基于热电分摊的低温多效海水淡化成本分析

摘要：应用于热电厂的低温多效蒸馏海水淡化系统较好地解决了临海电厂淡水资源紧缺的问题。与商用海淡装置有明确的用汽、用电价格不同，热电厂内海淡装置的用汽、用电价格取决于电厂的产汽、发电成本，因此有必要在厘清热电厂产汽、发电成本的基础上，建立海水淡化运行成本的核算方法。本文利用热电分摊理论，构建了热电厂低温多效蒸馏海水淡化系统的成本模型，分析了影响运行成本的主要指标因素，提出了提高造水比的技术措施，达到了降低成本的目的，对热电厂新型耗能系统的技术经济性研究与应用具有指导作用。

关键词：热电分摊；低温多效蒸馏；海水淡化；成本

中图分类号：F42""""""""" 文献标志码：A

海水淡化技术是淡水资源紧缺的临海电厂向海洋获取新鲜淡水的主要方式，目前主要有反渗透膜法和低温多效蒸馏（MED）等技术路线。某临海电厂采用低温多效蒸馏海水淡化系统，建设规模为12000t/d，蒸发器采用“4+2”效方案，物料海水采用平流进料方式，设计造水比10∶1。低温多效蒸馏将汽轮机的中压缸排汽作为热源加热海水，多级蒸发器在真空状态下工作，海水最高蒸发温度为70℃，蒸汽冷凝后获得淡化水。海水淡化装置的用电接自厂用电系统。制水的直接成本包括蒸汽成本、电费和药品费用。

与商用海淡装置有明确的用汽、用电价格不同，热电厂内海淡装置的用汽、用电价格取决于电厂的产汽、发电成本。因此构建一套海水淡化运行成本的核算方法十分必要。本文采用热电分摊理论，将海水淡化系统与发电系统作为一个整体进行研究，以指导热电厂生产经营。

1热电分摊理论模型

热电厂是热、电共同产出的联产过程，其原理是将燃料的化学能转化为高品位热能并用来发电，同时将已在汽轮机中做了部分功后的低品位热能进行供热。热、电产品合理定价的前提是选取科学、适当的分摊方法。

热电分摊理论明确了热电厂总热耗量在生产电能和生产热能间的分配，确定了电能和热能的生产成本[1-2]。热电分摊可归纳为3类典型分配方法，即热量法、实际焓降法和做功能力法。

热量法是将总热耗量按照供热电厂生产2种能量的数量比例进行分配。热量法供热标准煤耗率如公式（1）所示。

（1）

式中：bstp（h）为供热标准煤耗率，kg标准煤/GJ；ηb为锅炉效率，%；ηp为管道效率，%。

热量法认为，供热的热耗量为电厂对外供热热耗加上供热时锅炉和管道中的热损失。该分配方法将生产电能和热能的热量视为等价，不反映不同参数供热蒸汽质量方面的不等价。热量法又称为联产效果归电法。

实际焓降法是把联产蒸汽的热耗量，按照供热抽汽焓降不足的部分与供热机组凝汽发电时的实际焓降之比来分配供热方面的耗热量。实际焓降法供热标准煤耗率如公式（2）所示。

（2）

式中：Btp为热电厂总燃料消耗量，kg/h；Qh为抽汽热量，kJ/h；Qnet，p为标煤低位发热量，kJ/kg；Dh，t为抽汽流量，t/h；为主蒸汽流量，t/h；hh为抽汽焓，kJ/kg；h0为主蒸汽焓，kJ/kg；hc为汽轮机排汽焓，kJ/kg；i为机组台数，i=1，2，... ；n为抽汽口数，n=1，2，...。

实际焓降法考虑了供热抽汽的品质，供热参数越高，供热方面分摊的耗热量越大。但实际上该法是把热电联产的好处全部归功于供热方面，即将冷源损失都归到发电方面[3-4]。

做功能力法是把联产蒸汽的耗热量按照蒸汽的最大做功能力在热、电产品间进行分配。做功能力法供热标准煤耗率如公式（3）所示。

（3）

做功能力法以热力学第一定律和第二定律为基础，考虑了热能的数量和质量差别，将热电联产得到的好处较合理地分配给热、电2个方面，但因供热汽轮机排汽参数与环境参数较接近，供热方面分摊的耗热量与实际焓降法算得的值相近，因此该法无法被生产单位接受[5]。

供热标准煤耗率与供热量相乘可得供热热耗量，那么发电方面的热耗量就等于总热耗量减去供热热耗量后的剩余部分，如公式（5）所示。计算发电热耗量、发电机输出电功率、标煤低位发热量可得发电标准煤耗率，分别如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

式中：bstp（e）为发电标准煤耗率，kg标准煤/（kW·h）；Pe为发电机输出电功率，kW·h；Qtp（e）为发电热耗量，kJ/h；Qtp为热电厂总热耗量，kJ/h；Qtp（h）为供热热耗量，kJ/h。

2海水淡化成本核算

低温多效蒸馏海水淡化的成本是一个受多种因素影响的复杂问题。海水淡化工程单位水量成本费用可分解为固定成本和可变成本。固定成本是指成本总额不随产量变化的各项费用，主要包括工资或薪酬、固定资产折旧费、长期借款利息和其他费用等。变动成本是指成本总额随产品产量变化而发生同向变化的各项费用，主要包括蒸汽、耗电、化学药品、人工以及维修等费用[6]。本文重点研究包括蒸汽费、耗电费用、化学药品消耗费用在内的变动成本。

制水耗标煤量将蒸汽、耗电成本统一到标准煤量上来，便于统计与分析，是海水淡化成本的综合指标，应用了热电分摊供热标准煤耗率、发电标准煤耗率模型，如公式（6）所示。

Bdh=bstp（e）Wdh+bstp（h）Qdh（6）

式中：Bdh为制水耗标煤量，kg/h；Wdh为制水电耗量，kW·h；Qdh为制水热耗量kJ/h。

某临海电厂2台300MW等级海水直流冷却燃煤机组配备了低温多效蒸馏海水淡化装置，兼顾发电、供热和制水的多联产过程。其中，海水淡化用汽来自机组中压排汽和辅助蒸汽。

根据机组发电、抽汽和海淡的热力性能数据（见表1～表3），核算d得出海水淡化装置经济性指标数据，见表4。其中，管道效率取99%，锅炉效率取93%，汽轮机排汽焓取2673kJ/kg，环境温度为16.3℃，海水淡化用药单位成本取0.46元/t，标煤单价取1079元/t。

海水淡化装置采用不同的热电分摊方法，包括汽、电和药品在内的变动成本核算结果如下：热量法为14.31元/t，实际焓降法为6.76元/t，做功能力法为9.01元/t。

出于热电企业的特殊性考量，选择不同的热电分摊方法将影响终端电热产品的成本，继而影响企业决策和行业政策。

海水淡化成本除了与所采用的核算方法有关，还与装置的运行绩效相关，下文将选取热量法进行成本分析。

3成本敏感性分析

将制水耗标煤量与淡化水量的比值定义为制水单耗，制水单耗是表征海水淡化制水成本的单耗指标，如公式（7）所示。

bdh=bwdh+b（7）

式中：bdh为制水单耗，kg标煤/t水；wdh为制水耗电率，指每制1t淡水所消耗的电量，kW·h/t水；qh为单位供热量，kJ/kg；GOR为造水比，即淡水产量与首效加热蒸汽消耗量的比值。

公式（7）由2部分组成，前半部分为制水耗电单耗，后半部分为制水耗汽单耗。其中，耗电方面与制水耗电率相关，耗汽方面与造水比相关。

选取热量法海淡成本模型的核算统计见表5。从数量级上看，耗电方面占总制水单耗的7.9%，耗汽方面占92. 1%。可见通过技术优化降低造水比是降低制水成本的主要方向。

4技术优化

低温多效蒸馏海水淡化造水比是指系统淡化得到的淡水与加热蒸汽消耗量之比，是反映系统热量利用率和整个海水淡化设备经济性指标的重要参数。影响造水比的因素包括首效蒸发温度、进料流量和传热系数等[7]。

在传热系数方面，物料海水在蒸发器内换热过程中需要消耗海水蒸发产生的二次蒸汽加热海水，并将其作为热量补偿。当物料水温度较低时，此部分热量需要从加热蒸汽中获得，导致加热蒸汽量增加，影响经济运行。根据表5的运行绩效可知，2023年5月凝汽器入口海水温度为22.65℃，远低于设计值（28.9℃～31. 1℃），造水比为8.03。需要通过提高凝汽器入口海水温度的技术优化措施，来达到提高造水比的目的。

4.1设备维护优化（换热器的防污堵）

低温多效海水淡化对进口海水水质要求不高，预处理工艺包括简单的沉淀处理、粗滤过滤。换热器采用板式结构，容易出现污堵现象，影响换热器效果，需要对换热器进行定期清洗，以提高换热效率。换热器清洗可采用离线解体清洗、在线超声波清洗方式。定期工作安排在每年的夏、冬两季。

4.2运行控制策略优化（海水温度调节）

在不同的季节，海水温度变化较大。根据海水温度，通过调节凝汽器、海水预热器和产品水冷却器等海水管路调节门开度来控制凝汽器入口海水温度，如图1、表6所示。根据冷却海水进入海水淡化系统的温度，优化为3个控制模式。1）冬季模式。冷却海水温度为8℃～15℃。凝汽器入口海水温度通过海水预热器盐水旁路调节门控制，阀门开度增大，盐水温度下降，反之盐水温度上升。海水预热器冷却海水旁路调节门完全关闭，所有冷却海水从海水预热器和成品水冷却器通过。2）春秋季模式。冷却海水温度为15℃～25℃。凝汽器入口海水温度通过海水预热器盐水旁路调节门控制，阀门开度增大，盐水温度下降，反之盐水温度上升。海水预热器冷却海水旁路调节门部分打开，部分冷却海水经由此旁路管道直接流至凝汽器，其余冷却海水从海水预热器和成品水冷却器通过。3）夏季模式。冷却海水温度为25℃～29℃。凝汽器入口海水温度通过成品水冷却器后冷却海水排放门控制，阀门开度增大，盐水温度下降，反之盐水温度上升。冷却海水旁路调节门部分打开，大部分冷却海水经由此旁路管道直接流至凝汽器，其余冷却海水从成品水冷却器通过。一部分经成品水冷却器后冷却海水排放门排放，剩余部分与旁路海水混合流向凝汽器。海水预热器冷却海水出口门关闭，冷却海水不从海水预热器通过。

4.3优化后效果

海水淡化装置在2023年6月停备期间进行了海水预热器、产品水冷却器清洗。7月份，通过运行控制策略优化调整，凝汽器入口海水温度由22.65℃提高至30.6℃。造水比从5月份的8.03提高至7月份的9.17，降低了运行成本。2023年7月的制水量为45806t，月节能量为1. 14×45806/1000=52.22t标煤，节约成本5万余元。

5结论

本文总结了热电厂总热耗量的分配方法和理论模型，厘清了电能和热能的生产经济指标。根据热电分摊理论模型，推导出热量法、实际焓降法、做功能力法3种海水淡化装置运行成本核算方法，指导热电厂生产经营。海水淡化装置运行成本主要包括2个方面，一方面是制水耗电率，另一方面是造水比。本文分析了造水比低的主要因素，明确了调整方向。通过制定提高凝汽器入口海水温度的技术优化措施，达到提升造水比运行绩效、降低制水成本的目的。

参考文献

[1]杨义波. 热力发电厂[M]. 北京：中国电力出版社，2005.

[2]郑体宽. 热力发电厂[M]. 北京：中国电力出版社，2008.

[3]郭聪，田贯三. 热电联产中热电效益分摊的应用分析[J]. 山东建筑大学学报，2018（8）：56-61.

[4]石瑞平，杨文娟. 大型热电联产机组热电分摊比的计算[J]. 煤炭技术，2012，31（7）：61-62.

[5]李培生. 用做功能力法分析热电冷联产的热经济性[J]. 煤气与热力，2000（6）：420-422.

[6]张忠梅. 低温多效蒸馏海水淡化成本影响因素探讨[J]. 给水排水，2015，41（7）：58-61.

[7]陈植强. 低温多效蒸馏海水淡化装置的传热特性[D]. 北京：华北电力大学，2018.