水蓄冷在能效電廠建設(shè)中的作用

李積高，張帶娣，龍偉超

（佩爾優(yōu)節(jié)能科技股份有限公司，北京 100089）

1 問題的提出

隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，全國用電需求也持續(xù)增長，從2001年到2010年國民經(jīng)濟增長約2.86倍，而同期的全國總發(fā)電能力增長超過3倍（到2010年底，全國發(fā)電機組裝機容量已達9.5億kW），發(fā)電容量增長速度高于經(jīng)濟增長速度，但電力供應(yīng)仍然緊張。主要原因在于電網(wǎng)供電負荷持續(xù)增長的同時，需求側(cè)的日負荷峰谷差也在不斷擴大，目前我國有些地區(qū)的峰谷差已經(jīng)達到最大負荷的50%以上。發(fā)電能力的增加不能滿足不斷增長的高峰負荷的電力需求，成為電力供需的主要矛盾。一方面在用電低谷時段，部分發(fā)電設(shè)備閑置；另一方面在用電高峰時段，發(fā)電設(shè)備能力不足，因此僅依靠不斷建設(shè)新的發(fā)電廠來解決社會經(jīng)濟發(fā)展電力供需矛盾是不可持續(xù)的，必須從各個方面考慮電網(wǎng)調(diào)峰問題。

解決電力供需矛盾的方法有2個，一是建設(shè)能效電廠，采用對需求側(cè)進行綜合管理的方式，開發(fā)、利用需方的資源，減少電力高峰時段的用電量；另一個是建設(shè)削峰電站（包括建設(shè)削峰火電站與削峰水電站）。本文將著重論述對空調(diào)電力用戶進行綜合管理，采用水蓄冷（熱）方式將電網(wǎng)供電低谷時段的電能轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)供電高峰時段，減少空調(diào)用戶在高峰時段的用電量。

2 削峰電站、能效電廠與空調(diào)水蓄冷（熱）

2.1 削峰電站

2.1.1 削峰水電站

為了解決電力系統(tǒng)峰谷電問題而建設(shè)的蓄能水電站，到2004年為止，全世界共建設(shè)水蓄能電站317座，總?cè)萘?2 207.881萬kW，其中日本最多，達43座，2 368.28萬kW；美國達37座，2001萬kW；俄羅斯7座，1 228.3萬kW。我國起步較晚，已經(jīng)建設(shè)11座，572.7萬kW。廣東省在廣州市從化區(qū)建設(shè)的2 400 MW削峰水電站于2000年全部建成，為平衡廣東省電網(wǎng)的電力供應(yīng)發(fā)揮了積極的作用。

從水蓄能的熱力學(xué)原理可以看出，水蓄能系統(tǒng)在運行過程中通常并不節(jié)省用電量，只是改變了不同用電時段的用電量，實現(xiàn)了電網(wǎng)運行的移峰填谷，其節(jié)能的直接含義主要體現(xiàn)在相當于削峰電站的能效比。以削峰水電站為例：削峰水電站抽水工況效率大約0.85～0.90，發(fā)電工況效率大約為0.90～0.93，加上電網(wǎng)輸送損失，綜合效率大約為0.80左右。即消耗1 kWh的低谷電能，只能獲得0.80 kWh的高峰電能。換言之，水蓄冷（熱）空調(diào)系統(tǒng)削峰1 kWh的電能，相當于節(jié)省削峰水電站20%以上的電能。而建設(shè)與運行削峰水電站，需要占用大量的土地資源和消耗大量的人力、物力。

2.1.2 削峰火電站

削峰火電站的運行特點是頻繁地開、停，而火電站的開啟是需要消耗能源的。以燃煤電廠為例，一臺12.5萬kW發(fā)電機組啟停調(diào)峰一次，需消耗20 tce；一臺20萬kW發(fā)電機組啟停調(diào)峰一次，需消耗34.8 tce，造成很大的能源浪費與環(huán)境污染。

建設(shè)削峰火電站要考慮鍋爐與發(fā)電設(shè)施啟動快，效率高，一般采用燃氣削峰電站。建設(shè)一座30萬kW的削峰燃氣輪機發(fā)電站的投資超過20億元。然而燃氣削峰電廠雖然啟動較快，運行效率也較高，但與常規(guī)燃氣發(fā)電廠相比，效率還是相對較低。

2.2 能效電廠

能效電廠（efficiency power plant，簡稱EPP）是一種虛擬電廠。國際能源界將實施電力需求側(cè)管理，開發(fā)、調(diào)度需方資源所形成的能力，形象地命名為能效電廠，將減少的需求視同“虛擬電廠”提供的電量。能效電廠把各種節(jié)能措施、節(jié)能項目打包，通過實施一攬子節(jié)能計劃，形成規(guī)模化的節(jié)電能力，減少電力用戶的電力消耗需求，從而達到與新建、擴建電力供應(yīng)系統(tǒng)相同目的。

能效電廠雖是虛擬電廠，但在滿足電力需求和電網(wǎng)電力平衡工作中，卻和供方（發(fā)、輸、配、售電）能力有著同等的重要性，與建設(shè)一個常規(guī)電廠相比，能效電廠具有建設(shè)周期短、零排放、零污染、供電成本低、響應(yīng)速度快等顯著優(yōu)勢，是實施電力需求側(cè)管理、實現(xiàn)節(jié)能減排的一種有效途徑，是解決電力短缺和能源可持續(xù)利用問題的“好幫手”。

2.3 空調(diào)水蓄冷（熱）

能效電廠是對電力需求側(cè)實施管理形成的結(jié)果。空調(diào)水蓄冷（熱）就是對用電的空調(diào)用戶進行管理，將電網(wǎng)用電低谷時段的電能以冷（熱）量的形式蓄存起來，在電網(wǎng)用電高峰時段將蓄存是冷（熱）量釋放出來，減少電網(wǎng)用電高峰時段的用電量，實現(xiàn)將用電低谷時段的電量，向用電高峰時段轉(zhuǎn)移。

空調(diào)水蓄冷（熱）既增加了低谷用電，減少了在電網(wǎng)用電低谷時段發(fā)電廠停止運行的數(shù)量，也減少了高峰用電，相當于減少了削峰電站的發(fā)電數(shù)量。空調(diào)用戶將常規(guī)供冷（熱）方式改造成水蓄冷（熱）供冷（熱）方式，其改造效果相當于建設(shè)了與水蓄冷（熱）削峰量相同的能效電廠。水蓄冷（熱）空調(diào)所形成的這種能效電廠，可稱為“水蓄冷（熱）空調(diào)能效電廠”。

3 空調(diào)水蓄冷（熱）供冷（熱）系統(tǒng)

3.1 水蓄冷（熱）空調(diào)概述

水蓄冷（熱）空調(diào)系統(tǒng)即是在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加蓄冷（熱）設(shè)備，在用電低谷時段（電費較低的時段）將空調(diào)系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)化成冷（熱）形式儲存起來，在用電高峰時段（電費較高的時段）將儲存的能量釋放出來的熱力過程。因此蓄冷（熱）空調(diào)的意義從宏觀上來講，能平衡電網(wǎng)的負荷，充分發(fā)揮電廠的發(fā)電效率。從空調(diào)用戶的角度來講，能充分利用不同用電時段的電費差價，節(jié)省運行電費。

（1）常用水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的組成

常用的水蓄冷制冷系統(tǒng)由如下設(shè)備與裝置組成：空調(diào)常規(guī)制冷系統(tǒng)（包含冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵與冷凍水泵）；蓄冷水池；蓄冷水泵；板式換熱器；放冷水泵。詳見圖1。

（2）常用水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運行特點

從圖1可以看到，常用水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運行特點是工況轉(zhuǎn)換靈活，該系統(tǒng)通過閥門的轉(zhuǎn)換，可以完成如下5種運行模式。

·制冷機組單獨供冷運行模式（與空調(diào)常規(guī)制冷系統(tǒng)運行相同）。

·制冷機組單獨蓄冷運行模式。

·蓄冷設(shè)備單獨放冷運行模式。

·制冷機組供冷與蓄冷設(shè)備放冷同時運行模式。

圖1 常用水蓄冷空調(diào)的組成及流程圖

·制冷機組蓄冷與蓄冷設(shè)備放冷同時運行模式。

（3）無板換水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的組成

無板換水蓄冷空調(diào)的組成及流程圖如圖2所示。無板換水蓄冷制冷系統(tǒng)由如下設(shè)備與裝置組成：常規(guī)制冷系統(tǒng)（包含冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵與冷凍水泵）；蓄冷水池；蓄冷水泵。

無板換水蓄冷空調(diào)的組成及流程圖見圖2。

圖2 無板換水蓄冷空調(diào)的組成流程圖

（4）無板換水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的特點

從圖2可以看出，無板換水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)取消了板式換熱器。板式換熱器是水蓄冷系統(tǒng)中用得比較多的設(shè)備，取消板式換熱器可節(jié)省大量的設(shè)備費用。無板換水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)適用條件如下：

·蓄冷水槽的液面高于空調(diào)末端的最高點（在大量的工業(yè)廠房空調(diào)用冷水與生產(chǎn)用冷水中使用）。

·在蓄冷水槽水位低于用冷末端設(shè)備的高度時，采用機械加壓（此時加壓泵相當于空調(diào)冷水系統(tǒng)的定壓泵）方式向空調(diào)系統(tǒng)供冷。如果是對已有空調(diào)冷水系統(tǒng)的改造，應(yīng)注意確保空調(diào)冷水系統(tǒng)的所有管道全部處于正壓狀態(tài)。

3.2 水蓄冷（熱）空調(diào)系統(tǒng)提高電力削峰能力的途徑

水蓄冷（熱）空調(diào)系統(tǒng)提高電力削峰能力的途徑主要有2條：一是盡可能增加蓄冷水槽的容積；二是提高蓄冷水槽的進出水溫差。

（1）蓄冷水槽：蓄冷水槽總?cè)莘e的大小，直接影響空調(diào)工程蓄冷量的大小，也決定了蓄冷系統(tǒng)削峰量的大小。以浦東國際機場二期工程為例：浦東國際機場二期工程新建航站樓面積40.5萬㎡，加上旅客過夜用房與辦公樓等建筑物，其空調(diào)總負荷24 400 kW。該工程建設(shè)蓄冷水槽的總?cè)莘e（12 600×4）m3。浦東國際機場二期工程在100%負荷條件下，最大削峰量為20 170 kW，即相當于建設(shè)了2萬kW的能效電廠。

（2）蓄冷溫差：蓄冷水槽的蓄冷量與蓄冷溫差成正比，溫差越大，蓄冷量越多。但是蓄冷溫差受到實際運行條件與運行費用的制約。蓄冷水槽的進水溫度，取決于空調(diào)冷水系統(tǒng)的回收溫度；蓄冷水槽的出水溫度，取決于蓄冷制冷機組的出水溫度。出水溫度越低，蓄冷運行費用越高。為了減少運行費用，一般宜采用冷水機組串聯(lián)方式蓄冷。如果生產(chǎn)性冷卻用水進出水溫差較大，也可采用冷水

機組三級串聯(lián)蓄冷。

3.3 水蓄冷（熱）空調(diào)系統(tǒng)減少能耗的途徑

空調(diào)制冷過程耗電量最大的設(shè)備是冷水機組，水蓄冷也是如此。在外界條件相同的情況下（冷凝溫度相同），影響冷水機組耗電量的主要因素是冷水機組的蒸發(fā)溫度。蒸發(fā)溫度越低，耗電量越大。提高蓄冷水槽的蓄冷能力的措施之一是增加蓄冷溫差，也就是降低冷水機組的蒸發(fā)溫度，這就引起了冷水機組的耗電量增加。為了提高冷水機組的蒸發(fā)溫度，通常采用蓄冷冷水機組串聯(lián)蓄冷。

（1）2臺冷水機組串聯(lián)蓄冷，可以減少每一級冷水機組的進、出口溫差，2臺冷水機組溫差加起來，相應(yīng)地提高了蓄冷水池的總的溫差（也就是增加了蓄冷水池單位容積的蓄冷能力）。

（2）2臺冷水機組串聯(lián)蓄冷，可減少蓄冷電能的消耗。因為提高了第一級冷水機組的出水溫度，從而提高了第一級冷水機組的蒸發(fā)溫度。根據(jù)制冷工質(zhì)的熱力學(xué)特性，蒸發(fā)溫度每提高1℃，工質(zhì)F-22制冷能力提高3.371%，耗電減少0.8%左右；工質(zhì)F-134a制冷能力提高3.881%，耗電減少1.0%左右。

冷水機組蓄冷制冷循環(huán)過程詳見圖3。

圖3 串聯(lián)連接制冷工質(zhì)lgP-I圖

從圖3可以看到：

第 1 級冷水機組的制冷量L1為：L1=i3′-i2′；第 1級冷水機組的壓縮功N1為：N1=i4′-i3′；

第2級冷水機組的制冷量L2為：L2=i3-i2；第2級冷水機組的壓縮功N2為：N2=i4-i3。

第2級冷水機組的制冷量L2小于第1級冷水機組的制冷量L1，即蒸發(fā)溫度低的冷水機組單位容積制冷量小于蒸發(fā)溫度高的冷水機組單位容積制冷量。

第2級冷水機組的壓縮功N2大于第1級冷水機組的壓縮功N1，即蒸發(fā)溫度低的冷水機組單位制冷量消耗的壓縮功大于蒸發(fā)溫度高的冷水機組單位制冷量消耗的壓縮功。

3.4 水蓄冷（熱）空調(diào)系統(tǒng)的實用性

水蓄冷（熱）空調(diào)系統(tǒng)可廣泛用于新建工程，也可廣泛用于改、擴建工程。

（1）用于工程擴建：采用水蓄冷方式，可充分利用原有工程的制冷設(shè)備，不購置或少購置冷水機組，這樣既可節(jié)省建設(shè)投資，也可節(jié)省運行費用。

（2）用于工程改造：可首先使用原工程的消防水池進行水蓄冷改造。所有的專用消防水池均可改造成蓄冷水池，一個500 m3的水池改造成蓄冷水池后，在空調(diào)用電中，一天可減少700～1 000 kW的高峰用電（蓄冷溫差越大，削峰量越多）。

（3）用于新建工程：可以根據(jù)新建工程的不同要求，設(shè)計不同的水蓄冷系統(tǒng)（完全削峰、部分削峰水蓄冷系統(tǒng)與完全水蓄冷系統(tǒng)等），但不論采用哪一種水蓄冷系統(tǒng)，都能實現(xiàn)電網(wǎng)供電的不同程度的移峰填谷。

3.5 發(fā)揮水蓄冷（熱）空調(diào)能效電廠在經(jīng)濟建設(shè)中的作用

空調(diào)工程采用水蓄冷（熱）系統(tǒng)，可以實現(xiàn)移峰填谷，減少削峰電站的建設(shè)費用與減少對環(huán)境的污染，有很好的社會效益。根據(jù)建筑物的空調(diào)負荷估算，900～1 000萬m2商場（或約1 200萬～1 500萬m2以寫字樓為主的綜合性公共建筑）的集中空調(diào)采用蓄冷（熱）系統(tǒng)，相當于建設(shè)一座30萬kW的削峰電站。而建設(shè)一座30萬kW的燃氣輪機發(fā)電站的投資為20多億元，加上輸電與變配電投資，共需投資約30億元，并且削峰電廠的運行效率很低。

我國每年竣工的公共建筑4億m2以上。如果有1/4的公共建筑建設(shè)蓄冷系統(tǒng)，實現(xiàn)這些建筑的完全削峰，這相當于建設(shè)了7座30萬kW的削峰電站，其經(jīng)濟、社會與環(huán)境效益十分顯著。

佩爾優(yōu)節(jié)能科技股份有限公司曾經(jīng)于2012年在天津濱海新區(qū)做過100萬kW虛擬調(diào)峰電站項目論證，論證結(jié)論如下：

（1）僅依靠不斷新建電廠來解決全國社會電力供需現(xiàn)狀的矛盾是不可持續(xù)的，國家必須要考慮進行電網(wǎng)調(diào)峰。

（2）從供給側(cè)解決電力供需矛盾，投資較高，且容易造成資源浪費與環(huán)境污染。

（3）用蓄能的方式從需求側(cè)進行電網(wǎng)調(diào)峰，能起到均衡電網(wǎng)用電負荷、改善電網(wǎng)負載因素等積極作用，有利于國民經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展。

（4）通過將100萬kW的電力高峰負荷轉(zhuǎn)移至低谷，直接節(jié)省100萬kW發(fā)電、供電建設(shè)綜合投資約100億元。

（5）實現(xiàn)對100萬kW低谷發(fā)電能力的有效利用，相當于每年減少140余萬tce消耗、減少400余萬t二氧化碳排放，具有顯著的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

[1]周伏秋，夏鑫.電力需求側(cè)管理城市綜合試點工作重點與財政激勵政策[J].電力需求側(cè)管理,2012（5）：1-3.