朱 惠

上海虹橋商務(wù)區(qū)能源服務(wù)有限公司

0 引言

隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的確立，各行各業(yè)都在積極探尋新的節(jié)能減排技術(shù)，尤其在一些已建成投運的能源系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)效率降低能耗已成為主要關(guān)注重點。作為能源高效利用方式之一的燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)，其余熱利用是整個系統(tǒng)高效運行的關(guān)鍵要素。余熱型溴化鋰機組作為整個余熱利用的核心設(shè)備，整個工藝流程跟傳統(tǒng)冷水機組原理類似，制冷過程中也有大量的冷凝熱需要通過冷卻塔進行散熱。冷凝熱回收技術(shù)是一種有效的能源回收利用方式［1］，應(yīng)用場景十分豐富，如能源供應(yīng)［2］、工業(yè)制造［3-4］、公共建筑［5］等。本文研究設(shè)計了一種針對余熱利用型溴化鋰機組的冷凝熱回收方案，實現(xiàn)制冷的同時可以對外進行供熱，不僅提高了系統(tǒng)的綜合效率，同時也降低了冷卻塔的散熱負荷。該案例作為國內(nèi)首創(chuàng)的技術(shù)發(fā)明，對其他類似項目具有重要的參考價值。

1 項目概況

1.1 項目簡介

上海某區(qū)域供能項目是國內(nèi)首個面向大規(guī)模區(qū)域集中供能項目，項目設(shè)計遵循“以熱定電、熱電平衡、余電上網(wǎng)、梯級利用”的原則，采用燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)運行為主，燃氣鍋爐、蓄冷和電制冷機組運行為輔的供能模式，滿足區(qū)域內(nèi)352 棟，約550 萬m2的全部公共建筑的冷熱空調(diào)和酒店生活熱水。該項目中的燃氣三聯(lián)供項目于2014 年投運，項目裝機容量1.4 MW×8 分設(shè)在兩個能源中心，余熱利用設(shè)備與發(fā)電機組采用一一對應(yīng)設(shè)置，余熱利用設(shè)備為8臺煙氣熱水型吸收式溴化鋰機組用于制冷。

1.2 改造背景

目前，夏季時區(qū)域內(nèi)酒店有少量用熱需求，即能源站存在反季（4-10月）供熱需求，前期采取短暫開啟鍋爐或燃氣三聯(lián)供制熱模式運行的方式進行夏季供熱，但是該模式存在以下幾項弊端：

1）因夏季熱需求較小，若燃氣三聯(lián)供開啟制熱模式，則系統(tǒng)不能連續(xù)運行，故發(fā)電機發(fā)電量較低，無法滿足站內(nèi)夏季用電量。

2）為了保障站內(nèi)總用電需求，需保證燃氣三聯(lián)供連續(xù)運行，因此燃氣三聯(lián)供只能切換到制冷模式，為了滿足用戶短暫用熱需求，只能開啟燃氣鍋爐。然而短暫開啟燃氣鍋爐存在以下幾項問題：

（1）鍋爐燃氣單價較三聯(lián)供系統(tǒng)更高，故經(jīng)濟性較差。

（2）站內(nèi)配備的鍋爐為大容量燃氣鍋爐，而反季供熱需求量較小，存在鍋爐低負荷運行，造成能源利用率低、經(jīng)濟效益不高、影響鍋爐壽命等問題。

（3）燃氣鍋爐開啟期間需每月對其排煙進行檢測，工作量增加的同時運行成本也有所增加。

2 改造方案

2.1 改造思路

為了改變這種狀況，現(xiàn)對燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)中的溴化鋰機組工作原理進行深入研究分析。如圖1所示為溴化鋰機組的制冷工藝圖，吸收器內(nèi)的溴化鋰水溶液被泵送至高溫?zé)峤粨Q器初步加熱，再進入高溫發(fā)生器，發(fā)電機煙氣將溴化鋰水溶液加熱升溫至140 ℃從而使得溶劑水蒸發(fā)為水蒸氣，而剩余的溴化鋰濃溶液則重新回到吸收器內(nèi)。水蒸氣被冷卻水冷凝成冷劑水，此冷劑水在進入蒸發(fā)器后（高真空環(huán)境）驟然蒸發(fā)因而需吸收大量的相變潛熱，將換熱銅管內(nèi)冷媒水從14 ℃降溫至7 ℃。驟然蒸發(fā)后的水蒸氣被發(fā)生器內(nèi)的溴化鋰濃溶液吸收，變稀的溴化鋰水溶液再次被泵送至換熱器內(nèi)，如此往復(fù)循環(huán)實現(xiàn)連續(xù)制冷。

圖1 制冷工藝流程圖

如圖2 所示為溴化鋰機組的制熱工藝圖，發(fā)電機煙氣加熱溴化鋰水溶液，從而產(chǎn)生水蒸氣將高溫發(fā)生器上部換熱管（熱水器）內(nèi)的水加熱用于供熱，而水蒸氣被吸收熱量后凝結(jié)成水重新流入溴化鋰溶液中再次被加熱……如此循環(huán)不已。

圖2 制熱工藝流程圖

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，溴化鋰制冷工藝流程中產(chǎn)生的冷凝水如繼續(xù)用于制熱則需消耗發(fā)電機組余熱將其加熱，而通過改造可將此部分冷凝水用于制冷，使具體改造方案是通過在高溫蒸發(fā)器（高發(fā)）中增加凝水盤，高發(fā)與溴化鋰機組主體間增加凝水管，即可回收熱水器產(chǎn)生的冷凝水作為冷劑水用于制冷，獲取一定的制冷量，并且額外獲得一定的制熱量，因此顯著提升機組能效。改造后，機組制熱量調(diào)節(jié)范圍為350～750 kW，制冷量調(diào)節(jié)范圍為800～1 100 kW，機組總輸出功率平均為1 600 kW，綜合提升約200 kW。

熱水管增加恒溫調(diào)節(jié)電動閥，靈活調(diào)節(jié)制冷制熱量，當(dāng)制熱量足夠時通過調(diào)節(jié)閥門，使更多的熱量用以制冷，提升制冷量（見圖3）。其替代部分冷卻水帶走冷劑水蒸氣冷凝熱。如此額外增加了一部分熱能，同時還減少了通過冷卻塔散發(fā)的熱量。因此，經(jīng)研究與探討后，最終得出冷凝熱回收改造方案。該方案實施后溴化鋰機組從原本的制冷/制熱模式升級為可同時制熱制冷的冷熱雙供模式，并且機組的能效也得到了進一步提高。在此基礎(chǔ)上，通過在系統(tǒng)上加裝調(diào)節(jié)電動閥可實現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)制冷和制熱的比例，此法既可滿足反季供熱需求，從而避免使用燃氣鍋爐，同時冷熱同供可以有效解決冷熱需求不平衡問題，保證燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行。

圖3 改造示意圖

2.2 可行性分析

改造后制熱量調(diào)節(jié)范圍為350～750 kW（如表1 和表2 所示）。根據(jù)歷史供能數(shù)據(jù)測算，改造2 臺溴化鋰機組即可滿足反季供熱需求。

表1 1號能源中心2021年反季（21-04-15至21-10-15）供熱量

表2 2號能源中心2021年反季（21-04-15至21-10-15）供熱量

2.3 實施過程

1）主機改造過程

對2 臺溴化鋰主機同時進行改造，增加帶凝水盤的新?lián)Q熱器。

2）系統(tǒng)改造

在溴化鋰主機改造的同時拆除原管道，與主機改造同步完成系統(tǒng)管道及恒溫三通閥安裝。

3 項目實施效果

3.1 運行數(shù)據(jù)分析（見表3）

表3 改造后系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)

3.2 實際經(jīng)濟效益

根據(jù)2023 年1號及2號能源中心4月-10 月實際供熱數(shù)據(jù)以及改造后設(shè)備制熱量分析，本次改造項目可實現(xiàn)僅使用燃氣三聯(lián)供機組制熱滿足反季供熱需求，因此可避免使用燃氣鍋爐。以2023 年實際供能數(shù)據(jù)為例，制熱總量為8 275.29 MWh，燃氣鍋爐單位制熱成本約0.508 元/kWh，三聯(lián)供單位制熱成本約0.26元/kWh，因此使用燃氣三聯(lián)供機組替代原燃氣鍋爐反季節(jié)制熱需求，可節(jié)約運行成本約為(0.508-0.260)×8 275.29×1 000/10 000=205.23萬元（見表4）。

表4 2023年1號及2號能源中心4-10月供熱量(MWh)

此外，此次燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)改造后可實現(xiàn)同時制冷和制熱，因此在滿足制熱需求的同時會產(chǎn)生相應(yīng)的冷量。改造前燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)僅用于制冷，其制冷功率約為1 400 kW，改造后可實現(xiàn)同時制冷及制熱，以制熱功率約為700 kW、制冷功率約為900 kW 計算，改造后制冷功率較改造前減少500 kW，此部分制冷量由站內(nèi)離心式冷水機組（冷機）補充。因此，以2023 年4-10 月實際供熱數(shù)據(jù)為例，利用燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)制取8 275.29 MWh 熱量，需電制冷機相應(yīng)補充5 910.92 MWh 冷量。因燃氣三聯(lián)供制冷成本高于冷機制冷成本，燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)單位制冷成本約0.260 元/kWh，冷機單位制冷成本約0.170 元/kWh，因此制取此部分冷量會相應(yīng)額外增加運行成本約為(0.260-0.170)×5 910.92×1 000/10 000=53.20萬元。

綜上，此次改造完成后，可每年節(jié)省制熱成本約205.23 萬元，節(jié)省制冷成本約53.20 萬元，因此總節(jié)省經(jīng)營成本258.52萬元/年。

此次改造項目分別在1 號及2 號能源中心進行，改造以后的兩臺三聯(lián)供系統(tǒng)即可滿足用戶反季用熱需求，改造項目總投資金額約87.5 萬元。以2023 年實際供熱數(shù)據(jù)為例，此改造項目預(yù)計4 個月即可回收投資成本，經(jīng)濟效益十分顯著。

3.3 節(jié)能效益

燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)改造后，其綜合能源利用效率提升約7.14%，并且使用更加清潔高效的燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)替代了高能耗的鍋爐（見表5）。以2023 年反季制熱數(shù)據(jù)為例，總制熱量為8 275.29 MWh，因此可節(jié)約147 萬m3天然氣，可節(jié)約1 400.8 tce，減少CO2排放約3 883.7 t。

表5 燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)改造前后數(shù)據(jù)

3.4 項目實際效果

1）國內(nèi)余熱利用型溴化鋰機組使用冷凝熱回收尚無先例，該項目為首例改造案例，因此對其他燃氣三聯(lián)供項目具有重要參考價值，可在行業(yè)內(nèi)積極分享及推廣。

2）節(jié)省供能成本。以2023 年反季供熱數(shù)據(jù)為例，1 號和2 號能源中心總計每年可節(jié)約成本約258.52萬元。

3）增加燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)開機時間，發(fā)電機組余電可上網(wǎng)以此增加經(jīng)濟收益。

4）提升溴化鋰機組功率。改造后機組功率均提升約200 kW，因此溴化鋰機組能效提高約14%，燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)綜合效率提高約7.14%。

5）機組運行調(diào)節(jié)更靈活省時，供能模式切換無需停機降溫，且可通過電動調(diào)節(jié)閥靈活調(diào)節(jié)冷熱量。

6）使用高效率的燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)替代燃氣鍋爐，節(jié)能減排效益顯著，每年可節(jié)約1 400.8 tce，減少CO2排放3 883.7 t。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種冷凝熱回收方案，該方案將溴化鋰機組升級為可同時制冷制熱的冷熱雙供模式，并且將部分冷凝水回收利用。經(jīng)改造后，燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)的綜合能效提升了7.14%，同時也解決了區(qū)域內(nèi)客戶的反季用熱需求。國內(nèi)余熱利用型溴化鋰機組使用冷凝熱回收尚無先例，該案例系國內(nèi)首創(chuàng)，為同類燃氣三聯(lián)供項目提供了參考和借鑒。