燃?xì)夥植际侥茉凑拘钅芟到y(tǒng)節(jié)能改造及分析

黃中柏，劉亞勛，黃 輝，羅 凱

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北華電創(chuàng)意天地新能源有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)采用天然氣作為主要能源，燃用天然氣發(fā)電，將發(fā)電后的余熱用于供熱制冷，再將更低溫度的廢熱供應(yīng)生活熱水，目的在于提高能源利用效率。相對(duì)傳統(tǒng)的供能方式而言，分布式能源是利用發(fā)電的余熱進(jìn)行制熱、制冷，一次能源利用率可達(dá)70%～90%[1]，具有能效高、清潔環(huán)保、安全等優(yōu)點(diǎn),分布式能源越來越受到廣泛的重視。本文基于武漢某燃?xì)夥植际侥茉凑拘钅芗吧顭崴到y(tǒng)的運(yùn)行特性，針對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，提出了節(jié)能改進(jìn)措施。

1 概述

武漢某分布式能源站配置一套蓄能系統(tǒng)和生活熱水外賣裝置，以滿足用戶對(duì)不同類供能的需求，其中，蓄能系統(tǒng)由蓄能水箱（含上、下布水器）、板式水-水換熱器、水泵及控制系統(tǒng)等組成，用于供冷季儲(chǔ)存富余的冷量和供熱季儲(chǔ)存富余的熱量；生活熱水系統(tǒng)由生活熱水緩沖水箱、自來水緩沖水箱、水泵及生活熱水板式換熱器等組成，用于過渡季節(jié)對(duì)外出售生活熱水。蓄能及生活熱水系統(tǒng)參數(shù)見表1，流程如圖1所示。

表1 蓄能及生活熱水系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of energy storage and domestic hot water system

圖1 蓄能及生活熱水系統(tǒng)改造前流程圖Fig.1 Flow chart before renovation of energy storage and domestic hot water system

2 系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)及節(jié)能改造的必要性

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)

水蓄能是利用水的顯熱來實(shí)現(xiàn)冷/熱量?jī)?chǔ)存。在蓄能水箱中，不同溫度的水因其密度不同形成重力自然分層，需要在蓄能水箱的內(nèi)部設(shè)置上、下布水器、鋼砼或鋼制隔板來控制冷熱水內(nèi)部流動(dòng)，減弱蓄能水箱內(nèi)部的冷熱水混合。

制取生活熱水時(shí)，將自來水與蓄能水箱中的熱水通過生活熱水板式換熱器進(jìn)行換熱，使得生活熱水箱中的熱水溫度滿足外賣要求。當(dāng)蓄能水箱上布水器的水溫95℃（以上），下布水器的水溫78℃（以上）時(shí)，不需要啟動(dòng)蓄能板式換熱水泵、生活熱水循環(huán)泵，蓄能水箱中的熱水直接可對(duì)外出售。

2.2 節(jié)能改造的必要性

分布式能源站實(shí)施節(jié)能降耗改造，提高能源利用效率，符合國(guó)家節(jié)能方針和環(huán)保要求。

針對(duì)工業(yè)園區(qū)冷負(fù)荷長(zhǎng)期偏低，能源站蓄能系統(tǒng)蓄冷放冷功能基本用不上和長(zhǎng)期外賣生活熱水的需要，將蓄能水箱功能簡(jiǎn)化為蓄熱工況和對(duì)外直供生活熱水，一方面可以節(jié)約供應(yīng)熱水的運(yùn)行成本，另一方面可以減輕運(yùn)行人員監(jiān)盤的工作強(qiáng)度。

3 節(jié)能改造方案

根據(jù)能源站長(zhǎng)期運(yùn)行工況，確定蓄能及生活熱水系統(tǒng)如下改造方案：

（1）蓄能水箱下布水器位置確定。由于蓄能水箱是分層式蓄熱，內(nèi)部水溫呈高低分層分布，下布水器出口處的水溫應(yīng)滿足生活熱水外賣要求，下布器出口高度應(yīng)根據(jù)外賣生活熱水的水溫確定。

（2）蓄能水箱下布水器改造。在下布水器引出的母管上安裝一個(gè)三通閥，其中一路水管接地溝排污，另一路水管連接到生活熱水供水泵入口；另外，在生活熱水供水泵入口增加兩個(gè)切換閥門，便于對(duì)外供熱水時(shí)進(jìn)行水源切換。

（3）蓄能水箱補(bǔ)水改造。在蓄能水箱的頂部位置增加兩路自來水補(bǔ)水管道，補(bǔ)水管道為DN150不銹鋼水管，其中一路補(bǔ)水管道用手動(dòng)門控制，另一路補(bǔ)水管道用電動(dòng)門控制，根據(jù)蓄能水箱水位的高低實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水。

武漢某燃?xì)夥植寄茉凑窘?jīng)節(jié)能改造后，蓄能及生活熱水系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 蓄能及生活熱水系統(tǒng)改造后的流程圖Fig.2 After flow chart transformation of energy storage and domestic hot water system

4 節(jié)能方案分析

4.1 熱水對(duì)外供應(yīng)可行性分析

假設(shè)一臺(tái)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組全天連續(xù)24 h運(yùn)行，夏季每天可為煙氣換熱器提供48 000 kW的煙氣熱量，外賣生活熱水從20℃上升至80℃，理論可制取生活熱水 48 000 kW÷4.2 kJ/(kg·℃)×3 600÷(80-20)℃÷1 000 kg/m3=685 m3；冬季每天可為煙氣換熱器提供36 000 kW的煙氣熱量，外賣生活熱水從10℃上升至80℃，冬季理論上可制取的生活熱水量為36 000 kW÷4.2 kJ/(kg·℃)×3 600 ÷(80-10)℃÷1 000 kg/m3=440 m3。無論是冬季還是在夏季，蓄熱工況與外送生活熱水不能同時(shí)進(jìn)行，制取的生活熱水量均低于理論計(jì)算值。

為解決全年生活熱水供應(yīng)不足問題，將蓄能水箱改造成對(duì)外供應(yīng)生活熱水箱后，減少中間換熱環(huán)節(jié)，不僅可以增加天然氣利用率，還可以縮短制取生活熱水的時(shí)間，滿足蓄能水箱在夏季、冬季及過度季節(jié)供應(yīng)生活熱水等需求。

4.2 制取和供應(yīng)生活熱水方式靈活

蓄能水箱改造前，能源站對(duì)外供應(yīng)生活熱水時(shí)，因存在一系列的換熱過程，蓄熱工況與外送生活熱水不能同時(shí)進(jìn)行。為了能連續(xù)制取合格的生活熱水，安排一名運(yùn)行值班人員配合熱水購(gòu)買單位，對(duì)生活熱水系統(tǒng)進(jìn)行操作和調(diào)整。假設(shè)每天外賣熱水300 m3，從常溫5℃的補(bǔ)水加熱至80℃的熱水，需要時(shí)間為 300×103kg×4.2 kJ/(kg·℃)÷3 600×（80-5）℃÷2 000 kW=13.2 h；蓄能水箱改造后，蓄能水箱儲(chǔ)存熱水的有效容積增大，不需要安排值班人員對(duì)生活熱水系統(tǒng)進(jìn)行操作和調(diào)整，蓄熱工況可與外賣生活熱水同時(shí)進(jìn)行，實(shí)施蓄能水箱改造可最大程度的節(jié)約人力和物力。

4.3 節(jié)能費(fèi)用分析

生活熱水循環(huán)水泵電機(jī)功率為3 kW，生活熱水換熱水泵功率為11 kW，每天按外賣生活熱水300 t，運(yùn)行15 h計(jì)算，生活熱水循環(huán)泵和生活熱水換熱水泵可節(jié)約電費(fèi)為14 kW×0.642元/(kW·h)×15 h=134.82元，每月可節(jié)約電費(fèi)134.82×30=4 044.6(元)。

生活熱水板換一次側(cè)87℃/52℃，二次側(cè)5℃/85℃，一次側(cè)流量為120 m3/h，按高溫側(cè)溫差2℃計(jì)算，則每小時(shí)可減少的熱量損失為Q=cm△t=4.2 kJ/(kg·℃)×120×103kg×2 ℃/3 600=280 kW熱量，15 h可節(jié)約4 200 kW熱量，每月按30 d計(jì)算可節(jié)約126×105kW損失的熱量。如1 m3水溫度由20℃加溫至80℃，須外加熱量為70 kW，每月可多制取1 800 t生活熱水，每噸熱水純利潤(rùn)按5元計(jì)算，減少生活熱水換熱運(yùn)行環(huán)節(jié)，每月可節(jié)約9 000元。

蓄能及生活熱水系統(tǒng)改造后，盡可能制取生活熱水，充分利用煙氣余熱和盡可能地減少冷卻塔水蒸汽排放。查表知：45℃水蒸氣的氣化潛熱為2 548 kJ/kg，1 t水完全氣化則需要吸收2 548 kJ/kg×1 000 kg/3 600=707 kW熱量，相當(dāng)于每賣10 t的生活熱水，可節(jié)約1 t熱水的排放損失。

蓄能及生活熱水系統(tǒng)改造后，因生活熱水循環(huán)泵、生活熱水換熱泵、自來水緩沖水箱、生活熱水緩沖水箱及生活熱水換熱板停止運(yùn)行，減少了設(shè)備操作和維護(hù)費(fèi)用。

5 結(jié)語(yǔ)

蓄能水箱改造成生活熱水箱后，外賣生活熱水直接用生活熱水泵從蓄能水箱向外抽水，運(yùn)行方式得到了極大的簡(jiǎn)化，同時(shí)也滿足蓄能水箱在夏季、冬季及過度季節(jié)的生活熱水供應(yīng)，不僅減少了系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和能源消耗，還增加了能源站經(jīng)濟(jì)效益。本次分布式能源站蓄能系統(tǒng)改造可為同類型機(jī)組系統(tǒng)節(jié)能改造提供參考。

[1] 黃中柏，周忠濤，黃輝，等.燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉礄C(jī)組調(diào)試及主要問題分析處理[J].湖北電力，2016，40(4)：47-49.HUANG Zhongbai,ZHOU Zhongtao,HUANG Hui,et al.Commissioning the combined cold heat and power generation and distributed energy system unit with natural gas as fuel as well as analysis and treatment of main problems[J].Hubei Electric Power,2016,40(4)：47-49.