降低前滩能源大蓄能罐热转冷的运行成本

何 杰 管寅迪 郁宏杰 朱冠华

上海上电电力运营有限公司

0 前言

分布式能源（distributed energy resources）是指分布在用户端的能源综合利用系统。是以资源、环境效益最大化确定方式和容量的系统，根据终端能源利用效率最优化确定规模。分布式能源一般利用冷、热、电三联供，具有能效利用合理、损耗小、污染少、运行灵活，系统经济性好等特点。

分布式能源技术是未来世界能源技术的重要发展方向，是中国可持续发展的选择之一，“十二五”规划明确提出了促进分布式能源系统的推广应用。因此，国内优秀的分布式能源企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对公司发展环境和需求趋势变化的深入研究。

1 概述

前滩分布式能源项目中心大蓄能水罐有效容积不小于25 000 m3，是全亚洲最大钢罐结构且全国首例既能蓄冷又能蓄热的综合型蓄能水罐，目前作为前滩能源中心主要蓄能、供能手段与节能手段。示意图见图1。

图1

以往的能源中心基本都采用单蓄冷的蓄冷罐，在供热季供热会采用设备完成供热任务，由此也增加了生产成本。前滩能源中心采用的蓄能罐，在节约供能成本的同时也会遇到一些疑难问题：各地块用户楼宇的设计，通常在转换季节期间，由于天气变化，则需要能源中心同时供冷、供热，需要在最短时间内，将蓄能罐中的热季残余热量转换为冷量，以适应天气的变化与用户的要求。

2018年供热季转供冷季期间，由于当时设备等原因，主要通过市政水与大蓄能罐中的水源转换完成。然而随着季节的转暖，在供热季至供冷季转换过程中，部分用户仍需要能源中心供热。如何在现有设备的状况下将大蓄能罐中的热量转换为冷量，以满足用户的供热需求，是目前需要攻克的难关。

常规置换方法主要有以下几类：

1）换水：将大蓄能罐中25 000 m3的热水（40 ℃至45 ℃）排尽，用市政水的补水泵向大蓄能罐充注常温市政水（10 ℃至15 ℃），利用离心机组制冷至5 ℃。

用户侧供热：夜间利用三联供系统或二级复叠式系统对热水管网及小蓄能罐进行制热。

2）电制冷：利用空气源热泵机组对大蓄能罐中的热水进行制冷，从40 ℃降温至20 ℃，利用离心机组制冷至5 ℃。

用户侧供热：夜间利用二级复叠式制热系统对热水管网及小蓄能罐进行制热。

空气源热泵制冷水路系统见图2。

图2 空气源热泵制冷水路

上述任何一种方法都需要浪费大量电量和水资源，违背了能源中心节能的初衷。因此，在节能的理念下推进任务正常完成，针对现场各个系统设备对电气、机务方面的分析，并结合相关的运行工况以及不同负荷下的出力，形成项目的技术总结。

2 蓄能罐节能运行的必要性

为了将水罐内热量迅速转换为冷量的同时，确保在转换季完成用户供热。结合能源中心降低成本的经营理念，提高运行技术及管理能力，针对当前的标准运行工况寻求新的突破口，利用能源中心现有设备，制定新的转换季节能工况。

3 蓄能罐节能可行性方案分析

设备参数见表1，水泵参数见表2，峰平谷时电价见表3。

3.1 离心热泵机组简介

离心机组系统部件包括独立筒体的蒸发器和冷凝器换热器、电机—压缩机组件。

表1 设备参数

表2 水泵参数

表3 峰平谷时电价

1）蒸发器：处于压缩机的下方。蒸发器维持较低的温度（压力），以便不断蒸发的制冷剂从流过它内部管子的水中带走热量。

2）冷凝器：冷凝器相对蒸发器而言，运行的温度和压力较高，流过冷凝管中的水可带走制冷剂中的热量。

3）经济器：经济器位于冷凝器和蒸发器之间，来自冷凝器的高压液态制冷剂通过一次节流后进入经济器，在经济器内制冷剂气液分离后，气态制冷剂喷射至压缩机补气口，进一步过冷的液态制冷剂经二次节流后进入蒸发器。

4）电机—压缩机：维持系统温度及压差，将吸热后的制冷剂从蒸发器送至冷凝器。

5）离心热泵机组主要技术性能

设备规范

制冷/制热设计工况下COP：5.47/6.1；

标准工况下COP：6.29；

综合部分符合性能系数IPLV：6.98；

冷量调节方式：进口导叶；

节流方式：孔板节流。

设计参数

蒸发器：

形式：满液式、壳管式；

制冷工况最高/最低允许进水温度（℃）：25/8；

制热工况最高/最低允许进水温度（℃）：43/20；

制冷/制热工况最低允许出水温度（℃）：3.5/22；

冷凝器：

形式：满液式、壳管式；

制冷工况最高/最低允许进水温度（℃）：34/18；

制热制冷工况最高允许进水温度（℃）：53/40；

制冷正常运行工况最低/最高出水温度（℃）：40/22；

通过分析和设备参数的比对，发现大蓄能罐内温度约42 ℃时与离心热泵蒸发器输送一级热源的空气源热泵的最高出水温度接近40 ℃，与开利厂家确认后，可以尝试按照二级复叠式制热的特性，完全利用大蓄能罐中42 ℃的出水代替空源热泵制热后的出水，为离心热泵蒸发器提供新的一级热源。由离心热泵冷凝器对一级热源热量吸收，做功后二级热源对供热管网及小蓄能罐进行制热，而大罐中的热水通过离心热泵蒸发器散热（制热工况额定温差5 ℃），经4个循环将水温降至20 ℃左右，此温度为方案的目标值。最终用离心机组制冷至5 ℃。实现了在现有设备情况下仅开启一种设备即完成大罐降温，也完成了用户供热任务。工况水路见图3。

图3 工况水路

4 可行性方案初步验证

在2019 年3 月20 日夜间21∶00，组织人员对新方法进行调试，进一步确定此方法的可行性，操作步骤如下：

1）将14、15、12、22、24 号地块热水回水阀全开，确保外管网水路畅通；

2）将大罐原蓄热工况阀门切换至蓄冷工况；

3）隔绝空源热泵系统；

4）开通离心热泵蒸发器回路，与大罐水路通畅；

5）开通离心热泵冷凝器回路，与热管网水路通畅；

6）开启相关水泵后，最后开启离心热泵。

离心热泵于21点15分启动，15 min后运行，运行参数正常，蒸发压力在正常范围内，见图4，此方案可行。

图4

5 节能运行方案的实施

自3 月21 日，正式启动新方案，对大罐进行置换，在此工况实行后，由于天气的变化，地块的要求，在满足地块的前提下运行此新工况，需要在夜间先用离心冷机对外管网制冷后，再运行新方案。截至4 月3 日，共运行14 天，大罐内水温散热至目标值温度，同时也完成了对地块的供热任务。

5.1 经济分析

5.1.1 原方法耗电量及成本

方法1：换水

（1）换水成本约为：243 150 元，每吨水单价9.726元（含水处理费用）。

（2）置换后的市政水为常温水（10～15 ℃），再利用离心冷机制冷至5 ℃需要24 h。成本：19 314.864元。

由于换水涉及排水与补水工作，需要较长周期且成本较高，一般情况下，能源中心不采取换水来达到置换目标。

方法1总成本：262 464.864元

方法2：电制冷

（1）10 台空气源热泵对大蓄能罐内的热水置换至20℃，需要7天。

耗电量：264 708 kWh

成本：89 736.012元

（2）利用离心冷机将20 ℃的水最终制冷至5 ℃需要6天。

耗电量：111 578 kWh

成本为：37 824.942元

（3）以上仅对大罐中的热量转为冷量做了经济性分析。然而在季节转换期间，由于天气的不确定性因素，地块用户仍然需要能源中心供热，因此方法2 出现了一些变化：由于夜间制热管网需要用二级复叠式系统，原空气源热泵降温周期从原7 天增加至9.5 天，在夜间8 小时低谷电价时段需用2 h 用原二级复叠式系统对热管网制热。

方法2 总成本为：166 438.83 元，总耗电量：490 970 kWh，共计周期16.5天。

5.1.2 新方法耗电量及成本

（1）新方法将大罐降温至18 ℃，共计周期8天。

成本为：54 140.605 2元

（2）利用离心冷机将18 ℃的水，制冷至5 ℃，需要5天。

成本为：37 824.942元

新方法总成本为：91 965.547 2元，总耗电量：271 284.8 kWh，共计周期13天。

5.1.3 新方法实际耗电量与成本

实际耗电量与成本见表4。

表4

实际总成本：81 736.968 元，总耗电量：241 112 kWh，共计周期14天。

5.1.4 新方法产生的收益

在新方法运行期间，不仅对蓄能罐进行降温，并且同时对热管网与小蓄能罐进行制热，在此期间对用户供热共计1 519 GJ≈421 944 kWh，供能单价为0.55 元/kWh。创造实际收益150 332 元。2019年3月20日-4月3日用户供热量见图5。

图5

5.2 结论

由表5可见，新方法比方法1节约成本79.2%，比方法2节约成本50.8%。

新方法比方法2周期缩短2.5天。

表5

5.3 已落实的巩固措施

制定了新方法的标准操作票，便于运行人员培训、操作，提升自身技术水平。见表6。

表6 热力机械操作票

6 7 8 9 10查 空源热泵热水进水阀已关闭（VS-CH-6）查 离心冷机冷却水进水阀B已关闭（VS-CH-13）查 离心冷机冷却水出水阀B已关闭（VS-CH-15）操作 打开离心热泵热水出水阀A（VR-CH-1)查 离心热泵热水出水阀B已关闭（VR-CH-2)查 离心热泵冷却水出水阀已关闭（VS-CH-9）查 空源热泵冷水进水阀已关闭（VS-CH-2）查 空源热泵冷水出水阀已关闭（VS-CH-3）操作 将离心热泵机组切至制热模式操作 打开冷/热供能泵热水进水阀（VS-CH-20)操作 打开冷/热供能泵热水出水阀（VS-CH-22)查 冷/热供能泵冷水进水阀已关闭（VS-CH-21)查 冷/热供能泵冷水出水阀已关闭（VS-CH-23)查 大罐低温端蓄/放热阀已关闭（VR-ES-4)查 大罐高温端蓄/放热阀已关闭（VR-ES-1)操作 打开大罐低温端蓄/放冷阀（VR-ES-2)操作 打开大罐高温端蓄/放冷阀（VR-ES-3）操作 打开12、14、15、22和24号地块热水回水阀操作 启动离心热泵一次泵操作 启动离心热泵冷却泵操作 启动冷/热供能泵操作 启动离心热泵机组11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27以下空白备注：操作项目：第 项至第 项，操作人： 监护人： 值班长：

6 总结

新方法运用了能源中心单种机型在季节转换期间不仅满足了大蓄能罐的降温，还满足了管网制热，满足了第二天用户需求，大幅降低了成本，缩短了转换周期。通过此方式提高整个系统的一次能源利用率，实现了能源的梯级利用。整个系统的经济收益及效率均相应增加，同时展现了暖通专业运行管理队伍的技术能力，进一步提升了开展节能工作的自信心。对今后世博、西岸能源中心的季节转换工况选择做好铺垫，为能源发展提供新的技术思路。