基于ZK1200國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)的工業(yè)分布式供能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

孫文嘉，張海磊，高 闖

(1.上海和蘭透平動力技術(shù)有限公司，上海 201800；2.中國石油物資上海有限公司，上海 200050；3.中國科學(xué)院 上海高等研究院，上海 201210)

近年來，分布式供能系統(tǒng)因其污染物排放少[1-2]、能源利用率高[3-4]、靠近負(fù)荷中心更安全[5]的優(yōu)勢，逐步得到重視并快速發(fā)展。同時，分布式供能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析也逐漸成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。由于原動機(jī)承擔(dān)著分布式供能系統(tǒng)的所有能量來源的角色，所以經(jīng)濟(jì)性分析以及供能系統(tǒng)建設(shè)初期的可行性研究，均離不開原動機(jī)。然而由于我國在這方面的技術(shù)差距，已建設(shè)的分布式供能系統(tǒng)，均采用國外進(jìn)口機(jī)組，原動機(jī)廠商不提供運(yùn)行中各部件特性曲線，無法真實(shí)模擬原動機(jī)在偏離設(shè)計(jì)工況等條件下的實(shí)際狀況，燃?xì)廨啓C(jī)尤其如此。

ZK1200為中國科學(xué)院上海高等研究院研發(fā)設(shè)計(jì)、上海和蘭透平動力技術(shù)有限公司制造并成套的機(jī)組。機(jī)組研制成功后，經(jīng)過了短期的廠內(nèi)測試。但由于無法解決余電利用的問題無法進(jìn)行長期考核，因而無法獲得機(jī)組長期運(yùn)行的穩(wěn)定性情況以及機(jī)組與余熱利用設(shè)備配套后的綜合運(yùn)行情況。

蘇州工業(yè)園區(qū)金雞湖某分布式能源站作為該機(jī)組的首個示范用戶，經(jīng)過1年的調(diào)試和1年的實(shí)際運(yùn)行，現(xiàn)對機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，供業(yè)內(nèi)了解國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際情況。

本文在分析了分布式供能系統(tǒng)原動機(jī)選型的基礎(chǔ)上，以蘇州工業(yè)園區(qū)金雞湖某分布式能源站供能系統(tǒng)為研究對象，考慮經(jīng)濟(jì)性計(jì)算影響因素，基于機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)建立并修正計(jì)算模型，計(jì)算分析了2017年蘇州工業(yè)園區(qū)金雞湖某分布式能源站(以下簡稱“分布式能源站”)的經(jīng)濟(jì)性，并基于現(xiàn)有運(yùn)行模式最終確定機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化方案。

1 工業(yè)分布式供能系統(tǒng)

1.1 工業(yè)分布式供能系統(tǒng)概述

分布式供能系統(tǒng)按照系統(tǒng)規(guī)模和應(yīng)用對象可以分為工業(yè)型和商業(yè)型。由于工業(yè)分布式供能系統(tǒng)的負(fù)荷主要取決于生產(chǎn)的工藝需求，不存在商業(yè)分布式明顯的潮汐性。如果進(jìn)一步對區(qū)域內(nèi)多個用戶集中供能，不同用戶間的負(fù)荷可互補(bǔ)分配，使得負(fù)荷特性更加平穩(wěn)。如果分布式供能系統(tǒng)配置合理，則可使機(jī)組全年高負(fù)荷運(yùn)行，產(chǎn)生更高的收益，同時滿足多類型的需求[6]。商業(yè)分布式供能系統(tǒng)則適用于能源需求性質(zhì)相同或相近且分布集中的建筑群，如酒店、商場、醫(yī)院、辦公樓等，系統(tǒng)規(guī)模較小，運(yùn)行靈活[7]。本文研究對象分布式能源站供能系統(tǒng)即為工業(yè)分布式供能系統(tǒng)。

1.2 工業(yè)分布式供能系統(tǒng)原動機(jī)選型

分布式供能系統(tǒng)常使用的原動機(jī)有燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)(通常指往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)與往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)同屬內(nèi)燃機(jī)，由于國內(nèi)長期稱呼的習(xí)慣，在此尊重習(xí)慣，不再修改)、斯特林發(fā)動機(jī)、燃料電池等。由于斯特林發(fā)動機(jī)和燃料電池的技術(shù)尚不成熟，且成本較高，目前在世界范圍內(nèi)還未得到廣泛應(yīng)用[8]。現(xiàn)有的分布式供能系統(tǒng)基本以燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)為主[9]。

小型機(jī)組相比于大型機(jī)組具有裝置容量小、占地面積小、啟?？旖荨⒊跬顿Y少、自動化程度高、維修簡單、污染物排放低等優(yōu)勢。因此，分布式供能系統(tǒng)多選用微型燃?xì)廨啓C(jī)、小型燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)。表1對比了微型燃?xì)廨啓C(jī)、小型燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的特點(diǎn)。相比之下，盡管小型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率較低，但其具備低排放、余熱利用效率高的優(yōu)勢，特別適用于對于余熱品質(zhì)要求較高的場合，這也是分布式能源站選擇ZK1200型燃?xì)廨啓C(jī)作為原動機(jī)的原因。

表1 三種原動機(jī)特點(diǎn)比較[8]

2 分布式能源站的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

2.1 分布式能源站結(jié)構(gòu)

分布式能源站現(xiàn)場各設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)見表2。該燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電為分布式能源站提供電力，多余電力上網(wǎng)，不足電負(fù)荷由電網(wǎng)補(bǔ)充，燃?xì)廨啓C(jī)的高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐(設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)見表3)產(chǎn)生1.65 MPa的高壓蒸汽供給工業(yè)園區(qū)若干特殊用戶。其中部分高溫蒸汽經(jīng)板式換熱器加熱冷水，為鍋爐及116 kW熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組提供熱水。另有兩臺20 t/h燃?xì)忮仩t根據(jù)需要輪流開啟為用戶補(bǔ)足高溫蒸汽。系統(tǒng)采用以熱定電的控制方式，依據(jù)用戶及分布式能源站的冷熱負(fù)荷決定機(jī)器的啟停與運(yùn)行工況，從而實(shí)現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供。

圖1 分布式能源站運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

表2 ZK1200型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 余熱鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性計(jì)算流程圖

在1年的試運(yùn)行期間，僅10月份因?yàn)楣に囆枨蟮脑?，整月連續(xù)運(yùn)行，而其余各月份屬于間斷運(yùn)行，為此擬利用10月份燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證NPSS(Numerical Propulsion System Simulation,即推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)值仿真)模型，然后結(jié)合其余月份計(jì)算得到的蒸汽產(chǎn)量、發(fā)電量和燃料消耗量、水消耗量的逐時數(shù)據(jù)，在以燃?xì)廨啓C(jī)作為主供蒸汽的情況下，計(jì)算得到全年經(jīng)濟(jì)性，流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性計(jì)算流程圖

2.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

該能源站的收益包含蒸汽收益和發(fā)電收益，而其主要支出包含：

(1)燃料天然氣消耗；

(2)水消耗，其中包含14 %的汽包排污水；

(3)氣體污染物NOx排放費(fèi)用；

(4)分布式能源機(jī)組附屬設(shè)備電耗、分布式能源站公用系統(tǒng)電耗；

(5)蒸汽損耗，有6%的蒸汽用于加熱供水。

上述各項(xiàng)價格指標(biāo)見表4，為分布式能源站實(shí)際使用的價格體系。燃料組分及參數(shù)分別見表5和表6，取自中石油東橋分輸站提供的2017年11月5日至6日的實(shí)測數(shù)據(jù)。本文中天然氣體積均為標(biāo)準(zhǔn)工況。由于分布式能源站的設(shè)備實(shí)際運(yùn)行的耗電量不會超過其額定功率，保守計(jì)算，采用分布式能源站提供的站內(nèi)設(shè)備額定功率作為設(shè)備耗電量計(jì)算指標(biāo)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表7。

表4 價格指標(biāo)表

表5 天然氣組分

表6 天然氣參數(shù)

表7 分布式能源站設(shè)備額定功率匯總表

2.4 經(jīng)濟(jì)性影響因素分析

實(shí)際運(yùn)行中，眾多因素會對機(jī)組運(yùn)行工況產(chǎn)生影響，使其低于設(shè)計(jì)值，降低經(jīng)濟(jì)性。因素考慮如下：

(1)用戶蒸汽需求量。系統(tǒng)采用以熱定電的控制方式，下游用戶熱負(fù)荷需求的不穩(wěn)定使得機(jī)組常運(yùn)行于較低工況，在熱負(fù)荷需求為0時，機(jī)組的啟停會進(jìn)一步降低經(jīng)濟(jì)性。

(2)用戶蒸汽需求壓力。

(3)渦輪前溫限值，最大不可以超過1 055 K。考慮熱平衡，渦輪前溫的提升可以極大提高蒸汽產(chǎn)量、熱效率及經(jīng)濟(jì)性，但由于燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)和材料的限制，即使在熱天經(jīng)濟(jì)性降低，也不能通過提高渦輪前溫來保持較高工況點(diǎn)。

(4)排氣溫度限值，最大不超過560 ℃。余熱鍋爐的設(shè)計(jì)限制使得燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度不能超過560 ℃，燃?xì)廨啓C(jī)在熱天排煙溫度會升高，為適應(yīng)余熱鍋爐溫度要求，燃?xì)廨啓C(jī)須降低運(yùn)行工況。

(5)發(fā)電功率限值，最大不可以超過1 150 kW。冷天燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率大幅度增大，但由于軸、齒輪箱等配套機(jī)械的設(shè)計(jì)限制，燃?xì)廨啓C(jī)最高電功率不得超過額定發(fā)電功率，考慮到發(fā)電機(jī)效率，發(fā)電功率不得高于1 150 kW。

(6)實(shí)時變化的大氣溫度、壓力、相對濕度。

(7)年運(yùn)行小時數(shù)。在項(xiàng)目上報江蘇省發(fā)展和改革委員會立項(xiàng)時，基于分布式能源站目前已運(yùn)行的大型燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)峰機(jī)組年運(yùn)行4 000～4 500 h，保守估算了3 000 h，這其中也含有了對首臺國產(chǎn)機(jī)組的信心不足的因素。當(dāng)然，機(jī)組在合理工況點(diǎn)連續(xù)運(yùn)行的時間越長，收益越高。

2.5 模型建立與修正

2.5.1 NPSS軟件

NPSS軟件由美國NASA Glenn研究中心聯(lián)合國防部、軍方、研究機(jī)構(gòu)等組織實(shí)施并發(fā)展而來。NPSS是一款基于組件的面向?qū)ο?、多學(xué)科結(jié)合的商業(yè)軟件，提供用于系統(tǒng)模型的開發(fā)、合作及無縫集成的工程設(shè)計(jì)和模擬環(huán)境，可以用于演示循環(huán)設(shè)計(jì)工況、預(yù)測穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)非設(shè)計(jì)工況的性能等。因此，本文選用NPSS軟件作為建模工具。

2.5.2 ZK1200型燃?xì)廨啓C(jī)計(jì)算模型修正

任何機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況都會存在一定差異。使用NPSS建立如圖3所示的ZK1200聯(lián)合循環(huán)模型，計(jì)算設(shè)計(jì)值并同實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)分布式能源站的ZK1200實(shí)測壓氣機(jī)壓比較設(shè)計(jì)值偏低，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度較設(shè)計(jì)值偏高。這是由于上海高等研究院與上海和蘭透平動力技術(shù)有限公司首次研制與成套的自主燃?xì)廨啓C(jī)缺乏冷態(tài)與熱態(tài)折合過程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，擔(dān)心長期運(yùn)行中出現(xiàn)刮蹭，在前期調(diào)試階段有意識地增加了渦輪與壓氣機(jī)側(cè)的轉(zhuǎn)靜子間隙，而壓氣機(jī)、渦輪的轉(zhuǎn)靜子間隙對效率的影響見式(1)和式(2)。

圖3 ZK1200聯(lián)合循環(huán)計(jì)算模型

Δηc=0.2×(Gc/hc-0.02)

(1)

Δηt=0.1×Ct/ht

(2)

式中：Δηc和Δηt分別為壓氣機(jī)和渦輪等熵效率變化量；Gc和Gt分別為壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)靜子間隙，mm；hc和ht分別為壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)靜子葉片出口高度，mm。

當(dāng)壓氣機(jī)、渦輪的轉(zhuǎn)靜子間隙增大，葉片出口高度不變時，壓氣機(jī)、渦輪的效率均降低，導(dǎo)致機(jī)組效率也低于設(shè)計(jì)值。后期在產(chǎn)品大修檢查時將進(jìn)行處理，并在完成出廠試驗(yàn)后交付。

為實(shí)現(xiàn)非設(shè)計(jì)工況的性能計(jì)算，NPSS建模需輸入部件特性曲線，而上述分析可知轉(zhuǎn)靜子間隙增大的壓氣機(jī)和渦輪效率均低于設(shè)計(jì)值，因此需要修正壓氣機(jī)和渦輪的部件特性曲線以使模型貼合實(shí)際性能。這里使用GasTurb軟件中特性線的傳統(tǒng)修正方法[11]：以壓氣機(jī)為例，將壓氣機(jī)按幾何縮放(所有尺寸縮放系數(shù)相同)時，其流場也被幾何縮放，在忽略雷諾數(shù)的影響下，縮放后的壓氣機(jī)特性線上指定參考點(diǎn)的效率和壓比將與縮放前壓氣機(jī)相同，針對縮放前壓氣機(jī)的折合流量和折合轉(zhuǎn)速應(yīng)用修正系數(shù)，即保證縮放前后壓氣機(jī)特性線的一致性。壓比的縮放需以恒定壓升的形式表示，引入修正系數(shù)fW、fEff、fπ、fspeed。同時流體的可壓縮性導(dǎo)致雷諾數(shù)對部件性能的影響，引入雷諾修正系數(shù)fW,RNI和fη，RNI。修正公式見式(3)～式(7)[12]。

(3)

(4)

(5)

(6)

δ=p/101.325，θ=T/288.15

(7)

式中：fW為折合流量修正系數(shù)；fEff為等熵效率修正系數(shù)；fπ為壓比修正系數(shù)；fspeed為折合轉(zhuǎn)速修正系數(shù)；fW，RNI為雷諾數(shù)影響流量因子；fη，RNI為雷諾數(shù)影響效率因子；W為流量，kg/s；η為等熵效率；π為壓比；N為轉(zhuǎn)速，r/min；p為壓力，kPa；T為溫度，K；des代表設(shè)計(jì)點(diǎn)；ref代表參考點(diǎn)。

修正系數(shù)是針對特性線上所有點(diǎn)的修正，渦輪特性線修正同壓氣機(jī)特性線類似，不再贅述。

利用10月份連續(xù)運(yùn)行段的運(yùn)行數(shù)據(jù)推算得到性能曲線修正系數(shù)，經(jīng)修正的模型計(jì)算所得壓氣機(jī)參數(shù)與實(shí)測值完全一致，同時保證模型中余熱鍋爐各處溫度、蒸汽條件與實(shí)測數(shù)據(jù)相同。在實(shí)測數(shù)據(jù)中，天然氣流量采用燃?xì)廨啓C(jī)用燃料控制閥的反饋流量數(shù)據(jù)，而非專用的流量測量儀表的測量數(shù)據(jù)(后期在計(jì)算機(jī)組特性時發(fā)現(xiàn)燃料控制閥的流量反饋存在偏差，并與能源站的天然氣計(jì)量表進(jìn)行比對，確定了燃料控制閥的流量反饋較實(shí)際流量偏高，實(shí)際流量約為反饋流量的92.5 %)；而燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率實(shí)時變化且報表間隔周期長，因此功率實(shí)測值采用每小時平均值，僅可用作趨勢分析。從圖4和圖5可見，模擬值與實(shí)測值趨勢均相同，且圖5中燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率模擬值低于實(shí)測值，保證了依此所得收益數(shù)據(jù)的保守性。從上述兩種趨勢的比較看，修正的ZK1200燃?xì)廨啓C(jī)計(jì)算模型與實(shí)際運(yùn)行情況吻合。

圖4 天然氣流量實(shí)測值與模擬值對比

圖5 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率實(shí)測值與模擬值對比

2.5.3 余熱鍋爐計(jì)算模型修正

余熱鍋爐性能基于ε-NTU傳熱單元數(shù)法計(jì)算，余熱鍋爐的非設(shè)計(jì)工況主要由換熱系數(shù)和冷熱側(cè)壓損決定。根據(jù)換熱系數(shù)、換熱面積以及工質(zhì)流量、定壓比容計(jì)算得到傳熱單元數(shù)NTU，繼而得到效率值，最后通過壓力損失計(jì)算得換熱器出口參數(shù)。

壓力損失采用如下修正公式[13]計(jì)算，見式(8)、式(9)。換熱系數(shù)主要受入口煙氣流量影響，修正公式[13]見式(10)。

熱端：dp=dpdes×(W/Wdes)1.84×(T/Tdes)×(pdes/p)

(8)

冷端：dp=dpdes×(W/Wdes)1.98×(υ/υdes)

(9)

U=Udes×(W/Wdes)β

(10)

式中：υ為比體積，m3/kg；U為換熱系數(shù)，kJ/(s·m2·K)；β為換熱系數(shù)修正系數(shù)。

由于余熱鍋爐性能受入口煙氣的影響較大，且報表數(shù)據(jù)間隔時間較長，導(dǎo)致由實(shí)測值計(jì)算得到的余熱鍋爐修正系數(shù)在小范圍內(nèi)波動，取平均值為：過熱器換熱系數(shù)的修正系數(shù)為2.47，蒸發(fā)器換熱系數(shù)的修正系數(shù)為2.605，省煤器換熱系數(shù)的修正系數(shù)為4.845。

燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐計(jì)算模型均由實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)修正得到，符合分布式能源站聯(lián)合循環(huán)機(jī)組實(shí)際性能。圖6給出了根據(jù)10月份連續(xù)運(yùn)行段的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算所得的小時凈收益與NPSS模型計(jì)算所得的小時凈收益的對比，其中已考慮燃料控制閥的反饋偏差。由于除10月份以外的其余各月份均屬于間斷運(yùn)行(運(yùn)行1 d或運(yùn)行2 d，且燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷不到額定值一半，蒸汽產(chǎn)量很小)，無法作為對比參考依據(jù)。由圖6可見，小時凈收益趨勢基本一致，且模擬所得凈收益小于實(shí)際凈收益，保證了模擬數(shù)據(jù)的保守性，個別數(shù)據(jù)偏差較大是由于發(fā)電功率的數(shù)據(jù)影響，已在第2.5.2節(jié)說明。

圖6 10月份連續(xù)運(yùn)行段的實(shí)際收益與模擬收益對比

2.6 機(jī)組全年經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

2.6.1 全年客觀參數(shù)數(shù)據(jù)來源

(1)氣象條件

分布式能源站所在地蘇州的2017年實(shí)時溫度數(shù)據(jù)通過查詢江蘇省氣象局官網(wǎng)獲得，月平均溫度、大氣壓力及大氣濕度數(shù)據(jù)取自權(quán)威軟件RETScreen軟件。RETScreen由加拿大自然資源部開發(fā)，可根據(jù)地點(diǎn)獲得全球范圍內(nèi)的氣候數(shù)據(jù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表8。

表8 RETScreen軟件2017年各月蘇州氣候數(shù)據(jù)

(2)用戶蒸汽需求條件

以分布式能源站2017年逐時燃?xì)忮仩t的蒸汽產(chǎn)量和蒸汽壓力作為蒸汽條件。

2.6.2 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算公式

(1)凈收益

分析系統(tǒng)收益與支出，凈收益計(jì)算公式見式(11)，其中污染物排放當(dāng)量數(shù)按式(12)計(jì)算。

R=(P-Pi)×Ce-Wn×Cn+Ws×Cs-Ww×Cw-P×Cr-Mi×Cm

(11)

Mi=Mj/Mk

(12)

式中：P為發(fā)電功率，kW；Pi為分布式能源站設(shè)備總額定功率，kW；Ce為上網(wǎng)電價，元/(kW·h)；Cn為天然氣價格，元/m3；Cs為蒸汽價格，元/t；Cw為供水價格，元/t；Cr為燃?xì)廨啓C(jī)維護(hù)價格，元/(kW·h)；Cm為NOx排放費(fèi)用，元/當(dāng)量；Wn為天然氣流量，kg/s；Ws為蒸汽產(chǎn)量，kg/s；Ww為水耗量，kg/s；Mi為NOx排放當(dāng)量數(shù)；Mj為NOx排放量，kg，由表9計(jì)算；Mk為NOx的污染當(dāng)量值，為0.95 kg。

表9 分布式能源站機(jī)組NOx排放監(jiān)測數(shù)據(jù)表

(2)投資回收期

考慮ZK1200型燃?xì)廨啓C(jī)投資費(fèi)用為720 萬元，余熱鍋爐投資費(fèi)用為180 萬元，故項(xiàng)目總造價900 萬元。采用全額投資，無貸款。

采用直線法計(jì)算折舊額，見式(13)，折舊年限為15 a。靜態(tài)回收期可由式(15)計(jì)算。

DC=V×(1-σ)/15

(13)

A=Rannual×(1-ε)+DC×ε

(14)

Yt=V/A

(15)

式中：DC為折舊費(fèi)，萬元；V為總投資，萬元；σ為殘值率，為5%；A為凈現(xiàn)金流量，萬元；Rannual為年運(yùn)行費(fèi)用，萬元；ε為所得稅率，為25%；Yt為靜態(tài)回收期，a。

2.6.3 算例

以1月1日0時為例，利用修正的NPSS模型，輸入環(huán)境條件和蒸汽條件，此時系統(tǒng)最大蒸汽產(chǎn)量低于用戶需求量，受2.4節(jié)所述(2)～(6)因素的限制。模擬計(jì)算結(jié)果見表10。計(jì)算式(11)、式(12)得凈收益為241 元/h。其余月份凈收益均按上述過程進(jìn)行判定和計(jì)算，最后匯總得到全年收益。

表10 2017年1月1日0時機(jī)組性能參數(shù)計(jì)算值

3 三種運(yùn)行模式下的經(jīng)濟(jì)性對比

燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行受到諸多條件的限制，影響分布式供能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，而分布式能源站機(jī)組因下游用戶蒸汽需求量和自身性能的影響，經(jīng)濟(jì)性受限，因此下面將針對實(shí)際運(yùn)行條件與排除受限影響因素的三種模式下的經(jīng)濟(jì)性作出對比，以獲得機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行方案。

3.1 模式一：實(shí)際運(yùn)行條件

此模式按照機(jī)組實(shí)際運(yùn)行條件，以熱定電，工況受下游用戶逐時蒸汽需求量限制。經(jīng)計(jì)算得2017年各月平均每小時凈收益，見表11所示，變化趨勢如圖7所示，其中R為每小時凈收益，元/h。分析發(fā)現(xiàn)，冬季由于同時受燃?xì)廨啓C(jī)最大發(fā)電功率1 150 kW的限制和天然氣價格的影響，凈收益偏低；而夏季受排煙溫度560 ℃的限制，凈收益也降低。

根據(jù)表11得全年12個月的凈收益平均值為295 元/h，估算全年運(yùn)行3 000 h的總收益為88.6 萬元，靜態(tài)回收期為11.2 a。

3.2 模式二：下游蒸汽需求量始終超出系統(tǒng)產(chǎn)量

此模式假設(shè)下游蒸汽需求量提高，不再限制燃?xì)廨啓C(jī)工況。采用月為單位進(jìn)行平均值估算。月平均每小時產(chǎn)物及收益見表11所示。全年12個月的凈收益平均值為313 元/h，全年運(yùn)行3 000 h的總收益為93.8 萬元，靜態(tài)回收期為10.6 a。分析圖7發(fā)現(xiàn)，去除蒸汽產(chǎn)量限制，模式二較模式一經(jīng)濟(jì)性略有提高。

表11 三種模式下的經(jīng)濟(jì)性對比

圖7 三種運(yùn)行模式的各月平均凈收益對比圖

3.3 模式三：燃?xì)廨啓C(jī)改造至設(shè)計(jì)性能

2.5.2節(jié)中提到ZK1200型燃?xì)廨啓C(jī)為防止熱態(tài)剮蹭，適當(dāng)調(diào)大了一些部件間隙，從而降低了機(jī)組的性能。經(jīng)過后期的大量試驗(yàn)及在公司研發(fā)新型ZK2000型燃?xì)廨啓C(jī)的過程中積累的大量經(jīng)驗(yàn)，可以將ZK1200改造達(dá)到前期設(shè)計(jì)的性能，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性將有所提升。此模式即在燃?xì)廨啓C(jī)模型中去除修正系數(shù)，同時去除下游蒸汽需求量的限制。采用月為單位進(jìn)行平均值估算。產(chǎn)物及收益見表11所示。燃?xì)廨啓C(jī)改進(jìn)優(yōu)化后全年12個月的凈收益平均值為371 元/h，全年運(yùn)行3 000 h的總收益為111.2 萬元，靜態(tài)回收期為9.2 a，與現(xiàn)有模式一相比提前了2 a。

圖8給出了模式二、三各月平均蒸汽產(chǎn)量對比圖。燃?xì)廨啓C(jī)改造后，壓氣機(jī)壓比和渦輪前溫的提升使得夏季的運(yùn)行工況大幅提高，蒸汽產(chǎn)量和凈收益隨之提升。十一月至三月對比并不明顯是由于最大發(fā)電功率的限制。

圖8 運(yùn)行模式二、三各月平均蒸汽產(chǎn)量對比圖

4 運(yùn)營建議

目前分布式能源站以兩臺20 t/h燃?xì)忮仩t作為提供蒸汽的主體，表12給出了全年各月的月平均實(shí)際蒸汽需求量(因全年數(shù)據(jù)量過大，以月均值代表整體變化趨勢，全年實(shí)際蒸汽需求量最大值為17 t/h，最小值為3 t/h)，分析發(fā)現(xiàn)月平均實(shí)際蒸汽需求量僅為燃?xì)忮仩t額定產(chǎn)量的一半左右，燃?xì)忮仩t經(jīng)常處于低效率運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)性降低。

如表12所示，實(shí)際蒸汽需求量幾乎始終超過ZK1200的最大供汽能力，因此ZK1200機(jī)組在大多數(shù)情況能夠以模式二中的較高工況運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)性較好。蒸汽缺口量見表12，為1～4 t/h，考慮全年實(shí)際蒸汽需求量最大值為17 t/h，建議分布式能源站使用2臺5 t/h小鍋爐填補(bǔ)蒸汽空缺。

表12 全年月平均實(shí)際蒸汽需求量與模式二、三蒸汽產(chǎn)量對比

5 結(jié)論

(1)使用商業(yè)軟件NPSS建立了ZK1200聯(lián)合循環(huán)的計(jì)算模型，并運(yùn)用能源站2017年10月的連續(xù)運(yùn)行數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行修正，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果趨勢一致，且能夠保證凈收益的保守性。結(jié)合選取的氣象條件和蒸汽需求條件對2017年實(shí)時凈收益進(jìn)行了推算。

(2)針對三種運(yùn)行模式下的經(jīng)濟(jì)性作出了對比，發(fā)現(xiàn)去除下游蒸汽產(chǎn)量限制，經(jīng)濟(jì)性較實(shí)際運(yùn)行條件略有提升，能源站后期可擴(kuò)大供熱范圍，提高蒸汽需求；通過后期對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行改造，調(diào)整部件間隙至設(shè)計(jì)性能可以有效地提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，可提前兩年回收投資。在當(dāng)前價格體系下，估算凈收益為88.6 萬元/3 000 h～111.2 萬元/3 000 h。

(3)當(dāng)前下游蒸汽需求量條件下，能源站內(nèi)燃?xì)忮仩t常運(yùn)行于低效率工況，下游用戶的平均月蒸汽需求量始終超過ZK1200機(jī)組的最大產(chǎn)汽能力，可以保證機(jī)組在大部分時段以較高工況運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)性較高，因此建議以ZK1200機(jī)組為主力，購置2臺5 t/h小型燃?xì)忮仩t填補(bǔ)蒸汽缺口，原20 t/h的燃?xì)忮仩t中1臺作為備用，另1臺可作為二手鍋爐回收，補(bǔ)貼小型燃?xì)忮仩t購置費(fèi)。