杜紫薇， 陳海平， 黃吉光， 趙春昊， 張 衡

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院， 北京 102206)

電廠鍋爐排煙熱損失能達到輸入熱量的4%～8%[1]，并且脫硫塔后煙氣中水蒸氣體積分數(shù)達到10%～15%[2]，回收尾部煙氣中的水分和熱量對降低電廠的水耗損、提高電廠的熱經(jīng)濟性有重要意義。基于多孔陶瓷復(fù)合膜的膜法煙氣水熱回收技術(shù)能夠在回收煙氣余熱的同時回收煙氣中的水，因此逐漸受到研究人員的關(guān)注[3-6]。與冷凝法和吸收法等煙氣水分回收技術(shù)相比，膜法具有回收水質(zhì)好[7]、換熱效果好[8]和簡單易維護[9]等優(yōu)點。

在膜法煙氣水熱回收技術(shù)中，膜管兩側(cè)分別流過煙氣和冷卻水，主要通過表面冷凝和毛細冷凝2種機理使水蒸氣凝結(jié)[10]，在跨膜壓差的作用下，將冷凝水回收到冷卻水側(cè)。該技術(shù)的水熱回收性能與膜孔徑密切相關(guān)，Chen等[11]通過實驗對比了20 nm、30 nm、50 nm及100 nm孔徑陶瓷膜組件(TMC)的水熱回收性能，結(jié)果表明孔徑為20 nm的陶瓷膜因強化毛細凝結(jié)效果，其水回收效率最高。毛細冷凝多出現(xiàn)在2～50 nm孔徑的陶瓷膜中，在陶瓷膜孔徑大于50 nm時，煙氣水分主要通過表面冷凝機理回收[12]。為優(yōu)化系統(tǒng)運行，以更好地回收煙氣水分和低品位熱能，Cao等[13-15]對膜法煙氣水熱回收中的運行參數(shù)進行研究，結(jié)果表明煙氣流量、煙氣溫度、冷卻水流量、進口冷卻水溫度和煙氣濕度等參數(shù)都會影響水熱回收性能。

依靠實驗室規(guī)模的研究難以真正反映膜法煙氣水熱回收技術(shù)的實際工程化應(yīng)用情況，有必要建立中試及以上規(guī)模的膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)。Li等[16]在某燃煤電廠采用1 μm陶瓷膜建立膜法煙氣水熱回收中試平臺，陶瓷膜總面積為14.28 m2，結(jié)果表明該系統(tǒng)連續(xù)運行穩(wěn)定，水回收量和熱回收量分別可達43.65 kg/(m2·h)和113.47 MJ/(m2·h)。Wang等[7]基于膜法煙氣水熱回收技術(shù)在工業(yè)鍋爐上建立了商業(yè)化應(yīng)用工程，該工程采用納米陶瓷膜，煙氣水回收率可達到40%。但以上研究存在以下缺陷：(1) 回收水可以用作鍋爐或脫硫塔補水，但回收熱量并未進入電廠熱力循環(huán)，如何利用回收熱量的問題仍有待解決。將陶瓷膜組件耦合到電廠的熱力循環(huán)中，尋找可利用所回收低品位熱量的合理途徑，才能降低電廠能源消耗。(2) 目前膜法煙氣水熱回收的評價手段大多針對陶瓷膜組件自身回收水流量、熱流量和回收效率，未從電廠熱力循環(huán)角度評價陶瓷膜組件的熱經(jīng)濟性。將膜法煙氣水熱回收裝置耦合到燃煤機組熱力系統(tǒng)中，會影響全廠熱力系統(tǒng)汽水分布，導(dǎo)致機組運行調(diào)節(jié)發(fā)生變化。從全廠熱力系統(tǒng)角度分析膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性，探明系統(tǒng)性能隨運行參數(shù)的變化趨勢，準確地對系統(tǒng)進行評估和優(yōu)化，可以為系統(tǒng)的工程建設(shè)和優(yōu)化運行提供建議。

筆者以某330 MW燃煤發(fā)電機組為例，將膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)耦合到熱力系統(tǒng)中進行分析研究。陶瓷膜組件安裝在尾部煙道，將回收熱量用于預(yù)熱熱網(wǎng)回水，回收水則作為冷卻塔補水。建立耦合膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)的全廠熱力系統(tǒng)計算模型，分析煙氣和冷卻水的溫度、體積流量對全廠熱經(jīng)濟性的影響，研究機組負荷變化時膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)的性能，并對其進行技術(shù)經(jīng)濟分析。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 機組概況

選取某330 MW燃煤發(fā)電機組為例進行研究。鍋爐型號為B &WB-1100/17.5-M，為亞臨界、自然循環(huán)、前后墻對沖燃燒、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼構(gòu)架的∏型汽包爐。鍋爐配置了一臺東方汽輪機有限公司生產(chǎn)的雙缸雙排汽330 MW汽輪發(fā)電機組。該機組鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 100 t/h，采用8級抽提工藝，包括3級高壓回?zé)崞鳌?級低壓回?zé)崞骱?個除氧器。機組蒸汽/水循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示，熱耗率驗收工況(THA工況)和采暖工況下的主要參數(shù)及煙氣參數(shù)分別見表1和表2。

HP-高壓缸； LP-低壓缸； G-發(fā)電機； RHi—回?zé)崞鳎?qm,0—主蒸汽質(zhì)量流量； qm,i—第i級抽汽質(zhì)量流量； qm,fc—采暖抽汽質(zhì)量流量； qm,wfc—采暖抽汽回水質(zhì)量流量。

表1 某330 MW 燃煤發(fā)電機組主要參數(shù)

表2 煙氣參數(shù)

1.2 膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)

膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)的原理是陶瓷膜組件膜管內(nèi)側(cè)連續(xù)流動的冷卻水與膜管外側(cè)流動的煙氣換熱使煙氣溫度降低，煙氣中水蒸氣冷凝，在膜兩側(cè)壓差作用下冷凝水滲透到膜管內(nèi)，冷卻水因吸熱溫度升高，從而實現(xiàn)煙氣水分和熱量的回收。該系統(tǒng)包括循環(huán)水箱、陶瓷膜組件、聯(lián)箱、水泵和連接管路等。主要設(shè)備陶瓷膜組件參數(shù)見表3，陶瓷膜組件共120個，孔徑為1 μm，布置在鍋爐脫硫塔后、煙囪之前的尾部水平煙道中，總膜面積約為1 300 m2。煙氣流出脫硫塔后進入陶瓷膜組件，在膜管外流動。膜管內(nèi)流動的冷卻水使用機組除鹽水，冷卻水在循環(huán)泵和前后聯(lián)箱產(chǎn)生的虹吸作用下在膜管內(nèi)流動，其壓力略低于煙氣壓力。煙氣與冷卻水通過膜管實現(xiàn)換熱，煙氣中的水蒸氣因煙氣溫度降低在陶瓷膜外表面冷凝。在跨膜壓差的作用下，冷凝水滲透進入膜管內(nèi)，被冷卻水帶走，冷卻水溫度升高，流量增加，實現(xiàn)煙氣水分和熱量的回收。流出陶瓷膜組件的煙氣溫度降低、含濕量下降，再通過煙囪排出。為了利用冷卻水回收的熱量，加裝溴化鋰吸收式熱泵，使用升溫后的冷卻水作為低溫?zé)嵩?，熱網(wǎng)抽汽作為高溫?zé)嵩醇訜釤峋W(wǎng)回水，從而減少熱網(wǎng)抽汽，實現(xiàn)節(jié)能。經(jīng)過熱泵的冷卻水溫度降低至初始水溫，返回循環(huán)水箱，然后作為冷卻介質(zhì)進入陶瓷膜組件。隨著回收的水分增多，水箱水位升高，當水位超過設(shè)定水位時，連鎖排出多余的水通過電廠循環(huán)水回水母管再進入冷卻塔作為補水加以利用。

表3 陶瓷膜組件參數(shù)

1.3 主要假設(shè)

為建立膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)、全廠熱力系統(tǒng)的物理模型并簡化計算，進行如下假設(shè)：(1) 系統(tǒng)內(nèi)均屬穩(wěn)態(tài)流動，忽略動能和勢能的變化；(2) 忽略各個組件的熱損失；(3) 各回?zé)崾郊訜崞鹘K端溫差不隨機組負荷變化；(4) 脫硫塔后排出的煙氣飽和無水滴。

2 熱力學(xué)模型

為綜合評價膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)，并從全廠熱力系統(tǒng)角度分析該系統(tǒng)的節(jié)能潛力，在MATLAB平臺上建立了膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)和全廠熱力系統(tǒng)的熱力學(xué)模型。

2.1 陶瓷膜組件模型

對陶瓷膜組件進行熱力學(xué)分析，其傳熱傳質(zhì)過程如圖2所示。

圖2 陶瓷膜組件示意圖

陶瓷膜組件內(nèi)水蒸氣質(zhì)量守恒方程如下：

qm,c,in+qm,f,in=qm,c,out+qm,f,out

(1)

Jrev=(qm,f,in-qm,f,out)/Ai=qm,rev/Ai

(2)

式中：qm,f,in和qm,f,out分別為陶瓷膜組件進、出口煙氣的質(zhì)量流量，kg/h；qm,c,in和qm,c,out分別為陶瓷膜組件進、出口冷卻水的質(zhì)量流量，kg/h；Jrev為陶瓷膜組件水回收量，kg/(m2·h)；qm,rev為回收水的質(zhì)量流量(以下簡稱回收水量)，kg/h；Ai為陶瓷復(fù)合膜的內(nèi)表面積，m2。

煙氣質(zhì)量流量與回收水量數(shù)量級相差大，計算進出口煙氣顯熱變化時可近似認為煙氣質(zhì)量流量恒定，陶瓷膜組件的熱量守恒方程為：

qm,c,in·cp,f·(Tf,out-Tf,in)+qm,rev·γ+qm,rev·

cp,rev·(Tf,in-Tc,out)=qm,c,in·cp,c·

(Tc,out-Tc,in)

(3)

式中：cp,f為煙氣的比定壓熱容，J/(kg·K)；Tf,in和Tf,out分別為進、出口煙氣溫度，℃；cp,rev和cp,c分別為回收水、冷卻水的比定壓熱容，J/(kg·K)；Tc,in和Tc,out分別為進、出口冷卻水溫度，℃；γ為水蒸氣的汽化潛熱，J/kg。

冷卻水在陶瓷膜組件中回收的熱量為：

Qc=[qm,rev·cp,rev·(Tc,out-Tw)+qm,c,in·cp,c·(Tc,out-Tc,in)]/Ao

(4)

式中：Qc為陶瓷膜組件熱回收量，J/(m2·h)；Tw為膜管壁溫，℃；Ao為陶瓷復(fù)合膜的外表面積，m2。

2.2 熱泵模型

溴化鋰吸收式熱泵的工作原理如圖3(其中DTR表示除氧器)所示，熱泵將熱網(wǎng)回水從50 ℃加熱到70 ℃，再利用熱網(wǎng)回水換熱器將熱網(wǎng)回水加熱到120 ℃。

圖3 溴化鋰吸收式熱泵工作原理圖

熱力系數(shù)是評價熱泵的重要指標，在本模型中忽略各類不可逆損失，假設(shè)各過程絕熱，根據(jù)能量守恒方程，對熱泵及熱交換器進行熱力分析，熱量平衡方程如下：

qm,fc·cp,g1·(Tg,in-Tg,out)·ξ=qm,circle·cp,circle1·

(Tcircle,1-Tcircle)

(5)

qm,fc·cp,g2·(Tg,out-Tg,S)+qm,fc·γg+qm,fc·

cp,g3·(Tg,S-Tg,wf)=qm,circle·γc+qm,circle·cp,circle2·(Tcircle,2-Tcircle,S)+qm,circle·cp,circle3·

(Tcircle,S-Tcircle,1)

(6)

式中：qm,circle為熱網(wǎng)循環(huán)水質(zhì)量流量，kg/h；ξ為熱泵的熱力系數(shù)；cp,circlei為不同溫度下熱網(wǎng)循環(huán)水的比定壓熱容，J/(kg·K)；cp,gi為不同溫度下采暖抽汽的比定壓熱容，J/(kg·K)；Tg,in和Tg,out分別為發(fā)生器進、出口溫度，℃；Tg,wf為采暖抽汽回水溫度，℃；Tcircle、Tcircle,1分別為熱網(wǎng)循環(huán)水進、出熱泵的溫度，℃；Tcircle,2為輸送到熱用戶的熱網(wǎng)循環(huán)水溫度，℃；Tg,S為水蒸氣在0.3 MPa時的飽和溫度，℃；γg為水蒸氣在0.3 MPa時的汽化潛熱，J/kg；Tcircle,S為熱網(wǎng)循環(huán)水在0.19 MPa時的飽和溫度，℃；γc為熱網(wǎng)循環(huán)水在0.19 MPa時的汽化潛熱，J/kg。

結(jié)合陶瓷膜組件進出口冷卻水溫度、冷卻水質(zhì)量流量以及各溫度對應(yīng)的比定壓熱容，即可計算出陶瓷膜組件耦合熱泵后的采暖抽汽質(zhì)量流量(以下簡稱抽汽量)。

2.3 熱力系統(tǒng)模型

上述計算過程描述了陶瓷膜組件如何耦合熱泵，并分析計算了節(jié)能后的采暖抽汽量?，F(xiàn)將膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)和熱泵并入全廠熱力系統(tǒng)，對其進行原則性熱力分析，采用矩陣法建立模型。

圖4給出了進出熱力系統(tǒng)的輔助汽水流，根據(jù)矩陣法與系統(tǒng)的狀態(tài)方程式(7)，即可求出安裝膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)后各加熱器抽汽量的變化。

圖4 輔助汽水流

(7)

其中，

式中：hi為第i級加熱器抽汽焓，J/kg；Qi為第i級的抽汽放熱量，J/kg；γi為第i級疏水放熱量，J/kg；τi為第i級給水焓升，J/kg；qm,fi為第i級加熱器的輔助汽水質(zhì)量流量，kg/h；hfi為第i級加熱器的輔助汽水焓，J/kg；qm,fw為鍋爐給水量，kg/h；hwfc為采暖抽汽返回?zé)崃ο到y(tǒng)時的焓，J/kg。

采暖抽汽也是輔助汽水，但為了直觀地看出采暖抽汽變化對系統(tǒng)的影響，將其與其他輔助汽水分開列出。

2.4 系統(tǒng)評價

從膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)角度，以水回收量Jrev和熱回收量Qc作為系統(tǒng)的評價指標。

從全廠角度，耦合膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)減少了機組采暖抽汽量，提高了機組的熱經(jīng)濟性，因此以節(jié)煤率b0作為評價指標。標準煤耗率為：

(8)

(9)

式中：bcp為標準煤耗率，g/(kW·h)；ηb為鍋爐效率，根據(jù)電廠運行手冊取0.938；ηp為管道效率，取0.99；ηm為機械效率，取0.985；ηg為發(fā)電機效率，取0.99；ηi為汽輪機的絕對內(nèi)效率；Wi為汽輪機對外輸出功，kJ/h；Q0為工質(zhì)循環(huán)吸熱量， kJ/h；h0為主蒸汽的焓，J/kg；Δhi為第i級抽汽在汽輪機中的實際比焓降，kJ/kg，其中再熱前Δhi=h0-hi，再熱之后Δhi=h0-hi+Qrh，Qrh為1 kg再熱蒸汽在鍋爐中的吸熱量；qm,c為凝結(jié)水質(zhì)量流量，kg/h；Δhc為排汽在汽輪機中的實際比焓降，J/kg；qm,rh為再熱蒸汽質(zhì)量流量，kg/h；hrh和hfw分別為再熱蒸汽和鍋爐給水的焓，J/kg。

節(jié)煤率表達式為：

b0=bcp,1-bcp,2

(10)

式中：bcp,1為原熱力系統(tǒng)標準煤耗率，g/(kW·h)；bcp,2為耦合膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)后的標準煤耗率，g/(kW·h)。

采用靜態(tài)評價指標回收周期(Pt)和動態(tài)評價指標凈現(xiàn)值(CNPV)來評價系統(tǒng)的經(jīng)濟性能?；厥罩芷谑侵敢皂椖康膬羰找婊厥枕椖咳客顿Y所需要的時間，表達式如下：

(11)

式中：Pt為靜態(tài)投資回收周期，a；CI為現(xiàn)金流入量，元；CO為現(xiàn)金流出量，元；(CI-CO)t為第t年的凈現(xiàn)金流量，元。

凈現(xiàn)值是指未來資金流入現(xiàn)值與未來資金流出現(xiàn)值的差額：

(12)

式中：x為基準收益率，取銀行利率2.75%。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗證

為了驗證膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)和全廠熱力系統(tǒng)計算模型的準確性，將陶瓷膜組件的實驗值與計算值進行對比，將THA工況設(shè)計參數(shù)、采暖工況設(shè)計參數(shù)與計算值進行對比，如圖5所示?？梢钥闯?，2種模型的計算值與實驗值的誤差在10%～15%，均可用于預(yù)測及評估系統(tǒng)。

(a) 膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)模型驗證

3.2 煙氣體積流量的影響

圖6給出了煙氣體積流量對水回收量、熱回收量及全廠熱力系統(tǒng)的影響，其中煙氣溫度為60 ℃，相對濕度為100%，冷卻水體積流量為1 000 m3/h，進口冷卻水溫度為20 ℃。由圖6(a)可知，當煙氣體積流量從500 000 m3/h增加到1 212 500 m3/h時，水回收量從20.36 kg/(m2·h)增加到29.42 kg/(m2·h)，熱回收量從58.41 MJ/(m2·h)增加到83.43 MJ/(m2·h)。煙氣橫掠陶瓷膜組件管束與膜管表面產(chǎn)生的換熱屬于外部強制對流換熱。煙氣體積流量增加，煙氣流速增大，強化了膜管外側(cè)與煙氣的對流換熱，從而提高陶瓷膜組件的整體換熱性能，回收的顯熱增加。換熱效果增強會加劇煙氣中水蒸氣在膜表面的冷凝，水蒸氣在冷凝過程中釋放潛熱，因此水回收量和回收潛熱量增加，從煙氣中回收的總熱量亦隨之增加。

(a) 水回收量和熱回收量變化

結(jié)合全廠熱力系統(tǒng)分析，當煙氣體積流量從500 000 m3/h增加到1 212 500 m3/h時，采暖抽汽減少量從5 729.03 kg/h增加到6 747.59 kg/h，節(jié)煤率從0.97 g/(kW·h)增加到1.12 g/(kW·h)，見圖6(b)。煙氣體積流量增加強化了陶瓷膜組件的水熱回收，陶瓷膜組件出口冷卻水溫度升高，提高了熱泵低溫?zé)嵩礈囟龋沟脽岜脽崃ο禂?shù)增大、節(jié)能效果增強，因此減少了熱泵高溫?zé)嵩吹牟膳槠浚岣吡斯?jié)煤率。

3.3 冷卻水體積流量的影響

圖7給出了冷卻水體積流量對水回收量、熱回收量及全廠熱力系統(tǒng)的影響，其中煙氣溫度為60 ℃，煙氣體積流量為1 000 000 m3/h，相對濕度為100%，進口冷卻水溫度為20 ℃。由圖7(a)可知，當冷卻水體積流量從500 m3/h增加到2 300 m3/h時，水回收量從18.45 kg/(m2·h)增加到35.74 kg/(m2·h)，熱回收量從52.11 MJ/(m2·h)增加到102.66 MJ/(m2·h)。冷卻水在膜管內(nèi)屬于內(nèi)部強制流動，冷卻水體積流量增加，陶瓷膜組件內(nèi)水流速增大，強化了膜管與冷卻水的對流換熱，提高了陶瓷膜組件整體換熱性能，促使煙氣溫度降低、水蒸氣冷凝和釋放潛熱，因而從煙氣中回收了更多的水和余熱。水回收量和熱回收量隨著冷卻水體積流量的增加而增加，但兩者的增幅逐漸減小。在冷卻水體積流量大于1 600 m3/h后冷卻水體積流量增加產(chǎn)生的水、熱回收增強效果較小，表明此時的換熱阻力主要在煙氣側(cè)，提高水側(cè)傳熱系數(shù)對提高陶瓷膜組件整體傳熱系數(shù)的影響小。

(a) 水回收量和熱回收量變化

由圖7(b)可知，全廠熱力系統(tǒng)性能的變化趨勢與陶瓷膜組件性能變化趨勢相反。當冷卻水體積流量從500 m3/h增加到2 300 m3/h時，采暖抽汽減少量從7 641.88 kg/h降低到5 179.53 kg/h，節(jié)煤率從1.25 g/(kW·h)降低到0.89 g/(kW·h)。陶瓷膜組件進口冷卻水溫度不變，冷卻水體積流量增加，陶瓷膜組件出口冷卻水溫度降低。熱泵的熱力系數(shù)受到低溫?zé)嵩醇刺沾赡そM件進口冷卻水溫度的影響。出口冷卻水溫度降低，熱泵低溫?zé)嵩雌骄鶞囟冉档停瑹崃ο禂?shù)減小，采暖抽汽減少量降低，節(jié)煤率下降，表明從全廠角度來看，陶瓷膜組件的冷卻水體積流量并非越高越好。

3.4 進口冷卻水溫度的影響

圖8給出了進口冷卻水溫度對水回收量、熱回收量及全廠熱力系統(tǒng)的影響，其中煙氣溫度為60 ℃，煙氣體積流量為1 000 000 m3/h，相對濕度為100%，冷卻水體積流量為1 000 m3/h。由圖8(a)可知，當進口冷卻水溫度從11 ℃升高到30 ℃時，陶瓷膜組件水回收量從32.57 kg/(m2·h)降低到21.15 kg/(m2·h)，熱回收量從92.72 MJ/(m2·h)降低到60.19 MJ/(m2·h)。陶瓷膜組件兩側(cè)溫差對跨膜傳熱量的影響很大，進口冷卻水溫度升高，換熱溫差降低，使得跨膜傳熱減弱，從而導(dǎo)致煙氣中冷凝的水蒸氣量減少，水回收量降低。因此，冷凝過程釋放的潛熱減少，降低了整體回收的熱量。結(jié)合全廠熱力系統(tǒng)分析，當進口冷卻水溫度從11 ℃升高到30 ℃時，采暖抽汽減少量從4 820.25 kg/h增加到8 505.15 kg/h，節(jié)煤率從0.84 g/(kW·h)增加到1.37 g/(kW·h)，見圖8(b)。進口冷卻水溫度升高，其出口冷卻水溫度也升高，這意味著熱泵低溫?zé)嵩礈囟壬?。根?jù)熱泵模型，在熱泵高溫?zé)嵩礈囟炔蛔兊那闆r下，低溫?zé)嵩礈囟壬呖梢栽龃鬅岜玫臒崃ο禂?shù)，即工作效率更高，導(dǎo)致采暖抽汽減少量增加。從而使機組煤耗率降低，節(jié)煤率增加，在實際應(yīng)用中，進口冷卻水溫度的選擇應(yīng)綜合考慮陶瓷膜組件性能與全廠熱力系統(tǒng)性能，如從經(jīng)濟性角度出發(fā)，可通過計算膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)的水、熱回收利用帶來的收益，選擇可達到較高收益的進口冷卻水溫度。

(a) 水回收量和熱回收量變化

3.5 不同季節(jié)機組負荷的影響

考慮到實際運行中，脫硫塔煙氣溫度在50 ℃左右，冷卻水體積流量為1 000 m3/h，進口冷卻水溫度選擇20 ℃，相對濕度為100%。隨著季節(jié)的變化，電廠分供暖季和非供暖季2種工作時期。燃煤發(fā)電機組的運行工況與進口煙氣參數(shù)密切相關(guān)，負荷升高時，煙氣體積流量增加。在非供暖季和供暖季，系統(tǒng)的水回收量和熱回收量均隨著負荷的下降逐漸降低，如圖9和圖10所示。這是由汽輪機效率的變化引起的，設(shè)計參數(shù)下汽輪機效率最高，偏離設(shè)計參數(shù)時汽輪機效率下降，煙氣體積流量減少，水回收量和熱回收量降低。由圖10可知，在供暖季，供熱抽汽使機組負荷不能達到330 MW，水回收量、熱回收量及節(jié)煤率均隨著負荷的升高而增加。當負荷為248.522 MW時，節(jié)煤率達到1.098 g/(kW·h)。

3.6 碳減排分析

通過計算膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)每年的節(jié)煤量及碳減排量，分析其節(jié)能減排性能。供暖時間為11月到次年3月，假定全年供暖2 500 h。根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會網(wǎng)站公布資料，計算碳減排量。各工況的運行參數(shù)如表4所示。由圖11可知，4種工況下膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)每年碳減排量均在1 700 t以上，每年節(jié)約煤炭600 t以上，全年最高可實現(xiàn)節(jié)煤677.84 t。

圖9 非供暖季機組負荷對水回收量和熱回收量的影響

(a) 水回收量和熱回收量變化

表4 4種工況的運行參數(shù)

3.7 經(jīng)濟性分析

煙氣體積流量、冷卻水體積流量和進口冷卻水溫度變化會導(dǎo)致年收益不同。假設(shè)以年為單位，保證膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)工作時間為6 000 h，冬季供暖時間為2 500 h。圖12給出了水、熱回收收益以及總收益隨機組負荷(THA、75%THA和50%THA)、進口冷卻水溫度(20 ℃、25 ℃和30 ℃)及冷卻水體積流量(500 m3/h、1 000 m3/h和2 000 m3/h)的變化。在控制單一變量的情況下，從圖12整體變化趨勢可以得出，總收益與水回收收益的變化基本一致，系統(tǒng)運行時應(yīng)在保證水回收量的前提下盡可能提高熱回收收益。

圖11 膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)的碳減排量

圖12 水、熱回收收益對比

采用回收周期和凈現(xiàn)值來評價系統(tǒng)的經(jīng)濟性能。根據(jù)膜法煙氣水熱回收工業(yè)應(yīng)用案例和市場調(diào)研，該系統(tǒng)的初始資金投入按照膜面積計算，約為2 700元/m2，預(yù)計運行維護成本為27萬元/a。水價和煤價分別為5.74元/t和850元/t[17]。系統(tǒng)壽命為15 a，燃煤發(fā)電機組運行時間為6 000 h/a。表5給出了冷卻水體積流量為1 000 m3/h、進口冷卻水溫度為20 ℃、設(shè)計工況條件下陶瓷膜組件系統(tǒng)的回收周期和凈現(xiàn)值。由表5可知，該系統(tǒng)全年可節(jié)水233 254.04 t，在15 a后凈現(xiàn)值最高可達1 337.25萬元。按照靜態(tài)評估回收周期為5.2 a左右。

表5 陶瓷膜組件經(jīng)濟性分析

4 結(jié) 論

(1) 煙氣體積流量增加，導(dǎo)致水回收量和熱回收量增加，全廠采暖抽汽減少量增加，節(jié)煤率增加；機組負荷越低，水回收量和熱回收量越小，全廠采暖抽汽減少量和節(jié)煤率越低。

(2) 冷卻水體積流量增加和進口冷卻水溫度降低都會使得系統(tǒng)水回收量和熱回收量增加，結(jié)合全廠熱力系統(tǒng)分析，全廠采暖抽汽減少量和節(jié)煤率降低。

(3) 膜法煙氣水熱回收系統(tǒng)最高水回收量為35.74 kg/(m2·h)，最大節(jié)煤率為1.37 g/(kW·h)，每年碳減排量均在1 700 t以上，每年節(jié)約煤炭600 t以上，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟性分析，系統(tǒng)回收周期約為5.2 a。