微燃機(jī)分布式系統(tǒng)在洗滌行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用

上海新奧燃?xì)獍l(fā)展有限公司 王 悅

為響應(yīng)國家節(jié)能減排政策，推進(jìn)上海市低碳園區(qū)建設(shè)，促進(jìn)區(qū)域節(jié)能減排工作，新奧集團(tuán)與上海某洗滌企業(yè)合作，積極推廣清潔能源設(shè)備利用。本文以該企業(yè)內(nèi)新建1臺(tái)新奧動(dòng)力E390微燃機(jī)，配套1臺(tái)2 t/h的余熱鍋爐項(xiàng)目為范例，通過對(duì)原有能源供應(yīng)系統(tǒng)的更改和優(yōu)化，達(dá)到提高供能系統(tǒng)效率、降低單位產(chǎn)品能耗的目的。后期還計(jì)劃對(duì)生產(chǎn)過程中的能耗進(jìn)行計(jì)量，以實(shí)現(xiàn)供能系統(tǒng)的能量優(yōu)化與低碳改造。

1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目開展過程中，首先對(duì)上海某洗滌企業(yè)內(nèi)用能負(fù)荷情況進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研，目的是確保分布式供能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最高。分布式供能系統(tǒng)是否可以正常運(yùn)行，負(fù)荷分析是基礎(chǔ)。首要考慮分布式供能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，需盡可能讓核心系統(tǒng)持續(xù)、高負(fù)荷運(yùn)行以發(fā)揮其節(jié)能效益。機(jī)組選擇過小，雖然能保證持續(xù)，但是失去了規(guī)模效益；機(jī)組選擇過大，運(yùn)行負(fù)荷率低，能源利用率不高，經(jīng)濟(jì)性也大打折扣。

根據(jù)本項(xiàng)目電力和蒸汽負(fù)荷情況，分布式供能系統(tǒng)采取“以電定熱、并網(wǎng)不上網(wǎng)”的原則，通過新建1臺(tái)新奧動(dòng)力E390微燃機(jī)，配套1臺(tái)2 t/h的余熱鍋爐替代原有的天然氣鍋爐系統(tǒng)，包含燃?xì)馕⑷紮C(jī)發(fā)電系統(tǒng)、余熱回收利用系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)及整個(gè)項(xiàng)目的自動(dòng)控制系統(tǒng)。保證廠區(qū)內(nèi)基本能源供應(yīng)，并對(duì)原有蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)進(jìn)行托管，作為補(bǔ)充能源系統(tǒng)。對(duì)整個(gè)工藝過程采用優(yōu)化后的運(yùn)行方案，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)高效、平穩(wěn)、安全、節(jié)能的運(yùn)行。

2 客戶能耗調(diào)研

通過采用人工逐時(shí)記錄、實(shí)時(shí)拍照等數(shù)據(jù)采集手段對(duì)上海某洗滌企業(yè)內(nèi)用能負(fù)荷情況進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研，該洗滌企業(yè)使用的主要能源為電與天然氣。

2.1 用能現(xiàn)狀

某洗滌企業(yè)2020年初有2條隧道式洗滌龍生產(chǎn)線(每條生產(chǎn)線2 min能處理50 kg洗滌物)、20余臺(tái)工業(yè)洗衣機(jī)以及貫穿式烘干箱(6臺(tái)熱風(fēng)烘干箱、1臺(tái)蒸汽烘干箱)及若干燙平機(jī)，日高峰處理能力可達(dá)70 t。公司生產(chǎn)為兩班制，因行業(yè)特點(diǎn)，生產(chǎn)時(shí)間主要為 16：00～次日 8：00，目前工作時(shí)間已延長至20 h。

2020年底該企業(yè)增加了2條生產(chǎn)線，用能設(shè)備中增加了5臺(tái)貫穿式烘干箱，同時(shí)將原天然氣熱風(fēng)直燃烘干逐步改造為蒸汽烘干?？紤]到夜班工人的招聘難度，計(jì)劃于 2023年底將生產(chǎn)時(shí)間調(diào)整為6:00～24:00，工作時(shí)間相應(yīng)被調(diào)整為18 h。2020－2021年企業(yè)年能源消耗量對(duì)比見表1。

表1 某洗滌企業(yè)年能源消耗量

2.1.1 電力負(fù)荷分析

企業(yè)電力供應(yīng)采用10 kV進(jìn)線，設(shè)置800 kVA變壓器1臺(tái)，旺季電力日耗量為6 000 kW·h(三班制，工作時(shí)間20 h)，淡季電力日耗量為4 000 kW·h(雙班制，工作時(shí)間16 h)，日均負(fù)荷波動(dòng)為250～300 kW，峰、平、谷電量比例約為29%、29%、42%。

因廠區(qū)內(nèi)無能耗負(fù)荷逐時(shí)歷史數(shù)據(jù)，項(xiàng)目實(shí)施過程中選定2020年某日和2021年某日為調(diào)研日。對(duì)廠區(qū)內(nèi)電力負(fù)荷進(jìn)行了人工逐時(shí)記錄，根據(jù)微燃機(jī) E390的系統(tǒng)參數(shù)，得到選定調(diào)研日其電力逐時(shí)負(fù)荷曲線。

選定調(diào)研日逐時(shí)電力負(fù)荷曲線如圖1所示。

圖1 選定調(diào)研日逐時(shí)電力負(fù)荷曲線

2.1.2 蒸汽負(fù)荷分析

目前廠區(qū)內(nèi)的蒸汽供應(yīng)，采用 3臺(tái)功率為720 kW的蒸汽發(fā)生器，主要用能末端為80℃熱水洗滌、烘干和熨燙。同步天然氣抄表數(shù)據(jù)后可以看出：蒸汽發(fā)生器天然氣日均用量約2 200 m3，軟水日均用量為25 t。

選定調(diào)研日的逐時(shí)蒸汽負(fù)荷曲線如圖2所示。

圖2 選定調(diào)研日逐時(shí)蒸汽負(fù)荷曲線

2.2 系統(tǒng)工藝流程

天然氣經(jīng)微燃機(jī)組發(fā)出電力，該電力與廠區(qū)內(nèi)變壓器下400 V母線并網(wǎng)，微燃機(jī)煙氣經(jīng)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽并入廠區(qū)原有鍋爐房分汽缸。微燃機(jī)分布式系統(tǒng)滿足廠區(qū)內(nèi)部分電力和蒸汽的需求，不足部分由市電和蒸汽發(fā)生器進(jìn)行補(bǔ)充。微燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)工藝流程，如圖3所示。

圖3 微燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)工藝流程

2.3 系統(tǒng)場(chǎng)地布置

微燃機(jī)分布式系統(tǒng)布置于原有鍋爐房內(nèi)或周邊，以便于天然氣和蒸汽管網(wǎng)的接入。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，微燃機(jī)分布式系統(tǒng)有兩種布置方式，建筑及主要設(shè)備相關(guān)尺寸參數(shù)已在圖中簡(jiǎn)略標(biāo)出。

方式一：拆除原廢舊鍋爐，微燃機(jī)布置于鍋爐房旁邊過道，余熱鍋爐放置于原鍋爐房內(nèi)，如圖4所示。

圖4 微燃機(jī)分布式系統(tǒng)場(chǎng)地布置(方式一)

方式二：拆除鍋爐房后面臨時(shí)用房，微燃機(jī)和余熱鍋爐平行布置于圍墻處，如圖5所示。

圖5 微燃機(jī)分布式系統(tǒng)場(chǎng)地布置(方式二)

2.4 微燃機(jī)分布式系統(tǒng)構(gòu)成要素

微燃機(jī)分布式系統(tǒng)主要由燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、排污系統(tǒng)五大系統(tǒng)構(gòu)成。

2.4.1 燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)能源綜合利用、環(huán)境保護(hù)的要求，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況和企業(yè)需求，微燃機(jī)需配套余熱回收等相關(guān)設(shè)備。微燃機(jī)分布式系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)見表2。

表2 微燃機(jī)分布式系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

微燃機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)的一種。燃?xì)廨啓C(jī)是一種以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)，帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料燃燒釋放的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膭?dòng)力機(jī)械，其主要由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪三大部件組成。微型燃?xì)廨啓C(jī)(簡(jiǎn)稱微燃機(jī))通常是指功率在1 MW以內(nèi)的燃?xì)廨啓C(jī)。微燃機(jī)采用布雷頓循環(huán)，空氣過濾后首先進(jìn)入壓氣機(jī)壓縮，壓縮后的高壓空氣直接進(jìn)入燃燒室與燃料混合燃燒，燃燒后的高溫高壓氣體進(jìn)入渦輪膨脹做功，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，排出的高溫?zé)煔饪山尤胗酂崂迷O(shè)備，以達(dá)到能源的階梯利用。

2.4.2 余熱利用系統(tǒng)

微燃機(jī)排煙約為609 ℃，常見的微燃機(jī)分布式系統(tǒng)工藝流程有微燃機(jī)與余熱鍋爐(換熱器)的直接連接、微燃機(jī)與回?zé)崞鞯闹苯舆B接兩種形式。表 1所示的 1臺(tái)余熱鍋爐主要技術(shù)參數(shù)如下：流量為2.18 t/h，壓力為0.8 MPa，飽和蒸汽溫度為175 ℃。

充分考慮具體的余熱利用工藝和建筑物冷、熱、生活熱水負(fù)荷需求等因素的影響，再根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，同時(shí)考慮用戶用能需求為加熱鍋爐給水產(chǎn)生0.8 MPa飽和蒸汽，因此微燃機(jī)系統(tǒng)內(nèi)考慮使用余熱鍋爐，以達(dá)到較高的余熱利用率。

2.4.3 煙氣系統(tǒng)

從微燃機(jī)出口排出的高溫?zé)煔饨?jīng)煙道輸送進(jìn)入余熱鍋爐，在余熱鍋爐內(nèi)與水進(jìn)行熱量交換，鍋爐水被加熱后產(chǎn)生高溫蒸汽，煙氣溫度相應(yīng)地被降低。換熱后的煙氣經(jīng)煙囪排放，煙囪高度8 m，滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門要求。

2.4.4 給水系統(tǒng)

給水系統(tǒng)包括給水泵、閥門、操作平臺(tái)等，設(shè)置軟水器1臺(tái)、軟化水箱1座、給水泵2臺(tái)(1臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用，單臺(tái)給水泵的流量按鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量的110%選擇，給水泵可由鍋爐廠家配套)。市政自來水進(jìn)入軟水器，軟化后儲(chǔ)存于軟化水箱，經(jīng)給水泵加壓后進(jìn)入余熱鍋爐。

2.4.5 排污系統(tǒng)

鍋爐的排污包括連續(xù)排污和排污降溫池，排污水通入排污降溫池降溫后再排入廠區(qū)污水系統(tǒng)。

3 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性及減排效果

經(jīng)初步測(cè)算，該洗滌企業(yè)使用微燃機(jī)分布式系統(tǒng)，每年需耗用184.68萬m3天然氣，天然氣費(fèi)用為515.26萬元，同時(shí)產(chǎn)生發(fā)電收益131.27萬元，蒸汽收入424.07萬元，年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用為40.18萬元。相對(duì)于“市電＋燃?xì)忮仩t”的傳統(tǒng)系統(tǒng)，微燃機(jī)分布式系統(tǒng)每年可節(jié)約標(biāo)煤61.20 t，減排二氧化碳159.08 t。

3.1 年運(yùn)行費(fèi)用及收益

本微燃機(jī)分布式系統(tǒng)總投資為385萬元，包括微燃機(jī)整體、余熱鍋爐、輔助系統(tǒng)等投資費(fèi)用。建設(shè)微燃機(jī)分布式系統(tǒng)可以節(jié)省蒸汽發(fā)生器投資費(fèi)用、運(yùn)行人員費(fèi)用、項(xiàng)目運(yùn)行費(fèi)用(可托管經(jīng)營原有蒸汽發(fā)生器作為補(bǔ)充和備用)。

根據(jù)客戶生產(chǎn)特點(diǎn)，微燃機(jī)分布式系統(tǒng)全年運(yùn)行360 d，每天運(yùn)行24 h，年運(yùn)行參數(shù)及費(fèi)用見表3。

表3 年運(yùn)行參數(shù)及費(fèi)用(機(jī)組采用新奧動(dòng)力E390)

3.2 減排效果

傳統(tǒng)系統(tǒng)(市電+鍋爐)和微燃機(jī)分布式系統(tǒng)(微燃機(jī)+余熱鍋爐)的耗能量對(duì)比見表4，計(jì)算后可知微燃機(jī)分布式系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)每年可節(jié)約標(biāo)煤61.20 t。

表4 分布式系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)耗能量對(duì)比

上海市供電煤耗一般為300 g/kW·h，燃燒1 t標(biāo)準(zhǔn)煤后的各種排放物量分別為 CO22.6 t，SO224 kg，NOx7 kg，粉塵10 kg，計(jì)算后可得出傳統(tǒng)系統(tǒng)和微燃機(jī)分布式系統(tǒng)的各種排放物總量及減排量見表5，其中CO2的年減排量為159.12 t。

表5 分布式系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)年減排量對(duì)比 t

4 結(jié)語

上海某洗滌企業(yè)通過新建微燃機(jī)分布式系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)供能系統(tǒng)，可節(jié)約運(yùn)行成本和減少CO2排放量，符合國家節(jié)能減排政策，實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)。項(xiàng)目研究中還發(fā)現(xiàn)，氣電價(jià)格比對(duì)年可節(jié)約運(yùn)行成本影響較大。在當(dāng)前電價(jià)和氣價(jià)的條件下，該洗滌企業(yè)每年可節(jié)約運(yùn)行成本 40.18萬元。有關(guān)研究[1]表明：當(dāng)電價(jià)為0.536元/ kW·h、燃?xì)鈨r(jià)格為3.973元/m3、氣電比為7.4時(shí)，年節(jié)約運(yùn)行成本26.84萬元。本項(xiàng)目中氣電比為5.8，年節(jié)約運(yùn)行成本40.18萬元。對(duì)照后可以看出氣電比越小，年可節(jié)約運(yùn)行成本就越多。