燃氣分布式能源站蓄能系統節能改造及分析

黃中柏，劉亞勛，黃 輝，羅 凱

(1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北華電創意天地新能源有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

燃氣分布式能源系統采用天然氣作為主要能源，燃用天然氣發電，將發電后的余熱用于供熱制冷，再將更低溫度的廢熱供應生活熱水，目的在于提高能源利用效率。相對傳統的供能方式而言，分布式能源是利用發電的余熱進行制熱、制冷，一次能源利用率可達70%～90%[1]，具有能效高、清潔環保、安全等優點,分布式能源越來越受到廣泛的重視。本文基于武漢某燃氣分布式能源站蓄能及生活熱水系統的運行特性，針對運行中出現的問題，提出了節能改進措施。

1 概述

武漢某分布式能源站配置一套蓄能系統和生活熱水外賣裝置，以滿足用戶對不同類供能的需求，其中，蓄能系統由蓄能水箱（含上、下布水器）、板式水-水換熱器、水泵及控制系統等組成，用于供冷季儲存富余的冷量和供熱季儲存富余的熱量；生活熱水系統由生活熱水緩沖水箱、自來水緩沖水箱、水泵及生活熱水板式換熱器等組成，用于過渡季節對外出售生活熱水。蓄能及生活熱水系統參數見表1，流程如圖1所示。

表1 蓄能及生活熱水系統主要參數Tab.1 Main parameters of energy storage and domestic hot water system

圖1 蓄能及生活熱水系統改造前流程圖Fig.1 Flow chart before renovation of energy storage and domestic hot water system

2 系統運行特點及節能改造的必要性

2.1 系統運行特點

水蓄能是利用水的顯熱來實現冷/熱量儲存。在蓄能水箱中，不同溫度的水因其密度不同形成重力自然分層，需要在蓄能水箱的內部設置上、下布水器、鋼砼或鋼制隔板來控制冷熱水內部流動，減弱蓄能水箱內部的冷熱水混合。

制取生活熱水時，將自來水與蓄能水箱中的熱水通過生活熱水板式換熱器進行換熱，使得生活熱水箱中的熱水溫度滿足外賣要求。當蓄能水箱上布水器的水溫95℃（以上），下布水器的水溫78℃（以上）時，不需要啟動蓄能板式換熱水泵、生活熱水循環泵，蓄能水箱中的熱水直接可對外出售。

2.2 節能改造的必要性

分布式能源站實施節能降耗改造，提高能源利用效率，符合國家節能方針和環保要求。

針對工業園區冷負荷長期偏低，能源站蓄能系統蓄冷放冷功能基本用不上和長期外賣生活熱水的需要，將蓄能水箱功能簡化為蓄熱工況和對外直供生活熱水，一方面可以節約供應熱水的運行成本，另一方面可以減輕運行人員監盤的工作強度。

3 節能改造方案

根據能源站長期運行工況，確定蓄能及生活熱水系統如下改造方案：

（1）蓄能水箱下布水器位置確定。由于蓄能水箱是分層式蓄熱，內部水溫呈高低分層分布，下布水器出口處的水溫應滿足生活熱水外賣要求，下布器出口高度應根據外賣生活熱水的水溫確定。

（2）蓄能水箱下布水器改造。在下布水器引出的母管上安裝一個三通閥，其中一路水管接地溝排污，另一路水管連接到生活熱水供水泵入口；另外，在生活熱水供水泵入口增加兩個切換閥門，便于對外供熱水時進行水源切換。

（3）蓄能水箱補水改造。在蓄能水箱的頂部位置增加兩路自來水補水管道，補水管道為DN150不銹鋼水管，其中一路補水管道用手動門控制，另一路補水管道用電動門控制，根據蓄能水箱水位的高低實現自動補水。

武漢某燃氣分布能源站經節能改造后，蓄能及生活熱水系統如圖2所示。

圖2 蓄能及生活熱水系統改造后的流程圖Fig.2 After flow chart transformation of energy storage and domestic hot water system

4 節能方案分析

4.1 熱水對外供應可行性分析

假設一臺燃氣發電機組全天連續24 h運行，夏季每天可為煙氣換熱器提供48 000 kW的煙氣熱量，外賣生活熱水從20℃上升至80℃，理論可制取生活熱水 48 000 kW÷4.2 kJ/(kg·℃)×3 600÷(80-20)℃÷1 000 kg/m3=685 m3；冬季每天可為煙氣換熱器提供36 000 kW的煙氣熱量，外賣生活熱水從10℃上升至80℃，冬季理論上可制取的生活熱水量為36 000 kW÷4.2 kJ/(kg·℃)×3 600 ÷(80-10)℃÷1 000 kg/m3=440 m3。無論是冬季還是在夏季，蓄熱工況與外送生活熱水不能同時進行，制取的生活熱水量均低于理論計算值。

為解決全年生活熱水供應不足問題，將蓄能水箱改造成對外供應生活熱水箱后，減少中間換熱環節，不僅可以增加天然氣利用率，還可以縮短制取生活熱水的時間，滿足蓄能水箱在夏季、冬季及過度季節供應生活熱水等需求。

4.2 制取和供應生活熱水方式靈活

蓄能水箱改造前，能源站對外供應生活熱水時，因存在一系列的換熱過程，蓄熱工況與外送生活熱水不能同時進行。為了能連續制取合格的生活熱水，安排一名運行值班人員配合熱水購買單位，對生活熱水系統進行操作和調整。假設每天外賣熱水300 m3，從常溫5℃的補水加熱至80℃的熱水，需要時間為 300×103kg×4.2 kJ/(kg·℃)÷3 600×（80-5）℃÷2 000 kW=13.2 h；蓄能水箱改造后，蓄能水箱儲存熱水的有效容積增大，不需要安排值班人員對生活熱水系統進行操作和調整，蓄熱工況可與外賣生活熱水同時進行，實施蓄能水箱改造可最大程度的節約人力和物力。

4.3 節能費用分析

生活熱水循環水泵電機功率為3 kW，生活熱水換熱水泵功率為11 kW，每天按外賣生活熱水300 t，運行15 h計算，生活熱水循環泵和生活熱水換熱水泵可節約電費為14 kW×0.642元/(kW·h)×15 h=134.82元，每月可節約電費134.82×30=4 044.6(元)。

生活熱水板換一次側87℃/52℃，二次側5℃/85℃，一次側流量為120 m3/h，按高溫側溫差2℃計算，則每小時可減少的熱量損失為Q=cm△t=4.2 kJ/(kg·℃)×120×103kg×2 ℃/3 600=280 kW熱量，15 h可節約4 200 kW熱量，每月按30 d計算可節約126×105kW損失的熱量。如1 m3水溫度由20℃加溫至80℃，須外加熱量為70 kW，每月可多制取1 800 t生活熱水，每噸熱水純利潤按5元計算，減少生活熱水換熱運行環節，每月可節約9 000元。

蓄能及生活熱水系統改造后，盡可能制取生活熱水，充分利用煙氣余熱和盡可能地減少冷卻塔水蒸汽排放。查表知：45℃水蒸氣的氣化潛熱為2 548 kJ/kg，1 t水完全氣化則需要吸收2 548 kJ/kg×1 000 kg/3 600=707 kW熱量，相當于每賣10 t的生活熱水，可節約1 t熱水的排放損失。

蓄能及生活熱水系統改造后，因生活熱水循環泵、生活熱水換熱泵、自來水緩沖水箱、生活熱水緩沖水箱及生活熱水換熱板停止運行，減少了設備操作和維護費用。

5 結語

蓄能水箱改造成生活熱水箱后，外賣生活熱水直接用生活熱水泵從蓄能水箱向外抽水，運行方式得到了極大的簡化，同時也滿足蓄能水箱在夏季、冬季及過度季節的生活熱水供應，不僅減少了系統設備運行維護費用和能源消耗，還增加了能源站經濟效益。本次分布式能源站蓄能系統改造可為同類型機組系統節能改造提供參考。

[1] 黃中柏，周忠濤，黃輝，等.燃氣冷熱電分布式能源機組調試及主要問題分析處理[J].湖北電力，2016，40(4)：47-49.HUANG Zhongbai,ZHOU Zhongtao,HUANG Hui,et al.Commissioning the combined cold heat and power generation and distributed energy system unit with natural gas as fuel as well as analysis and treatment of main problems[J].Hubei Electric Power,2016,40(4)：47-49.