烟气余热回收复合制冷系统的可行性研究

任 军 卢 军 李永财 刘崇喜

烟气余热回收复合制冷系统的可行性研究

任 军 卢 军 李永财 刘崇喜

（重庆大学土木工程学院 重庆 400045）

基于工业余热回收，提出一种“热水型和蒸汽型吸收式复合制冷系统”。通过对某电厂的余热进行回收，利用该复合系统对数据中心供冷，并与纯蒸汽系统进行对比。从节能性方面，对复合系统冷冻水供回水温度在7/12℃和12/18℃下的能耗进行分析，得出后者比前者节能6.5%，且该复合系统全年可节省2.3Í107Nm3天然气。环保性方面，烟气的排烟温度最低温度降到39.1℃，最高温度降到49.2℃，完全高于烟气的露点温度58.7℃，可以减少烟气的白羽现象，对环境保护具有一定效果。

余热回收；复合制冷系统；烟气白羽现象；节能环保

0 引言

随着我国城市化进程以及经济的快速发展，我国对能源的需求不断的增加[1]。如何缓解能源短缺的问题，这不仅关系国家发展，也影响到国计民生问题，因此采取节能政策将会在一定程度上缓解我国的能源短缺问题。

目前我国工业能耗仍为国家能源消耗的主要能耗[1]，这主要是因为能源的利用过程中存在有效能源利用的同时，也存在部分热能由于技术、经济等条件的限制，而无法对其进行利用，只能排入环境中去，造成能源浪费同时对环境也造成了污染。而一般电厂相关设备的热转化率仅为40%，也就是说60%的能量就白白被冷却水排入大气环境[2]。据相关学者调查，2015年有2.0亿kW的能量被白白排入环境[2]。以北京市6个主力热电厂为例，其排放的循环水余热量约为1240MW，如能将这部分余热回收利用用于供热，电厂在不增加规模的情况下，供热能力提高30%[3,4]。顾煜烔等人[5]通过采用吸收式热泵和有机朗肯（ORC）循环发电系统对电厂的循环冷却水进行回收利用研究，得出全年可回收的余热为2.432×106MJ，节省标准煤82.997t。

就我国而言，2011年我国的工业燃料燃烧废气排放量为241201×108亿m3，将其视为低温余热并将其回收至标准条件下（298.15K，101.325kPa），其所蕴含的热能潜力达到23540×104万吨标准煤，所占能量达到同年能源消耗总量的7.7%[6]。因此采用有效的低品位热能利用技术对工业余热回收、对国家的能源经济的发展具有深远的影响[4]。

1 热源分析

本项目位于重庆某园区，项目内有一数据中心和燃气-蒸气联合循环电厂，数据中心的能耗高但负荷变化稳定，电厂配置了5台9F级燃气-蒸汽联合循环机组，4用1备，总装机容量为2000MW，同时配置了2×50t/h的调峰燃气锅炉，目前已投入使用的是2台燃气-蒸气轮机组，机组配置采用1+1单轴型式，即1台燃气轮机+1台余热锅炉+1台蒸汽轮机+1台发电机。目前本项目仅从蒸汽轮机中抽出部分蒸汽用于企业供热以及蒸汽型吸收式溴化锂机组制冷。而对于烟气余热的回收仅局限于余热锅炉的回收，电厂的冷却水的余热也没有进行回收利用。所以本文提出用复合制冷系统，利用回收的烟气余热对数据中心进行供冷。

项目中的电厂采用天然气作为一次能源燃料，因为其烟气的成分相比于燃煤，燃油等燃料的比较清洁，天然气的主要成分是甲烷，甲烷燃烧之后的生成物是水和二氧化碳，不会产生太多的烟气污染物，且可以看出一份甲烷产生两份水，其潜热也是非常大的，据相关研究表明，烟气中水蒸汽的冷凝潜热占天然气低位发热值的10～11%[7]，因此对烟气的回收利用不仅限于对其显热的回收，还需要对其潜热进行深度回收利用，这样余热的回收更大。

2 复合制冷系统设计及其数学模型

复合制冷系统由1台6500kW蒸汽型制冷机组和19台2599kW热水型制冷机组组成。以园区电厂实际运行数据为计算依据，采用MATLAB软件对复合型制冷系统进行模拟计算，并与纯蒸汽系统，即9台6500kW蒸汽型制冷机组进行对比分析。

2.1 余热回收复合制冷系统的设计

通过对本项目潜在热源的分析，本文提出的余热回收复合型制冷系统原理图如图1所示，图中的余热热源主要分为烟气余热和蒸汽热量，将其作为复合制冷系统运行的热源，其中蒸汽来自汽轮机的抽气。烟气余热回收中的热水其作为独立的热水输配系统进行循环，当烟气回收的余热大于区域供暖所需要的热量时，还可以将剩余热量用于其他热用户。

图1 余热回收系统原理图

2.2 数学模型

复合制冷系统的能耗主要分为三部分：即热水系统能耗、蒸汽系统能耗、节省和回收的热量。

2.2.1 热水型系统的能耗

水泵的能耗和水泵的功率以及水泵的负荷率有关，其中水泵功率与水泵的流量和扬程以及水泵的效率有关，如下式所示[8]：

式中，表示水泵的功率，kW；表示容重，N/m3，这里取值为9800N/m3；表示水流量，m3/s；表示扬程，m；表示水泵的效率，这里取0.85。

其中热源水的流量为：

则根据上面的公式可计算得水泵的逐时能耗：

其中，为水泵的台数，其台数和热水型机组的数量一一对应。

2.2.2 蒸汽型系统的能耗

其中，蒸汽的凝结水量：

根据项目电厂距离制冷站的距离为1563m，计算得出沿程阻力为H，局部阻力H按照沿程阻力的50%计算，可计算总扬程。

则根据以上可计算得水泵的逐时能耗：

则热水源系统和蒸汽源系统总能耗为：

2.2.3 复合机组配置下节省和回收的热量

由于制冷机组加入了热水型吸收式制冷机组，因此所耗的高品质蒸汽的耗量将减少，即热水负荷所承担的冷负荷所耗的热量，就是蒸汽节省的热量。

回收的烟气热量将用于驱动热水型制冷机组或者用于生活或者冬季供暖使用。

2.3 系统模拟结果

2.3.1 从能耗角度分析

主要分析了复合型制冷机组的冷冻水供回水温度为7/12℃时的能耗，并从节能方面考虑，较大的温差可使流量减少，降低冷冻水泵的能耗，从而对比分析了复合型吸收式制冷机组的冷冻水供回水温度在12/18℃下的能耗。

（1）冷冻水供回水温差为7/12℃和12/18℃下的能耗

整个系统的能耗包括复合系统热源部分的能耗和输配系统的能耗：

①复合型机组系统热源部分的能耗如图2所示。

图2 冷冻水供水温度为7℃和12℃时的热水和蒸汽系统能耗

从图2可以看出复合型机组系统的热源部分系统的能耗，在复合制冷机组的冷冻水出水温度为7℃，供回水温度差为5℃，热源部分系统的能耗为5.56Í105kW；在复合制冷机组的冷冻水出水温度为12℃，供回水温度差为6℃，热源部分系统的能耗为5.93Í105kW，相比于冷冻水出水温度为7℃，供回水温度差为5℃时约节省3.69Í104kW，节能率为6.7%。

（2）输配系统能耗

整个输配系统的能耗包括冷冻水一次网和二次输配系统的能耗、冷却水输配系统的能耗和凝结水系统的能耗。

图3 复合型制冷机组输配系统总能耗（7℃，温差5℃和12℃，温差6℃）

Fig.3 Total energy consumption of composite refrigeration unit transmission and distribution system (7°C, Δ5°C and 12°C, Δ6°C)

从图3中可以看出复合机组系统的输配系统，在冷冻水出水温度为7℃，温差为5℃下的最大能耗为3628.1kW，在冷冻水出水温度为12℃，温差为6℃下的最大能耗为3175.8kW。相比于冷冻水出水温度为7℃，温差为5℃下的能耗降低了452.3kW，节能率为12.7%。

则由图2和图3计算的热源系统能耗和输配系统能耗，可以计算出复合型吸收式制冷机组在7/12℃和12/18℃下的复合系统的能耗。

图4 复合型制冷机组系统总能耗（7℃，Δ5℃和12℃，Δ6℃）

从图4中可以看出，当机组的冷冻水出水温度为7℃、温差为5℃时，整个复合系统的能耗最大值为：5.59Í105kW，当机组的冷冻水出水温度为12℃，温差为6℃时，整个复合系统的能耗最大值为：5.96Í105kW，其比冷冻水出水温度为7℃、温差为5℃时节省能量为3.65Í104kW，节能率为6.5%。

（2）通过计算：烟气余热回收系统的混合热源系统的全年逐时能耗如图5所示，全年的逐时蒸汽节省能耗和烟气余热回收热量如图6所示，复合型制冷系统的全年逐时能耗和纯蒸汽系统全年逐时能耗如图7所示。

图5 热水系统和蒸气系统的逐时能耗

图6 回收的烟气热量和蒸汽系统节省的能耗

图7 蒸汽热源系统和复合热源系统的能耗

从图7中可以看出复合系统的全年逐时能耗都是小于蒸汽系统的全年逐时能耗的，复合热源系统的全年能耗为1.1Í108kWh，蒸汽系统的全年逐时能耗为3.3Í108kWh，则复合热源系统比蒸汽系统节省2.2Í108kWh，换算成一次能源，则全年约节省2.3Í107Nm3天然气。

2.3.2 从环保角度分析

复合型制冷系统是通过回收烟气的余热来驱动热水型制冷机组进行制冷，从而可以降低烟气排入大气的温度，对于天然气而言，由于其中的水蒸气含量较高，因此通过降低烟气的余热，回收烟气的潜热，从而可以减少烟气排入大气的水汽白雾现象。

下面通过公式（16）可以得出烟气的温度可以回收的程度。

图8 天然气逐时的耗量

通过回收烟气的余热之后其所对应的排烟温度，这里主要通过简化算法，插值法获得：

式中，为回收之后的排烟温度，℃；h130、h50、h30为对应排烟温度下的烟气焓值，kJ/kg；20为烟气50℃和30℃的差值，℃。

如图9所示，其回收的烟气焓值的变化和冷负荷的变化规律一致。其最大值回收的焓值为356.03kJ/kg，最小值为240.54kJ/kg。

从图10中可以得出烟气的排放的焓值和温度，当烟气的温度进入烟气-水换热器之前的温度为130℃时，其通过余热回收利用之后全年的烟气的排烟最低温度为39.1℃，最高温度为49.2℃，完全高于烟气的露点温度58.72℃，因此对于减少烟气的水汽白雾现象具有一定的效果。

图10 回收之后的排烟焓值和温度

图11 理论和实际所需的烟气的余热量

从图11中可以看出烟气理论可以回收的余热量和相比实际需求的烟气余热量而言是绰绰有余的。

3 结论

（1）基于工业余热回收，提出一种复合制冷系统，研究发现：复合制冷系统的全年逐时能耗都是小于蒸汽系统的全年逐时能耗，而且复合热源系统的全年能耗为1.1Í108kWh，纯蒸汽系统的全年能耗为3.3Í108kWh，所以复合热源系统比蒸汽系统节省2.2Í108kWh，换算成一次能源，则全年节省2.3Í107Nm3天然气。

（2）从理论上分析得出：可以回收的烟气余热量远远大于所需回收的烟气余热量，烟气余热潜力很大，进一步分析得出：复合制冷系统的冷冻水供回水温度为12/18℃比7/12℃节能6.5%。

（3）烟气的排烟温度可以最低温度降到39.1℃，最高温度降到49.2℃，完全高于烟气的露点温度58.7℃，因此对于减少烟气的水汽白羽现象具有一定的效果。

从以上结论分析得出该系统在工业余热回收利用上是可行的，可实现良好的节能、环保和经济效益，具有一定的发展前景。

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Feasibility Study on Flue Gas Waste Heat Recovery Hybrid Refrigeration System

Ren Jun Lu Ju Li Yongcai Liu Chongxi

( School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing, 400045 )

Based on industrial waste heat recovery, this paper proposes a hot-water and steam type absorption composite system. Cooling the data center by recovering the waste heat from a power plant, and compare it with the pure steam system. From the aspect of energy saving, the energy consumption of the chilled water supply and return water in this Hybrid system at 7/12℃and 12/18℃ was analyzed and compared. Found that the latter is 6.5% more energy efficient than the former, and the 2.3Í107Nm3natural gas is saved annually. From the aspect of environment protection, the flue gas exhaust temperature can be reduced to the lowest temperature of 39.1℃, the maximum temperature dropped to 49.2℃, completely higher than the flue gas dew point temperature 58.7℃. Reduced the white plume of the flue gas, it has a certain effect on environmental protection.

Waste heat recovery; Hybrid refrigeration system; Smoke white plume phenomenon; Energy conservation and

TK02

A

1671-6612（2020）02-209-06

任 军（1994.09-），男，在读硕士研究生，E-mail：1641304273@qq.com

卢 军（1966.10-），男，博士，教授，E-mail：1181367768@qq.com

2019-05-16