電廠余熱利用和節(jié)能技術(shù)在蘭州奧體中心應(yīng)用分析

高陽洋 孟凡兵

中國航空國際建設(shè)投資有限公司

體育建筑作為全民健身運(yùn)動和競技場所，廣受民眾關(guān)注。體育建筑通常體量大、空間高、能耗大，因此體育建筑的節(jié)能顯得尤為重要。尤其是冷熱源系統(tǒng)，占整個空調(diào)采暖能耗的50%以上。冷熱源的選擇與節(jié)能非常關(guān)鍵。本工程冷熱源利用電廠蒸汽余熱，以驅(qū)動溴化鋰吸收式冷水機(jī)組及作為汽水換熱機(jī)組的一次熱源，可以提高能源利用率，達(dá)到節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本的目的。同時，對冷熱源及輸配系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行方式的分析，有利于在實(shí)際運(yùn)營階段真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計意圖，達(dá)到運(yùn)行節(jié)能的目的。

0 工程概況

蘭州奧體中心項(xiàng)目（見圖1）位于蘭州市七里河區(qū)崔家大灘片區(qū)，南濱河西路以南，分為南北兩區(qū)。北區(qū)包括體育場，綜合館，游泳館三個主要建筑以及一些零散的商業(yè)用房，南區(qū)主要包括運(yùn)動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房，網(wǎng)球館以及網(wǎng)球場看臺下零散商業(yè)用房。本文主要介紹項(xiàng)目南區(qū)。

圖1 蘭州奧體中心項(xiàng)目效果圖

運(yùn)動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房，位于整個項(xiàng)目用地的南區(qū)西側(cè)，總建筑面積約265000 m2，其中地上建筑面積約145500 m2，地下建筑面積約120000 m2。建筑主體在地上分為兩部分，北側(cè)為運(yùn)動員公寓（A 棟）、南側(cè)為體育產(chǎn)業(yè)用房（B 棟），A、B 棟為連體建筑，地下為2層的整體大底盤地下室。A 棟參照五星級旅館的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，地上建筑面積約95000 m2，建筑最高點(diǎn)99.9 m，地上21 層，主要功能為運(yùn)動員公寓、公寓配套用房、配套商業(yè)用房。B 棟地上建筑面積約48000 m2，建筑總高度84 m，地上17 層，主要功能為體育產(chǎn)業(yè)用房、配套商業(yè)用房。地下2 層，主要功能為運(yùn)動員公寓的配套體能訓(xùn)練用房，員工餐廳及廚房，內(nèi)部辦公及物業(yè)用房，汽車庫，設(shè)備用房及附屬庫房。

網(wǎng)球館位于整個項(xiàng)目用地的南區(qū)東側(cè)，總建筑面積約11500 m2，使用功能最高點(diǎn)建筑高度為23.95 m，設(shè)3000 個坐席，為甲級體育場館，能滿足全國運(yùn)動會和國際單項(xiàng)比賽的要求。

1 市政汽源系統(tǒng)配置

本項(xiàng)目用地東南方約1.5 km 的范坪熱電廠可提供常年、穩(wěn)定、充足、優(yōu)質(zhì)的高溫高壓飽和蒸汽，飽和蒸汽的絕對壓力為0.4 MPa。因地制宜，在具備條件的情況下，優(yōu)先利用余熱回收，符合《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的優(yōu)選節(jié)能原則。因此，本項(xiàng)目優(yōu)先利用電廠余熱蒸汽作為建筑能源，冷源采用溴化鋰吸收式冷水機(jī)組。電廠提供的蒸汽管線敷設(shè)至本工程南北區(qū)之間市政路，本工程南、北區(qū)分別由市政路將蒸汽管線接入。

2 電廠余熱的利用

運(yùn)動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房的空調(diào)冷負(fù)荷11000 kW，空調(diào)熱負(fù)荷12600 kW，地板采暖熱負(fù)荷70 kW；網(wǎng)球館空調(diào)冷負(fù)荷1200 kW，空調(diào)熱負(fù)荷150 kW，散熱器和熱水輻射板采暖熱負(fù)荷230 kW。

蒸汽需求時段、場所及用量如下：

夏季：蒸汽用于吸收式冷水機(jī)組，洗衣房和生活熱水。蒸汽最大需求用量為19 t/h。

冬季：蒸汽用于換熱機(jī)組的一次熱源，洗衣房和生活熱水。蒸汽最大需求用量為25 t/h。

2.1 蒸汽余熱應(yīng)用于冷源系統(tǒng)

蒸汽管線引至運(yùn)動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房地下一層換熱站內(nèi)，經(jīng)總計量后引至分汽缸，其中一支路供給制冷站內(nèi)的吸收式冷水機(jī)組，詳見圖2。設(shè)蒸汽型雙效吸收式冷水機(jī)組4 臺，制冷量3050 kW/臺，蒸汽耗量3443kg/h.臺，分別為運(yùn)動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房以及網(wǎng)球館提供冷凍水。制冷系統(tǒng)夏季冷水供水溫度7 ℃，回水溫度12 ℃。制冷系統(tǒng)需設(shè)置冷卻塔，冷卻水水溫30/36 ℃。

圖2 電廠余熱利用情況示意圖

2.2 蒸汽余熱應(yīng)用于熱源系統(tǒng)

蒸汽管線引至運(yùn)動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房地下一層換熱站內(nèi)，經(jīng)總計量后引至分汽缸，一支路供給換熱站內(nèi)的汽-水換熱機(jī)組，作為供暖一次熱源，再置換成符合各系統(tǒng)使用需求的熱水，詳見圖2。汽-水換熱機(jī)組為成套設(shè)備，含換熱器，水泵，疏水器，各種閥門，儀表，控制柜及控制系統(tǒng)。換熱機(jī)組工作壓力在0.4 MPa 至0.8 MPa 之間。換熱機(jī)組總熱負(fù)荷為13000 kW，一次側(cè)熱媒為絕對壓力0.4 MPa 的飽和蒸汽，飽和溫度144 ℃，循環(huán)側(cè)供回水溫度為55/40 ℃。換熱器采用模塊組合式布局，選6 臺汽水換熱器共同使用。換熱機(jī)組通過調(diào)節(jié)一次側(cè)電動調(diào)節(jié)閥的開度，來保持供水溫度穩(wěn)定。二次側(cè)回水設(shè)有超壓保護(hù)閥門，壓力超過設(shè)定值，此閥門開啟泄壓，二次側(cè)供水設(shè)有超溫報警保護(hù)功能，若二次持續(xù)高溫，系統(tǒng)會自動停止并報警。

2.3 蒸汽余熱應(yīng)用于其他系統(tǒng)

本項(xiàng)目蒸汽除供給制冷系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)外，還供給運(yùn)動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房的洗衣房和生活熱水機(jī)房，滿足運(yùn)動員公寓洗衣房工藝需求及生活熱水的熱源需求。詳見圖2。

2.4 冷凝水系統(tǒng)余熱利用

各用汽設(shè)備的凝結(jié)水排水溫度較高，為65～80 ℃，且水質(zhì)較好，對其加以利用是節(jié)水節(jié)能之舉。凝結(jié)水經(jīng)汽動型凝結(jié)水回收機(jī)組匯集后，引至用水、用熱點(diǎn)：即作為空調(diào)熱水系統(tǒng)的補(bǔ)水以及供生活熱水做熱源使用，詳見圖2。經(jīng)以上利用后最終排放的蒸汽凝結(jié)水溫度可降至40 ℃以下，由給排水接入中水系統(tǒng)進(jìn)一步加以利用。

3 溴化鋰吸收式冷水機(jī)組節(jié)能運(yùn)行

溴化鋰吸收式冷水機(jī)組是能耗大戶，蒸汽、冷卻水消耗量大，通過對制冷系統(tǒng)的操作優(yōu)化和性能改進(jìn)，可以穩(wěn)定溴化鋰吸收式冷水機(jī)組的運(yùn)行狀況，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3.1 溴化鋰吸收式冷水機(jī)組連鎖、連動控制

本項(xiàng)目冷源采用的溴化鋰吸收式冷水機(jī)組，其自控系統(tǒng)提供了一套冷水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)的聯(lián)鎖信號、連動信號接點(diǎn)以及一個冷卻塔風(fēng)機(jī)的簡易溫控開關(guān)接點(diǎn)。溴化鋰制冷機(jī)組運(yùn)行時，按圖3 的時序進(jìn)行起動和停止。

圖3 溴化鋰吸收式冷水機(jī)組及水泵起停時序圖

起動時，機(jī)組首先發(fā)出冷水泵的連動信號，起動冷水泵，等待聯(lián)鎖信號返回，判斷冷水泵起動完成后，發(fā)出冷卻水泵的連動信號，起動冷卻水泵，等待聯(lián)鎖信號返回，判斷冷卻水泵運(yùn)轉(zhuǎn)成后，起動溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組開始制冷運(yùn)行，同時，按冷卻水入口溫度控制冷卻塔的起停。

停止時，機(jī)組首先關(guān)斷蒸汽驅(qū)動熱源的輸入，保持冷水泵，冷卻水泵，冷卻塔及機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行一段時間，這個過程一般稱為“稀釋運(yùn)轉(zhuǎn)過程”，使機(jī)組整體快速降溫，并使機(jī)組內(nèi)部的濃溶液與冷劑水充分混合，確保機(jī)組內(nèi)溶液不會發(fā)生結(jié)晶故障。等待機(jī)組降到一定溫度后，通過聯(lián)鎖、連動信號停止冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔等附屬設(shè)備，再繼續(xù)運(yùn)行一段時間，讓機(jī)組內(nèi)部的溶液充分稀釋后，機(jī)組完全停止[2]。

3.2 溴化鋰吸收式冷水機(jī)組節(jié)能運(yùn)行中的控制措施

1）蒸汽壓力波動的控制

本項(xiàng)目蒸汽是由熱電廠提供，用戶多，用量范圍大，會出現(xiàn)壓力波動。在其它條件不變時，機(jī)組的制冷量隨著加熱蒸汽壓力的升高而增大。但是蒸汽壓力過高時，機(jī)組容易結(jié)晶，制冷量反而會嚴(yán)重下降。本工程在蒸汽管路上設(shè)置三個閥門，聯(lián)合控制蒸汽壓力，分別為蒸汽切斷閥防止壓力波動，自力式調(diào)節(jié)閥控制總壓力范圍，蒸汽調(diào)節(jié)閥做精細(xì)調(diào)整，其中蒸汽調(diào)節(jié)閥的靈敏度是運(yùn)行中監(jiān)測的重點(diǎn)，確保其滿負(fù)荷時全開，無負(fù)荷時全關(guān)。另外開機(jī)通蒸汽時，要監(jiān)測蒸汽壓力的變化，防止供熱過快，使發(fā)生器傳熱管受熱不勻，造成傳熱管變形和脹管處泄漏。通過和蒸汽壓力和蒸汽用量的控制，既保護(hù)了機(jī)組又達(dá)到了節(jié)能的目的。

2）冷水出口溫度的控制

在其它條件不變的情況下，機(jī)組的制冷量隨著冷水出口溫度升高而提高。冷水出口溫度每升高1 ℃，機(jī)組制冷量提高4%～7%。所以當(dāng)空調(diào)負(fù)荷降低時，適當(dāng)提高冷水供水溫度，可提高機(jī)組制冷量，而不必一定控制冷水溫度在7 ℃，變冷水出口溫度調(diào)節(jié)，是溴化鋰吸收式冷水機(jī)組節(jié)能降耗的重要措施。

3）冷卻水進(jìn)口溫度的控制

在其它條件不變的情況下，機(jī)組的制冷量隨著冷卻水進(jìn)口溫度降低而提高。冷卻水進(jìn)口溫度降低1 ℃，制冷量增加3%左右。但是冷卻水溫度過低或用量過大，將造成濃溶液結(jié)晶和冷劑水污染現(xiàn)象的發(fā)生，所以從機(jī)組安全運(yùn)行角度考慮，不允許冷卻水進(jìn)口溫度過低。本工程地處蘭州地區(qū)，氣候干燥，采用的冷卻水進(jìn)出水溫度為30/36 ℃，這種適當(dāng)降低冷卻水進(jìn)水溫度和加大冷卻水溫差的設(shè)計，可提高熱交換效率，減少循環(huán)水量，達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的效果。

4）溶液循環(huán)量的控制

采用合適的溶液循環(huán)量，不僅能提高機(jī)組的制冷量，而且還能節(jié)約蒸汽和循環(huán)水用量。本項(xiàng)目通過以下兩種方式對溶液循環(huán)量進(jìn)行控制：其一，通過調(diào)節(jié)溶液泵出口溶液閥和中間溶液閥來實(shí)現(xiàn)機(jī)組液位和溶液循環(huán)量的調(diào)整。其二，通過改變高發(fā)溫度或壓力的設(shè)定值，從而改變變頻器的頻率來調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)過程中要注意保持高低壓發(fā)生器液位的穩(wěn)定，防止因液位波動而造成冷劑水污染。

4 輸配系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行

本工程結(jié)合建筑布局和功能需求，空調(diào)冷水系統(tǒng)采用二次泵變流量系統(tǒng)，南區(qū)按運(yùn)動員公寓與體育產(chǎn)業(yè)用房、網(wǎng)球館單體分別配置二次泵，采用變頻泵變速控制。詳見圖4。二次泵變流量系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的一次泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上在負(fù)荷側(cè)增加一組循環(huán)水泵,將冷凍水系統(tǒng)分為制備和輸送兩個部分,一次泵負(fù)責(zé)冷水機(jī)組側(cè)的阻力，二次泵用來克服末端的阻力，相對于一次泵系統(tǒng)降低了各自管路的承壓。當(dāng)負(fù)荷側(cè)系統(tǒng)較大、阻力較高時,如果采用一次泵系統(tǒng)，需要根據(jù)冷水機(jī)組的流量和系統(tǒng)最不利環(huán)路的阻力選擇水泵，配置功率大，且大部分時間在部分負(fù)荷時運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)能量利用率低、能耗高。采用二次泵系統(tǒng)時，當(dāng)負(fù)荷側(cè)水量變化時,二次水泵的運(yùn)行頻率根據(jù)能夠反映用戶側(cè)實(shí)際水量需求的信號進(jìn)行調(diào)整,用水泵的變頻控制作用來取代部分或全部調(diào)節(jié)閥節(jié)流作用,減少了能量的消耗。在負(fù)荷側(cè)和冷、熱源側(cè)之間設(shè)平衡管用以平衡一、二次冷凍水量的差異[3]。

圖4 空調(diào)冷水二次泵變流量系統(tǒng)原理圖

1）冷水機(jī)組及對應(yīng)冷凍水泵的控制

控制系統(tǒng)根據(jù)冷凍水供、回水溫度和制冷機(jī)組運(yùn)行的電流及冷媒壓力、溫度等參數(shù)，自動準(zhǔn)確計算出空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際所需要的冷負(fù)荷，自動調(diào)整制冷機(jī)組運(yùn)行工況，從而達(dá)到最佳節(jié)能的目的。

當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷增加時，若負(fù)荷大于運(yùn)行中冷水機(jī)組提供的最大負(fù)荷，且此狀態(tài)持續(xù)10～15 min，控制系統(tǒng)將采用“軟啟動”的模式進(jìn)行加機(jī)運(yùn)行。即首先降低正在運(yùn)行機(jī)組的負(fù)荷，然后啟動下一臺冷水機(jī)組及對應(yīng)的冷水泵，最后使得所有運(yùn)行的機(jī)組按照相同的負(fù)荷工作。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷減小時，若減少某臺冷水機(jī)組后，剩余機(jī)組提供的最大負(fù)荷滿足空調(diào)負(fù)荷要求，且此狀態(tài)持續(xù)10～15 min，控制系統(tǒng)將采用“軟關(guān)機(jī)”的模式進(jìn)行減載運(yùn)行。即首先降低機(jī)組的運(yùn)行工況，直至使系統(tǒng)負(fù)荷減少到可以停止一臺冷水機(jī)組及對應(yīng)的冷水泵。通過“軟啟動”和“軟關(guān)機(jī)”可以避免機(jī)組在啟動和停止時對電網(wǎng)造成的沖擊確保機(jī)組和配電站的安全。

2）冷凍水泵頻率以及旁通閥門的控制

控制系統(tǒng)根據(jù)集分水器上的壓差傳感器提供的壓差信號，與設(shè)定值進(jìn)行比較，并自動調(diào)節(jié)冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，從而在保持系統(tǒng)壓力平衡的同時充分發(fā)揮二次泵變流量的節(jié)能特性。控制系統(tǒng)隨時檢測系統(tǒng)冷凍水的實(shí)際流量，當(dāng)實(shí)際流量接近單臺冷水機(jī)組最低流量要求的時候，冷凍水系統(tǒng)的旁通閥門將會被逐步打開，以彌補(bǔ)系統(tǒng)流量的需要。同時在冷凍水流量發(fā)生變化的時候，控制系統(tǒng)將調(diào)節(jié)冷水機(jī)組內(nèi)部裝置的運(yùn)行，使之滿足低流量狀態(tài)時的需要，同時保證機(jī)組的正常運(yùn)行效率。

5 結(jié)論

1）因地制宜，結(jié)合項(xiàng)目市政條件，充分利用電廠余熱作為建筑能源，可以提高能源利用率，達(dá)到節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本的目的。

2）優(yōu)化溴化鋰吸收式冷水機(jī)組節(jié)能運(yùn)行中的控制措施，通過控制蒸汽壓力，冷水出口溫度，冷卻水進(jìn)口溫度以及溶液循環(huán)量等，保證機(jī)組的安全和系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。

3）優(yōu)化輸配系統(tǒng)的運(yùn)行方案，實(shí)現(xiàn)二次泵變流量系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。

4）注重系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行和調(diào)試，有利于在實(shí)際運(yùn)營階段真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計意圖，實(shí)現(xiàn)真正意義上的節(jié)能。