工業園區分布式冷熱電三聯供系統設計

熊 曙

(中國葛洲壩集團裝備工業有限公司，武漢 430000)

0 引 言

經濟社會的飛速發展，給人們的生活水平帶來很大的提高，但也造成了環境的嚴重惡化，節能、低碳、減排、環保、綠色成為了當下經濟社會發展的最主要問題。為了在可持續發展的同時實現節能環保，兩個行之有效的方法就是開發新的可再生能源和提高傳統化石燃料的利用率。而在我國的能源消耗中，煤、石油、天然氣等燃料所占的比重是非常大的，必須對傳統的能源系統進行優化配置，從而提高燃料的利用率[1]。

歐美發達國家，在上世紀初就發展了以抽汽或背壓蒸汽供暖的鍋爐/汽輪機機發電-供熱機組為典型的城市集中供熱的熱電聯產(CHP)系統。同時，以耗用蒸汽和熱能為主的各種過程工業，如化工、冶金、建材、造紙、醫藥、食品等，也普遍采用了CHP技術。至本世紀初，芬蘭、荷蘭和丹麥的熱電機組已分別占全國總裝機容量的32%、40%和56%。其中70%以上采用天然氣為燃料[2]。

國內在北方城市集中供暖采用CHP系統，近年來取得了長足的進步。不過由于供暖負荷的季節性，發電量所占的比率還不是很大。在過程工業，特別是在引進大型項目中，采用CHP的程度也在增加，但是還存在著不少問題。以天然氣為燃料，通過冷、熱、電三聯供等方式實現能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，是實現天然氣高效利用、節能減排和結構優化的重要途徑[3-4]。

1 冷熱電三聯供系統設計

1.1 裝機方案

本項目所在地武漢位于夏熱冬冷地區，園區附近無市政熱源。根據氣候條件、園區性質及功能，空調冷熱源選擇時優先采用廢熱、排煙等低品位熱源進行供冷供熱，不足部分采用制冷(制熱)效率高、經濟效益好的電制冷、熱泵等方式補充，充分體現多種能源互補的特點。根據當地建設規劃圖以及對能源站供能區域用戶進行的負荷調查，進行負荷分析，進而確定能源站設計負荷[5]。

本項目園區內建筑主要為生產廠房及辦公建筑，其中辦公建筑需要提供集中的冷、熱源。根據業主方提供的園區規劃技術指標，需要供冷、供熱建筑冷熱負荷情況見表1。

表1 園區冷熱負荷情況表

根據表1負荷情況，內燃發電機冷熱電三聯供模塊一期擬建設2臺1 MW級內燃機發電機組和1臺10 MW級內燃機組，1 MW所選機型為Perkins 4016-61TRS2,10 MW所選機型為Warsila W20V34SG。本項目的內燃發電機組均作為冷熱電三聯供的原動機，機組利用內燃發電機發出的電量對園區供電，同時利用內燃發電機組產生的煙氣及缸套的高溫冷卻水通過吸收式溴化鋰制冷機組供冷/供熱。充分利用內燃發電機組排放的廢熱，以提高燃料的綜合利用率，達到節能減排的效果。

1.2 制冷、供熱系統

天然氣在內燃機作功后產生的煙氣和缸套冷卻水通過余熱利用系統在冬夏季分別輸出熱和冷兩種產品。根據1 MW內燃機排煙及缸套水參數，選擇兩臺煙氣熱水型吸收式溴化鋰冷水機組，每臺溴化鋰冷水機組對應1臺內燃機。單臺溴化鋰冷水機組制冷量1 453 kW，制熱量1 144 kW，夏季提供7/12 ℃空調冷水，冬季利用機組內部換熱器提供45/40 ℃空調熱水。根據10 MW內燃機排煙及缸套水參數，選擇兩臺煙氣熱水型吸收式溴化鋰冷水機組，其中一臺具有補燃功能。單臺溴化鋰冷水機組制冷量4 234 kW，制熱量3 981 kW，夏季提供7/12 ℃空調冷水，冬季利用機組內部換熱器提供45/40 ℃空調熱水。

1 MW內燃機三聯供系統中，每臺1 MW內燃機對應1臺溴化鋰冷水機組。溴化鋰制冷系統包含2臺煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷水機組、3臺冷(熱)水循環泵(2用1備)、3臺冷卻水循環泵(2用1備)、2臺冷卻塔以及配套的閥門、控制系統等。冷(熱)水循環泵、冷卻水循環泵以及冷卻塔均與溴化鋰吸收式冷水機組一一對應，連鎖運行。

10 MW內燃機三聯供系統中，10 MW內燃機對應2臺溴化鋰冷水機組。溴化鋰制冷系統包含2臺煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷水機組、3臺冷(熱)水循環泵(2用1備)、3臺冷卻水循環泵(2用1備)、2臺冷卻塔以及配套的閥門、控制系統等。冷(熱)水循環泵、冷卻水循環泵以及冷卻塔均與溴化鋰吸收式冷水機組一一對應，連鎖運行。

供冷模式下，內燃機產生的煙氣和缸套冷卻水作為溴化鋰冷水機組的驅動熱源。溴化鋰冷水機組產生的7/12 ℃冷水接至能源站分、集水器，通過園區管網輸送至各用戶。溴化鋰冷水機組內吸收器和冷凝器的熱量通過冷卻水系統排至大氣中。

供熱模式下，內燃機產生的煙氣和缸套冷卻水作為加熱熱源，經過機組內部換熱器對外提供45/40 ℃熱水，熱水接至能源站分、集水器，通過廠區管網輸送至各用戶。供熱模式下冷卻水系統不運行。

1.3 水蓄冷系統

本項目冷熱電三聯供系統可提供總冷量為11 374 kW，總熱量為10 250 kW，供冷不能滿足需要，不足部分由水蓄冷系統提供，水蓄冷系統提供的總供冷量為2 712.3 kW。水蓄冷系統由冷水機組、冷水泵、蓄冷水泵、釋冷水泵、冷卻塔、換熱器等設備和蓄冷水槽組成。

本項目蓄冷設計時按照設計日空調系統運行時間7∶00-17∶00共10個小時，晚間蓄冷運行時間0∶00-8∶00共8個小時考慮。蓄冷采用全負荷蓄冷模式，冷水機組容量為3 562 kW，蓄冷水槽采用溫度自然分層式水槽，水槽為圓柱形，容積為4 761 m3，蓄冷主機選用兩臺制冷量為1 934 kW的離心式冷水機組，制冷系統還包含冷水循環泵、冷卻塔、冷卻水泵、定壓補水設備、水處理及控制系統等。

1.4 熔鹽蓄熱供能系統

根據測試機組日均廢電量8 000 kWh作為熔鹽蓄熱供能系統配置依據，經過計算8 000 kWh儲能量可提供供冷量780 kW(供冷時間每日10 h)，可提供供熱量1 350 kW。

加熱模式：當燃氣發電機測試時段，開啟低溫熔鹽泵，低溫熔鹽經電加熱器進行加熱，通過控制電加熱器熔鹽出口溫度來調節熔鹽泵的流量，使得發電機在測試階段高溫熔鹽的溫度始終維持在需求溫度下。

供冷模式：夏季供冷時，由高溫熔鹽與低溫熔鹽混合后的熔鹽進入蒸發器、預熱器，經過與給水換熱產生的蒸汽經過分汽缸進入溴冷機制冷，凝結后的蒸汽流入凝結水箱。

供熱模式：冬季供熱時，由高溫熔鹽與低溫熔鹽混合后的熔鹽進入蒸發器、預熱器，經過與給水換熱產生的蒸汽經過分汽缸進入汽/水換熱器，凝結后的蒸汽流入凝結水箱。

2 運行方式分析

2.1 多冷、熱源運行方式

根據系統配置冷、熱源的供冷、供熱能力，從節能環保角度出發，在保證供冷、供熱量的前提下，應優先使用廢熱、廢電進行供冷、供熱，即優先使用三聯供系統及熔鹽儲能系統。

供冷分為兩種運行模式，如圖1-2所示，圖中各系統從左至右代表能源使用的優先級。當熔鹽蓄熱供能系統投入運行時如供冷模式1所示，當熔鹽蓄熱供能系統不投入運行時如供冷模式2所示。

圖1 供冷模式1

圖2 供冷模式2

供熱系統也分為兩種運行模式，如圖3-4所示，圖中各系統從左至右代表能源使用的優先級。當熔鹽蓄熱供能系統投入運行時如供熱模式1所示，當熔鹽蓄熱供能系統不投入運行時如供熱模式2所示。

圖3 供熱模式1

圖4 供熱模式2

2.2 年均綜合能源利用效率

分布式能源可用發電的余熱來制熱、制冷，因此能源得以合理的梯級利用，從而可提高能源的綜合利用效率。根據相關規范，年平均綜合能源利用效率計算公式如下[6]：

(1)

式中，η為年平均能源綜合利用率(%)；W為年凈輸出電量(kWh)；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為年燃氣總耗量(m3)；QL為燃氣低位發熱量(MJ/m3)。

本項目供冷期按照120 d計算，供暖期按照50 d計算。供冷、供暖期內每天空調系統運行時間為7∶00-17∶00共10 h。年發電量29.71×106kWh，年耗天然氣量7.11×106Nm3。根據以上公式計算，本項目三聯供系統的年平均綜合能源利用效率為88.9%。

3 結束語

以武漢某工業園區為研究對象，結合當地氣象條件及園區冷熱負荷分析，從裝機方案、制冷供熱、水蓄冷、熔鹽蓄熱供能等方面詳細設計了一套分布式冷熱電三聯供系統，具有不同的運行模式，年平均綜合能源利用效率為88.9%。能夠提高園區的能源利用率，實現節能減排。