何 杰 管寅迪 郁宏杰 朱冠華

上海上電電力運(yùn)營(yíng)有限公司

0 前言

分布式能源（distributed energy resources）是指分布在用戶(hù)端的能源綜合利用系統(tǒng)。是以資源、環(huán)境效益最大化確定方式和容量的系統(tǒng)，根據(jù)終端能源利用效率最優(yōu)化確定規(guī)模。分布式能源一般利用冷、熱、電三聯(lián)供，具有能效利用合理、損耗小、污染少、運(yùn)行靈活，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。

分布式能源技術(shù)是未來(lái)世界能源技術(shù)的重要發(fā)展方向，是中國(guó)可持續(xù)發(fā)展的選擇之一，“十二五”規(guī)劃明確提出了促進(jìn)分布式能源系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。因此，國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的分布式能源企業(yè)愈來(lái)愈重視對(duì)行業(yè)市場(chǎng)的研究，特別是對(duì)公司發(fā)展環(huán)境和需求趨勢(shì)變化的深入研究。

1 概述

前灘分布式能源項(xiàng)目中心大蓄能水罐有效容積不小于25 000 m3，是全亞洲最大鋼罐結(jié)構(gòu)且全國(guó)首例既能蓄冷又能蓄熱的綜合型蓄能水罐，目前作為前灘能源中心主要蓄能、供能手段與節(jié)能手段。示意圖見(jiàn)圖1。

圖1

以往的能源中心基本都采用單蓄冷的蓄冷罐，在供熱季供熱會(huì)采用設(shè)備完成供熱任務(wù)，由此也增加了生產(chǎn)成本。前灘能源中心采用的蓄能罐，在節(jié)約供能成本的同時(shí)也會(huì)遇到一些疑難問(wèn)題：各地塊用戶(hù)樓宇的設(shè)計(jì)，通常在轉(zhuǎn)換季節(jié)期間，由于天氣變化，則需要能源中心同時(shí)供冷、供熱，需要在最短時(shí)間內(nèi)，將蓄能罐中的熱季殘余熱量轉(zhuǎn)換為冷量，以適應(yīng)天氣的變化與用戶(hù)的要求。

2018年供熱季轉(zhuǎn)供冷季期間，由于當(dāng)時(shí)設(shè)備等原因，主要通過(guò)市政水與大蓄能罐中的水源轉(zhuǎn)換完成。然而隨著季節(jié)的轉(zhuǎn)暖，在供熱季至供冷季轉(zhuǎn)換過(guò)程中，部分用戶(hù)仍需要能源中心供熱。如何在現(xiàn)有設(shè)備的狀況下將大蓄能罐中的熱量轉(zhuǎn)換為冷量，以滿(mǎn)足用戶(hù)的供熱需求，是目前需要攻克的難關(guān)。

常規(guī)置換方法主要有以下幾類(lèi)：

1）換水：將大蓄能罐中25 000 m3的熱水（40 ℃至45 ℃）排盡，用市政水的補(bǔ)水泵向大蓄能罐充注常溫市政水（10 ℃至15 ℃），利用離心機(jī)組制冷至5 ℃。

用戶(hù)側(cè)供熱：夜間利用三聯(lián)供系統(tǒng)或二級(jí)復(fù)疊式系統(tǒng)對(duì)熱水管網(wǎng)及小蓄能罐進(jìn)行制熱。

2）電制冷：利用空氣源熱泵機(jī)組對(duì)大蓄能罐中的熱水進(jìn)行制冷，從40 ℃降溫至20 ℃，利用離心機(jī)組制冷至5 ℃。

用戶(hù)側(cè)供熱：夜間利用二級(jí)復(fù)疊式制熱系統(tǒng)對(duì)熱水管網(wǎng)及小蓄能罐進(jìn)行制熱。

空氣源熱泵制冷水路系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

圖2 空氣源熱泵制冷水路

上述任何一種方法都需要浪費(fèi)大量電量和水資源，違背了能源中心節(jié)能的初衷。因此，在節(jié)能的理念下推進(jìn)任務(wù)正常完成，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)系統(tǒng)設(shè)備對(duì)電氣、機(jī)務(wù)方面的分析，并結(jié)合相關(guān)的運(yùn)行工況以及不同負(fù)荷下的出力，形成項(xiàng)目的技術(shù)總結(jié)。

2 蓄能罐節(jié)能運(yùn)行的必要性

為了將水罐內(nèi)熱量迅速轉(zhuǎn)換為冷量的同時(shí)，確保在轉(zhuǎn)換季完成用戶(hù)供熱。結(jié)合能源中心降低成本的經(jīng)營(yíng)理念，提高運(yùn)行技術(shù)及管理能力，針對(duì)當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況尋求新的突破口，利用能源中心現(xiàn)有設(shè)備，制定新的轉(zhuǎn)換季節(jié)能工況。

3 蓄能罐節(jié)能可行性方案分析

設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1，水泵參數(shù)見(jiàn)表2，峰平谷時(shí)電價(jià)見(jiàn)表3。

3.1 離心熱泵機(jī)組簡(jiǎn)介

離心機(jī)組系統(tǒng)部件包括獨(dú)立筒體的蒸發(fā)器和冷凝器換熱器、電機(jī)—壓縮機(jī)組件。

表1 設(shè)備參數(shù)

表2 水泵參數(shù)

表3 峰平谷時(shí)電價(jià)

1）蒸發(fā)器：處于壓縮機(jī)的下方。蒸發(fā)器維持較低的溫度（壓力），以便不斷蒸發(fā)的制冷劑從流過(guò)它內(nèi)部管子的水中帶走熱量。

2）冷凝器：冷凝器相對(duì)蒸發(fā)器而言，運(yùn)行的溫度和壓力較高，流過(guò)冷凝管中的水可帶走制冷劑中的熱量。

3）經(jīng)濟(jì)器：經(jīng)濟(jì)器位于冷凝器和蒸發(fā)器之間，來(lái)自冷凝器的高壓液態(tài)制冷劑通過(guò)一次節(jié)流后進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器，在經(jīng)濟(jì)器內(nèi)制冷劑氣液分離后，氣態(tài)制冷劑噴射至壓縮機(jī)補(bǔ)氣口，進(jìn)一步過(guò)冷的液態(tài)制冷劑經(jīng)二次節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器。

4）電機(jī)—壓縮機(jī)：維持系統(tǒng)溫度及壓差，將吸熱后的制冷劑從蒸發(fā)器送至冷凝器。

5）離心熱泵機(jī)組主要技術(shù)性能

設(shè)備規(guī)范

制冷/制熱設(shè)計(jì)工況下COP：5.47/6.1；

標(biāo)準(zhǔn)工況下COP：6.29；

綜合部分符合性能系數(shù)IPLV：6.98；

冷量調(diào)節(jié)方式：進(jìn)口導(dǎo)葉；

節(jié)流方式：孔板節(jié)流。

設(shè)計(jì)參數(shù)

蒸發(fā)器：

形式：滿(mǎn)液式、殼管式；

制冷工況最高/最低允許進(jìn)水溫度（℃）：25/8；

制熱工況最高/最低允許進(jìn)水溫度（℃）：43/20；

制冷/制熱工況最低允許出水溫度（℃）：3.5/22；

冷凝器：

形式：滿(mǎn)液式、殼管式；

制冷工況最高/最低允許進(jìn)水溫度（℃）：34/18；

制熱制冷工況最高允許進(jìn)水溫度（℃）：53/40；

制冷正常運(yùn)行工況最低/最高出水溫度（℃）：40/22；

通過(guò)分析和設(shè)備參數(shù)的比對(duì)，發(fā)現(xiàn)大蓄能罐內(nèi)溫度約42 ℃時(shí)與離心熱泵蒸發(fā)器輸送一級(jí)熱源的空氣源熱泵的最高出水溫度接近40 ℃，與開(kāi)利廠家確認(rèn)后，可以嘗試按照二級(jí)復(fù)疊式制熱的特性，完全利用大蓄能罐中42 ℃的出水代替空源熱泵制熱后的出水，為離心熱泵蒸發(fā)器提供新的一級(jí)熱源。由離心熱泵冷凝器對(duì)一級(jí)熱源熱量吸收，做功后二級(jí)熱源對(duì)供熱管網(wǎng)及小蓄能罐進(jìn)行制熱，而大罐中的熱水通過(guò)離心熱泵蒸發(fā)器散熱（制熱工況額定溫差5 ℃），經(jīng)4個(gè)循環(huán)將水溫降至20 ℃左右，此溫度為方案的目標(biāo)值。最終用離心機(jī)組制冷至5 ℃。實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有設(shè)備情況下僅開(kāi)啟一種設(shè)備即完成大罐降溫，也完成了用戶(hù)供熱任務(wù)。工況水路見(jiàn)圖3。

圖3 工況水路

4 可行性方案初步驗(yàn)證

在2019 年3 月20 日夜間21∶00，組織人員對(duì)新方法進(jìn)行調(diào)試，進(jìn)一步確定此方法的可行性，操作步驟如下：

1）將14、15、12、22、24 號(hào)地塊熱水回水閥全開(kāi)，確保外管網(wǎng)水路暢通；

2）將大罐原蓄熱工況閥門(mén)切換至蓄冷工況；

3）隔絕空源熱泵系統(tǒng)；

4）開(kāi)通離心熱泵蒸發(fā)器回路，與大罐水路通暢；

5）開(kāi)通離心熱泵冷凝器回路，與熱管網(wǎng)水路通暢；

6）開(kāi)啟相關(guān)水泵后，最后開(kāi)啟離心熱泵。

離心熱泵于21點(diǎn)15分啟動(dòng)，15 min后運(yùn)行，運(yùn)行參數(shù)正常，蒸發(fā)壓力在正常范圍內(nèi)，見(jiàn)圖4，此方案可行。

圖4

5 節(jié)能運(yùn)行方案的實(shí)施

自3 月21 日，正式啟動(dòng)新方案，對(duì)大罐進(jìn)行置換，在此工況實(shí)行后，由于天氣的變化，地塊的要求，在滿(mǎn)足地塊的前提下運(yùn)行此新工況，需要在夜間先用離心冷機(jī)對(duì)外管網(wǎng)制冷后，再運(yùn)行新方案。截至4 月3 日，共運(yùn)行14 天，大罐內(nèi)水溫散熱至目標(biāo)值溫度，同時(shí)也完成了對(duì)地塊的供熱任務(wù)。

5.1 經(jīng)濟(jì)分析

5.1.1 原方法耗電量及成本

方法1：換水

（1）換水成本約為：243 150 元，每噸水單價(jià)9.726元（含水處理費(fèi)用）。

（2）置換后的市政水為常溫水（10～15 ℃），再利用離心冷機(jī)制冷至5 ℃需要24 h。成本：19 314.864元。

由于換水涉及排水與補(bǔ)水工作，需要較長(zhǎng)周期且成本較高，一般情況下，能源中心不采取換水來(lái)達(dá)到置換目標(biāo)。

方法1總成本：262 464.864元

方法2：電制冷

（1）10 臺(tái)空氣源熱泵對(duì)大蓄能罐內(nèi)的熱水置換至20℃，需要7天。

耗電量：264 708 kWh

成本：89 736.012元

（2）利用離心冷機(jī)將20 ℃的水最終制冷至5 ℃需要6天。

耗電量：111 578 kWh

成本為：37 824.942元

（3）以上僅對(duì)大罐中的熱量轉(zhuǎn)為冷量做了經(jīng)濟(jì)性分析。然而在季節(jié)轉(zhuǎn)換期間，由于天氣的不確定性因素，地塊用戶(hù)仍然需要能源中心供熱，因此方法2 出現(xiàn)了一些變化：由于夜間制熱管網(wǎng)需要用二級(jí)復(fù)疊式系統(tǒng)，原空氣源熱泵降溫周期從原7 天增加至9.5 天，在夜間8 小時(shí)低谷電價(jià)時(shí)段需用2 h 用原二級(jí)復(fù)疊式系統(tǒng)對(duì)熱管網(wǎng)制熱。

方法2 總成本為：166 438.83 元，總耗電量：490 970 kWh，共計(jì)周期16.5天。

5.1.2 新方法耗電量及成本

（1）新方法將大罐降溫至18 ℃，共計(jì)周期8天。

成本為：54 140.605 2元

（2）利用離心冷機(jī)將18 ℃的水，制冷至5 ℃，需要5天。

成本為：37 824.942元

新方法總成本為：91 965.547 2元，總耗電量：271 284.8 kWh，共計(jì)周期13天。

5.1.3 新方法實(shí)際耗電量與成本

實(shí)際耗電量與成本見(jiàn)表4。

表4

實(shí)際總成本：81 736.968 元，總耗電量：241 112 kWh，共計(jì)周期14天。

5.1.4 新方法產(chǎn)生的收益

在新方法運(yùn)行期間，不僅對(duì)蓄能罐進(jìn)行降溫，并且同時(shí)對(duì)熱管網(wǎng)與小蓄能罐進(jìn)行制熱，在此期間對(duì)用戶(hù)供熱共計(jì)1 519 GJ≈421 944 kWh，供能單價(jià)為0.55 元/kWh。創(chuàng)造實(shí)際收益150 332 元。2019年3月20日-4月3日用戶(hù)供熱量見(jiàn)圖5。

圖5

5.2 結(jié)論

由表5可見(jiàn)，新方法比方法1節(jié)約成本79.2%，比方法2節(jié)約成本50.8%。

新方法比方法2周期縮短2.5天。

表5

5.3 已落實(shí)的鞏固措施

制定了新方法的標(biāo)準(zhǔn)操作票，便于運(yùn)行人員培訓(xùn)、操作，提升自身技術(shù)水平。見(jiàn)表6。

表6 熱力機(jī)械操作票

6 7 8 9 10查 空源熱泵熱水進(jìn)水閥已關(guān)閉（VS-CH-6）查 離心冷機(jī)冷卻水進(jìn)水閥B已關(guān)閉（VS-CH-13）查 離心冷機(jī)冷卻水出水閥B已關(guān)閉（VS-CH-15）操作 打開(kāi)離心熱泵熱水出水閥A（VR-CH-1)查 離心熱泵熱水出水閥B已關(guān)閉（VR-CH-2)查 離心熱泵冷卻水出水閥已關(guān)閉（VS-CH-9）查 空源熱泵冷水進(jìn)水閥已關(guān)閉（VS-CH-2）查 空源熱泵冷水出水閥已關(guān)閉（VS-CH-3）操作 將離心熱泵機(jī)組切至制熱模式操作 打開(kāi)冷/熱供能泵熱水進(jìn)水閥（VS-CH-20)操作 打開(kāi)冷/熱供能泵熱水出水閥（VS-CH-22)查 冷/熱供能泵冷水進(jìn)水閥已關(guān)閉（VS-CH-21)查 冷/熱供能泵冷水出水閥已關(guān)閉（VS-CH-23)查 大罐低溫端蓄/放熱閥已關(guān)閉（VR-ES-4)查 大罐高溫端蓄/放熱閥已關(guān)閉（VR-ES-1)操作 打開(kāi)大罐低溫端蓄/放冷閥（VR-ES-2)操作 打開(kāi)大罐高溫端蓄/放冷閥（VR-ES-3）操作 打開(kāi)12、14、15、22和24號(hào)地塊熱水回水閥操作 啟動(dòng)離心熱泵一次泵操作 啟動(dòng)離心熱泵冷卻泵操作 啟動(dòng)冷/熱供能泵操作 啟動(dòng)離心熱泵機(jī)組11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27以下空白備注：操作項(xiàng)目：第 項(xiàng)至第 項(xiàng)，操作人： 監(jiān)護(hù)人： 值班長(zhǎng)：

6 總結(jié)

新方法運(yùn)用了能源中心單種機(jī)型在季節(jié)轉(zhuǎn)換期間不僅滿(mǎn)足了大蓄能罐的降溫，還滿(mǎn)足了管網(wǎng)制熱，滿(mǎn)足了第二天用戶(hù)需求，大幅降低了成本，縮短了轉(zhuǎn)換周期。通過(guò)此方式提高整個(gè)系統(tǒng)的一次能源利用率，實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用。整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益及效率均相應(yīng)增加，同時(shí)展現(xiàn)了暖通專(zhuān)業(yè)運(yùn)行管理隊(duì)伍的技術(shù)能力，進(jìn)一步提升了開(kāi)展節(jié)能工作的自信心。對(duì)今后世博、西岸能源中心的季節(jié)轉(zhuǎn)換工況選擇做好鋪墊，為能源發(fā)展提供新的技術(shù)思路。