工業(yè)園區(qū)分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)設計

熊 曙

(中國葛洲壩集團裝備工業(yè)有限公司，武漢 430000)

0 引 言

經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，給人們的生活水平帶來很大的提高，但也造成了環(huán)境的嚴重惡化，節(jié)能、低碳、減排、環(huán)保、綠色成為了當下經(jīng)濟社會發(fā)展的最主要問題。為了在可持續(xù)發(fā)展的同時實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，兩個行之有效的方法就是開發(fā)新的可再生能源和提高傳統(tǒng)化石燃料的利用率。而在我國的能源消耗中，煤、石油、天然氣等燃料所占的比重是非常大的，必須對傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)進行優(yōu)化配置，從而提高燃料的利用率[1]。

歐美發(fā)達國家，在上世紀初就發(fā)展了以抽汽或背壓蒸汽供暖的鍋爐/汽輪機機發(fā)電-供熱機組為典型的城市集中供熱的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)系統(tǒng)。同時，以耗用蒸汽和熱能為主的各種過程工業(yè)，如化工、冶金、建材、造紙、醫(yī)藥、食品等，也普遍采用了CHP技術。至本世紀初，芬蘭、荷蘭和丹麥的熱電機組已分別占全國總裝機容量的32%、40%和56%。其中70%以上采用天然氣為燃料[2]。

國內在北方城市集中供暖采用CHP系統(tǒng)，近年來取得了長足的進步。不過由于供暖負荷的季節(jié)性，發(fā)電量所占的比率還不是很大。在過程工業(yè)，特別是在引進大型項目中，采用CHP的程度也在增加，但是還存在著不少問題。以天然氣為燃料，通過冷、熱、電三聯(lián)供等方式實現(xiàn)能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，是實現(xiàn)天然氣高效利用、節(jié)能減排和結構優(yōu)化的重要途徑[3-4]。

1 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)設計

1.1 裝機方案

本項目所在地武漢位于夏熱冬冷地區(qū)，園區(qū)附近無市政熱源。根據(jù)氣候條件、園區(qū)性質及功能，空調冷熱源選擇時優(yōu)先采用廢熱、排煙等低品位熱源進行供冷供熱，不足部分采用制冷(制熱)效率高、經(jīng)濟效益好的電制冷、熱泵等方式補充，充分體現(xiàn)多種能源互補的特點。根據(jù)當?shù)亟ㄔO規(guī)劃圖以及對能源站供能區(qū)域用戶進行的負荷調查，進行負荷分析，進而確定能源站設計負荷[5]。

本項目園區(qū)內建筑主要為生產(chǎn)廠房及辦公建筑，其中辦公建筑需要提供集中的冷、熱源。根據(jù)業(yè)主方提供的園區(qū)規(guī)劃技術指標，需要供冷、供熱建筑冷熱負荷情況見表1。

表1 園區(qū)冷熱負荷情況表

根據(jù)表1負荷情況，內燃發(fā)電機冷熱電三聯(lián)供模塊一期擬建設2臺1 MW級內燃機發(fā)電機組和1臺10 MW級內燃機組，1 MW所選機型為Perkins 4016-61TRS2,10 MW所選機型為Warsila W20V34SG。本項目的內燃發(fā)電機組均作為冷熱電三聯(lián)供的原動機，機組利用內燃發(fā)電機發(fā)出的電量對園區(qū)供電，同時利用內燃發(fā)電機組產(chǎn)生的煙氣及缸套的高溫冷卻水通過吸收式溴化鋰制冷機組供冷/供熱。充分利用內燃發(fā)電機組排放的廢熱，以提高燃料的綜合利用率，達到節(jié)能減排的效果。

1.2 制冷、供熱系統(tǒng)

天然氣在內燃機作功后產(chǎn)生的煙氣和缸套冷卻水通過余熱利用系統(tǒng)在冬夏季分別輸出熱和冷兩種產(chǎn)品。根據(jù)1 MW內燃機排煙及缸套水參數(shù)，選擇兩臺煙氣熱水型吸收式溴化鋰冷水機組，每臺溴化鋰冷水機組對應1臺內燃機。單臺溴化鋰冷水機組制冷量1 453 kW，制熱量1 144 kW，夏季提供7/12 ℃空調冷水，冬季利用機組內部換熱器提供45/40 ℃空調熱水。根據(jù)10 MW內燃機排煙及缸套水參數(shù)，選擇兩臺煙氣熱水型吸收式溴化鋰冷水機組，其中一臺具有補燃功能。單臺溴化鋰冷水機組制冷量4 234 kW，制熱量3 981 kW，夏季提供7/12 ℃空調冷水，冬季利用機組內部換熱器提供45/40 ℃空調熱水。

1 MW內燃機三聯(lián)供系統(tǒng)中，每臺1 MW內燃機對應1臺溴化鋰冷水機組。溴化鋰制冷系統(tǒng)包含2臺煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷水機組、3臺冷(熱)水循環(huán)泵(2用1備)、3臺冷卻水循環(huán)泵(2用1備)、2臺冷卻塔以及配套的閥門、控制系統(tǒng)等。冷(熱)水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵以及冷卻塔均與溴化鋰吸收式冷水機組一一對應，連鎖運行。

10 MW內燃機三聯(lián)供系統(tǒng)中，10 MW內燃機對應2臺溴化鋰冷水機組。溴化鋰制冷系統(tǒng)包含2臺煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷水機組、3臺冷(熱)水循環(huán)泵(2用1備)、3臺冷卻水循環(huán)泵(2用1備)、2臺冷卻塔以及配套的閥門、控制系統(tǒng)等。冷(熱)水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵以及冷卻塔均與溴化鋰吸收式冷水機組一一對應，連鎖運行。

供冷模式下，內燃機產(chǎn)生的煙氣和缸套冷卻水作為溴化鋰冷水機組的驅動熱源。溴化鋰冷水機組產(chǎn)生的7/12 ℃冷水接至能源站分、集水器，通過園區(qū)管網(wǎng)輸送至各用戶。溴化鋰冷水機組內吸收器和冷凝器的熱量通過冷卻水系統(tǒng)排至大氣中。

供熱模式下，內燃機產(chǎn)生的煙氣和缸套冷卻水作為加熱熱源，經(jīng)過機組內部換熱器對外提供45/40 ℃熱水，熱水接至能源站分、集水器，通過廠區(qū)管網(wǎng)輸送至各用戶。供熱模式下冷卻水系統(tǒng)不運行。

1.3 水蓄冷系統(tǒng)

本項目冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)可提供總冷量為11 374 kW，總熱量為10 250 kW，供冷不能滿足需要，不足部分由水蓄冷系統(tǒng)提供，水蓄冷系統(tǒng)提供的總供冷量為2 712.3 kW。水蓄冷系統(tǒng)由冷水機組、冷水泵、蓄冷水泵、釋冷水泵、冷卻塔、換熱器等設備和蓄冷水槽組成。

本項目蓄冷設計時按照設計日空調系統(tǒng)運行時間7∶00-17∶00共10個小時，晚間蓄冷運行時間0∶00-8∶00共8個小時考慮。蓄冷采用全負荷蓄冷模式，冷水機組容量為3 562 kW，蓄冷水槽采用溫度自然分層式水槽，水槽為圓柱形，容積為4 761 m3，蓄冷主機選用兩臺制冷量為1 934 kW的離心式冷水機組，制冷系統(tǒng)還包含冷水循環(huán)泵、冷卻塔、冷卻水泵、定壓補水設備、水處理及控制系統(tǒng)等。

1.4 熔鹽蓄熱供能系統(tǒng)

根據(jù)測試機組日均廢電量8 000 kWh作為熔鹽蓄熱供能系統(tǒng)配置依據(jù)，經(jīng)過計算8 000 kWh儲能量可提供供冷量780 kW(供冷時間每日10 h)，可提供供熱量1 350 kW。

加熱模式：當燃氣發(fā)電機測試時段，開啟低溫熔鹽泵，低溫熔鹽經(jīng)電加熱器進行加熱，通過控制電加熱器熔鹽出口溫度來調節(jié)熔鹽泵的流量，使得發(fā)電機在測試階段高溫熔鹽的溫度始終維持在需求溫度下。

供冷模式：夏季供冷時，由高溫熔鹽與低溫熔鹽混合后的熔鹽進入蒸發(fā)器、預熱器，經(jīng)過與給水換熱產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過分汽缸進入溴冷機制冷，凝結后的蒸汽流入凝結水箱。

供熱模式：冬季供熱時，由高溫熔鹽與低溫熔鹽混合后的熔鹽進入蒸發(fā)器、預熱器，經(jīng)過與給水換熱產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過分汽缸進入汽/水換熱器，凝結后的蒸汽流入凝結水箱。

2 運行方式分析

2.1 多冷、熱源運行方式

根據(jù)系統(tǒng)配置冷、熱源的供冷、供熱能力，從節(jié)能環(huán)保角度出發(fā)，在保證供冷、供熱量的前提下，應優(yōu)先使用廢熱、廢電進行供冷、供熱，即優(yōu)先使用三聯(lián)供系統(tǒng)及熔鹽儲能系統(tǒng)。

供冷分為兩種運行模式，如圖1-2所示，圖中各系統(tǒng)從左至右代表能源使用的優(yōu)先級。當熔鹽蓄熱供能系統(tǒng)投入運行時如供冷模式1所示，當熔鹽蓄熱供能系統(tǒng)不投入運行時如供冷模式2所示。

圖1 供冷模式1

圖2 供冷模式2

供熱系統(tǒng)也分為兩種運行模式，如圖3-4所示，圖中各系統(tǒng)從左至右代表能源使用的優(yōu)先級。當熔鹽蓄熱供能系統(tǒng)投入運行時如供熱模式1所示，當熔鹽蓄熱供能系統(tǒng)不投入運行時如供熱模式2所示。

圖3 供熱模式1

圖4 供熱模式2

2.2 年均綜合能源利用效率

分布式能源可用發(fā)電的余熱來制熱、制冷，因此能源得以合理的梯級利用，從而可提高能源的綜合利用效率。根據(jù)相關規(guī)范，年平均綜合能源利用效率計算公式如下[6]：

(1)

式中，η為年平均能源綜合利用率(%)；W為年凈輸出電量(kWh)；Q1為年有效余熱供熱總量(MJ)；Q2為年有效余熱供冷總量(MJ)；B為年燃氣總耗量(m3)；QL為燃氣低位發(fā)熱量(MJ/m3)。

本項目供冷期按照120 d計算，供暖期按照50 d計算。供冷、供暖期內每天空調系統(tǒng)運行時間為7∶00-17∶00共10 h。年發(fā)電量29.71×106kWh，年耗天然氣量7.11×106Nm3。根據(jù)以上公式計算，本項目三聯(lián)供系統(tǒng)的年平均綜合能源利用效率為88.9%。

3 結束語

以武漢某工業(yè)園區(qū)為研究對象，結合當?shù)貧庀髼l件及園區(qū)冷熱負荷分析，從裝機方案、制冷供熱、水蓄冷、熔鹽蓄熱供能等方面詳細設計了一套分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，具有不同的運行模式，年平均綜合能源利用效率為88.9%。能夠提高園區(qū)的能源利用率，實現(xiàn)節(jié)能減排。