基于太古供熱一級網回水集中降溫的優化設計

趙 寧

(太原市熱力設計有限公司，山西 太原 030012)

1 概述

為打造優美、和諧、宜居的生活環境，北方各地政府正積極推進集中供熱全覆蓋工程。近幾年，由于房地產行業興起，熱用戶猛增，而熱源不足問題日益嚴重。另外，現狀集中供熱系統一次網回水溫度均在40 ℃以上甚至更高，導致熱能輸送能力受限且散熱損失較大，不僅增加管網建設投資，且增大了熱源投入。基于以上兩大背景，本文結合太原市城西燃氣調峰熱源廠項目建設，通過在廠區內設置熱泵機組，降低太古一級網回水溫度，提供能源利用率；同時，充分利用提取出的低品位能提升熱源廠供熱回水溫度，節約鍋爐燃氣耗量，實現經濟效益和生態效益雙贏。

2 一級網回水集中降溫的優化設計

2.1 工程概況

太原市已形成以熱電聯產和大型熱源廠為主，燃氣承擔尖峰負荷的供熱格局，并逐步實現多熱源聯網運行，通過統一的大熱網形成的熱源統一調配和事故工況下互為備用。

為彌補太原市西北部地區供熱熱源缺口，將新建1座燃氣調峰熱源廠，熱源廠設計裝機5臺116 MW高溫燃氣熱水鍋爐，設計供熱能力為580 MW，設計供熱面積為1 100萬m2。鍋爐熱水系統設計壓力為1.6 MPa，設計供回水溫度為130 ℃/70 ℃，鍋爐房燃用天然氣資料為Qdwy=35 680 kJ/m3，8 523 kcal/m3時，鍋爐峰值用氣量為6.4萬m3/h。額定循環水量為8 313.3 t/h，主干管管徑為DN1 200。

市區太古供熱管網一次管網設計供、回水溫度為120 ℃/60 ℃，設計壓力為1.6 MPa，管線從市區中繼能源站分3支引出，其中一支DN1 400管線位于該熱源廠項目附近，根據運行期間實測，其回水溫度43 ℃左右，循環水量8 500 t/h。

2.2 補燃型吸收式熱泵技術

補燃型吸收式換熱機組工作原理類似于溴化鋰吸收式制冷機，可通過燃氣直接驅動。其工作流程如下：

首先通過燃氣燃燒使發生器內溴化鋰水溶液受到加熱后，溶液中的水不斷汽化；隨著水的不斷汽化，發生器內的溴化鋰水溶液濃度不斷升高，進入吸收器。

冷劑水蒸氣進入冷凝器，被冷凝器內的二次網水吸熱降溫后凝結，成為高壓低溫的液態水；當冷凝器內的水通過節流閥進入蒸發器時，急速膨脹而汽化，并在汽化過程中大量吸收蒸發器內一次網水的熱量，進一步降低一次網回水溫度。

低溫水蒸氣進入吸收器，被吸收器內的溴化鋰水溶液吸收，溶液濃度逐步降低，再由溶液泵送回發生器，完成整個循環。

燃氣燃燒后的煙氣通過發生器后進入蒸發器，進一步降低一次網回水溫度。

二次側回水先過吸收器吸收一定熱量進入冷凝器進一步吸熱后供出。如此循環不息，連續將一次網熱量傳遞給二次側。

由于溴化鋰稀溶液在吸收器內已被冷卻，溫度較低，為了節省加熱稀溶液的熱量，提高整個裝置的熱效率，在系統中增加了一個換熱器，讓發生器流出的高溫濃溶液與吸收器流出的低溫稀溶液進行熱交換，提高稀溶液進入發生器的溫度。其流程圖見圖1。

2.3 高效直燃型熱泵選型參數

單臺機組參數見表1。

表1 單臺機組參數表

2.4 一級網回水集中降溫系統設計

新建的城西燃氣熱源廠地塊內設置補燃熱泵車間，車間內設置4臺燃氣熱泵機組，一次側通過燃氣驅動，將太古一級網回水溫度從43 ℃降至20 ℃，循環水量為8 500 t/h，根據燃氣熱泵機組選型參數，可獲得179.18 MW熱量(其中91 MW從回水余熱提取，88.18 MW由燃氣提供)。二次側：燃氣熱源廠主回水管經過4臺燃氣熱泵機組，溫度由70 ℃加熱至90 ℃，再經過廠區鍋爐間內5臺燃氣鍋爐，將水溫由90 ℃提高至130 ℃，總循環水量為8 313 t/h。直燃型吸收式熱泵系統流程圖如圖2所示。

3 節能量及節氣量計算

根據CJJ 34—2010城市供熱管網設計規范，GB 50189—2015公共建筑節能設計標準及《實用集中供熱手冊》，年耗熱量計算如下：

Qnn= 0.086 4NQnP。

QnP=Q(tn-tpj)/(tn-tw)。

其中，Qnn為采暖年耗熱量；QnP為平均熱負荷，kW；Q為采暖設計熱負荷，kW；N為采暖計算天數，151 d；tn為采暖室內設計溫度，18 ℃；tpj為冬季采暖室外平均溫度，-0.9 ℃；tw為冬季采暖室外設計溫度，-11 ℃。

1)本項目設計熱負荷為580 MW，年耗熱量按上述公式計算如下：

QnP=Q(tn-tpj)/(tn-tw)=580 000×(18+0.9)/(18+11)=378 000 kW。

Qnn= 0.086 4QnPN=0.086 4×378 000×151=4 931 539.2 GJ。

則本項目采暖季供熱量為4 931 539.2 GJ。選用氣源35 680 kJ/Nm3(8 523 kcal/Nm3)，燃氣鍋爐綜合熱效率按97%計算，則實際熱源工序年耗熱量，即企業購入天然氣為：

M=4 931 539.2 GJ÷35 680 kJ/Nm3÷97%= 12 885.56×104Nm3/年。

2)通過設置直燃型吸收式機組提取低品位能后，天然氣耗量計算如下:

經實測太古一級網回水溫度采暖季維持在43 ℃左右，本文以43 ℃進行計算。直燃型吸收式機組從回水余熱提取熱量為91 MW，年耗熱量為：

Qy=91×151×24×3 600/1 000 GJ=1 187 222.4 GJ。

燃氣鍋爐天然氣用量為：

M1=(4 931 539.2-1 187 222.4)GJ÷35 680 kJ/Nm3÷97%=10 818.72×104Nm3/年。

直燃型吸收式機組天然氣用量為：

M2=2 472 Nm3/h×24×151=895.85×104Nm3/年。

節約用氣量：

Mj=M-M1-M2=1 180.99×104Nm3/年。

4 經濟效益分析

本項目輸入能源為天然氣、電力、熱力，輸出能源為熱力。本工程熱力輸出不變；節約燃氣量為1 180.99×104Nm3/年，折合標準煤14 396.27 tce；增加用電量為W=180×24×151=65.23×104kW·h，折標煤約80.17 tce。

該系統節約的綜合能源消費量(當量值)：

14 396.27 tce-80.17 tce=14 316.1 tce。

該系統全年運行時，燃氣費按3.63元/Nm3計算時，節約燃氣供熱的成本為4 287萬元/年。

電價按照0.55元/度計算，全年直燃型吸收式熱泵機組系統增加電耗成本為36萬元/年。

采用直燃熱泵方式回收太古一級網回水中的余熱后，此部分熱量對比燃氣供熱，可節省燃氣成本4 251萬元/年。

根據估算，增加該系統總投資約4 190萬元，其中4臺高效直燃熱泵設備投資約3 650萬元，新建機房及安裝工程等費用約540萬元。項目投資回收期約0.93年。

5 結語

本系統采用的余熱回收系統中吸收式熱泵機組突破了常規能源利用的情況，減少了燃氣消耗量，節能顯著。理論上可實現當年投資當年盈利，不僅如此，太古一級網回水溫度降低，管網散熱損失大大減少，為太古熱源節能增效，實現互利雙贏。