電廠余熱利用和節(jié)能技術在蘭州奧體中心應用分析

高陽洋 孟凡兵

中國航空國際建設投資有限公司

體育建筑作為全民健身運動和競技場所，廣受民眾關注。體育建筑通常體量大、空間高、能耗大，因此體育建筑的節(jié)能顯得尤為重要。尤其是冷熱源系統(tǒng)，占整個空調采暖能耗的50%以上。冷熱源的選擇與節(jié)能非常關鍵。本工程冷熱源利用電廠蒸汽余熱，以驅動溴化鋰吸收式冷水機組及作為汽水換熱機組的一次熱源，可以提高能源利用率，達到節(jié)約能源、降低生產成本的目的。同時，對冷熱源及輸配系統(tǒng)節(jié)能運行方式的分析，有利于在實際運營階段真正實現(xiàn)設計意圖，達到運行節(jié)能的目的。

0 工程概況

蘭州奧體中心項目（見圖1）位于蘭州市七里河區(qū)崔家大灘片區(qū)，南濱河西路以南，分為南北兩區(qū)。北區(qū)包括體育場，綜合館，游泳館三個主要建筑以及一些零散的商業(yè)用房，南區(qū)主要包括運動員公寓與體育產業(yè)用房，網球館以及網球場看臺下零散商業(yè)用房。本文主要介紹項目南區(qū)。

圖1 蘭州奧體中心項目效果圖

運動員公寓與體育產業(yè)用房，位于整個項目用地的南區(qū)西側，總建筑面積約265000 m2，其中地上建筑面積約145500 m2，地下建筑面積約120000 m2。建筑主體在地上分為兩部分，北側為運動員公寓（A 棟）、南側為體育產業(yè)用房（B 棟），A、B 棟為連體建筑，地下為2層的整體大底盤地下室。A 棟參照五星級旅館的標準設計，地上建筑面積約95000 m2，建筑最高點99.9 m，地上21 層，主要功能為運動員公寓、公寓配套用房、配套商業(yè)用房。B 棟地上建筑面積約48000 m2，建筑總高度84 m，地上17 層，主要功能為體育產業(yè)用房、配套商業(yè)用房。地下2 層，主要功能為運動員公寓的配套體能訓練用房，員工餐廳及廚房，內部辦公及物業(yè)用房，汽車庫，設備用房及附屬庫房。

網球館位于整個項目用地的南區(qū)東側，總建筑面積約11500 m2，使用功能最高點建筑高度為23.95 m，設3000 個坐席，為甲級體育場館，能滿足全國運動會和國際單項比賽的要求。

1 市政汽源系統(tǒng)配置

本項目用地東南方約1.5 km 的范坪熱電廠可提供常年、穩(wěn)定、充足、優(yōu)質的高溫高壓飽和蒸汽，飽和蒸汽的絕對壓力為0.4 MPa。因地制宜，在具備條件的情況下，優(yōu)先利用余熱回收，符合《公共建筑節(jié)能設計標準》的優(yōu)選節(jié)能原則。因此，本項目優(yōu)先利用電廠余熱蒸汽作為建筑能源，冷源采用溴化鋰吸收式冷水機組。電廠提供的蒸汽管線敷設至本工程南北區(qū)之間市政路，本工程南、北區(qū)分別由市政路將蒸汽管線接入。

2 電廠余熱的利用

運動員公寓與體育產業(yè)用房的空調冷負荷11000 kW，空調熱負荷12600 kW，地板采暖熱負荷70 kW；網球館空調冷負荷1200 kW，空調熱負荷150 kW，散熱器和熱水輻射板采暖熱負荷230 kW。

蒸汽需求時段、場所及用量如下：

夏季：蒸汽用于吸收式冷水機組，洗衣房和生活熱水。蒸汽最大需求用量為19 t/h。

冬季：蒸汽用于換熱機組的一次熱源，洗衣房和生活熱水。蒸汽最大需求用量為25 t/h。

2.1 蒸汽余熱應用于冷源系統(tǒng)

蒸汽管線引至運動員公寓與體育產業(yè)用房地下一層換熱站內，經總計量后引至分汽缸，其中一支路供給制冷站內的吸收式冷水機組，詳見圖2。設蒸汽型雙效吸收式冷水機組4 臺，制冷量3050 kW/臺，蒸汽耗量3443kg/h.臺，分別為運動員公寓與體育產業(yè)用房以及網球館提供冷凍水。制冷系統(tǒng)夏季冷水供水溫度7 ℃，回水溫度12 ℃。制冷系統(tǒng)需設置冷卻塔，冷卻水水溫30/36 ℃。

圖2 電廠余熱利用情況示意圖

2.2 蒸汽余熱應用于熱源系統(tǒng)

蒸汽管線引至運動員公寓與體育產業(yè)用房地下一層換熱站內，經總計量后引至分汽缸，一支路供給換熱站內的汽-水換熱機組，作為供暖一次熱源，再置換成符合各系統(tǒng)使用需求的熱水，詳見圖2。汽-水換熱機組為成套設備，含換熱器，水泵，疏水器，各種閥門，儀表，控制柜及控制系統(tǒng)。換熱機組工作壓力在0.4 MPa 至0.8 MPa 之間。換熱機組總熱負荷為13000 kW，一次側熱媒為絕對壓力0.4 MPa 的飽和蒸汽，飽和溫度144 ℃，循環(huán)側供回水溫度為55/40 ℃。換熱器采用模塊組合式布局，選6 臺汽水換熱器共同使用。換熱機組通過調節(jié)一次側電動調節(jié)閥的開度，來保持供水溫度穩(wěn)定。二次側回水設有超壓保護閥門，壓力超過設定值，此閥門開啟泄壓，二次側供水設有超溫報警保護功能，若二次持續(xù)高溫，系統(tǒng)會自動停止并報警。

2.3 蒸汽余熱應用于其他系統(tǒng)

本項目蒸汽除供給制冷系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)外，還供給運動員公寓與體育產業(yè)用房的洗衣房和生活熱水機房，滿足運動員公寓洗衣房工藝需求及生活熱水的熱源需求。詳見圖2。

2.4 冷凝水系統(tǒng)余熱利用

各用汽設備的凝結水排水溫度較高，為65～80 ℃，且水質較好，對其加以利用是節(jié)水節(jié)能之舉。凝結水經汽動型凝結水回收機組匯集后，引至用水、用熱點：即作為空調熱水系統(tǒng)的補水以及供生活熱水做熱源使用，詳見圖2。經以上利用后最終排放的蒸汽凝結水溫度可降至40 ℃以下，由給排水接入中水系統(tǒng)進一步加以利用。

3 溴化鋰吸收式冷水機組節(jié)能運行

溴化鋰吸收式冷水機組是能耗大戶，蒸汽、冷卻水消耗量大，通過對制冷系統(tǒng)的操作優(yōu)化和性能改進，可以穩(wěn)定溴化鋰吸收式冷水機組的運行狀況，達到節(jié)能降耗的目的。

3.1 溴化鋰吸收式冷水機組連鎖、連動控制

本項目冷源采用的溴化鋰吸收式冷水機組，其自控系統(tǒng)提供了一套冷水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)的聯(lián)鎖信號、連動信號接點以及一個冷卻塔風機的簡易溫控開關接點。溴化鋰制冷機組運行時，按圖3 的時序進行起動和停止。

圖3 溴化鋰吸收式冷水機組及水泵起停時序圖

起動時，機組首先發(fā)出冷水泵的連動信號，起動冷水泵，等待聯(lián)鎖信號返回，判斷冷水泵起動完成后，發(fā)出冷卻水泵的連動信號，起動冷卻水泵，等待聯(lián)鎖信號返回，判斷冷卻水泵運轉成后，起動溴化鋰冷水機組開始制冷運行，同時，按冷卻水入口溫度控制冷卻塔的起停。

停止時，機組首先關斷蒸汽驅動熱源的輸入，保持冷水泵，冷卻水泵，冷卻塔及機組繼續(xù)運行一段時間，這個過程一般稱為“稀釋運轉過程”，使機組整體快速降溫，并使機組內部的濃溶液與冷劑水充分混合，確保機組內溶液不會發(fā)生結晶故障。等待機組降到一定溫度后，通過聯(lián)鎖、連動信號停止冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔等附屬設備，再繼續(xù)運行一段時間，讓機組內部的溶液充分稀釋后，機組完全停止[2]。

3.2 溴化鋰吸收式冷水機組節(jié)能運行中的控制措施

1）蒸汽壓力波動的控制

本項目蒸汽是由熱電廠提供，用戶多，用量范圍大，會出現(xiàn)壓力波動。在其它條件不變時，機組的制冷量隨著加熱蒸汽壓力的升高而增大。但是蒸汽壓力過高時，機組容易結晶，制冷量反而會嚴重下降。本工程在蒸汽管路上設置三個閥門，聯(lián)合控制蒸汽壓力，分別為蒸汽切斷閥防止壓力波動，自力式調節(jié)閥控制總壓力范圍，蒸汽調節(jié)閥做精細調整，其中蒸汽調節(jié)閥的靈敏度是運行中監(jiān)測的重點，確保其滿負荷時全開，無負荷時全關。另外開機通蒸汽時，要監(jiān)測蒸汽壓力的變化，防止供熱過快，使發(fā)生器傳熱管受熱不勻，造成傳熱管變形和脹管處泄漏。通過和蒸汽壓力和蒸汽用量的控制，既保護了機組又達到了節(jié)能的目的。

2）冷水出口溫度的控制

在其它條件不變的情況下，機組的制冷量隨著冷水出口溫度升高而提高。冷水出口溫度每升高1 ℃，機組制冷量提高4%～7%。所以當空調負荷降低時，適當提高冷水供水溫度，可提高機組制冷量，而不必一定控制冷水溫度在7 ℃，變冷水出口溫度調節(jié)，是溴化鋰吸收式冷水機組節(jié)能降耗的重要措施。

3）冷卻水進口溫度的控制

在其它條件不變的情況下，機組的制冷量隨著冷卻水進口溫度降低而提高。冷卻水進口溫度降低1 ℃，制冷量增加3%左右。但是冷卻水溫度過低或用量過大，將造成濃溶液結晶和冷劑水污染現(xiàn)象的發(fā)生，所以從機組安全運行角度考慮，不允許冷卻水進口溫度過低。本工程地處蘭州地區(qū)，氣候干燥，采用的冷卻水進出水溫度為30/36 ℃，這種適當降低冷卻水進水溫度和加大冷卻水溫差的設計，可提高熱交換效率，減少循環(huán)水量，達到節(jié)能運行的效果。

4）溶液循環(huán)量的控制

采用合適的溶液循環(huán)量，不僅能提高機組的制冷量，而且還能節(jié)約蒸汽和循環(huán)水用量。本項目通過以下兩種方式對溶液循環(huán)量進行控制：其一，通過調節(jié)溶液泵出口溶液閥和中間溶液閥來實現(xiàn)機組液位和溶液循環(huán)量的調整。其二，通過改變高發(fā)溫度或壓力的設定值，從而改變變頻器的頻率來調節(jié)。在調節(jié)過程中要注意保持高低壓發(fā)生器液位的穩(wěn)定，防止因液位波動而造成冷劑水污染。

4 輸配系統(tǒng)節(jié)能運行

本工程結合建筑布局和功能需求，空調冷水系統(tǒng)采用二次泵變流量系統(tǒng)，南區(qū)按運動員公寓與體育產業(yè)用房、網球館單體分別配置二次泵，采用變頻泵變速控制。詳見圖4。二次泵變流量系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的一次泵系統(tǒng)的基礎上在負荷側增加一組循環(huán)水泵,將冷凍水系統(tǒng)分為制備和輸送兩個部分,一次泵負責冷水機組側的阻力，二次泵用來克服末端的阻力，相對于一次泵系統(tǒng)降低了各自管路的承壓。當負荷側系統(tǒng)較大、阻力較高時,如果采用一次泵系統(tǒng)，需要根據(jù)冷水機組的流量和系統(tǒng)最不利環(huán)路的阻力選擇水泵，配置功率大，且大部分時間在部分負荷時運行，導致系統(tǒng)能量利用率低、能耗高。采用二次泵系統(tǒng)時，當負荷側水量變化時,二次水泵的運行頻率根據(jù)能夠反映用戶側實際水量需求的信號進行調整,用水泵的變頻控制作用來取代部分或全部調節(jié)閥節(jié)流作用,減少了能量的消耗。在負荷側和冷、熱源側之間設平衡管用以平衡一、二次冷凍水量的差異[3]。

圖4 空調冷水二次泵變流量系統(tǒng)原理圖

1）冷水機組及對應冷凍水泵的控制

控制系統(tǒng)根據(jù)冷凍水供、回水溫度和制冷機組運行的電流及冷媒壓力、溫度等參數(shù)，自動準確計算出空調系統(tǒng)實際所需要的冷負荷，自動調整制冷機組運行工況，從而達到最佳節(jié)能的目的。

當空調系統(tǒng)負荷增加時，若負荷大于運行中冷水機組提供的最大負荷，且此狀態(tài)持續(xù)10～15 min，控制系統(tǒng)將采用“軟啟動”的模式進行加機運行。即首先降低正在運行機組的負荷，然后啟動下一臺冷水機組及對應的冷水泵，最后使得所有運行的機組按照相同的負荷工作。當空調系統(tǒng)負荷減小時，若減少某臺冷水機組后，剩余機組提供的最大負荷滿足空調負荷要求，且此狀態(tài)持續(xù)10～15 min，控制系統(tǒng)將采用“軟關機”的模式進行減載運行。即首先降低機組的運行工況，直至使系統(tǒng)負荷減少到可以停止一臺冷水機組及對應的冷水泵。通過“軟啟動”和“軟關機”可以避免機組在啟動和停止時對電網造成的沖擊確保機組和配電站的安全。

2）冷凍水泵頻率以及旁通閥門的控制

控制系統(tǒng)根據(jù)集分水器上的壓差傳感器提供的壓差信號，與設定值進行比較，并自動調節(jié)冷凍水泵的轉速，從而在保持系統(tǒng)壓力平衡的同時充分發(fā)揮二次泵變流量的節(jié)能特性。控制系統(tǒng)隨時檢測系統(tǒng)冷凍水的實際流量，當實際流量接近單臺冷水機組最低流量要求的時候，冷凍水系統(tǒng)的旁通閥門將會被逐步打開，以彌補系統(tǒng)流量的需要。同時在冷凍水流量發(fā)生變化的時候，控制系統(tǒng)將調節(jié)冷水機組內部裝置的運行，使之滿足低流量狀態(tài)時的需要，同時保證機組的正常運行效率。

5 結論

1）因地制宜，結合項目市政條件，充分利用電廠余熱作為建筑能源，可以提高能源利用率，達到節(jié)約能源、降低生產成本的目的。

2）優(yōu)化溴化鋰吸收式冷水機組節(jié)能運行中的控制措施，通過控制蒸汽壓力，冷水出口溫度，冷卻水進口溫度以及溶液循環(huán)量等，保證機組的安全和系統(tǒng)的節(jié)能運行。

3）優(yōu)化輸配系統(tǒng)的運行方案，實現(xiàn)二次泵變流量系統(tǒng)的節(jié)能運行。

4）注重系統(tǒng)節(jié)能運行和調試，有利于在實際運營階段真正實現(xiàn)設計意圖，實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能。