喻堯，蒙雪俏，楊竹，楊玲，宋洪濤

(華電分布式能源工程技術(shù)有限公司，北京 100160)

0 引言

近年來，國內(nèi)燃?xì)夥植际侥茉凑?即分布式冷熱電聯(lián)供)因具有變負(fù)荷靈活性、初期投資低、供電可靠性高、輸電損失小和冷、熱負(fù)荷兼顧的特點(diǎn)而發(fā)展迅速[1]。制冷站是分布式能源站所特有的區(qū)域性供冷功能單元，國內(nèi)常規(guī)制冷站冷卻水供水方案主要有2種類型：一種是供水系統(tǒng)、冷卻單元與制冷站廠房分開設(shè)置，該方案適合溴化鋰制冷機(jī)組較多和冷卻水量較大的情況，該方案的主要問題是工程占地大，土建工程量多，多臺制冷機(jī)之間冷卻水流量分配難以均勻。另一種方案是供水系統(tǒng)、冷卻單元與制冷站集中設(shè)置，該方案可節(jié)省占地，主要問題是制冷站廠房建設(shè)投資較多。哪種制冷站供水方案流程更加合理，投資更加節(jié)省，是本文研究的主要問題。

1 工程背景

燃?xì)夥植际侥茉凑臼菄鴥?nèi)新興的能源產(chǎn)業(yè)。湖南華電湘潭九華分布式能源站(以下簡稱九華分布式能源站)地處湖南省湘潭市九華工業(yè)園，該能源站工程在一定程度上可以緩解湘潭地區(qū)電力緊張的局面，同時也能滿足工業(yè)園區(qū)冷熱負(fù)荷的需要并實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，是一項集熱、電、冷多聯(lián)供的能源站項目。該能源站采用西氣東輸二線天然氣作為能源，規(guī)劃建設(shè)4臺60 MW級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組。該工程設(shè)計采用自來水作為全廠工業(yè)生產(chǎn)和生活用水水源。分布式能源站設(shè)置了制冷站，制冷站內(nèi)引入了溴化鋰機(jī)組可提供工業(yè)園區(qū)的冷負(fù)荷，而常規(guī)的火電站并不設(shè)置專門的制冷站，不對外提供冷負(fù)荷。

2 制冷站供水設(shè)計基礎(chǔ)及原則

分布式能源站供水系統(tǒng)包括站外取水系統(tǒng)、熱機(jī)冷卻水供水系統(tǒng)、制冷機(jī)組冷卻水供水系統(tǒng)和化學(xué)補(bǔ)水供水系統(tǒng)。制冷機(jī)組冷卻水供水設(shè)備包括冷卻水泵和冷卻塔。制冷機(jī)組冷卻水流量應(yīng)滿足溴化鋰制冷設(shè)備的使用要求，冷卻水流經(jīng)制冷機(jī)的溫升應(yīng)控制在5℃左右。對于采用循環(huán)冷卻的制冷機(jī)組而言，流出機(jī)組的冷卻水應(yīng)經(jīng)過專門設(shè)置的冷卻塔進(jìn)行降溫，循環(huán)冷卻水溫度應(yīng)滿足制冷機(jī)溫差的要求。該工程制冷站冷卻水供水主要設(shè)計原則如下：

(1)考慮到節(jié)水和節(jié)能要求，冷卻水系統(tǒng)應(yīng)采用循環(huán)供水方式；

(2)為保證流經(jīng)冷水機(jī)組冷凝器的水量恒定, 要求按與冷水機(jī)組“一對一”地設(shè)置冷卻水循環(huán)泵[2]，可為每臺制冷機(jī)組配置相應(yīng)的冷卻塔；

(3)多臺冷水機(jī)組和冷卻水泵之間采用共用集管連接，每臺冷水機(jī)組設(shè)置電動閥(隔斷閥)，以保證運(yùn)行機(jī)組冷凝器水量恒定。

(4)共用集管連接的系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置能夠隨冷卻水泵頻繁動作的自控隔斷閥，當(dāng)水泵停機(jī)時，關(guān)斷對應(yīng)冷卻塔的進(jìn)水管，以保證正在工作的冷卻塔的進(jìn)水量。

3 供水方案設(shè)計

九華分布式能源站制冷站Ⅰ期設(shè)計裝機(jī)為2臺制冷量各為4 092 kW的熱水型溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組，為2臺機(jī)組設(shè)置3臺冷卻水循環(huán)泵，2用1備。制冷設(shè)備所需冷卻水參數(shù)見表1。熱力設(shè)備循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)有循環(huán)水泵房和機(jī)力通風(fēng)冷卻塔，制冷站循環(huán)冷卻水供水系統(tǒng)是否與熱機(jī)循環(huán)水供水系統(tǒng)合并布置，根據(jù)制冷設(shè)備裝機(jī)和表1中的冷卻水量等參數(shù)，結(jié)合制冷站供水設(shè)計原則，作者提出以下3種制冷站冷卻水供水方案。

表1 制冷設(shè)備冷卻水參數(shù)

3.1 方案1

制冷站與制冷用冷卻水供水設(shè)備分開布置，制冷用冷卻塔布置于熱機(jī)循環(huán)冷卻水區(qū)域，制冷用循環(huán)水泵與熱機(jī)循環(huán)水泵設(shè)置于循環(huán)水泵房內(nèi)，制冷站單獨(dú)布置在制冷站區(qū)域，其制冷用冷卻水供水流程如圖1所示。

圖1 制冷用冷卻水供水流程圖(方案1)

2臺制冷機(jī)組共用集中設(shè)置的制冷冷卻塔組，冷卻塔布置于循環(huán)水泵房附近。制冷冷卻塔底部設(shè)有循環(huán)水集水池。制冷用冷卻塔采用2段逆流式機(jī)力通風(fēng)冷卻塔，每段設(shè)計出力1 500 m3/h，在額定設(shè)計出力下冷卻溫度為5 ℃，制冷站內(nèi)放置制冷機(jī)組。

集水池內(nèi)的水通過水溝流入循環(huán)水泵房制冷用前池，循環(huán)水泵從泵房前池吸水后通過1根地埋供水母管將冷卻水送至制冷站廠房內(nèi)。從2臺制冷機(jī)流出的冷卻水通過地埋回水母管將冷卻水回水送至冷卻塔。循環(huán)水補(bǔ)水補(bǔ)入制冷用循環(huán)水泵房前池。制冷循環(huán)水排污水管接到制冷機(jī)組循環(huán)水回水母管，利用回水母管內(nèi)的壓力將排污水排出循環(huán)水系統(tǒng)。

制冷用冷卻塔及循環(huán)水泵房制冷部分占地1 386 m2(42 m×33 m)，制冷站占地1 386 m2(42 m×33 m)。方案1設(shè)備清單見表2，外觀實(shí)例如圖2所示。

圖2 制冷站外觀實(shí)例(方案1)

表2 各方案制冷用冷卻水主要設(shè)備清單

3.2 方案2

制冷用供水設(shè)備集中布置于制冷站內(nèi)，制冷用冷卻塔布置于制冷站樓頂，冷卻水供水流程如圖3所示。

圖3 制冷用冷卻水供水流程圖(方案2)

制冷站室內(nèi)放置制冷機(jī)組和循環(huán)水泵，每臺制冷機(jī)組配置1臺循環(huán)水泵、1組冷卻塔，循環(huán)水泵設(shè)置1臺備用泵。每組循環(huán)水泵、制冷機(jī)和冷卻塔組成一個回路。每組冷卻塔設(shè)計出力1 500 m3/h，由若干小塔組成一組，額定出力下冷卻溫度為5 ℃。

制冷用循環(huán)水補(bǔ)水補(bǔ)至制冷站樓頂各組冷卻塔單元內(nèi)集水盤。制冷循環(huán)水排污水管接自制冷機(jī)循環(huán)水出口管道，利用循環(huán)水回水管內(nèi)的壓力將排污水送出循環(huán)水系統(tǒng)。

該方案制冷站占地1 554 m2(42 m×37 m)，方案2設(shè)備清單見表2，外觀實(shí)例如圖4所示。

圖4 制冷站外觀實(shí)例(方案2)

3.3 方案3

方案3冷卻水供水流程與方案2相同，方案3設(shè)備與方案2完全相同，與方案2不同之處在于方案3的冷卻塔布置于制冷站廠房外附近地面。該方案制冷站區(qū)域占地2 146 m2(58 m×37 m)。

4 供水方案綜合比較

本文提出的3種制冷站冷卻水供水方案基本囊括了制冷站業(yè)內(nèi)冷卻水供水的所有工程項目，3種方案在系統(tǒng)設(shè)置、工藝流程、總體布置等方面都有各自的特點(diǎn)，需要對3個方案進(jìn)行綜合比較，以確定技術(shù)合理、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的方案。

4.1 供水方案比較

方案1將制冷機(jī)組和供水系統(tǒng)分開布置，方案2和方案3將制冷機(jī)組與供水系統(tǒng)集中布置，方案1的占地和廠區(qū)內(nèi)埋管較方案2和方案3更多。各方案主要設(shè)備差異體現(xiàn)在冷卻塔處，方案1冷卻塔為大型機(jī)力通風(fēng)冷卻塔，共2個冷卻塔單元，塔下需要修建混凝土水池。方案2和方案3采用小型機(jī)力通風(fēng)冷卻塔組，每組塔分有多個冷卻單元，冷卻水通過塔內(nèi)集水盤收集，不需修建水池冷卻塔的出力和冷卻溫度各方案相同。

方案1供水采用母管制，方案2、方案3則采用單元制，但3種方案都是1臺循環(huán)水泵對應(yīng)1臺主機(jī)和1組冷卻塔，通過對管道閥門的調(diào)節(jié)都能滿足制冷主機(jī)對冷卻水的流量要求，冷卻塔都能達(dá)到預(yù)期冷卻效果。因此，3種方案均能滿足設(shè)計要求，均能保證供水的穩(wěn)定性和安全性，但各方案均有其優(yōu)缺點(diǎn)。

方案1在技術(shù)上具有冷卻塔單元數(shù)量少、設(shè)備故障率小和擴(kuò)建方便的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是土建工程量大、埋管及水溝多、占地面積大和控制單元分散。

方案2在技術(shù)上具有制冷設(shè)備、供水設(shè)備集中設(shè)置、控制方便、節(jié)省占地面積及有利于制冷站的擴(kuò)建等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是冷卻塔單元數(shù)量較多，故障率較方案1高。

方案3在技術(shù)上可將冷卻塔布置于制冷站附近地面，這樣有利于冷卻塔和循環(huán)水泵的集中控制。其缺點(diǎn)是占地面積較方案2大、故障率較方案1高且布置方式不利于制冷機(jī)組和冷卻塔的擴(kuò)建。

4.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

3種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在循環(huán)水泵房建筑、制冷站廠房建筑、土建施工等方面存在差異，需要總結(jié)出各方案的總投資費(fèi)用，分析差異產(chǎn)生的原因，確定經(jīng)濟(jì)最優(yōu)方案。

從以上3個方案可以看出，方案1制冷冷卻水供水投資總額在3個方案的投資總額中最大(約500萬元)，方案2和方案3投資都小于400萬元，且方案2更小，3種方案設(shè)備費(fèi)、土建費(fèi)及安裝費(fèi)等分項對比如圖5所示。下面逐項分析3種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)產(chǎn)生差異的原因。

圖5 各方案分項投資對照圖

4.2.1 土建工程量比較

由圖5可知，各方案的土建費(fèi)用在總投資中所占的比例最大，土建工程量是影響總造價的最主要因素之一。土建工程量主要由循環(huán)水泵房、冷卻塔及制冷站3部分組成。3種方案土建主要工程量對比見表3。

表3 3種方案土建主要工程量 m3

由表3可知，方案2與方案3工程量相近，細(xì)微差異在于：方案2冷卻塔組放置于制冷站屋面，制冷站的結(jié)構(gòu)工程量(混凝土量)增大，方案3冷卻塔組放置于地面增加基礎(chǔ)的工程量，兩部分工程量相抵消，方案3工程量略微低些。方案1與方案2、方案3比較，因供水工藝設(shè)備布置空間改變引起的循環(huán)水泵房與制冷站土建工程量的增減相互抵消，冷卻塔的工程量成為方案1與方案2、方案3差別的主要因素。因?yàn)榉桨?和方案3采用的是小型機(jī)力通風(fēng)冷卻塔組，冷卻塔工程量對兩者的土建工程量差異影響較??；方案1冷卻塔為大型機(jī)力通風(fēng)冷卻塔，冷卻塔工程量對該方案與方案2、方案3差異影響較大。

綜上所述，方案2、方案3土建工程量較低，冷卻塔的選型與布置方式是造成各方案土建工程量差異的關(guān)鍵因素。

4.2.2 設(shè)備及占地差異

在3種方案中，設(shè)備差異也是造成投資總額差異的重要因素，方案1制冷用供水設(shè)備比方案2和方案3略多，方案1設(shè)備和安裝費(fèi)為214.85萬元，方案2和方案3均為161.75萬元。主要原因是方案1為分散布置方式，其循環(huán)水管道數(shù)量多于方案2和方案3。另外，方案1制冷用循環(huán)水泵房需要設(shè)置平板濾網(wǎng)和閘門，該設(shè)備也是增加設(shè)備投資的因素之一。

方案1制冷站區(qū)域用地1 386 m2，制冷機(jī)組冷卻塔及水池占地1 386 m2。方案1合計占地2 772 m2。

方案2只有制冷站區(qū)域用地1 554 m2，比方案1節(jié)省用地約1 218 m2。

方案3制冷站區(qū)域用地約2 146 m2，比方案1節(jié)省用地626 m2，比方案2多用地約592 m2。

4.3 九華分布式能源站供水方案選擇

3種方案技術(shù)上都能滿足該工程制冷站冷卻水供水設(shè)計要求，但也有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足。方案1比方案2多占地約1 218 m2，方案1比方案3多占地約626 m2。

綜合以上比較和分析：3種方案技術(shù)上各有優(yōu)勢，都能滿足制冷站運(yùn)行要求。從圖5可以看出，總費(fèi)用差異為：方案1比方案2多118.62萬元，方案3比方案2多12.78萬元。通過比較可以看出，方案2具有投資最少、占地及土建工程量最少和設(shè)備數(shù)量少等優(yōu)點(diǎn)，其布置可為制冷站的主機(jī)和冷卻塔擴(kuò)建創(chuàng)造更加有利的條件。因此，對于該工程制冷站循環(huán)水供水方式，作者推薦采用方案2。

5 結(jié)論

目前，燃?xì)馐椒植际侥茉凑咀鳛樾屡d能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為迅速。廣州大學(xué)城能源站于2009年10月建成2臺78 MW燃?xì)鈾C(jī)組，該能源站向大學(xué)城內(nèi)的10所大學(xué)及其周邊20萬用戶提供全部的電力、生活熱水和空調(diào)制冷。近年來，先后有南寧華南城燃?xì)夥植际侥茉凑?、上海莘莊分布式能源站和鄭州富士康分布式能源站等相繼獲得批準(zhǔn)并投入設(shè)計和建設(shè)。當(dāng)前，各地政府部門大力提倡建設(shè)“資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會”，能源利用更加高效并符合“清潔生產(chǎn)”的要求，燃?xì)夥植际侥茉凑镜陌l(fā)展必將會有更加廣闊的應(yīng)用前景。

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