燃气分布式能源站蓄能系统节能改造及分析

黄中柏，刘亚勋，黄 辉，罗 凯

(1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.湖北华电创意天地新能源有限公司，湖北 武汉 430070)

0 引言

燃气分布式能源系统采用天然气作为主要能源，燃用天然气发电，将发电后的余热用于供热制冷，再将更低温度的废热供应生活热水，目的在于提高能源利用效率。相对传统的供能方式而言，分布式能源是利用发电的余热进行制热、制冷，一次能源利用率可达70%～90%[1]，具有能效高、清洁环保、安全等优点,分布式能源越来越受到广泛的重视。本文基于武汉某燃气分布式能源站蓄能及生活热水系统的运行特性，针对运行中出现的问题，提出了节能改进措施。

1 概述

武汉某分布式能源站配置一套蓄能系统和生活热水外卖装置，以满足用户对不同类供能的需求，其中，蓄能系统由蓄能水箱（含上、下布水器）、板式水-水换热器、水泵及控制系统等组成，用于供冷季储存富余的冷量和供热季储存富余的热量；生活热水系统由生活热水缓冲水箱、自来水缓冲水箱、水泵及生活热水板式换热器等组成，用于过渡季节对外出售生活热水。蓄能及生活热水系统参数见表1，流程如图1所示。

表1 蓄能及生活热水系统主要参数Tab.1 Main parameters of energy storage and domestic hot water system

图1 蓄能及生活热水系统改造前流程图Fig.1 Flow chart before renovation of energy storage and domestic hot water system

2 系统运行特点及节能改造的必要性

2.1 系统运行特点

水蓄能是利用水的显热来实现冷/热量储存。在蓄能水箱中，不同温度的水因其密度不同形成重力自然分层，需要在蓄能水箱的内部设置上、下布水器、钢砼或钢制隔板来控制冷热水内部流动，减弱蓄能水箱内部的冷热水混合。

制取生活热水时，将自来水与蓄能水箱中的热水通过生活热水板式换热器进行换热，使得生活热水箱中的热水温度满足外卖要求。当蓄能水箱上布水器的水温95℃（以上），下布水器的水温78℃（以上）时，不需要启动蓄能板式换热水泵、生活热水循环泵，蓄能水箱中的热水直接可对外出售。

2.2 节能改造的必要性

分布式能源站实施节能降耗改造，提高能源利用效率，符合国家节能方针和环保要求。

针对工业园区冷负荷长期偏低，能源站蓄能系统蓄冷放冷功能基本用不上和长期外卖生活热水的需要，将蓄能水箱功能简化为蓄热工况和对外直供生活热水，一方面可以节约供应热水的运行成本，另一方面可以减轻运行人员监盘的工作强度。

3 节能改造方案

根据能源站长期运行工况，确定蓄能及生活热水系统如下改造方案：

（1）蓄能水箱下布水器位置确定。由于蓄能水箱是分层式蓄热，内部水温呈高低分层分布，下布水器出口处的水温应满足生活热水外卖要求，下布器出口高度应根据外卖生活热水的水温确定。

（2）蓄能水箱下布水器改造。在下布水器引出的母管上安装一个三通阀，其中一路水管接地沟排污，另一路水管连接到生活热水供水泵入口；另外，在生活热水供水泵入口增加两个切换阀门，便于对外供热水时进行水源切换。

（3）蓄能水箱补水改造。在蓄能水箱的顶部位置增加两路自来水补水管道，补水管道为DN150不锈钢水管，其中一路补水管道用手动门控制，另一路补水管道用电动门控制，根据蓄能水箱水位的高低实现自动补水。

武汉某燃气分布能源站经节能改造后，蓄能及生活热水系统如图2所示。

图2 蓄能及生活热水系统改造后的流程图Fig.2 After flow chart transformation of energy storage and domestic hot water system

4 节能方案分析

4.1 热水对外供应可行性分析

假设一台燃气发电机组全天连续24 h运行，夏季每天可为烟气换热器提供48 000 kW的烟气热量，外卖生活热水从20℃上升至80℃，理论可制取生活热水 48 000 kW÷4.2 kJ/(kg·℃)×3 600÷(80-20)℃÷1 000 kg/m3=685 m3；冬季每天可为烟气换热器提供36 000 kW的烟气热量，外卖生活热水从10℃上升至80℃，冬季理论上可制取的生活热水量为36 000 kW÷4.2 kJ/(kg·℃)×3 600 ÷(80-10)℃÷1 000 kg/m3=440 m3。无论是冬季还是在夏季，蓄热工况与外送生活热水不能同时进行，制取的生活热水量均低于理论计算值。

为解决全年生活热水供应不足问题，将蓄能水箱改造成对外供应生活热水箱后，减少中间换热环节，不仅可以增加天然气利用率，还可以缩短制取生活热水的时间，满足蓄能水箱在夏季、冬季及过度季节供应生活热水等需求。

4.2 制取和供应生活热水方式灵活

蓄能水箱改造前，能源站对外供应生活热水时，因存在一系列的换热过程，蓄热工况与外送生活热水不能同时进行。为了能连续制取合格的生活热水，安排一名运行值班人员配合热水购买单位，对生活热水系统进行操作和调整。假设每天外卖热水300 m3，从常温5℃的补水加热至80℃的热水，需要时间为 300×103kg×4.2 kJ/(kg·℃)÷3 600×（80-5）℃÷2 000 kW=13.2 h；蓄能水箱改造后，蓄能水箱储存热水的有效容积增大，不需要安排值班人员对生活热水系统进行操作和调整，蓄热工况可与外卖生活热水同时进行，实施蓄能水箱改造可最大程度的节约人力和物力。

4.3 节能费用分析

生活热水循环水泵电机功率为3 kW，生活热水换热水泵功率为11 kW，每天按外卖生活热水300 t，运行15 h计算，生活热水循环泵和生活热水换热水泵可节约电费为14 kW×0.642元/(kW·h)×15 h=134.82元，每月可节约电费134.82×30=4 044.6(元)。

生活热水板换一次侧87℃/52℃，二次侧5℃/85℃，一次侧流量为120 m3/h，按高温侧温差2℃计算，则每小时可减少的热量损失为Q=cm△t=4.2 kJ/(kg·℃)×120×103kg×2 ℃/3 600=280 kW热量，15 h可节约4 200 kW热量，每月按30 d计算可节约126×105kW损失的热量。如1 m3水温度由20℃加温至80℃，须外加热量为70 kW，每月可多制取1 800 t生活热水，每吨热水纯利润按5元计算，减少生活热水换热运行环节，每月可节约9 000元。

蓄能及生活热水系统改造后，尽可能制取生活热水，充分利用烟气余热和尽可能地减少冷却塔水蒸汽排放。查表知：45℃水蒸气的气化潜热为2 548 kJ/kg，1 t水完全气化则需要吸收2 548 kJ/kg×1 000 kg/3 600=707 kW热量，相当于每卖10 t的生活热水，可节约1 t热水的排放损失。

蓄能及生活热水系统改造后，因生活热水循环泵、生活热水换热泵、自来水缓冲水箱、生活热水缓冲水箱及生活热水换热板停止运行，减少了设备操作和维护费用。

5 结语

蓄能水箱改造成生活热水箱后，外卖生活热水直接用生活热水泵从蓄能水箱向外抽水，运行方式得到了极大的简化，同时也满足蓄能水箱在夏季、冬季及过度季节的生活热水供应，不仅减少了系统设备运行维护费用和能源消耗，还增加了能源站经济效益。本次分布式能源站蓄能系统改造可为同类型机组系统节能改造提供参考。

[1] 黄中柏，周忠涛，黄辉，等.燃气冷热电分布式能源机组调试及主要问题分析处理[J].湖北电力，2016，40(4)：47-49.HUANG Zhongbai,ZHOU Zhongtao,HUANG Hui,et al.Commissioning the combined cold heat and power generation and distributed energy system unit with natural gas as fuel as well as analysis and treatment of main problems[J].Hubei Electric Power,2016,40(4)：47-49.