白冬軍， 柯國(guó)華， 張 濤， 馮文亮， 甄浩然， 張 夏

(北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所，北京100011)

1 概述

溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱熱泵機(jī)組)可用于回收燃?xì)忮仩t煙氣余熱(潛熱、顯熱)，提高燃?xì)忮仩t房熱效率。然而，熱泵機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性也是投資者關(guān)心的問(wèn)題。因此，筆者設(shè)計(jì)以經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)為主要優(yōu)化目標(biāo)的熱泵機(jī)組(用于回收燃?xì)忮仩t的煙氣余熱)的選型軟件。本文對(duì)選型軟件的研究對(duì)象、優(yōu)化目標(biāo)、選型流程以及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行介紹。

2 研究對(duì)象

研究對(duì)象為用于回收燃?xì)忮仩t煙氣余熱的熱泵機(jī)組，熱泵機(jī)組利用煙氣余熱的工藝流程見圖1。熱泵機(jī)組排出的低溫余熱水通過(guò)煙氣換熱器吸收燃?xì)忮仩t排煙余熱變?yōu)楦邷赜酂崴?，熱泵機(jī)組利用天然氣燃燒熱與余熱水熱量加熱部分熱網(wǎng)回水。經(jīng)熱泵機(jī)組加熱的熱網(wǎng)回水與另一部分熱網(wǎng)回水共同進(jìn)入燃?xì)忮仩t，繼續(xù)升溫后作為熱網(wǎng)供水。

圖1 熱泵機(jī)組利用煙氣余熱的工藝流程

3 選型流程

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

選型軟件可將以下經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)設(shè)定為優(yōu)化目標(biāo)，包括：投資總額、凈收益、動(dòng)態(tài)投資回收期、項(xiàng)目服役期限的凈現(xiàn)值(NPV)、內(nèi)部收益率(IRR)。NPV指按部門或行業(yè)的基準(zhǔn)收益率或設(shè)定的折現(xiàn)率，將熱泵機(jī)組服役期限內(nèi)各年的凈現(xiàn)金流量折現(xiàn)到建設(shè)起點(diǎn)年份(基準(zhǔn)年)的現(xiàn)金累計(jì)。NPV>0表示除了預(yù)定的收益率外，可獲得更高的收益。NPV<0表示未能達(dá)到預(yù)定的收益率。NPV=0表示投資收益率恰好達(dá)到預(yù)期。由于能更準(zhǔn)確地反映投資的效果，通常將NPV作為優(yōu)化目標(biāo)。

項(xiàng)目NPV的計(jì)算式為：

式中CNPV——項(xiàng)目的NPV，元

n——熱泵機(jī)組使用壽命，a

t——時(shí)間，a

Fg——供暖期節(jié)省的天然氣費(fèi)用，元/a

Cf——供暖期的固定成本，元/a

Φhp——熱泵機(jī)組額定制熱功率，MW

Cv——單位可變成本(以與熱泵機(jī)組額定制熱功率相關(guān)的關(guān)聯(lián)系數(shù)形式表達(dá))，元/(MW·a)

i0——基準(zhǔn)收益率

Z——熱泵機(jī)組的造價(jià)，元

供暖期的固定成本包括人員工資、維修費(fèi)等固定成本，單位可變成本為典型供暖期內(nèi)隨熱泵機(jī)組額定制熱功率變化的成本費(fèi)用(如水費(fèi)、燃?xì)赓M(fèi)等)。熱泵機(jī)組的造價(jià)包括熱泵機(jī)組、配套設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)等。

3.2 限制條件與影響因素

① 限制條件

a.燃?xì)忮仩t排煙溫度。燃?xì)忮仩t排煙溫度高于煙氣露點(diǎn)(60 ℃)是熱泵機(jī)組選型的首要條件[1]，此時(shí)可回收煙氣中大量潛熱。

b.熱泵機(jī)組制熱功率調(diào)節(jié)范圍。對(duì)于分期建設(shè)的供熱工程，宜按中遠(yuǎn)期規(guī)劃熱負(fù)荷配置的燃?xì)忮仩t排煙余熱量考慮熱泵機(jī)組的額定制熱功率。在此基礎(chǔ)上，校核近期規(guī)劃熱負(fù)荷條件下初末寒期煙氣余熱量比較低時(shí)，是否超出熱泵機(jī)組制熱功率的調(diào)節(jié)范圍。若超出調(diào)節(jié)范圍，則應(yīng)按近期規(guī)劃熱負(fù)荷對(duì)熱泵機(jī)組額定制熱功率進(jìn)行選型。

c.燃?xì)忮仩t熱功率。將燃?xì)忮仩t熱功率7 MW為判斷閾值，熱功率低于7 MW的燃?xì)忮仩t不宜安裝熱泵機(jī)組。

② 影響因素

a.建設(shè)方式。應(yīng)明確配套熱泵機(jī)組的燃?xì)忮仩t房為新建鍋爐房，還是既有鍋爐房，并考慮鍋爐房面積、空間、配電、水源、燃?xì)獾劝惭b條件。通常，新建燃?xì)忮仩t房便于燃?xì)忮仩t與熱泵機(jī)組的統(tǒng)一設(shè)計(jì)布局。而既有燃?xì)忮仩t房的熱泵機(jī)組配套建設(shè)，受到現(xiàn)場(chǎng)條件限制?？紤]煙氣換熱器的類型，直接接觸式換熱器與間壁式冷凝換熱器的結(jié)構(gòu)型式不同，需要的空間不同。

b.投資與管理方式。一種是供熱單位投資并負(fù)責(zé)管理。另一種是合同能源管理，由節(jié)能服務(wù)公司投資并負(fù)責(zé)管理，按與供熱單位簽訂的節(jié)能服務(wù)合同，節(jié)能服務(wù)公司分享節(jié)能效益。

c.政策補(bǔ)貼。

d.熱泵機(jī)組使用壽命。熱泵機(jī)組的使用壽命關(guān)系到收益，通常要求使用壽命應(yīng)大于等于15 a。

3.3 選型流程

熱泵機(jī)組選型流程見圖2。根據(jù)選型流程，使用PHP語(yǔ)言(Hypertext Preprocessor)，采用B/S架構(gòu)，編寫選型軟件。

根據(jù)天然氣組成、燃?xì)忮仩t燃?xì)庀牧?、燃?xì)忮仩t設(shè)計(jì)排煙溫度、煙氣換熱器設(shè)計(jì)排煙溫度等參數(shù)，計(jì)算可回收的煙氣余熱功率(包括顯熱功率和潛熱功率兩部分)[2-3]。余熱回收比例為熱泵機(jī)組擬回收的煙氣余熱功率(人為設(shè)定)與可回收的煙氣余熱功率之比。余熱回收比例反映出選型的期望，在可回收的煙氣余熱功率一定的情況下，余熱回收比例越大，回收的煙氣余熱量就越大，熱泵機(jī)組的額定制熱功率也就越大。反之，熱泵機(jī)組的額定制熱功率越小。因此，可計(jì)算不同余熱回收比例對(duì)應(yīng)的熱泵機(jī)組額定制熱功率，并繪制余熱回收比例-熱泵機(jī)組額定制熱功率曲線。

考慮影響因素以及配套熱泵機(jī)組帶來(lái)的成本及收益(回收煙氣余熱帶來(lái)的燃?xì)赓M(fèi)用的降低)，計(jì)算不同余熱回收比例下的NPV，并繪制余熱回收比例-NPV曲線。

結(jié)合余熱回收比例-NPV曲線，確定最佳(最大值)NPV對(duì)應(yīng)的最佳余熱回收比例，進(jìn)而結(jié)合余熱回收比例-熱泵機(jī)組額定制熱功率曲線確定最佳熱泵機(jī)組額定制熱功率。最后，根據(jù)建設(shè)方式確定熱泵機(jī)組的具體配置，特別是煙氣換熱器的類型(直接接觸式換熱器、間壁式冷凝換熱器)。

受軟件功能限制，軟件僅能確定熱泵機(jī)組的總額定制熱功率，具體到與多臺(tái)燃?xì)忮仩t的匹配情況，還需要人工干預(yù)。

圖2 熱泵機(jī)組選型流程

4 實(shí)際應(yīng)用

① 基礎(chǔ)參數(shù)

北京地區(qū)某鍋爐房總供熱面積為409.91×104m2，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為184.46 MW。鍋爐房安裝4臺(tái)熱水燃?xì)忮仩t，單臺(tái)熱功率為70 MW，設(shè)計(jì)供、回水溫度為130、70 ℃。擬采取供熱單位投資(并負(fù)責(zé)運(yùn)行)，配套熱泵機(jī)組回收燃?xì)忮仩t煙氣余熱，熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)制熱性能系數(shù)為1.7，采用選型軟件對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行選型。

天然氣各組分的體積分?jǐn)?shù)見表1。天然氣低熱值為34.39 MJ/m3，價(jià)格為2.51 元/m3。

表1 天然氣各組分的體積分?jǐn)?shù)

燃?xì)忮仩t設(shè)計(jì)排煙溫度為70 ℃，煙氣換熱器設(shè)計(jì)排煙溫度為25 ℃。鍋爐房環(huán)境空氣溫度取10 ℃，大氣壓力為101.325 kPa。供暖室外計(jì)算溫度為-7.6 ℃，供暖期室外平均溫度為0.1 ℃，供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為20 ℃。供暖期為120 d。

熱泵機(jī)組使用壽命為20 a，供暖期固定成本為25×104元/a，單位可變成本為8×104元/(MW·a)，基準(zhǔn)收益率為5%，不考慮財(cái)政補(bǔ)貼。

② 選型結(jié)果

將基礎(chǔ)參數(shù)輸入軟件后，通過(guò)計(jì)算，軟件輸出余熱回收比例-熱泵機(jī)組額定制熱功率曲線、余熱回收比例-NPV曲線，軟件截圖分別見圖3、4。由圖4可知，余熱回收比例為0.75時(shí)，NPV最大。因此，最佳余熱回收比例為0.75。由圖3可知，余熱回收比例為0.75時(shí)，熱泵機(jī)組額定制熱功率為30.87 MW，余熱回收量為13.08 MW。

圖3 余熱回收比例-熱泵機(jī)組額定制熱功率曲線(軟件截圖)

圖4 余熱回收比例-NPV曲線(軟件截圖)

5 結(jié)語(yǔ)

影響熱泵機(jī)組選型的因素很多，若想取得更理想可靠的選型建議，需要對(duì)選型軟件進(jìn)一步完善，并準(zhǔn)確掌握這些影響因素，使選型軟件成為進(jìn)行熱泵機(jī)組選型的一種簡(jiǎn)便實(shí)用的工具。