降低前灘能源大蓄能罐熱轉冷的運行成本

何 杰 管寅迪 郁宏杰 朱冠華

上海上電電力運營有限公司

0 前言

分布式能源（distributed energy resources）是指分布在用戶端的能源綜合利用系統。是以資源、環境效益最大化確定方式和容量的系統，根據終端能源利用效率最優化確定規模。分布式能源一般利用冷、熱、電三聯供，具有能效利用合理、損耗小、污染少、運行靈活，系統經濟性好等特點。

分布式能源技術是未來世界能源技術的重要發展方向，是中國可持續發展的選擇之一，“十二五”規劃明確提出了促進分布式能源系統的推廣應用。因此，國內優秀的分布式能源企業愈來愈重視對行業市場的研究，特別是對公司發展環境和需求趨勢變化的深入研究。

1 概述

前灘分布式能源項目中心大蓄能水罐有效容積不小于25 000 m3，是全亞洲最大鋼罐結構且全國首例既能蓄冷又能蓄熱的綜合型蓄能水罐，目前作為前灘能源中心主要蓄能、供能手段與節能手段。示意圖見圖1。

圖1

以往的能源中心基本都采用單蓄冷的蓄冷罐，在供熱季供熱會采用設備完成供熱任務，由此也增加了生產成本。前灘能源中心采用的蓄能罐，在節約供能成本的同時也會遇到一些疑難問題：各地塊用戶樓宇的設計，通常在轉換季節期間，由于天氣變化，則需要能源中心同時供冷、供熱，需要在最短時間內，將蓄能罐中的熱季殘余熱量轉換為冷量，以適應天氣的變化與用戶的要求。

2018年供熱季轉供冷季期間，由于當時設備等原因，主要通過市政水與大蓄能罐中的水源轉換完成。然而隨著季節的轉暖，在供熱季至供冷季轉換過程中，部分用戶仍需要能源中心供熱。如何在現有設備的狀況下將大蓄能罐中的熱量轉換為冷量，以滿足用戶的供熱需求，是目前需要攻克的難關。

常規置換方法主要有以下幾類：

1）換水：將大蓄能罐中25 000 m3的熱水（40 ℃至45 ℃）排盡，用市政水的補水泵向大蓄能罐充注常溫市政水（10 ℃至15 ℃），利用離心機組制冷至5 ℃。

用戶側供熱：夜間利用三聯供系統或二級復疊式系統對熱水管網及小蓄能罐進行制熱。

2）電制冷：利用空氣源熱泵機組對大蓄能罐中的熱水進行制冷，從40 ℃降溫至20 ℃，利用離心機組制冷至5 ℃。

用戶側供熱：夜間利用二級復疊式制熱系統對熱水管網及小蓄能罐進行制熱。

空氣源熱泵制冷水路系統見圖2。

圖2 空氣源熱泵制冷水路

上述任何一種方法都需要浪費大量電量和水資源，違背了能源中心節能的初衷。因此，在節能的理念下推進任務正常完成，針對現場各個系統設備對電氣、機務方面的分析，并結合相關的運行工況以及不同負荷下的出力，形成項目的技術總結。

2 蓄能罐節能運行的必要性

為了將水罐內熱量迅速轉換為冷量的同時，確保在轉換季完成用戶供熱。結合能源中心降低成本的經營理念，提高運行技術及管理能力，針對當前的標準運行工況尋求新的突破口，利用能源中心現有設備，制定新的轉換季節能工況。

3 蓄能罐節能可行性方案分析

設備參數見表1，水泵參數見表2，峰平谷時電價見表3。

3.1 離心熱泵機組簡介

離心機組系統部件包括獨立筒體的蒸發器和冷凝器換熱器、電機—壓縮機組件。

表1 設備參數

表2 水泵參數

表3 峰平谷時電價

1）蒸發器：處于壓縮機的下方。蒸發器維持較低的溫度（壓力），以便不斷蒸發的制冷劑從流過它內部管子的水中帶走熱量。

2）冷凝器：冷凝器相對蒸發器而言，運行的溫度和壓力較高，流過冷凝管中的水可帶走制冷劑中的熱量。

3）經濟器：經濟器位于冷凝器和蒸發器之間，來自冷凝器的高壓液態制冷劑通過一次節流后進入經濟器，在經濟器內制冷劑氣液分離后，氣態制冷劑噴射至壓縮機補氣口，進一步過冷的液態制冷劑經二次節流后進入蒸發器。

4）電機—壓縮機：維持系統溫度及壓差，將吸熱后的制冷劑從蒸發器送至冷凝器。

5）離心熱泵機組主要技術性能

設備規范

制冷/制熱設計工況下COP：5.47/6.1；

標準工況下COP：6.29；

綜合部分符合性能系數IPLV：6.98；

冷量調節方式：進口導葉；

節流方式：孔板節流。

設計參數

蒸發器：

形式：滿液式、殼管式；

制冷工況最高/最低允許進水溫度（℃）：25/8；

制熱工況最高/最低允許進水溫度（℃）：43/20；

制冷/制熱工況最低允許出水溫度（℃）：3.5/22；

冷凝器：

形式：滿液式、殼管式；

制冷工況最高/最低允許進水溫度（℃）：34/18；

制熱制冷工況最高允許進水溫度（℃）：53/40；

制冷正常運行工況最低/最高出水溫度（℃）：40/22；

通過分析和設備參數的比對，發現大蓄能罐內溫度約42 ℃時與離心熱泵蒸發器輸送一級熱源的空氣源熱泵的最高出水溫度接近40 ℃，與開利廠家確認后，可以嘗試按照二級復疊式制熱的特性，完全利用大蓄能罐中42 ℃的出水代替空源熱泵制熱后的出水，為離心熱泵蒸發器提供新的一級熱源。由離心熱泵冷凝器對一級熱源熱量吸收，做功后二級熱源對供熱管網及小蓄能罐進行制熱，而大罐中的熱水通過離心熱泵蒸發器散熱（制熱工況額定溫差5 ℃），經4個循環將水溫降至20 ℃左右，此溫度為方案的目標值。最終用離心機組制冷至5 ℃。實現了在現有設備情況下僅開啟一種設備即完成大罐降溫，也完成了用戶供熱任務。工況水路見圖3。

圖3 工況水路

4 可行性方案初步驗證

在2019 年3 月20 日夜間21∶00，組織人員對新方法進行調試，進一步確定此方法的可行性，操作步驟如下：

1）將14、15、12、22、24 號地塊熱水回水閥全開，確保外管網水路暢通；

2）將大罐原蓄熱工況閥門切換至蓄冷工況；

3）隔絕空源熱泵系統；

4）開通離心熱泵蒸發器回路，與大罐水路通暢；

5）開通離心熱泵冷凝器回路，與熱管網水路通暢；

6）開啟相關水泵后，最后開啟離心熱泵。

離心熱泵于21點15分啟動，15 min后運行，運行參數正常，蒸發壓力在正常范圍內，見圖4，此方案可行。

圖4

5 節能運行方案的實施

自3 月21 日，正式啟動新方案，對大罐進行置換，在此工況實行后，由于天氣的變化，地塊的要求，在滿足地塊的前提下運行此新工況，需要在夜間先用離心冷機對外管網制冷后，再運行新方案。截至4 月3 日，共運行14 天，大罐內水溫散熱至目標值溫度，同時也完成了對地塊的供熱任務。

5.1 經濟分析

5.1.1 原方法耗電量及成本

方法1：換水

（1）換水成本約為：243 150 元，每噸水單價9.726元（含水處理費用）。

（2）置換后的市政水為常溫水（10～15 ℃），再利用離心冷機制冷至5 ℃需要24 h。成本：19 314.864元。

由于換水涉及排水與補水工作，需要較長周期且成本較高，一般情況下，能源中心不采取換水來達到置換目標。

方法1總成本：262 464.864元

方法2：電制冷

（1）10 臺空氣源熱泵對大蓄能罐內的熱水置換至20℃，需要7天。

耗電量：264 708 kWh

成本：89 736.012元

（2）利用離心冷機將20 ℃的水最終制冷至5 ℃需要6天。

耗電量：111 578 kWh

成本為：37 824.942元

（3）以上僅對大罐中的熱量轉為冷量做了經濟性分析。然而在季節轉換期間，由于天氣的不確定性因素，地塊用戶仍然需要能源中心供熱，因此方法2 出現了一些變化：由于夜間制熱管網需要用二級復疊式系統，原空氣源熱泵降溫周期從原7 天增加至9.5 天，在夜間8 小時低谷電價時段需用2 h 用原二級復疊式系統對熱管網制熱。

方法2 總成本為：166 438.83 元，總耗電量：490 970 kWh，共計周期16.5天。

5.1.2 新方法耗電量及成本

（1）新方法將大罐降溫至18 ℃，共計周期8天。

成本為：54 140.605 2元

（2）利用離心冷機將18 ℃的水，制冷至5 ℃，需要5天。

成本為：37 824.942元

新方法總成本為：91 965.547 2元，總耗電量：271 284.8 kWh，共計周期13天。

5.1.3 新方法實際耗電量與成本

實際耗電量與成本見表4。

表4

實際總成本：81 736.968 元，總耗電量：241 112 kWh，共計周期14天。

5.1.4 新方法產生的收益

在新方法運行期間，不僅對蓄能罐進行降溫，并且同時對熱管網與小蓄能罐進行制熱，在此期間對用戶供熱共計1 519 GJ≈421 944 kWh，供能單價為0.55 元/kWh。創造實際收益150 332 元。2019年3月20日-4月3日用戶供熱量見圖5。

圖5

5.2 結論

由表5可見，新方法比方法1節約成本79.2%，比方法2節約成本50.8%。

新方法比方法2周期縮短2.5天。

表5

5.3 已落實的鞏固措施

制定了新方法的標準操作票，便于運行人員培訓、操作，提升自身技術水平。見表6。

表6 熱力機械操作票

6 7 8 9 10查 空源熱泵熱水進水閥已關閉（VS-CH-6）查 離心冷機冷卻水進水閥B已關閉（VS-CH-13）查 離心冷機冷卻水出水閥B已關閉（VS-CH-15）操作 打開離心熱泵熱水出水閥A（VR-CH-1)查 離心熱泵熱水出水閥B已關閉（VR-CH-2)查 離心熱泵冷卻水出水閥已關閉（VS-CH-9）查 空源熱泵冷水進水閥已關閉（VS-CH-2）查 空源熱泵冷水出水閥已關閉（VS-CH-3）操作 將離心熱泵機組切至制熱模式操作 打開冷/熱供能泵熱水進水閥（VS-CH-20)操作 打開冷/熱供能泵熱水出水閥（VS-CH-22)查 冷/熱供能泵冷水進水閥已關閉（VS-CH-21)查 冷/熱供能泵冷水出水閥已關閉（VS-CH-23)查 大罐低溫端蓄/放熱閥已關閉（VR-ES-4)查 大罐高溫端蓄/放熱閥已關閉（VR-ES-1)操作 打開大罐低溫端蓄/放冷閥（VR-ES-2)操作 打開大罐高溫端蓄/放冷閥（VR-ES-3）操作 打開12、14、15、22和24號地塊熱水回水閥操作 啟動離心熱泵一次泵操作 啟動離心熱泵冷卻泵操作 啟動冷/熱供能泵操作 啟動離心熱泵機組11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27以下空白備注：操作項目：第 項至第 項，操作人： 監護人： 值班長：

6 總結

新方法運用了能源中心單種機型在季節轉換期間不僅滿足了大蓄能罐的降溫，還滿足了管網制熱，滿足了第二天用戶需求，大幅降低了成本，縮短了轉換周期。通過此方式提高整個系統的一次能源利用率，實現了能源的梯級利用。整個系統的經濟收益及效率均相應增加，同時展現了暖通專業運行管理隊伍的技術能力，進一步提升了開展節能工作的自信心。對今后世博、西岸能源中心的季節轉換工況選擇做好鋪墊，為能源發展提供新的技術思路。