趙 寧

(太原市熱力設計有限公司，山西 太原 030012)

1 概述

為打造優(yōu)美、和諧、宜居的生活環(huán)境，北方各地政府正積極推進集中供熱全覆蓋工程。近幾年，由于房地產(chǎn)行業(yè)興起，熱用戶猛增，而熱源不足問題日益嚴重。另外，現(xiàn)狀集中供熱系統(tǒng)一次網(wǎng)回水溫度均在40 ℃以上甚至更高，導致熱能輸送能力受限且散熱損失較大，不僅增加管網(wǎng)建設投資，且增大了熱源投入?；谝陨蟽纱蟊尘?，本文結合太原市城西燃氣調(diào)峰熱源廠項目建設，通過在廠區(qū)內(nèi)設置熱泵機組，降低太古一級網(wǎng)回水溫度，提供能源利用率；同時，充分利用提取出的低品位能提升熱源廠供熱回水溫度，節(jié)約鍋爐燃氣耗量，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益雙贏。

2 一級網(wǎng)回水集中降溫的優(yōu)化設計

2.1 工程概況

太原市已形成以熱電聯(lián)產(chǎn)和大型熱源廠為主，燃氣承擔尖峰負荷的供熱格局，并逐步實現(xiàn)多熱源聯(lián)網(wǎng)運行，通過統(tǒng)一的大熱網(wǎng)形成的熱源統(tǒng)一調(diào)配和事故工況下互為備用。

為彌補太原市西北部地區(qū)供熱熱源缺口，將新建1座燃氣調(diào)峰熱源廠，熱源廠設計裝機5臺116 MW高溫燃氣熱水鍋爐，設計供熱能力為580 MW，設計供熱面積為1 100萬m2。鍋爐熱水系統(tǒng)設計壓力為1.6 MPa，設計供回水溫度為130 ℃/70 ℃，鍋爐房燃用天然氣資料為Qdwy=35 680 kJ/m3，8 523 kcal/m3時，鍋爐峰值用氣量為6.4萬m3/h。額定循環(huán)水量為8 313.3 t/h，主干管管徑為DN1 200。

市區(qū)太古供熱管網(wǎng)一次管網(wǎng)設計供、回水溫度為120 ℃/60 ℃，設計壓力為1.6 MPa，管線從市區(qū)中繼能源站分3支引出，其中一支DN1 400管線位于該熱源廠項目附近，根據(jù)運行期間實測，其回水溫度43 ℃左右，循環(huán)水量8 500 t/h。

2.2 補燃型吸收式熱泵技術

補燃型吸收式換熱機組工作原理類似于溴化鋰吸收式制冷機，可通過燃氣直接驅動。其工作流程如下：

首先通過燃氣燃燒使發(fā)生器內(nèi)溴化鋰水溶液受到加熱后，溶液中的水不斷汽化；隨著水的不斷汽化，發(fā)生器內(nèi)的溴化鋰水溶液濃度不斷升高，進入吸收器。

冷劑水蒸氣進入冷凝器，被冷凝器內(nèi)的二次網(wǎng)水吸熱降溫后凝結，成為高壓低溫的液態(tài)水；當冷凝器內(nèi)的水通過節(jié)流閥進入蒸發(fā)器時，急速膨脹而汽化，并在汽化過程中大量吸收蒸發(fā)器內(nèi)一次網(wǎng)水的熱量，進一步降低一次網(wǎng)回水溫度。

低溫水蒸氣進入吸收器，被吸收器內(nèi)的溴化鋰水溶液吸收，溶液濃度逐步降低，再由溶液泵送回發(fā)生器，完成整個循環(huán)。

燃氣燃燒后的煙氣通過發(fā)生器后進入蒸發(fā)器，進一步降低一次網(wǎng)回水溫度。

二次側回水先過吸收器吸收一定熱量進入冷凝器進一步吸熱后供出。如此循環(huán)不息，連續(xù)將一次網(wǎng)熱量傳遞給二次側。

由于溴化鋰稀溶液在吸收器內(nèi)已被冷卻，溫度較低，為了節(jié)省加熱稀溶液的熱量，提高整個裝置的熱效率，在系統(tǒng)中增加了一個換熱器，讓發(fā)生器流出的高溫濃溶液與吸收器流出的低溫稀溶液進行熱交換，提高稀溶液進入發(fā)生器的溫度。其流程圖見圖1。

2.3 高效直燃型熱泵選型參數(shù)

單臺機組參數(shù)見表1。

表1 單臺機組參數(shù)表

2.4 一級網(wǎng)回水集中降溫系統(tǒng)設計

新建的城西燃氣熱源廠地塊內(nèi)設置補燃熱泵車間，車間內(nèi)設置4臺燃氣熱泵機組，一次側通過燃氣驅動，將太古一級網(wǎng)回水溫度從43 ℃降至20 ℃，循環(huán)水量為8 500 t/h，根據(jù)燃氣熱泵機組選型參數(shù)，可獲得179.18 MW熱量(其中91 MW從回水余熱提取，88.18 MW由燃氣提供)。二次側：燃氣熱源廠主回水管經(jīng)過4臺燃氣熱泵機組，溫度由70 ℃加熱至90 ℃，再經(jīng)過廠區(qū)鍋爐間內(nèi)5臺燃氣鍋爐，將水溫由90 ℃提高至130 ℃，總循環(huán)水量為8 313 t/h。直燃型吸收式熱泵系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

3 節(jié)能量及節(jié)氣量計算

根據(jù)CJJ 34—2010城市供熱管網(wǎng)設計規(guī)范，GB 50189—2015公共建筑節(jié)能設計標準及《實用集中供熱手冊》，年耗熱量計算如下：

Qnn= 0.086 4NQnP。

QnP=Q(tn-tpj)/(tn-tw)。

其中，Qnn為采暖年耗熱量；QnP為平均熱負荷，kW；Q為采暖設計熱負荷，kW；N為采暖計算天數(shù)，151 d；tn為采暖室內(nèi)設計溫度，18 ℃；tpj為冬季采暖室外平均溫度，-0.9 ℃；tw為冬季采暖室外設計溫度，-11 ℃。

1)本項目設計熱負荷為580 MW，年耗熱量按上述公式計算如下：

QnP=Q(tn-tpj)/(tn-tw)=580 000×(18+0.9)/(18+11)=378 000 kW。

Qnn= 0.086 4QnPN=0.086 4×378 000×151=4 931 539.2 GJ。

則本項目采暖季供熱量為4 931 539.2 GJ。選用氣源35 680 kJ/Nm3(8 523 kcal/Nm3)，燃氣鍋爐綜合熱效率按97%計算，則實際熱源工序年耗熱量，即企業(yè)購入天然氣為：

M=4 931 539.2 GJ÷35 680 kJ/Nm3÷97%= 12 885.56×104Nm3/年。

2)通過設置直燃型吸收式機組提取低品位能后，天然氣耗量計算如下:

經(jīng)實測太古一級網(wǎng)回水溫度采暖季維持在43 ℃左右，本文以43 ℃進行計算。直燃型吸收式機組從回水余熱提取熱量為91 MW，年耗熱量為：

Qy=91×151×24×3 600/1 000 GJ=1 187 222.4 GJ。

燃氣鍋爐天然氣用量為：

M1=(4 931 539.2-1 187 222.4)GJ÷35 680 kJ/Nm3÷97%=10 818.72×104Nm3/年。

直燃型吸收式機組天然氣用量為：

M2=2 472 Nm3/h×24×151=895.85×104Nm3/年。

節(jié)約用氣量：

Mj=M-M1-M2=1 180.99×104Nm3/年。

4 經(jīng)濟效益分析

本項目輸入能源為天然氣、電力、熱力，輸出能源為熱力。本工程熱力輸出不變；節(jié)約燃氣量為1 180.99×104Nm3/年，折合標準煤14 396.27 tce；增加用電量為W=180×24×151=65.23×104kW·h，折標煤約80.17 tce。

該系統(tǒng)節(jié)約的綜合能源消費量(當量值)：

14 396.27 tce-80.17 tce=14 316.1 tce。

該系統(tǒng)全年運行時，燃氣費按3.63元/Nm3計算時，節(jié)約燃氣供熱的成本為4 287萬元/年。

電價按照0.55元/度計算，全年直燃型吸收式熱泵機組系統(tǒng)增加電耗成本為36萬元/年。

采用直燃熱泵方式回收太古一級網(wǎng)回水中的余熱后，此部分熱量對比燃氣供熱，可節(jié)省燃氣成本4 251萬元/年。

根據(jù)估算，增加該系統(tǒng)總投資約4 190萬元，其中4臺高效直燃熱泵設備投資約3 650萬元，新建機房及安裝工程等費用約540萬元。項目投資回收期約0.93年。

5 結語

本系統(tǒng)采用的余熱回收系統(tǒng)中吸收式熱泵機組突破了常規(guī)能源利用的情況，減少了燃氣消耗量，節(jié)能顯著。理論上可實現(xiàn)當年投資當年盈利，不僅如此，太古一級網(wǎng)回水溫度降低，管網(wǎng)散熱損失大大減少，為太古熱源節(jié)能增效，實現(xiàn)互利雙贏。