济南产业金融区区域供冷冷却水系统的研究

王磊 王茂盛 蔡振兴 杨敏华

济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司

1 产业金融区区域供冷概况

1.1 区域供冷概况

济南产业金融区北起工业南路，南至经十路，东起奥体西路，西至华阳路，总面积约 3.2 平方公里。是山东省政府“十二五”规划中定位为依托政务中心、奥体中心、文博片区，着力打造的集区域金融中心、总部聚集中心、区域创新中心为一体的城市新中心，能够反映全市改革发展成果、代表省会形象、具有浓郁现代气息的标志性区域。

产业金融区建筑密度大，办公及商业建筑集中，拥有“山、泉、湖、河、城”等五座超高层，建筑高度210～420 m。为提升产业金融区城市形象，美化建筑环境，提高办公建筑工作空间的舒适性，降低建筑能耗，产业金融区采用区域供冷的方式代替传统空调满足各类用户的空调制冷需求[1-2]。

济南产业金融区规划南北两座能源站（图 1），站 内设置蓄冷空调双工况机组及基载机制冷机组及配套设施，为 产业金融区提供集中供冷服务。

图1 能源站分布图

1.2 近期供冷需求及机组设置

对产业金融区内各开发商供冷需求进行调研，近 三年内（2020 年 -2022 年）有 用冷需求的用户为济南城投、绿地和龙湖等地产商，总建筑面积约 37.97 万m2，实 际供冷需求28.8 万m2，见 表1。

表1 2020-2022 年供冷规划

根据产业金融区近期用冷负荷及用冷时间，济 南热力集团计划启动南部能源站一期工程的建设来满足近期供冷需求。

南部能源中心一期机组规模为1 台1200RT 的基载机组和2 台1150RT 双工况冷水机组以及相关的蓄冰盘管。低谷电蓄冰和常规电制冷机作为近期各用户集中冷源，制取 5～7 ℃冷冻水通过产业金融区规划保温管道输送至各用户的二级换热站。

1.3 冷却水量及冷却水供应方式

冷却水的设计参数：空 调工况下机组冷凝器进水温度为32 ℃、机 组冷凝器出水温度为37 ℃。蓄 冰工况下机组冷凝器进水温度为30 ℃、机 组冷凝器回水温度为33 ℃。

冷凝负荷：空调工况下机组冷凝负荷 14.6 MW，供回水温差5 ℃，冷 却水量约2520 m3/ h。蓄冰工况下机组冷凝负荷 5.8 MW，供 回水温差 3 ℃，冷 却水量约1670 m3/ h。

冷却水供应方式：常 规供冷站系统是由制冷机及冷冻水输送系统，末 端用户系统，冷 却塔及冷却水系统等组成。冷却塔一般设置在供冷站顶部，露 天设置。

南部能源中心位于产业金融区东西绿轴西端（1-31 地块地下），为 地下建筑。根据规划要求，南 部能源站顶部为景观绿化带，不 允许设置冷却塔。为保证制冷机组的运转，必 须考虑在产业金融外设置冷却塔或采用其他冷却方式。

2 城市中水利用方案

2.1 城市中水利用工艺流程

城市中水即“ 城市污水再生水”，是 指城市污水经处理后达到一定的水质标准后，可 在一定范围内重复使用的非饮用水，其 水质介于上水（自来水）与 下水（污水）之 间，主 要用于景观环境、地 下水回灌、绿 地灌溉等方面，最 为一种稳定水源也被用做电厂循环冷却水[3-4]。中水回用技术在国外早已应用于实践。美国、日 本、以 色列等国厕所冲洗园林和农田灌溉、道 路保洁、洗 车、城市喷泉、冷 却设备补充用水等都大量地使用中水，我 国从上世纪九十年代末开始使用中水回用技术，起 步较晚[5-6]。

本项目是利用城市中水对制冷站制冷机组进行冷却，即 在水质净化厂周边或在由水质净化厂引出的中水管道沿途建设换热站，由 中水换取低温中介水，将 中介水通过管输送至产业金融区能源中心对机组进行冷却。通过对污水处理厂的中水进行测试，其温度波动范围小，受 气候影响小，夏 季约为 20～26 ℃，冬 季约为11～16 ℃。夏季中水按26 ℃考虑，经 换热后升温至31 ℃，板 换另外一侧的中介水进水温度33 ℃，出 水温度28 ℃，工 艺流程如图2 所示。该系统是动力循环系统，不 受距离的限制，理 论上对于具备条件的污水处理厂的中水都能利用。

图2 中水利用工艺流程图

2.2 城市中水利用方案

距离产业金融区较近水质净化厂有水质净化一厂，水 质净化三厂及高新区水质净化厂（图 3），总 的污水处理能力约71 万m3/ d（2.96 万m3/ h），总 量远远大于所需冷却水需求。基 于城区现状供热管网的分布情况，中介水换热站的建设条件等，优 先考虑水质净化三厂中水利用。

图3 水质净化厂分布图

2.2.1 中水利用现状

水质净化三厂日处理能力20 万/m3，该厂北侧1公里处设有现状中介水换热站一处，在 冬季利用部分中水换取中介水作为华山片区热泵能源站的低温热源，剩 余中水排入城市河道。夏季该站停运，中 水全部排入张马河。为减少工程投资，夏 季启用该站，利 用换热后中介水对产业金融区供冷机组进行冷却。

利用现状供热管网进行中介水的输送，无 需敷设新管道，管 网路由如下：水 质净化三厂—中介水交换站—海门路 DN800-金舆大道 DN600 —滨河南路DN700—工业北路 DN1000—凤凰路 DN1000—涵源大街DN1000—化纤厂路 DN1200—产业金融区，管 网总长度约27.0 km。具体见图4。

图4 水质净化三厂中水利用管网路由图

2.2.2 水力计算

利用 MAP 水力计算软件对管网进行水力校核，计算表明该管网需要两级水泵，即 在中介水换热站设一级泵，在 沿途设置中继泵，具 体参数如下：

一级水泵：扬 程H=30 mH2O，则 循环流量Q=2520 m3/ h。

中继泵：扬程H=60 mH2O，则循环流量Q=2520 m3/ h。

从水压图来看，管 网满足输送要求。

2.2.3 主要设备的设置

1）换 热器

现状换热器：共 计 3 台，单 台换热量 8.0 MW，材质：3 16 L，S=1150 m2，PN=1.0 MPa，△H≤8.0 mH2O，设计温度，高 温侧：14/4 ℃，低 温侧：1 2/2 ℃，耐 腐蚀，端 差2 ℃。

所需冷却水换热器：设 计温度中水侧 26/31 ℃，循环水侧28/33 ℃，端 差2 ℃。中水流量2520 t/h，换 热量为 14.5 M W，利 用现状三台板换即可，单 台换热量4.8 MW，压 降为9 mH2O 。

2）水 泵

为节省投资，一 级水泵仍然利用现状换热站内水泵。中继泵利用管网沿途经过的济南东新热电厂内首站内现状水泵。

一级水泵原设计设计参数：Q=2156 t/h，H=35 m，250 kW。变 频调速后参数：Q=2500 t/h，H=30 m，N=250 kW，水 泵曲线见图5。

图5 现状中介水换热站水本泵曲线

中继泵（东新电厂首站水泵）原设计设计参数：Q=4000 t/h，H=100 m，N=1600 kW。变频调速后参数：Q=2520 t/h，H=60m，N=514 kW，水 泵曲线见图6。

图6 济南东新电厂现状首站水曲线

2.3 工程投资及及运行费用

1）工 程投资

为确保管道的畅通，需 要对部分管道和阀门进行更换，具 体如下：华 山片区管道及阀门投资约 620 万，东新电厂管道及阀门投资约50 万，确 定沿线分支阀门投资约100 万，总 计以上工程投资约770 万元。

2）运 行费

运行费用为水泵耗电费用，具 体明细如表2：

表2 利用城市中水冷却运行费用

4 常规冷却塔建设方案

4.1 冷却水输送路由

由于产业金融区不具备就地建设冷却塔的条件，必须考虑在产业金融区周边建设冷却塔，可 考虑在济南东新电厂内建设冷却塔。冷却水通过化纤厂路DN1200，工业南路 DN1000 及华阳路 DN1400 的管道，输 送至南部能源中心对机组进行冷却，输 送距离2.0 km（图 7）。

图7 管网路由图

4.2 冷却塔建设及设备选型

冷却塔建设要考虑东新电厂内闲置用地的大小、地势高差、机 组规模、近 远结合等因素，所 需泵房占地面积约 1020 m2，泵 房高度为 18 m，地 上三层建筑，一层预留电厂首站用地、二 层为设备间、三 层为管道层，顶部设置冷却塔。主要设备明如表3：

表3 新建冷却塔及主要设备

4.3 工程投资及运行费用

1）工 程投资

投资计算仅为冷却水系统投资，包 括冷却塔泵房及站内主要设备，如 表4：

表4 工程投资汇总表

2）运 行费用

运行费主要为冷却塔和水泵的电费，具 体如表5：

表5 新建冷却塔方案运行费用

5 方案对比分析

5.1 经济效益

采用常规冷却塔方式，空 调工况下机组冷凝器进水温度为32 ℃、机 组冷凝器出水温度为37 ℃。蓄 冰工况下机组冷凝器进水温度为30 ℃、机 组冷凝器回水温度为33 ℃。水质净化厂处理后的中水温度在26 ℃左右，可 将中介水降温至28～33 ℃，在 此温度下机组的制冷效率比设计工况下提高约12%。

从折旧、维 修、耗 电等方面对两个方案的综合成本分析如表6：

表6 综合成本分析

由表6 可知，利用城市中水对机组进行冷却的综合成本比常规冷却塔要低。

5.2 环境效益

采用水质净化厂中水对制冷机组进行冷却，冷 却系为闭式循环系统，运 行过程中无冷却塔带来的热岛效应、污 水飘逝、噪 音等问题，美 化室外环境，对 改善大气环境质量，改 善周边居民的生存环境将起到积极的作用。

6 结论

1）利 用水质净化厂处理后的中水采用间接换热的方式对制冷站制冷机进行冷却，可 提高机组制冷效率，增加供冷项目经济性。可取消常规冷却塔的建设，降低工程投资与运行费用，无 污水飘逝、绿 色环保。

2）有 配套现状管网用于输送冷却机组的中介水是水质净化厂中水冷却制冷站机组可行性与经济性保证的前提。通过现状阀门将用于输送冷却水的管道隔离出来，并 检查沿线阀门的严密性，对 于沿线分支阀门要关闭，尽 量减少冷却水的流失。

3）建 设冷却塔对制冷机组进行冷却，工 程投资较高，但是运行费用低。而利用城市中水冷却制冷机组的方案工程投资少，运 行费用高，但 是从综合成本来看前者要高于后者。

4）近 期内供冷负荷较小，从 减少工程投资，降 低运行成本的角度，优 先采用城市中水对产业金融区制冷机组进行冷却。远期随着供冷需求的增大，再 考虑东新电厂内冷却塔的建设。