分布式冷热电联供制冷站冷却水供水技术方案分析

喻尧，蒙雪俏，杨竹，杨玲，宋洪涛

(华电分布式能源工程技术有限公司，北京 100160)

0 引言

近年来，国内燃气分布式能源站(即分布式冷热电联供)因具有变负荷灵活性、初期投资低、供电可靠性高、输电损失小和冷、热负荷兼顾的特点而发展迅速[1]。制冷站是分布式能源站所特有的区域性供冷功能单元，国内常规制冷站冷却水供水方案主要有2种类型：一种是供水系统、冷却单元与制冷站厂房分开设置，该方案适合溴化锂制冷机组较多和冷却水量较大的情况，该方案的主要问题是工程占地大，土建工程量多，多台制冷机之间冷却水流量分配难以均匀。另一种方案是供水系统、冷却单元与制冷站集中设置，该方案可节省占地，主要问题是制冷站厂房建设投资较多。哪种制冷站供水方案流程更加合理，投资更加节省，是本文研究的主要问题。

1 工程背景

燃气分布式能源站是国内新兴的能源产业。湖南华电湘潭九华分布式能源站(以下简称九华分布式能源站)地处湖南省湘潭市九华工业园，该能源站工程在一定程度上可以缓解湘潭地区电力紧张的局面，同时也能满足工业园区冷热负荷的需要并实现节能减排，是一项集热、电、冷多联供的能源站项目。该能源站采用西气东输二线天然气作为能源，规划建设4台60 MW级燃气-蒸汽联合循环供热机组。该工程设计采用自来水作为全厂工业生产和生活用水水源。分布式能源站设置了制冷站，制冷站内引入了溴化锂机组可提供工业园区的冷负荷，而常规的火电站并不设置专门的制冷站，不对外提供冷负荷。

2 制冷站供水设计基础及原则

分布式能源站供水系统包括站外取水系统、热机冷却水供水系统、制冷机组冷却水供水系统和化学补水供水系统。制冷机组冷却水供水设备包括冷却水泵和冷却塔。制冷机组冷却水流量应满足溴化锂制冷设备的使用要求，冷却水流经制冷机的温升应控制在5℃左右。对于采用循环冷却的制冷机组而言，流出机组的冷却水应经过专门设置的冷却塔进行降温，循环冷却水温度应满足制冷机温差的要求。该工程制冷站冷却水供水主要设计原则如下：

(1)考虑到节水和节能要求，冷却水系统应采用循环供水方式；

(2)为保证流经冷水机组冷凝器的水量恒定, 要求按与冷水机组“一对一”地设置冷却水循环泵[2]，可为每台制冷机组配置相应的冷却塔；

(3)多台冷水机组和冷却水泵之间采用共用集管连接，每台冷水机组设置电动阀(隔断阀)，以保证运行机组冷凝器水量恒定。

(4)共用集管连接的系统应设置能够随冷却水泵频繁动作的自控隔断阀，当水泵停机时，关断对应冷却塔的进水管，以保证正在工作的冷却塔的进水量。

3 供水方案设计

九华分布式能源站制冷站Ⅰ期设计装机为2台制冷量各为4 092 kW的热水型溴化锂冷水机组，为2台机组设置3台冷却水循环泵，2用1备。制冷设备所需冷却水参数见表1。热力设备循环冷却水系统设有循环水泵房和机力通风冷却塔，制冷站循环冷却水供水系统是否与热机循环水供水系统合并布置，根据制冷设备装机和表1中的冷却水量等参数，结合制冷站供水设计原则，作者提出以下3种制冷站冷却水供水方案。

表1 制冷设备冷却水参数

3.1 方案1

制冷站与制冷用冷却水供水设备分开布置，制冷用冷却塔布置于热机循环冷却水区域，制冷用循环水泵与热机循环水泵设置于循环水泵房内，制冷站单独布置在制冷站区域，其制冷用冷却水供水流程如图1所示。

图1 制冷用冷却水供水流程图(方案1)

2台制冷机组共用集中设置的制冷冷却塔组，冷却塔布置于循环水泵房附近。制冷冷却塔底部设有循环水集水池。制冷用冷却塔采用2段逆流式机力通风冷却塔，每段设计出力1 500 m3/h，在额定设计出力下冷却温度为5 ℃，制冷站内放置制冷机组。

集水池内的水通过水沟流入循环水泵房制冷用前池，循环水泵从泵房前池吸水后通过1根地埋供水母管将冷却水送至制冷站厂房内。从2台制冷机流出的冷却水通过地埋回水母管将冷却水回水送至冷却塔。循环水补水补入制冷用循环水泵房前池。制冷循环水排污水管接到制冷机组循环水回水母管，利用回水母管内的压力将排污水排出循环水系统。

制冷用冷却塔及循环水泵房制冷部分占地1 386 m2(42 m×33 m)，制冷站占地1 386 m2(42 m×33 m)。方案1设备清单见表2，外观实例如图2所示。

图2 制冷站外观实例(方案1)

表2 各方案制冷用冷却水主要设备清单

3.2 方案2

制冷用供水设备集中布置于制冷站内，制冷用冷却塔布置于制冷站楼顶，冷却水供水流程如图3所示。

图3 制冷用冷却水供水流程图(方案2)

制冷站室内放置制冷机组和循环水泵，每台制冷机组配置1台循环水泵、1组冷却塔，循环水泵设置1台备用泵。每组循环水泵、制冷机和冷却塔组成一个回路。每组冷却塔设计出力1 500 m3/h，由若干小塔组成一组，额定出力下冷却温度为5 ℃。

制冷用循环水补水补至制冷站楼顶各组冷却塔单元内集水盘。制冷循环水排污水管接自制冷机循环水出口管道，利用循环水回水管内的压力将排污水送出循环水系统。

该方案制冷站占地1 554 m2(42 m×37 m)，方案2设备清单见表2，外观实例如图4所示。

图4 制冷站外观实例(方案2)

3.3 方案3

方案3冷却水供水流程与方案2相同，方案3设备与方案2完全相同，与方案2不同之处在于方案3的冷却塔布置于制冷站厂房外附近地面。该方案制冷站区域占地2 146 m2(58 m×37 m)。

4 供水方案综合比较

本文提出的3种制冷站冷却水供水方案基本囊括了制冷站业内冷却水供水的所有工程项目，3种方案在系统设置、工艺流程、总体布置等方面都有各自的特点，需要对3个方案进行综合比较，以确定技术合理、经济最优的方案。

4.1 供水方案比较

方案1将制冷机组和供水系统分开布置，方案2和方案3将制冷机组与供水系统集中布置，方案1的占地和厂区内埋管较方案2和方案3更多。各方案主要设备差异体现在冷却塔处，方案1冷却塔为大型机力通风冷却塔，共2个冷却塔单元，塔下需要修建混凝土水池。方案2和方案3采用小型机力通风冷却塔组，每组塔分有多个冷却单元，冷却水通过塔内集水盘收集，不需修建水池冷却塔的出力和冷却温度各方案相同。

方案1供水采用母管制，方案2、方案3则采用单元制，但3种方案都是1台循环水泵对应1台主机和1组冷却塔，通过对管道阀门的调节都能满足制冷主机对冷却水的流量要求，冷却塔都能达到预期冷却效果。因此，3种方案均能满足设计要求，均能保证供水的稳定性和安全性，但各方案均有其优缺点。

方案1在技术上具有冷却塔单元数量少、设备故障率小和扩建方便的优点。其缺点是土建工程量大、埋管及水沟多、占地面积大和控制单元分散。

方案2在技术上具有制冷设备、供水设备集中设置、控制方便、节省占地面积及有利于制冷站的扩建等优点。其缺点是冷却塔单元数量较多，故障率较方案1高。

方案3在技术上可将冷却塔布置于制冷站附近地面，这样有利于冷却塔和循环水泵的集中控制。其缺点是占地面积较方案2大、故障率较方案1高且布置方式不利于制冷机组和冷却塔的扩建。

4.2 技术经济比较

3种方案的技术经济指标在循环水泵房建筑、制冷站厂房建筑、土建施工等方面存在差异，需要总结出各方案的总投资费用，分析差异产生的原因，确定经济最优方案。

从以上3个方案可以看出，方案1制冷冷却水供水投资总额在3个方案的投资总额中最大(约500万元)，方案2和方案3投资都小于400万元，且方案2更小，3种方案设备费、土建费及安装费等分项对比如图5所示。下面逐项分析3种方案的技术经济指标产生差异的原因。

图5 各方案分项投资对照图

4.2.1 土建工程量比较

由图5可知，各方案的土建费用在总投资中所占的比例最大，土建工程量是影响总造价的最主要因素之一。土建工程量主要由循环水泵房、冷却塔及制冷站3部分组成。3种方案土建主要工程量对比见表3。

表3 3种方案土建主要工程量 m3

由表3可知，方案2与方案3工程量相近，细微差异在于：方案2冷却塔组放置于制冷站屋面，制冷站的结构工程量(混凝土量)增大，方案3冷却塔组放置于地面增加基础的工程量，两部分工程量相抵消，方案3工程量略微低些。方案1与方案2、方案3比较，因供水工艺设备布置空间改变引起的循环水泵房与制冷站土建工程量的增减相互抵消，冷却塔的工程量成为方案1与方案2、方案3差别的主要因素。因为方案2和方案3采用的是小型机力通风冷却塔组，冷却塔工程量对两者的土建工程量差异影响较小；方案1冷却塔为大型机力通风冷却塔，冷却塔工程量对该方案与方案2、方案3差异影响较大。

综上所述，方案2、方案3土建工程量较低，冷却塔的选型与布置方式是造成各方案土建工程量差异的关键因素。

4.2.2 设备及占地差异

在3种方案中，设备差异也是造成投资总额差异的重要因素，方案1制冷用供水设备比方案2和方案3略多，方案1设备和安装费为214.85万元，方案2和方案3均为161.75万元。主要原因是方案1为分散布置方式，其循环水管道数量多于方案2和方案3。另外，方案1制冷用循环水泵房需要设置平板滤网和闸门，该设备也是增加设备投资的因素之一。

方案1制冷站区域用地1 386 m2，制冷机组冷却塔及水池占地1 386 m2。方案1合计占地2 772 m2。

方案2只有制冷站区域用地1 554 m2，比方案1节省用地约1 218 m2。

方案3制冷站区域用地约2 146 m2，比方案1节省用地626 m2，比方案2多用地约592 m2。

4.3 九华分布式能源站供水方案选择

3种方案技术上都能满足该工程制冷站冷却水供水设计要求，但也有各自的优点和不足。方案1比方案2多占地约1 218 m2，方案1比方案3多占地约626 m2。

综合以上比较和分析：3种方案技术上各有优势，都能满足制冷站运行要求。从图5可以看出，总费用差异为：方案1比方案2多118.62万元，方案3比方案2多12.78万元。通过比较可以看出，方案2具有投资最少、占地及土建工程量最少和设备数量少等优点，其布置可为制冷站的主机和冷却塔扩建创造更加有利的条件。因此，对于该工程制冷站循环水供水方式，作者推荐采用方案2。

5 结论

目前，燃气式分布式能源站作为新兴能源产业发展较为迅速。广州大学城能源站于2009年10月建成2台78 MW燃气机组，该能源站向大学城内的10所大学及其周边20万用户提供全部的电力、生活热水和空调制冷。近年来，先后有南宁华南城燃气分布式能源站、上海莘庄分布式能源站和郑州富士康分布式能源站等相继获得批准并投入设计和建设。当前，各地政府部门大力提倡建设“资源节约型和环境友好型社会”，能源利用更加高效并符合“清洁生产”的要求，燃气分布式能源站的发展必将会有更加广阔的应用前景。

参考文献：

[1]赵保安.分布式能源系统的发展[J].物流经济，2009(10)：41-43.

[2]GB 50736—2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

[3]王涛.分布式冷热电联供系统及工程实例介绍[J].电力工程技术，2013(6):9-13.

[4]CJJ 145—2010 燃气冷热电三联供工程技术规程[S].

[5]DL/T 5174—2003 燃气-蒸汽联合循环电厂设计规定[S].