樓宇式天然氣分布式能源系統年均綜合能源利用效率提升方案

余莉，張珍

(1.中國華電科工集團有限公司，北京 100160；2.華電分布式能源工程技術有限公司，北京 100160)

0 引言

樓宇式天然氣分布式能源系統是以內燃機(或微燃機)為原動機，以煙氣熱水溴化鋰機組為余熱利用設備產生熱水和冷水，通過冷熱電聯產方式直接向一定區域內樓宇建筑用戶輸出熱(冷)能、電能的能源供應系統[1]。煙氣熱水溴化鋰吸收式冷(溫)水機組是以內燃機(燃氣輪機)發電機組等原動機排放的高溫煙氣和熱水作為驅動熱源，在真空環境下制取供暖空調系統或工藝系統所需冷水、熱水的設備。受溴化鋰溶液腐蝕性和溶液質量濃度的影響，溴化鋰吸收式冷(溫)水機組的排煙溫度夏季制冷工況下不能低于160 ℃，冬季制熱工況下不能低于145 ℃。溴化鋰機組的排煙溫度直接影響系統的年均綜合能源利用效率。

1 煙氣熱水溴化鋰機組工作原理

溴化鋰吸收式制冷同蒸汽壓縮制冷原理相同，都是利用液態制冷劑在低溫、低壓條件下蒸發、汽化吸收載冷劑的熱量，產生制冷效應，不同的是，溴化鋰吸收式制冷是以“溴化鋰-水”組成的二元溶液為工質對完成制冷循環。

在溴化鋰吸收式制冷機內循環的二元工質對中，水是制冷劑，在真空狀態下蒸發，具有較低的蒸發溫度，從而吸收載冷劑熱負荷，使之溫度降低，源源不斷地輸出低溫載冷劑(水)。工質對中溴化鋰水溶液則是吸收劑，可在常溫和低溫下強烈地吸收水蒸氣，但在高溫下又能將其吸收的水分釋放出來。吸收與釋放周而復始，不斷循環，因此，蒸發制冷循環也連續不斷。

制冷過程所需的熱能可從蒸汽、熱水、廢氣中獲得。溴化鋰吸收式制冷系統包括發生器、冷凝器、蒸發器和吸收器等4大熱交換裝置，再輔以其他設備，組成各種類型的溴化鋰吸收式制冷機。

首先由真空泵將機組抽至高真空度狀態，為低溫下水的沸騰創造了必要條件。由于溴化鋰水溶液有低于冷劑水的沸點壓力，二者之間存在壓力差，所以前者具有了吸收水蒸氣的能力，提供了使冷劑水能連續沸騰的可能性。

在單效機組里，溶液泵將吸收器里的稀溶液經熱交換器送到發生器，由驅動熱源將它加熱濃縮成濃溶液，同時產生冷劑蒸汽。冷劑蒸汽在冷凝器中冷凝成冷劑水，其潛熱由冷卻水帶至機外。冷劑水進入蒸發器后，由冷劑泵經噴淋裝置噴淋。在高真空度下冷劑水吸收蒸發器管內冷水的熱量，低溫沸騰再次形成冷劑蒸汽，與此同時制取低溫冷水。濃縮后的濃溶液經熱交換器后直接進入吸收器，經布液器淋激于吸收器換熱管上。濃溶液吸收蒸發器所產生的冷劑蒸汽后，本身變成稀溶液，同時還將吸收冷劑蒸汽時釋放出來的熱量轉移至冷卻水中。制冷循環就是溴化鋰水溶液在機內由稀變濃再由濃變稀和冷劑水由液態變汽態、再由汽態變液態的循環，2個循環同時進行，周而復始[2-3]。

2 常規樓宇式分布式能源系統配置方案

內燃發電機出口約390 ℃的高溫煙氣進入煙氣熱水溴化鋰機進行制冷/制熱，溫度降至約160 ℃(制冷工況)/145 ℃(制熱工況)后經煙囪排入大氣。

內燃發電機的高溫缸套水出口約95 ℃的熱水送入煙氣熱水溴化鋰機組冷卻至約75 ℃后送回內燃機冷卻潤滑油、發動機和一級中冷器等，高溫缸套水還與高溫散熱水箱聯通，當煙氣熱水溴化鋰機組不能滿足高溫缸套水冷卻需求時，可調節熱水至高溫散熱水箱去冷卻。內燃發電機的低溫缸套水出口約65 ℃的熱水接至低溫散熱水箱進行換熱，溫度降至約60 ℃后送回內燃機冷卻二級中冷器、二級潤滑油等。

煙氣熱水溴化鋰機組的冷卻水出口連通冷卻塔；煙氣熱水溴化鋰機組包括煙氣高溫熱發生器和低溫熱交換器，內燃發電機的煙氣出口連通煙氣高溫熱發生器；內燃發電機的高溫缸套水出口依次連通煙氣高溫熱發生器和低溫熱交換器。

夏季制冷工況下，溴化鋰機組的高溫熱發生器的溴化鋰溫度高于150 ℃后，溴化鋰溶液對機組的腐蝕會加速，而低于130 ℃后溴化鋰溶液質量濃度降低，會影響機組的制冷系數。因此一般會將高溫熱發生器的溴化鋰溫度控制在140 ℃以內，基本可避開腐蝕，而排煙溫度比高溫熱發生器的溴化鋰溫度高15～30 ℃，通常情況下不能低于160 ℃。

3 降低排煙溫度的樓宇式分布式能源系統配置方案

為了充分利用余熱，可進一步降低溴化鋰機組的排煙溫度,提高系統的熱效率。根據不同工程的情況，有2種降低溴化鋰機組的排煙溫度的方案。方案1：在煙氣熱水溴化鋰機組排煙口設置煙氣熱水換熱器，制出70 ℃的熱水為用戶提供生活熱水，排煙溫度可降至80 ℃。方案2：在煙氣熱水溴化鋰機組排煙口設置煙氣熱水換熱器，將循環水加熱至95 ℃后與內燃機的高溫缸套水匯合進入溴化鋰機組進行制冷，排煙溫度可降至100 ℃，同時提高了煙氣熱水溴化鋰機組的熱水制冷量。系統配置流程如圖1所示。

4 2種方案技術指標對比

下面以具體項目為例，分別按常規方案和增加煙氣熱水換熱器的2種方案計算系統年均綜合能源利用效率。

某項目建設天然氣冷熱電三聯供的分布式能源系統，根據初步規劃，產業園地上建筑規模大約17萬m2，地下面積約8萬m2。該園區具有良好的熱、電、冷負荷條件，園區的供熱負荷為8.024 MW，常規供冷負荷為10.470 MW，常年供冷負荷為1.531 MW，生活熱水負荷為1.069 MW，用電負荷為6.951 MW。

圖1 設置煙氣熱水換熱器的余熱利用系統流程

該項目設計原則是“以冷熱定電”，根據冷熱負荷確定內燃發電機組建設規模為6.698 MW，按一期進行建設，站內設2臺單機裝機容量為3.349 MW的內燃機發電機組和2臺2 908 kW(制冷量)/2 994 kW(制熱量)的煙氣熱水溴化鋰機組，另外配2臺直燃機作為調峰機組，以滿足工程全部冷熱負荷及生活熱水負荷需求。

本文僅計算三聯供機組的熱效率，不計入調峰機組的熱效率。計算年均綜合能源利用效率η[4]所用設備性能參數及技術指標見表1、表2、表3。

表1 內燃機參數

表2 煙氣熱水溴化鋰機組參數

式中：W為年聯供系統輸出電量，kW·h；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為年聯供系統燃料總耗量，m3；QL為燃料低位發熱量，MJ/m3；Pt為煙氣降至不同溫度可利用的熱量；t為不同季節利用小時數；COP為制冷系數。

表3 各方案技術指標

5 結論

綜上所述，樓宇式天然氣分布式能源系統在溴化鋰機組煙氣出口增設煙氣熱水換熱器，可以提高系統年均綜合能源利用效率。增設煙氣熱水換熱器供生活熱水方案，年均綜合能源利用效率可提高約3百分點；增設煙氣熱水換熱器增加溴化鋰機組的制冷量方案，年均綜合能源利用效率可提高約1百分點。