工业园区分布式冷热电三联供系统设计

熊 曙

(中国葛洲坝集团装备工业有限公司，武汉 430000)

0 引 言

经济社会的飞速发展，给人们的生活水平带来很大的提高，但也造成了环境的严重恶化，节能、低碳、减排、环保、绿色成为了当下经济社会发展的最主要问题。为了在可持续发展的同时实现节能环保，两个行之有效的方法就是开发新的可再生能源和提高传统化石燃料的利用率。而在我国的能源消耗中，煤、石油、天然气等燃料所占的比重是非常大的，必须对传统的能源系统进行优化配置，从而提高燃料的利用率[1]。

欧美发达国家，在上世纪初就发展了以抽汽或背压蒸汽供暖的锅炉/汽轮机机发电-供热机组为典型的城市集中供热的热电联产(CHP)系统。同时，以耗用蒸汽和热能为主的各种过程工业，如化工、冶金、建材、造纸、医药、食品等，也普遍采用了CHP技术。至本世纪初，芬兰、荷兰和丹麦的热电机组已分别占全国总装机容量的32%、40%和56%。其中70%以上采用天然气为燃料[2]。

国内在北方城市集中供暖采用CHP系统，近年来取得了长足的进步。不过由于供暖负荷的季节性，发电量所占的比率还不是很大。在过程工业，特别是在引进大型项目中，采用CHP的程度也在增加，但是还存在着不少问题。以天然气为燃料，通过冷、热、电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，是实现天然气高效利用、节能减排和结构优化的重要途径[3-4]。

1 冷热电三联供系统设计

1.1 装机方案

本项目所在地武汉位于夏热冬冷地区，园区附近无市政热源。根据气候条件、园区性质及功能，空调冷热源选择时优先采用废热、排烟等低品位热源进行供冷供热，不足部分采用制冷(制热)效率高、经济效益好的电制冷、热泵等方式补充，充分体现多种能源互补的特点。根据当地建设规划图以及对能源站供能区域用户进行的负荷调查，进行负荷分析，进而确定能源站设计负荷[5]。

本项目园区内建筑主要为生产厂房及办公建筑，其中办公建筑需要提供集中的冷、热源。根据业主方提供的园区规划技术指标，需要供冷、供热建筑冷热负荷情况见表1。

表1 园区冷热负荷情况表

根据表1负荷情况，内燃发电机冷热电三联供模块一期拟建设2台1 MW级内燃机发电机组和1台10 MW级内燃机组，1 MW所选机型为Perkins 4016-61TRS2,10 MW所选机型为Warsila W20V34SG。本项目的内燃发电机组均作为冷热电三联供的原动机，机组利用内燃发电机发出的电量对园区供电，同时利用内燃发电机组产生的烟气及缸套的高温冷却水通过吸收式溴化锂制冷机组供冷/供热。充分利用内燃发电机组排放的废热，以提高燃料的综合利用率，达到节能减排的效果。

1.2 制冷、供热系统

天然气在内燃机作功后产生的烟气和缸套冷却水通过余热利用系统在冬夏季分别输出热和冷两种产品。根据1 MW内燃机排烟及缸套水参数，选择两台烟气热水型吸收式溴化锂冷水机组，每台溴化锂冷水机组对应1台内燃机。单台溴化锂冷水机组制冷量1 453 kW，制热量1 144 kW，夏季提供7/12 ℃空调冷水，冬季利用机组内部换热器提供45/40 ℃空调热水。根据10 MW内燃机排烟及缸套水参数，选择两台烟气热水型吸收式溴化锂冷水机组，其中一台具有补燃功能。单台溴化锂冷水机组制冷量4 234 kW，制热量3 981 kW，夏季提供7/12 ℃空调冷水，冬季利用机组内部换热器提供45/40 ℃空调热水。

1 MW内燃机三联供系统中，每台1 MW内燃机对应1台溴化锂冷水机组。溴化锂制冷系统包含2台烟气热水型溴化锂吸收式冷水机组、3台冷(热)水循环泵(2用1备)、3台冷却水循环泵(2用1备)、2台冷却塔以及配套的阀门、控制系统等。冷(热)水循环泵、冷却水循环泵以及冷却塔均与溴化锂吸收式冷水机组一一对应，连锁运行。

10 MW内燃机三联供系统中，10 MW内燃机对应2台溴化锂冷水机组。溴化锂制冷系统包含2台烟气热水型溴化锂吸收式冷水机组、3台冷(热)水循环泵(2用1备)、3台冷却水循环泵(2用1备)、2台冷却塔以及配套的阀门、控制系统等。冷(热)水循环泵、冷却水循环泵以及冷却塔均与溴化锂吸收式冷水机组一一对应，连锁运行。

供冷模式下，内燃机产生的烟气和缸套冷却水作为溴化锂冷水机组的驱动热源。溴化锂冷水机组产生的7/12 ℃冷水接至能源站分、集水器，通过园区管网输送至各用户。溴化锂冷水机组内吸收器和冷凝器的热量通过冷却水系统排至大气中。

供热模式下，内燃机产生的烟气和缸套冷却水作为加热热源，经过机组内部换热器对外提供45/40 ℃热水，热水接至能源站分、集水器，通过厂区管网输送至各用户。供热模式下冷却水系统不运行。

1.3 水蓄冷系统

本项目冷热电三联供系统可提供总冷量为11 374 kW，总热量为10 250 kW，供冷不能满足需要，不足部分由水蓄冷系统提供，水蓄冷系统提供的总供冷量为2 712.3 kW。水蓄冷系统由冷水机组、冷水泵、蓄冷水泵、释冷水泵、冷却塔、换热器等设备和蓄冷水槽组成。

本项目蓄冷设计时按照设计日空调系统运行时间7∶00-17∶00共10个小时，晚间蓄冷运行时间0∶00-8∶00共8个小时考虑。蓄冷采用全负荷蓄冷模式，冷水机组容量为3 562 kW，蓄冷水槽采用温度自然分层式水槽，水槽为圆柱形，容积为4 761 m3，蓄冷主机选用两台制冷量为1 934 kW的离心式冷水机组，制冷系统还包含冷水循环泵、冷却塔、冷却水泵、定压补水设备、水处理及控制系统等。

1.4 熔盐蓄热供能系统

根据测试机组日均废电量8 000 kWh作为熔盐蓄热供能系统配置依据，经过计算8 000 kWh储能量可提供供冷量780 kW(供冷时间每日10 h)，可提供供热量1 350 kW。

加热模式：当燃气发电机测试时段，开启低温熔盐泵，低温熔盐经电加热器进行加热，通过控制电加热器熔盐出口温度来调节熔盐泵的流量，使得发电机在测试阶段高温熔盐的温度始终维持在需求温度下。

供冷模式：夏季供冷时，由高温熔盐与低温熔盐混合后的熔盐进入蒸发器、预热器，经过与给水换热产生的蒸汽经过分汽缸进入溴冷机制冷，凝结后的蒸汽流入凝结水箱。

供热模式：冬季供热时，由高温熔盐与低温熔盐混合后的熔盐进入蒸发器、预热器，经过与给水换热产生的蒸汽经过分汽缸进入汽/水换热器，凝结后的蒸汽流入凝结水箱。

2 运行方式分析

2.1 多冷、热源运行方式

根据系统配置冷、热源的供冷、供热能力，从节能环保角度出发，在保证供冷、供热量的前提下，应优先使用废热、废电进行供冷、供热，即优先使用三联供系统及熔盐储能系统。

供冷分为两种运行模式，如图1-2所示，图中各系统从左至右代表能源使用的优先级。当熔盐蓄热供能系统投入运行时如供冷模式1所示，当熔盐蓄热供能系统不投入运行时如供冷模式2所示。

图1 供冷模式1

图2 供冷模式2

供热系统也分为两种运行模式，如图3-4所示，图中各系统从左至右代表能源使用的优先级。当熔盐蓄热供能系统投入运行时如供热模式1所示，当熔盐蓄热供能系统不投入运行时如供热模式2所示。

图3 供热模式1

图4 供热模式2

2.2 年均综合能源利用效率

分布式能源可用发电的余热来制热、制冷，因此能源得以合理的梯级利用，从而可提高能源的综合利用效率。根据相关规范，年平均综合能源利用效率计算公式如下[6]：

(1)

式中，η为年平均能源综合利用率(%)；W为年净输出电量(kWh)；Q1为年有效余热供热总量(MJ)；Q2为年有效余热供冷总量(MJ)；B为年燃气总耗量(m3)；QL为燃气低位发热量(MJ/m3)。

本项目供冷期按照120 d计算，供暖期按照50 d计算。供冷、供暖期内每天空调系统运行时间为7∶00-17∶00共10 h。年发电量29.71×106kWh，年耗天然气量7.11×106Nm3。根据以上公式计算，本项目三联供系统的年平均综合能源利用效率为88.9%。

3 结束语

以武汉某工业园区为研究对象，结合当地气象条件及园区冷热负荷分析，从装机方案、制冷供热、水蓄冷、熔盐蓄热供能等方面详细设计了一套分布式冷热电三联供系统，具有不同的运行模式，年平均综合能源利用效率为88.9%。能够提高园区的能源利用率，实现节能减排。