樓宇式天然氣分布式能源系統(tǒng)年均綜合能源利用效率提升方案

余莉，張珍

(1.中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.華電分布式能源工程技術(shù)有限公司，北京 100160)

0 引言

樓宇式天然氣分布式能源系統(tǒng)是以內(nèi)燃機(jī)(或微燃機(jī))為原動(dòng)機(jī)，以煙氣熱水溴化鋰機(jī)組為余熱利用設(shè)備產(chǎn)生熱水和冷水，通過冷熱電聯(lián)產(chǎn)方式直接向一定區(qū)域內(nèi)樓宇建筑用戶輸出熱(冷)能、電能的能源供應(yīng)系統(tǒng)[1]。煙氣熱水溴化鋰吸收式冷(溫)水機(jī)組是以內(nèi)燃機(jī)(燃?xì)廨啓C(jī))發(fā)電機(jī)組等原動(dòng)機(jī)排放的高溫?zé)煔夂蜔崴鳛轵?qū)動(dòng)熱源，在真空環(huán)境下制取供暖空調(diào)系統(tǒng)或工藝系統(tǒng)所需冷水、熱水的設(shè)備。受溴化鋰溶液腐蝕性和溶液質(zhì)量濃度的影響，溴化鋰吸收式冷(溫)水機(jī)組的排煙溫度夏季制冷工況下不能低于160 ℃，冬季制熱工況下不能低于145 ℃。溴化鋰機(jī)組的排煙溫度直接影響系統(tǒng)的年均綜合能源利用效率。

1 煙氣熱水溴化鋰機(jī)組工作原理

溴化鋰吸收式制冷同蒸汽壓縮制冷原理相同，都是利用液態(tài)制冷劑在低溫、低壓條件下蒸發(fā)、汽化吸收載冷劑的熱量，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，不同的是，溴化鋰吸收式制冷是以“溴化鋰-水”組成的二元溶液為工質(zhì)對(duì)完成制冷循環(huán)。

在溴化鋰吸收式制冷機(jī)內(nèi)循環(huán)的二元工質(zhì)對(duì)中，水是制冷劑，在真空狀態(tài)下蒸發(fā)，具有較低的蒸發(fā)溫度，從而吸收載冷劑熱負(fù)荷，使之溫度降低，源源不斷地輸出低溫載冷劑(水)。工質(zhì)對(duì)中溴化鋰水溶液則是吸收劑，可在常溫和低溫下強(qiáng)烈地吸收水蒸氣，但在高溫下又能將其吸收的水分釋放出來。吸收與釋放周而復(fù)始，不斷循環(huán)，因此，蒸發(fā)制冷循環(huán)也連續(xù)不斷。

制冷過程所需的熱能可從蒸汽、熱水、廢氣中獲得。溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)包括發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器等4大熱交換裝置，再輔以其他設(shè)備，組成各種類型的溴化鋰吸收式制冷機(jī)。

首先由真空泵將機(jī)組抽至高真空度狀態(tài)，為低溫下水的沸騰創(chuàng)造了必要條件。由于溴化鋰水溶液有低于冷劑水的沸點(diǎn)壓力，二者之間存在壓力差，所以前者具有了吸收水蒸氣的能力，提供了使冷劑水能連續(xù)沸騰的可能性。

在單效機(jī)組里，溶液泵將吸收器里的稀溶液經(jīng)熱交換器送到發(fā)生器，由驅(qū)動(dòng)熱源將它加熱濃縮成濃溶液，同時(shí)產(chǎn)生冷劑蒸汽。冷劑蒸汽在冷凝器中冷凝成冷劑水，其潛熱由冷卻水帶至機(jī)外。冷劑水進(jìn)入蒸發(fā)器后，由冷劑泵經(jīng)噴淋裝置噴淋。在高真空度下冷劑水吸收蒸發(fā)器管內(nèi)冷水的熱量，低溫沸騰再次形成冷劑蒸汽，與此同時(shí)制取低溫冷水。濃縮后的濃溶液經(jīng)熱交換器后直接進(jìn)入吸收器，經(jīng)布液器淋激于吸收器換熱管上。濃溶液吸收蒸發(fā)器所產(chǎn)生的冷劑蒸汽后，本身變成稀溶液，同時(shí)還將吸收冷劑蒸汽時(shí)釋放出來的熱量轉(zhuǎn)移至冷卻水中。制冷循環(huán)就是溴化鋰水溶液在機(jī)內(nèi)由稀變濃再由濃變稀和冷劑水由液態(tài)變汽態(tài)、再由汽態(tài)變液態(tài)的循環(huán)，2個(gè)循環(huán)同時(shí)進(jìn)行，周而復(fù)始[2-3]。

2 常規(guī)樓宇式分布式能源系統(tǒng)配置方案

內(nèi)燃發(fā)電機(jī)出口約390 ℃的高溫?zé)煔膺M(jìn)入煙氣熱水溴化鋰機(jī)進(jìn)行制冷/制熱，溫度降至約160 ℃(制冷工況)/145 ℃(制熱工況)后經(jīng)煙囪排入大氣。

內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的高溫缸套水出口約95 ℃的熱水送入煙氣熱水溴化鋰機(jī)組冷卻至約75 ℃后送回內(nèi)燃機(jī)冷卻潤滑油、發(fā)動(dòng)機(jī)和一級(jí)中冷器等，高溫缸套水還與高溫散熱水箱聯(lián)通，當(dāng)煙氣熱水溴化鋰機(jī)組不能滿足高溫缸套水冷卻需求時(shí)，可調(diào)節(jié)熱水至高溫散熱水箱去冷卻。內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的低溫缸套水出口約65 ℃的熱水接至低溫散熱水箱進(jìn)行換熱，溫度降至約60 ℃后送回內(nèi)燃機(jī)冷卻二級(jí)中冷器、二級(jí)潤滑油等。

煙氣熱水溴化鋰機(jī)組的冷卻水出口連通冷卻塔；煙氣熱水溴化鋰機(jī)組包括煙氣高溫?zé)岚l(fā)生器和低溫?zé)峤粨Q器，內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的煙氣出口連通煙氣高溫?zé)岚l(fā)生器；內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的高溫缸套水出口依次連通煙氣高溫?zé)岚l(fā)生器和低溫?zé)峤粨Q器。

夏季制冷工況下，溴化鋰機(jī)組的高溫?zé)岚l(fā)生器的溴化鋰溫度高于150 ℃后，溴化鋰溶液對(duì)機(jī)組的腐蝕會(huì)加速，而低于130 ℃后溴化鋰溶液質(zhì)量濃度降低，會(huì)影響機(jī)組的制冷系數(shù)。因此一般會(huì)將高溫?zé)岚l(fā)生器的溴化鋰溫度控制在140 ℃以內(nèi)，基本可避開腐蝕，而排煙溫度比高溫?zé)岚l(fā)生器的溴化鋰溫度高15～30 ℃，通常情況下不能低于160 ℃。

3 降低排煙溫度的樓宇式分布式能源系統(tǒng)配置方案

為了充分利用余熱，可進(jìn)一步降低溴化鋰機(jī)組的排煙溫度,提高系統(tǒng)的熱效率。根據(jù)不同工程的情況，有2種降低溴化鋰機(jī)組的排煙溫度的方案。方案1：在煙氣熱水溴化鋰機(jī)組排煙口設(shè)置煙氣熱水換熱器，制出70 ℃的熱水為用戶提供生活熱水，排煙溫度可降至80 ℃。方案2：在煙氣熱水溴化鋰機(jī)組排煙口設(shè)置煙氣熱水換熱器，將循環(huán)水加熱至95 ℃后與內(nèi)燃機(jī)的高溫缸套水匯合進(jìn)入溴化鋰機(jī)組進(jìn)行制冷，排煙溫度可降至100 ℃，同時(shí)提高了煙氣熱水溴化鋰機(jī)組的熱水制冷量。系統(tǒng)配置流程如圖1所示。

4 2種方案技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

下面以具體項(xiàng)目為例，分別按常規(guī)方案和增加煙氣熱水換熱器的2種方案計(jì)算系統(tǒng)年均綜合能源利用效率。

某項(xiàng)目建設(shè)天然氣冷熱電三聯(lián)供的分布式能源系統(tǒng)，根據(jù)初步規(guī)劃，產(chǎn)業(yè)園地上建筑規(guī)模大約17萬m2，地下面積約8萬m2。該園區(qū)具有良好的熱、電、冷負(fù)荷條件，園區(qū)的供熱負(fù)荷為8.024 MW，常規(guī)供冷負(fù)荷為10.470 MW，常年供冷負(fù)荷為1.531 MW，生活熱水負(fù)荷為1.069 MW，用電負(fù)荷為6.951 MW。

圖1 設(shè)置煙氣熱水換熱器的余熱利用系統(tǒng)流程

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)原則是“以冷熱定電”，根據(jù)冷熱負(fù)荷確定內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組建設(shè)規(guī)模為6.698 MW，按一期進(jìn)行建設(shè)，站內(nèi)設(shè)2臺(tái)單機(jī)裝機(jī)容量為3.349 MW的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組和2臺(tái)2 908 kW(制冷量)/2 994 kW(制熱量)的煙氣熱水溴化鋰機(jī)組，另外配2臺(tái)直燃機(jī)作為調(diào)峰機(jī)組，以滿足工程全部冷熱負(fù)荷及生活熱水負(fù)荷需求。

本文僅計(jì)算三聯(lián)供機(jī)組的熱效率，不計(jì)入調(diào)峰機(jī)組的熱效率。計(jì)算年均綜合能源利用效率η[4]所用設(shè)備性能參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)見表1、表2、表3。

表1 內(nèi)燃機(jī)參數(shù)

表2 煙氣熱水溴化鋰機(jī)組參數(shù)

式中：W為年聯(lián)供系統(tǒng)輸出電量，kW·h；Q1為年有效余熱供熱總量，MJ；Q2為年有效余熱供冷總量，MJ；B為年聯(lián)供系統(tǒng)燃料總耗量，m3；QL為燃料低位發(fā)熱量，MJ/m3；Pt為煙氣降至不同溫度可利用的熱量；t為不同季節(jié)利用小時(shí)數(shù)；COP為制冷系數(shù)。

表3 各方案技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)論

綜上所述，樓宇式天然氣分布式能源系統(tǒng)在溴化鋰機(jī)組煙氣出口增設(shè)煙氣熱水換熱器，可以提高系統(tǒng)年均綜合能源利用效率。增設(shè)煙氣熱水換熱器供生活熱水方案，年均綜合能源利用效率可提高約3百分點(diǎn)；增設(shè)煙氣熱水換熱器增加溴化鋰機(jī)組的制冷量方案，年均綜合能源利用效率可提高約1百分點(diǎn)。