低。

綜合價值是考慮了利潤總額(投資)價值和節(jié)能價值兩個因素的綜合指標(biāo)，體現(xiàn)了不同機(jī)爐配置下供熱系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性。熱化系數(shù)在0.4～0.85區(qū)間綜合價值基本無顯著變化，其他區(qū)間均為下降態(tài)勢，故熱化系數(shù)在0.4～0.85區(qū)間綜合價值變化較小，處于較高值域。由此看來機(jī)爐配置應(yīng)使熱化系數(shù)在0.4～0.85區(qū)間最為合理，綜合效益最高。從燃料價格和綜合價值變化趨勢來看，燃料價格越低，綜合價值越高。

經(jīng)研究分析可知，機(jī)爐配置在滿足熱化系數(shù)0.4～0.85綜合效益最優(yōu)區(qū)間內(nèi)，可根據(jù)燃料價格有所側(cè)重，若燃料價格較低可側(cè)重投資效益，趨近低熱化系數(shù)進(jìn)行機(jī)爐配置。若燃料價格較高可側(cè)重節(jié)能效益，趨近高熱化系數(shù)進(jìn)行機(jī)爐配置。

機(jī)爐配置在滿足最佳熱化系數(shù)0.4～0.85區(qū)間前提下，還應(yīng)考慮熱負(fù)荷的發(fā)展。本文認(rèn)為，初期建設(shè)可按高端熱化系數(shù)進(jìn)行機(jī)爐配置，隨著熱負(fù)荷的增加逐步輔以調(diào)峰熱水鍋爐，達(dá)到滿足熱負(fù)荷需求，此過程熱化系數(shù)也隨之降低，這樣機(jī)爐配置可選擇較大容量、較高參數(shù)機(jī)組，能源綜合利用效率高，并使供熱系統(tǒng)在熱化系數(shù)0.4～0.85最優(yōu)區(qū)間運(yùn)行期長，綜合效益好。若初期建設(shè)就按較低熱化系數(shù)進(jìn)行機(jī)爐配置，隨著熱負(fù)荷的增加將不斷擴(kuò)建機(jī)組，這樣機(jī)爐配置容量小、參數(shù)低，設(shè)備臺數(shù)多，布置混亂，能源綜合利用效率低。

5 結(jié)論

熱電聯(lián)產(chǎn)狀態(tài)下綜合經(jīng)濟(jì)效益在某一區(qū)段隨熱化系數(shù)變化反應(yīng)遲緩，雖然不同的熱價反應(yīng)遲緩區(qū)段有些差異，但可以看到適宜的熱化系數(shù)是一個范圍，而不是一個點。因此在熱化系數(shù)選擇的時候，應(yīng)考慮兩方面因素，其一是依據(jù)期望值投資效益或節(jié)能效益去判斷確定熱化系數(shù)，其二是過程適用值在一定時間段內(nèi)保持較高的綜合效益，為熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)熱化系數(shù)的選擇拓展了較大的空間。

［1］熱電聯(lián)產(chǎn)項目可行性研究技術(shù)規(guī)定，2001.

［2］小型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范，GB 50049－94.

［3］城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范，CJJ 34－2010.

［4］俞謝瓊.多點溫度測量系統(tǒng)及其在建筑方面的應(yīng)用［J］.森林工程，2007，23(2):25 －27.

［5］王濤，王玉芬.住宅建筑中有利于現(xiàn)代居住模式的中介空間設(shè)計［J］.森林工程，2007，23(4):73 －76.