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        電廠余熱利用和節(jié)能技術(shù)在蘭州奧體中心應(yīng)用分析

        2021-08-29 01:58:28高陽洋孟凡兵
        關(guān)鍵詞:溴化鋰吸收式用房

        高陽洋 孟凡兵

        中國航空國際建設(shè)投資有限公司

        體育建筑作為全民健身運動和競技場所,廣受民眾關(guān)注。體育建筑通常體量大、空間高、能耗大,因此體育建筑的節(jié)能顯得尤為重要。尤其是冷熱源系統(tǒng),占整個空調(diào)采暖能耗的50%以上。冷熱源的選擇與節(jié)能非常關(guān)鍵。本工程冷熱源利用電廠蒸汽余熱,以驅(qū)動溴化鋰吸收式冷水機組及作為汽水換熱機組的一次熱源,可以提高能源利用率,達(dá)到節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本的目的。同時,對冷熱源及輸配系統(tǒng)節(jié)能運行方式的分析,有利于在實際運營階段真正實現(xiàn)設(shè)計意圖,達(dá)到運行節(jié)能的目的。

        0 工程概況

        蘭州奧體中心項目(見圖1)位于蘭州市七里河區(qū)崔家大灘片區(qū),南濱河西路以南,分為南北兩區(qū)。北區(qū)包括體育場,綜合館,游泳館三個主要建筑以及一些零散的商業(yè)用房,南區(qū)主要包括運動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房,網(wǎng)球館以及網(wǎng)球場看臺下零散商業(yè)用房。本文主要介紹項目南區(qū)。

        圖1 蘭州奧體中心項目效果圖

        運動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房,位于整個項目用地的南區(qū)西側(cè),總建筑面積約265000 m2,其中地上建筑面積約145500 m2,地下建筑面積約120000 m2。建筑主體在地上分為兩部分,北側(cè)為運動員公寓(A 棟)、南側(cè)為體育產(chǎn)業(yè)用房(B 棟),A、B 棟為連體建筑,地下為2層的整體大底盤地下室。A 棟參照五星級旅館的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,地上建筑面積約95000 m2,建筑最高點99.9 m,地上21 層,主要功能為運動員公寓、公寓配套用房、配套商業(yè)用房。B 棟地上建筑面積約48000 m2,建筑總高度84 m,地上17 層,主要功能為體育產(chǎn)業(yè)用房、配套商業(yè)用房。地下2 層,主要功能為運動員公寓的配套體能訓(xùn)練用房,員工餐廳及廚房,內(nèi)部辦公及物業(yè)用房,汽車庫,設(shè)備用房及附屬庫房。

        網(wǎng)球館位于整個項目用地的南區(qū)東側(cè),總建筑面積約11500 m2,使用功能最高點建筑高度為23.95 m,設(shè)3000 個坐席,為甲級體育場館,能滿足全國運動會和國際單項比賽的要求。

        1 市政汽源系統(tǒng)配置

        本項目用地東南方約1.5 km 的范坪熱電廠可提供常年、穩(wěn)定、充足、優(yōu)質(zhì)的高溫高壓飽和蒸汽,飽和蒸汽的絕對壓力為0.4 MPa。因地制宜,在具備條件的情況下,優(yōu)先利用余熱回收,符合《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的優(yōu)選節(jié)能原則。因此,本項目優(yōu)先利用電廠余熱蒸汽作為建筑能源,冷源采用溴化鋰吸收式冷水機組。電廠提供的蒸汽管線敷設(shè)至本工程南北區(qū)之間市政路,本工程南、北區(qū)分別由市政路將蒸汽管線接入。

        2 電廠余熱的利用

        運動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房的空調(diào)冷負(fù)荷11000 kW,空調(diào)熱負(fù)荷12600 kW,地板采暖熱負(fù)荷70 kW;網(wǎng)球館空調(diào)冷負(fù)荷1200 kW,空調(diào)熱負(fù)荷150 kW,散熱器和熱水輻射板采暖熱負(fù)荷230 kW。

        蒸汽需求時段、場所及用量如下:

        夏季:蒸汽用于吸收式冷水機組,洗衣房和生活熱水。蒸汽最大需求用量為19 t/h。

        冬季:蒸汽用于換熱機組的一次熱源,洗衣房和生活熱水。蒸汽最大需求用量為25 t/h。

        2.1 蒸汽余熱應(yīng)用于冷源系統(tǒng)

        蒸汽管線引至運動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房地下一層換熱站內(nèi),經(jīng)總計量后引至分汽缸,其中一支路供給制冷站內(nèi)的吸收式冷水機組,詳見圖2。設(shè)蒸汽型雙效吸收式冷水機組4 臺,制冷量3050 kW/臺,蒸汽耗量3443kg/h.臺,分別為運動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房以及網(wǎng)球館提供冷凍水。制冷系統(tǒng)夏季冷水供水溫度7 ℃,回水溫度12 ℃。制冷系統(tǒng)需設(shè)置冷卻塔,冷卻水水溫30/36 ℃。

        圖2 電廠余熱利用情況示意圖

        2.2 蒸汽余熱應(yīng)用于熱源系統(tǒng)

        蒸汽管線引至運動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房地下一層換熱站內(nèi),經(jīng)總計量后引至分汽缸,一支路供給換熱站內(nèi)的汽-水換熱機組,作為供暖一次熱源,再置換成符合各系統(tǒng)使用需求的熱水,詳見圖2。汽-水換熱機組為成套設(shè)備,含換熱器,水泵,疏水器,各種閥門,儀表,控制柜及控制系統(tǒng)。換熱機組工作壓力在0.4 MPa 至0.8 MPa 之間。換熱機組總熱負(fù)荷為13000 kW,一次側(cè)熱媒為絕對壓力0.4 MPa 的飽和蒸汽,飽和溫度144 ℃,循環(huán)側(cè)供回水溫度為55/40 ℃。換熱器采用模塊組合式布局,選6 臺汽水換熱器共同使用。換熱機組通過調(diào)節(jié)一次側(cè)電動調(diào)節(jié)閥的開度,來保持供水溫度穩(wěn)定。二次側(cè)回水設(shè)有超壓保護(hù)閥門,壓力超過設(shè)定值,此閥門開啟泄壓,二次側(cè)供水設(shè)有超溫報警保護(hù)功能,若二次持續(xù)高溫,系統(tǒng)會自動停止并報警。

        2.3 蒸汽余熱應(yīng)用于其他系統(tǒng)

        本項目蒸汽除供給制冷系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)外,還供給運動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房的洗衣房和生活熱水機房,滿足運動員公寓洗衣房工藝需求及生活熱水的熱源需求。詳見圖2。

        2.4 冷凝水系統(tǒng)余熱利用

        各用汽設(shè)備的凝結(jié)水排水溫度較高,為65~80 ℃,且水質(zhì)較好,對其加以利用是節(jié)水節(jié)能之舉。凝結(jié)水經(jīng)汽動型凝結(jié)水回收機組匯集后,引至用水、用熱點:即作為空調(diào)熱水系統(tǒng)的補水以及供生活熱水做熱源使用,詳見圖2。經(jīng)以上利用后最終排放的蒸汽凝結(jié)水溫度可降至40 ℃以下,由給排水接入中水系統(tǒng)進(jìn)一步加以利用。

        3 溴化鋰吸收式冷水機組節(jié)能運行

        溴化鋰吸收式冷水機組是能耗大戶,蒸汽、冷卻水消耗量大,通過對制冷系統(tǒng)的操作優(yōu)化和性能改進(jìn),可以穩(wěn)定溴化鋰吸收式冷水機組的運行狀況,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

        3.1 溴化鋰吸收式冷水機組連鎖、連動控制

        本項目冷源采用的溴化鋰吸收式冷水機組,其自控系統(tǒng)提供了一套冷水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)的聯(lián)鎖信號、連動信號接點以及一個冷卻塔風(fēng)機的簡易溫控開關(guān)接點。溴化鋰制冷機組運行時,按圖3 的時序進(jìn)行起動和停止。

        圖3 溴化鋰吸收式冷水機組及水泵起停時序圖

        起動時,機組首先發(fā)出冷水泵的連動信號,起動冷水泵,等待聯(lián)鎖信號返回,判斷冷水泵起動完成后,發(fā)出冷卻水泵的連動信號,起動冷卻水泵,等待聯(lián)鎖信號返回,判斷冷卻水泵運轉(zhuǎn)成后,起動溴化鋰?yán)渌畽C組開始制冷運行,同時,按冷卻水入口溫度控制冷卻塔的起停。

        停止時,機組首先關(guān)斷蒸汽驅(qū)動熱源的輸入,保持冷水泵,冷卻水泵,冷卻塔及機組繼續(xù)運行一段時間,這個過程一般稱為“稀釋運轉(zhuǎn)過程”,使機組整體快速降溫,并使機組內(nèi)部的濃溶液與冷劑水充分混合,確保機組內(nèi)溶液不會發(fā)生結(jié)晶故障。等待機組降到一定溫度后,通過聯(lián)鎖、連動信號停止冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔等附屬設(shè)備,再繼續(xù)運行一段時間,讓機組內(nèi)部的溶液充分稀釋后,機組完全停止[2]。

        3.2 溴化鋰吸收式冷水機組節(jié)能運行中的控制措施

        1)蒸汽壓力波動的控制

        本項目蒸汽是由熱電廠提供,用戶多,用量范圍大,會出現(xiàn)壓力波動。在其它條件不變時,機組的制冷量隨著加熱蒸汽壓力的升高而增大。但是蒸汽壓力過高時,機組容易結(jié)晶,制冷量反而會嚴(yán)重下降。本工程在蒸汽管路上設(shè)置三個閥門,聯(lián)合控制蒸汽壓力,分別為蒸汽切斷閥防止壓力波動,自力式調(diào)節(jié)閥控制總壓力范圍,蒸汽調(diào)節(jié)閥做精細(xì)調(diào)整,其中蒸汽調(diào)節(jié)閥的靈敏度是運行中監(jiān)測的重點,確保其滿負(fù)荷時全開,無負(fù)荷時全關(guān)。另外開機通蒸汽時,要監(jiān)測蒸汽壓力的變化,防止供熱過快,使發(fā)生器傳熱管受熱不勻,造成傳熱管變形和脹管處泄漏。通過和蒸汽壓力和蒸汽用量的控制,既保護(hù)了機組又達(dá)到了節(jié)能的目的。

        2)冷水出口溫度的控制

        在其它條件不變的情況下,機組的制冷量隨著冷水出口溫度升高而提高。冷水出口溫度每升高1 ℃,機組制冷量提高4%~7%。所以當(dāng)空調(diào)負(fù)荷降低時,適當(dāng)提高冷水供水溫度,可提高機組制冷量,而不必一定控制冷水溫度在7 ℃,變冷水出口溫度調(diào)節(jié),是溴化鋰吸收式冷水機組節(jié)能降耗的重要措施。

        3)冷卻水進(jìn)口溫度的控制

        在其它條件不變的情況下,機組的制冷量隨著冷卻水進(jìn)口溫度降低而提高。冷卻水進(jìn)口溫度降低1 ℃,制冷量增加3%左右。但是冷卻水溫度過低或用量過大,將造成濃溶液結(jié)晶和冷劑水污染現(xiàn)象的發(fā)生,所以從機組安全運行角度考慮,不允許冷卻水進(jìn)口溫度過低。本工程地處蘭州地區(qū),氣候干燥,采用的冷卻水進(jìn)出水溫度為30/36 ℃,這種適當(dāng)降低冷卻水進(jìn)水溫度和加大冷卻水溫差的設(shè)計,可提高熱交換效率,減少循環(huán)水量,達(dá)到節(jié)能運行的效果。

        4)溶液循環(huán)量的控制

        采用合適的溶液循環(huán)量,不僅能提高機組的制冷量,而且還能節(jié)約蒸汽和循環(huán)水用量。本項目通過以下兩種方式對溶液循環(huán)量進(jìn)行控制:其一,通過調(diào)節(jié)溶液泵出口溶液閥和中間溶液閥來實現(xiàn)機組液位和溶液循環(huán)量的調(diào)整。其二,通過改變高發(fā)溫度或壓力的設(shè)定值,從而改變變頻器的頻率來調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)過程中要注意保持高低壓發(fā)生器液位的穩(wěn)定,防止因液位波動而造成冷劑水污染。

        4 輸配系統(tǒng)節(jié)能運行

        本工程結(jié)合建筑布局和功能需求,空調(diào)冷水系統(tǒng)采用二次泵變流量系統(tǒng),南區(qū)按運動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房、網(wǎng)球館單體分別配置二次泵,采用變頻泵變速控制。詳見圖4。二次泵變流量系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的一次泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上在負(fù)荷側(cè)增加一組循環(huán)水泵,將冷凍水系統(tǒng)分為制備和輸送兩個部分,一次泵負(fù)責(zé)冷水機組側(cè)的阻力,二次泵用來克服末端的阻力,相對于一次泵系統(tǒng)降低了各自管路的承壓。當(dāng)負(fù)荷側(cè)系統(tǒng)較大、阻力較高時,如果采用一次泵系統(tǒng),需要根據(jù)冷水機組的流量和系統(tǒng)最不利環(huán)路的阻力選擇水泵,配置功率大,且大部分時間在部分負(fù)荷時運行,導(dǎo)致系統(tǒng)能量利用率低、能耗高。采用二次泵系統(tǒng)時,當(dāng)負(fù)荷側(cè)水量變化時,二次水泵的運行頻率根據(jù)能夠反映用戶側(cè)實際水量需求的信號進(jìn)行調(diào)整,用水泵的變頻控制作用來取代部分或全部調(diào)節(jié)閥節(jié)流作用,減少了能量的消耗。在負(fù)荷側(cè)和冷、熱源側(cè)之間設(shè)平衡管用以平衡一、二次冷凍水量的差異[3]。

        圖4 空調(diào)冷水二次泵變流量系統(tǒng)原理圖

        1)冷水機組及對應(yīng)冷凍水泵的控制

        控制系統(tǒng)根據(jù)冷凍水供、回水溫度和制冷機組運行的電流及冷媒壓力、溫度等參數(shù),自動準(zhǔn)確計算出空調(diào)系統(tǒng)實際所需要的冷負(fù)荷,自動調(diào)整制冷機組運行工況,從而達(dá)到最佳節(jié)能的目的。

        當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷增加時,若負(fù)荷大于運行中冷水機組提供的最大負(fù)荷,且此狀態(tài)持續(xù)10~15 min,控制系統(tǒng)將采用“軟啟動”的模式進(jìn)行加機運行。即首先降低正在運行機組的負(fù)荷,然后啟動下一臺冷水機組及對應(yīng)的冷水泵,最后使得所有運行的機組按照相同的負(fù)荷工作。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷減小時,若減少某臺冷水機組后,剩余機組提供的最大負(fù)荷滿足空調(diào)負(fù)荷要求,且此狀態(tài)持續(xù)10~15 min,控制系統(tǒng)將采用“軟關(guān)機”的模式進(jìn)行減載運行。即首先降低機組的運行工況,直至使系統(tǒng)負(fù)荷減少到可以停止一臺冷水機組及對應(yīng)的冷水泵。通過“軟啟動”和“軟關(guān)機”可以避免機組在啟動和停止時對電網(wǎng)造成的沖擊確保機組和配電站的安全。

        2)冷凍水泵頻率以及旁通閥門的控制

        控制系統(tǒng)根據(jù)集分水器上的壓差傳感器提供的壓差信號,與設(shè)定值進(jìn)行比較,并自動調(diào)節(jié)冷凍水泵的轉(zhuǎn)速,從而在保持系統(tǒng)壓力平衡的同時充分發(fā)揮二次泵變流量的節(jié)能特性??刂葡到y(tǒng)隨時檢測系統(tǒng)冷凍水的實際流量,當(dāng)實際流量接近單臺冷水機組最低流量要求的時候,冷凍水系統(tǒng)的旁通閥門將會被逐步打開,以彌補系統(tǒng)流量的需要。同時在冷凍水流量發(fā)生變化的時候,控制系統(tǒng)將調(diào)節(jié)冷水機組內(nèi)部裝置的運行,使之滿足低流量狀態(tài)時的需要,同時保證機組的正常運行效率。

        5 結(jié)論

        1)因地制宜,結(jié)合項目市政條件,充分利用電廠余熱作為建筑能源,可以提高能源利用率,達(dá)到節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本的目的。

        2)優(yōu)化溴化鋰吸收式冷水機組節(jié)能運行中的控制措施,通過控制蒸汽壓力,冷水出口溫度,冷卻水進(jìn)口溫度以及溶液循環(huán)量等,保證機組的安全和系統(tǒng)的節(jié)能運行。

        3)優(yōu)化輸配系統(tǒng)的運行方案,實現(xiàn)二次泵變流量系統(tǒng)的節(jié)能運行。

        4)注重系統(tǒng)節(jié)能運行和調(diào)試,有利于在實際運營階段真正實現(xiàn)設(shè)計意圖,實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能。

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