直燃機在實際應用中的總結與探討

(中國石油工程建設有限公司青海分公司，敦煌 736200)

0 引 言

隨著我國經濟建設的發展，我國對能源消費的需求也在逐年增長，根據統計，2019年我國全年能源消費總量達48.6億噸標準煤，比上年增長3.3%。其中清潔能源(天然氣、水電、核電、風電等)消費量占能源消費總量的23.4%，而天然氣的消費量占能源消費總量的8%左右，電力行業仍然是影響我國煤炭消費量的主要行業，因此，我國優化能源消費結構的任務任重道遠，清潔能源的消費量需要繼續增大。

伴隨我國城市化進程的不斷推進與發展，我國大多城市相繼出現空氣品質低、霧霾嚴重、冬季天然氣供應及夏季電力保障緊張的局面，而冬季天然氣緊缺主要由于冬季工業用燃料氣的大量增加所致，夏季電力緊缺主要由于全社會(居民、企業等)空調行業的用電量所致，如此不均衡的用能需求既造成了燃氣輸配系統及設施在冬季以外的大部分時間利用率不高，也給城鎮居民生活帶來影響，如多地區已實行冬季居民生活用氣量限購、夏季部分時段調整電力供應等政策。而直燃機作為一種以天然氣為燃料的冷熱源設備，對于緩解夏季電力供應緊缺局面具有積極作用，值得我們去分析與總結。

1 直燃機簡述

直燃機是以天然氣燃燒產生的熱能為動力，溴化鋰溶液為工質對，能夠分別提供空調用冷凍水、采暖熱水及生活熱水的冷熱源設備。無需用大量的電能，運動部件少、振動與噪音小、運行安靜，真快狀態下運行，無臭無毒、無爆炸危險、安全可靠，性能穩定，操作方便，危險保養方便。其主要部件包括高溫發生器、低溫發生器、高溫交換器、低溫交換器、蒸發器、冷凝器等。

制冷工作原理：天然氣燃燒產生熱能，加熱發生器的溴化鋰溶液至140 ℃產生水蒸汽，水蒸汽被冷卻水冷凝成水后進入蒸發器這個高真空環境蒸發降溫至5 ℃，噴灑到銅管上，使銅管內的空調水降溫至7 ℃，向空調系統用戶提供冷凍水；吸收熱量后的冷凝水變為水蒸汽，被來自發生器的濃溶液吸收，并將熱量傳遞給冷卻水釋放到大氣中；變稀的溶液被泵到發生器，再次被加熱，再次產生水蒸汽；如此循環不已。

2 案例分析

目前我國空調行業發展中的制冷方式以電制冷居多，電制冷機組直接消耗電能來產出冷量供用戶使用。電能屬于二次能源，我國的電能主要來自于熱電廠的燃煤發電，大量燃煤造成的環境污染較為嚴重；而天然氣屬于一次能源，燃燒天然氣的產物對環境影響較小，在夏季使用空調期間若采用直燃機供冷既可節省電能，又可減輕因能源消耗而引起的環境污染，同時還可提高燃氣管網設施的利用率。因此，下面我們就采用直燃機制冷和電制冷兩種方式結合某工程應用實例進行簡單的比較與分析。

2.1 項目介紹

本項目屬于已建小區內制冷站的改造項目，項目建設地位于新疆庫爾勒市，小區內主要為住宅建筑和辦公建筑，總供冷面積122 912 m2，總冷負荷4 916.48 kW。小區內已建有1座制冷站及系統管網等配套設施，運行已達25年，本項目主要對站內的制冷機組進行更換，同時完成相應配套設施的改造。

2.2 供冷方案

根據小區的供冷負荷與現狀，結合直燃機與電制冷機組的設備性能與特點，以及考慮室外氣溫、建筑使用率變化等造成的冷負荷變化，機組運行效率、節能等多方面因素之后，本項目確定分別采用3臺電制冷機組和3臺直燃機組作為冷源進行對比分析。

由于是改造項目，供冷系統室外管網及水泵、冷卻塔等主要設備均為利舊使用，因此本工程只涉及站內部分配套設施的改造及維修

2.3 方案比較

方案一：選用3臺直燃機(直燃型溴化鋰吸收式冷(熱)水機組)，制冷量1 745 kW，冷凍水進出水溫度12～7 ℃，冷卻水進出水溫度32～37.5 ℃，天然氣耗量127 Nm3/h，制冷額定負荷COP=1.36(含主機電耗)。系統泵組、冷卻塔及室外管網利舊，配套進行站內制冷工藝系統，以及土建、電氣、儀控、燃氣、暖通等部分設施改造。

方案二：選用3臺螺桿機(高效型螺桿式冷水機組)，制冷量1 720.7 kW，電功率299.2 kW，電壓380 V，COP=5.75。系統泵組、冷卻塔及室外管網利舊，配套進行站內制冷工藝系統，以及土建、電氣、儀控等部分設施改造。

(1)主要設備與初投資

本項目中的設備費用采用市場詢價的平均值，具體費用見表1。

表1主要設備及初投資費用表

注：配套改造主要包括站內工藝系統管線、閥件與輔助設施，以及土建、電氣、儀控、燃氣等部分配套設施改造。

由表1可知，方案一(直燃機制冷)比方案二(電制冷)初投資高202萬元。

(2)運行費用

本項目運行費用主要包括運行期間的能源消耗費(燃料費、水費、電費)與設備維護費等。本次改造的制冷站每年夏季空調運行135天，每天平均運行12 h。能耗價格采用當地計費單價，天然氣價格1.25元/m3，電價0.93元/kW·h，自來水價格3.14元/m3(包括污水處理費)。設備維護費用按直燃機5萬元/年/臺、螺桿機8萬元/年/臺計取。兩種方案的運行費用對比具體見表2。

表2運行費用對比表

由表2可知，方案一(直燃機制冷)比方案二(電制冷)的年運行總費用低45.68萬元。初投資方案一比方案二的高出部分(202萬元)，在系統運行4.5年后即可節省出來。

因此，從經濟性來講，采用直燃機供冷的方案雖然初投資高，但建成以后的年運行費用相對較低，并且直燃機還可同時提供采暖和生活熱水，一機多用，設備、機房等系統配套設施使用率較高，節省空間，具有較強的廣泛應用潛力。

(3)綜合能耗

制冷機組運行期間的能源消耗主要為天然氣、水、電，其中天然氣和水屬于一次能源，電屬于二次能源，現將兩種方案的運行能耗折合標準煤后進行分析比較，具體見表3。

表3 綜合能耗對比表

由表3可知，方案二(電制冷)比方案一(直燃機制冷)年運行多消耗0.98萬噸標準煤，即采用電制冷方式的一次能源消耗量大。因此，單獨從節約能源消耗的角度來講，選用能耗量低的直燃機供冷方式具有較大的應用推廣意義。

3 結束語

目前，我國的能源消費結構中煤炭消費占比接近60%，環境污染仍然是現階段我國發展過程中面臨的嚴峻問題，因此，大力發展天然氣等清潔能源的應用事業，在減少對周圍環境污染的同時以求改善我國的能源消費結構，對我國經濟發展及人民生活水平的提高均具有重要意義。當前隨著我國城鎮化進程和大中型城市快速發展的過程，多數城市已面臨著夏季電力資源緊缺、燃氣資源供應充沛的局面，而采用技術成熟、先進的直燃機組作為空調冷源無疑是緩解這一局面的合理選擇，同時，直燃機組設備本身具備的優良經濟性、環保性和節能性(節約一次能源)，今后也必將會受到時代與行業的追尋與青睞。