熊 曙

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)裝備工業(yè)有限公司，武漢 430000)

0 引 言

經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，給人們的生活水平帶來(lái)很大的提高，但也造成了環(huán)境的嚴(yán)重惡化，節(jié)能、低碳、減排、環(huán)保、綠色成為了當(dāng)下經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的最主要問(wèn)題。為了在可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，兩個(gè)行之有效的方法就是開(kāi)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(guó)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(duì)傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置，從而提高燃料的利用率[1]。

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，在上世紀(jì)初就發(fā)展了以抽汽或背壓蒸汽供暖的鍋爐/汽輪機(jī)機(jī)發(fā)電-供熱機(jī)組為典型的城市集中供熱的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)系統(tǒng)。同時(shí)，以耗用蒸汽和熱能為主的各種過(guò)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(shù)。至本世紀(jì)初，芬蘭、荷蘭和丹麥的熱電機(jī)組已分別占全國(guó)總裝機(jī)容量的32%、40%和56%。其中70%以上采用天然氣為燃料[2]。

國(guó)內(nèi)在北方城市集中供暖采用CHP系統(tǒng)，近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。不過(guò)由于供暖負(fù)荷的季節(jié)性，發(fā)電量所占的比率還不是很大。在過(guò)程工業(yè)，特別是在引進(jìn)大型項(xiàng)目中，采用CHP的程度也在增加，但是還存在著不少問(wèn)題。以天然氣為燃料，通過(guò)冷、熱、電三聯(lián)供等方式實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，綜合能源利用效率在70%以上，是實(shí)現(xiàn)天然氣高效利用、節(jié)能減排和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要途徑[3-4]。

1 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 裝機(jī)方案

本項(xiàng)目所在地武漢位于夏熱冬冷地區(qū)，園區(qū)附近無(wú)市政熱源。根據(jù)氣候條件、園區(qū)性質(zhì)及功能，空調(diào)冷熱源選擇時(shí)優(yōu)先采用廢熱、排煙等低品位熱源進(jìn)行供冷供熱，不足部分采用制冷(制熱)效率高、經(jīng)濟(jì)效益好的電制冷、熱泵等方式補(bǔ)充，充分體現(xiàn)多種能源互補(bǔ)的特點(diǎn)。根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)規(guī)劃圖以及對(duì)能源站供能區(qū)域用戶進(jìn)行的負(fù)荷調(diào)查，進(jìn)行負(fù)荷分析，進(jìn)而確定能源站設(shè)計(jì)負(fù)荷[5]。

本項(xiàng)目園區(qū)內(nèi)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(shù)指標(biāo)，需要供冷、供熱建筑冷熱負(fù)荷情況見(jiàn)表1。

表1 園區(qū)冷熱負(fù)荷情況表

根據(jù)表1負(fù)荷情況，內(nèi)燃發(fā)電機(jī)冷熱電三聯(lián)供模塊一期擬建設(shè)2臺(tái)1 MW級(jí)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)10 MW級(jí)內(nèi)燃機(jī)組，1 MW所選機(jī)型為Perkins 4016-61TRS2,10 MW所選機(jī)型為Warsila W20V34SG。本項(xiàng)目的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組均作為冷熱電三聯(lián)供的原動(dòng)機(jī)，機(jī)組利用內(nèi)燃發(fā)電機(jī)發(fā)出的電量對(duì)園區(qū)供電，同時(shí)利用內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的煙氣及缸套的高溫冷卻水通過(guò)吸收式溴化鋰制冷機(jī)組供冷/供熱。充分利用內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組排放的廢熱，以提高燃料的綜合利用率，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

1.2 制冷、供熱系統(tǒng)

天然氣在內(nèi)燃機(jī)作功后產(chǎn)生的煙氣和缸套冷卻水通過(guò)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(nèi)燃機(jī)排煙及缸套水參數(shù)，選擇兩臺(tái)煙氣熱水型吸收式溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組，每臺(tái)溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組對(duì)應(yīng)1臺(tái)內(nèi)燃機(jī)。單臺(tái)溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組制冷量1 453 kW，制熱量1 144 kW，夏季提供7/12 ℃空調(diào)冷水，冬季利用機(jī)組內(nèi)部換熱器提供45/40 ℃空調(diào)熱水。根據(jù)10 MW內(nèi)燃機(jī)排煙及缸套水參數(shù)，選擇兩臺(tái)煙氣熱水型吸收式溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組，其中一臺(tái)具有補(bǔ)燃功能。單臺(tái)溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組制冷量4 234 kW，制熱量3 981 kW，夏季提供7/12 ℃空調(diào)冷水，冬季利用機(jī)組內(nèi)部換熱器提供45/40 ℃空調(diào)熱水。

1 MW內(nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)中，每臺(tái)1 MW內(nèi)燃機(jī)對(duì)應(yīng)1臺(tái)溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組。溴化鋰制冷系統(tǒng)包含2臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組、3臺(tái)冷(熱)水循環(huán)泵(2用1備)、3臺(tái)冷卻水循環(huán)泵(2用1備)、2臺(tái)冷卻塔以及配套的閥門(mén)、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(jī)組一一對(duì)應(yīng)，連鎖運(yùn)行。

10 MW內(nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)中，10 MW內(nèi)燃機(jī)對(duì)應(yīng)2臺(tái)溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組。溴化鋰制冷系統(tǒng)包含2臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組、3臺(tái)冷(熱)水循環(huán)泵(2用1備)、3臺(tái)冷卻水循環(huán)泵(2用1備)、2臺(tái)冷卻塔以及配套的閥門(mén)、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(jī)組一一對(duì)應(yīng)，連鎖運(yùn)行。

供冷模式下，內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的煙氣和缸套冷卻水作為溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組的驅(qū)動(dòng)熱源。溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組產(chǎn)生的7/12 ℃冷水接至能源站分、集水器，通過(guò)園區(qū)管網(wǎng)輸送至各用戶。溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組內(nèi)吸收器和冷凝器的熱量通過(guò)冷卻水系統(tǒng)排至大氣中。

供熱模式下，內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的煙氣和缸套冷卻水作為加熱熱源，經(jīng)過(guò)機(jī)組內(nèi)部換熱器對(duì)外提供45/40 ℃熱水，熱水接至能源站分、集水器，通過(guò)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(yùn)行。

1.3 水蓄冷系統(tǒng)

本項(xiàng)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(jī)組、冷水泵、蓄冷水泵、釋冷水泵、冷卻塔、換熱器等設(shè)備和蓄冷水槽組成。

本項(xiàng)目蓄冷設(shè)計(jì)時(shí)按照設(shè)計(jì)日空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間7∶00-17∶00共10個(gè)小時(shí)，晚間蓄冷運(yùn)行時(shí)間0∶00-8∶00共8個(gè)小時(shí)考慮。蓄冷采用全負(fù)荷蓄冷模式，冷水機(jī)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(jī)選用兩臺(tái)制冷量為1 934 kW的離心式冷水機(jī)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(bǔ)水設(shè)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(cè)試機(jī)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(guò)計(jì)算8 000 kWh儲(chǔ)能量可提供供冷量780 kW(供冷時(shí)間每日10 h)，可提供供熱量1 350 kW。

加熱模式：當(dāng)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)測(cè)試時(shí)段，開(kāi)啟低溫熔鹽泵，低溫熔鹽經(jīng)電加熱器進(jìn)行加熱，通過(guò)控制電加熱器熔鹽出口溫度來(lái)調(diào)節(jié)熔鹽泵的流量，使得發(fā)電機(jī)在測(cè)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(shí)，由高溫熔鹽與低溫熔鹽混合后的熔鹽進(jìn)入蒸發(fā)器、預(yù)熱器，經(jīng)過(guò)與給水換熱產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過(guò)分汽缸進(jìn)入溴冷機(jī)制冷，凝結(jié)后的蒸汽流入凝結(jié)水箱。

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

2 運(yùn)行方式分析

2.1 多冷、熱源運(yùn)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(yīng)優(yōu)先使用廢熱、廢電進(jìn)行供冷、供熱，即優(yōu)先使用三聯(lián)供系統(tǒng)及熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)。

供冷分為兩種運(yùn)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(jí)。當(dāng)熔鹽蓄熱供能系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)如供冷模式1所示，當(dāng)熔鹽蓄熱供能系統(tǒng)不投入運(yùn)行時(shí)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(yùn)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(jí)。當(dāng)熔鹽蓄熱供能系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)如供熱模式1所示，當(dāng)熔鹽蓄熱供能系統(tǒng)不投入運(yùn)行時(shí)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(lái)制熱、制冷，因此能源得以合理的梯級(jí)利用，從而可提高能源的綜合利用效率。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，年平均綜合能源利用效率計(jì)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?xì)饪偤牧?m3)；QL為燃?xì)獾臀话l(fā)熱量(MJ/m3)。

本項(xiàng)目供冷期按照120 d計(jì)算，供暖期按照50 d計(jì)算。供冷、供暖期內(nèi)每天空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(jì)算，本項(xiàng)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(jié)束語(yǔ)

以武漢某工業(yè)園區(qū)為研究對(duì)象，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件及園區(qū)冷熱負(fù)荷分析，從裝機(jī)方案、制冷供熱、水蓄冷、熔鹽蓄熱供能等方面詳細(xì)設(shè)計(jì)了一套分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，具有不同的運(yùn)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(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。