燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)空氣冷卻方式的經(jīng)濟(jì)性比選

郭甲生， 劉育權(quán)， 包 春， 李 勇， 劉 偉

(1.上海航天能源股份有限公司，上海201201；2.航天智慧能源研究院，上海201201； 3.廣州供電局有限公司，廣東廣州510000；4.廣州發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 廣東廣州510000；5.上海交通大學(xué)，上海201000)

1 概述

燃?xì)廨啓C(jī)性能受環(huán)境溫度影響較大，當(dāng)環(huán)境溫度升高時，空氣密度減小，單位時間進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的空氣質(zhì)量減少，從而使燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率下降。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，壓氣機(jī)的壓縮比降低，壓氣機(jī)的功耗也將增大。冷卻燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)空氣(以下簡稱進(jìn)氣)，是確保高溫地區(qū)燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的有效措施[1-2]。

本文以廣州地區(qū)某園區(qū)燃?xì)夥植际侥茉凑?以燃?xì)廨啓C(jī)作為原動機(jī))為例，提出采用蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組(以下簡稱吸收式冷水機(jī)組)、電制冷機(jī)組對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，對兩種制冷設(shè)備進(jìn)行選型與造價測算(不考慮制冷設(shè)備的備用)。以燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在全年100%負(fù)荷率(指發(fā)電功率的負(fù)荷率)下，測算燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻前后的燃?xì)廨啓C(jī)耗氣量、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組輸出電功率、余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量。計算采用兩種制冷設(shè)備時的項目收益與靜態(tài)投資回收期，確定最佳制冷設(shè)備。本文對測算中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了簡化處理，將吸收式冷水機(jī)組的熱力系數(shù)、電制冷機(jī)組制冷性能系數(shù)視為不隨制冷設(shè)備的負(fù)荷率發(fā)生變化，分別取1.4、4.0。

2 工程概況

廣州地區(qū)某園區(qū)天然氣分布式能源站，以管道天然氣作為燃料(低熱值為34.18 MJ/m3)，天然氣經(jīng)調(diào)壓及計量后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電并入電網(wǎng)，燃?xì)廨啓C(jī)排放的高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐產(chǎn)生過熱蒸汽，供園區(qū)內(nèi)用戶使用，用戶處凝結(jié)水通過凝結(jié)水管道回輸至能源站。不足蒸汽利用燃?xì)庹{(diào)峰鍋爐提供。

能源站配置2臺裝機(jī)容量為14.4 MW的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，額定發(fā)電功率為13.95 MW，額定耗氣量4 509 m3/h。2臺余熱鍋爐，供汽壓力2.5 MPa，溫度250 ℃，單臺額定蒸發(fā)量27.4 t/h，1臺燃?xì)廨啓C(jī)配置1臺余熱鍋爐。1臺蒸發(fā)量為25 t/h的燃?xì)庹{(diào)峰鍋爐，用于補(bǔ)充不足蒸汽量。1臺額定制冷量為3 867 kW的吸收式冷水機(jī)組，耗汽量為3.93 t/h，進(jìn)汽壓力為0.8 MPa，進(jìn)汽溫度為170 ℃，為園區(qū)辦公建筑供冷。

3 制冷設(shè)備選取

① 負(fù)荷預(yù)測

廣州地區(qū)典型年室外空氣逐時干球溫度、含濕量見圖1、2，數(shù)據(jù)來自《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》(中國建筑工業(yè)出版社2005年出版)。全年運(yùn)行時間按8 760 h考慮，圖1、2中，第1 h表示[0:00，1:00)，第2 h表示[1:00，2:00)，以此類推。不同室外空氣干球溫度范圍對應(yīng)的待冷卻溫度見表1。

圖1 廣州地區(qū)典型年室外空氣逐時干球溫度

圖2 廣州地區(qū)典型年室外空氣逐時含濕量

濕空氣比焓h的計算式為[3]：

h=cp,gθ+(2 500+cp,qθ)d

(1)

表1 不同室外空氣干球溫度范圍對應(yīng)的待冷卻溫度

式中h——濕空氣比焓，kJ/kg

cp,g——干空氣的比定壓熱容，kJ/(kg·K)，本文取1.01 kJ/(kg·K)

θ——空氣逐時干球溫度，℃

cp,q——水蒸氣的比定壓熱容，kJ/(kg·K)，本文取1.85 kJ/(kg·K)

d——空氣逐時含濕量，kg/kg

100%負(fù)荷率下，冷卻后燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣(干空氣)質(zhì)量流量保持44 kg/s。根據(jù)圖1、2及表1數(shù)據(jù)，由式(1)可計算得到100%負(fù)荷率下，冷卻空氣的逐時冷負(fù)荷，見圖3。

圖3 100%負(fù)荷率下冷卻空氣的逐時冷負(fù)荷

② 制冷設(shè)備選型

制冷設(shè)備選取吸收式冷水機(jī)組、電制冷機(jī)組，且單獨(dú)配置。由圖3可知，在100%負(fù)荷率下，冷卻空氣的最大逐時冷負(fù)荷為3 159 kW?？紤]裕量，制冷設(shè)備的額定制冷量選取為3 500 kW。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 造價與運(yùn)行費(fèi)用

① 吸收式冷水機(jī)組

吸收式冷水機(jī)組額定制冷量為3 500 kW，單位制冷量造價(含設(shè)備費(fèi)、安裝費(fèi))取1 200 元/kW，可計算得到造價為420×104元。

吸收式冷水機(jī)組典型年耗汽量mab的計算式為：

(2)

式中mab——吸收式冷水機(jī)組典型年耗汽量，t

t——時間，h，取1 h

Φi——第i小時冷卻空氣冷負(fù)荷，kW

Itc——吸收式冷水機(jī)組的熱力系數(shù)，本文取1.4

Φs——1 t/h蒸汽對應(yīng)的熱功率，kW·h/t，本文取700 kW·h/t

由圖3數(shù)據(jù)及式(2)，可計算得到吸收式冷水機(jī)組典型年耗汽量為10 188 t。蒸汽價格取348 元/t，可計算得到吸收式冷水機(jī)組典型年蒸汽費(fèi)用為354.54×104元/a。

② 電制冷機(jī)組

電制冷機(jī)組額定制冷量為3 500 kW，單位制冷量造價(含設(shè)備費(fèi)、安裝費(fèi))取1 000元/kW，可計算得到造價為350×104元。

電制冷機(jī)組典型年耗電量Eel的計算式為：

(3)

式中Eel——電制冷機(jī)組典型年耗電量，kW·h

ICOP——電制冷機(jī)組的制冷性能系數(shù)，本文取4.0

由圖3數(shù)據(jù)及式(3)，可計算得到電制冷機(jī)組典型年耗電量為250.38×104kW·h。電價取0.745 元/(kW·h)，可計算得到電制冷機(jī)組典型年電費(fèi)為186.53×104元/a。

4.2 收益

不考慮空氣含濕量對燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響，在100%負(fù)荷率下，燃?xì)廨啓C(jī)單位時間耗氣量V、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組輸出電功率P、余熱鍋爐單位時間蒸汽產(chǎn)量q隨燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度的函數(shù)關(guān)系分別為：

(4)

(5)

(6)

式中V——燃?xì)廨啓C(jī)單位時間耗氣量，m3/h

θin——燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度，℃

P——燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組輸出電功率，kW

q——余熱鍋爐單位時間蒸汽產(chǎn)量，t/h

由圖1、表1數(shù)據(jù)及式(4)～(6)，可計算得到，采取進(jìn)氣冷卻后，燃?xì)廨啓C(jī)耗氣量增加317.28×104m3/a，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組輸出電量增加1 342.38×104kW·h/a，余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量增加8 813 t/a。

① 吸收式冷水機(jī)組

采用吸收式冷水機(jī)組時，典型年的蒸汽缺口為1 375 t，可計算得到蒸汽費(fèi)用為47.85×104元/a。天然氣價格取2.858 元/m3，可計算得到由燃?xì)廨啓C(jī)耗氣量增加導(dǎo)致的天然氣費(fèi)用為906.79×104元/a。由燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻獲得的發(fā)電收益為1 000.07×104元/a。由以上數(shù)據(jù)，可計算得到采用吸收式冷水機(jī)組時，典型年項目收益為45.43×104元/a。

② 電制冷機(jī)組

采用電制冷機(jī)組時，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組增加的發(fā)電量除滿足電制冷機(jī)組制冷外，還剩余1 092×104kW·h。由已知數(shù)據(jù)，可計算得到采用電制冷機(jī)組時，典型年項目收益為213.45×104元/a。

4.3 靜態(tài)投資回收期

吸收式冷水機(jī)組、電制冷機(jī)組的造價分別為420×104、350×104元，典型年項目收益分別為45.43×104、213.45×104元/a。可計算得到，采用兩種制冷設(shè)備的靜態(tài)投資回收期分別為9.24、1.64 a。由計算結(jié)果可知，采用電制冷機(jī)組冷卻燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣時，經(jīng)濟(jì)性比較理想。

5 結(jié)論

吸收式冷水機(jī)組、電制冷機(jī)組的造價分別為420×104、350×104元，典型年項目收益分別為45.43×104、213.45×104元，靜態(tài)投資回收期分別為9.24、1.64 a。采用電制冷機(jī)組冷卻燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣，經(jīng)濟(jì)性比較理想。