工廠冷卻水在分布式能源站中的應用

白文斌宋陽王戴娜

上海航天能源股份有限公司

引言

工業企業在生產過程中需要大量的冷卻水，如電子行業、燒堿行業、石油化工行業和冶金行業等內部的循環冷卻水用量占企業用水總量的50%～90%[1]。工業企業的廠區循環冷卻水量設計較大，在實際運行過程中幾乎很少出現滿負荷運行的情況[2]。

目前許多工業廠區為了達到節能減排等目的，在廠區內根據自身情況設置一套分布式能源系統，分布式能源系統提供給廠區所需的能源，如電力、蒸汽、熱水及冷凍水等。電力一般采用并網不上網的模式，供給廠區使用[3]。分布式能源系統中冷卻水是不可或缺的，由于工業企業原設計對廠區循環冷卻水的穩定性要求較高，因此完全能夠滿足分布式能源系統中對冷卻水的需求。

本文以某工業冷卻水系統的局部改造為例，引一路廠區冷卻水進入分布式能源系統，冷卻分布式能源站內設備，從而達到利用某些工業行業冷卻水，減少分布式能源的投資，達到節約運行成本和提高分布式能源運行效率的目的。

1 工廠冷卻水在分布式能源項目中的應用

1.1 某工廠冷卻水現狀

以某工廠為例，此工業是生產型化工企業，生產過程中用到了大量的電、蒸汽、冷凍水和冷卻水，企業用電量約15MW，蒸汽量約20t/h，冷量約6MW，冷卻水量約8 000t/h（包括生產以及制冷的冷卻水）。設計院在設計工廠冷卻水系統時，從安全性的角度出發，以廠區最大用量的110%作為工廠冷卻水的設計用量，而工廠實際冷卻水用量穩定在設計負荷的50%左右，且最高峰用量僅達到設計用量的65%左右。因此某廠區目前有約35%的冷卻水余量處于未利用狀態。這部分未利用的冷卻水可以作為分布式能源的冷卻水源。

1.2 內燃機分布式能源系統

企業所配置的分布式能源系統為燃氣內燃機發電機組，及煙氣熱水型溴化鋰制冷機組。圖1為內燃機分布式能源流程圖。

圖1 內燃機分布式能源系統圖

天然氣進入內燃機，內燃機經做功產生電力，供給用戶使用的同時產生高溫缸套水以及高溫煙氣。高溫缸套水及高溫煙氣進入煙氣熱水型溴化鋰機組，煙氣熱水型溴化鋰產生冷水供給用戶使用。內燃發電機組以及煙氣熱水型溴化鋰機組在工作過程中需要一定量的冷卻水。例如一臺MWMTCG 2032 V16機組，機組發電量為4 300kW，系統需要冷卻水量為1 156t/h，冷卻水供回水溫度分別為32℃/37℃，系統冷卻水用量占工廠用量的14.45%，不影響工廠的正常運行。

1.3 燃氣輪機分布式能源系統

本項目為工廠配置的分布式能源系統為燃氣輪機發電機組和蒸汽余熱鍋爐[4]。圖2為燃氣輪機分布式能源系統圖。

圖2 燃機輪機分布式能源系統圖

天然氣進入燃氣輪機燃燒室，在燃燒室內被點燃，高溫煙氣進入透平進行絕熱膨脹做功，旋轉的透平帶動發電機轉動產生電力，從透平尾部排出的約500℃的高溫煙氣引入余熱鍋爐，利用煙氣的余熱加熱給水，產生工業所需的蒸汽。系統運行時，需要大量的冷卻水給燃氣輪機的機油和發電機冷卻。例：對于MGT6100機組，機油冷卻所需的冷卻水量為30t/h，發電機組所需冷卻水量為51t/h，冷卻水供回水溫度分別為32℃和37℃，系統冷卻水用量占此工廠用量的1.01%，對工廠冷卻水系統不造成影響。

2 冷卻水系統的改造論證

2.1 可行性分析

廠區冷卻水系統改造，主要是將廠區冷卻水中的其中一路冷卻水引入分布式能源系統，系統圖見圖3。

圖3 改造后的冷卻水系統

從廠區原有冷卻水管路上引一路支管，分布式能源冷卻水系統與車間冷卻水系統并聯，通過閥門的開度來調節水路平衡，達到分布式能源冷卻水系統與車間冷卻水系統的水路平衡。在不影響原有生產工藝運行的前提下，從車間冷卻水系統引出一路冷卻水，是可行的。

2.2 安全性分析

大部分工業企業常年穩定生產運行，廠區冷卻水系統必須安全可靠[5]，一旦發生系統故障或事故停止供應冷卻水的情況，則整個生產工業將被迫中止，造成巨大的經濟損失，甚至可能發生安全事故。因此廠區冷卻水系統在設計時以及生產運行過程中均為安全級別非常高的工藝段，為廠區循環冷卻水在分布式能源系統中的應用提供安全保障。

冷卻水系統在設計過程中都會考慮一定的余量和檢修過程中的備用冷卻水系統。分布式能源系統利用廠區冷卻水進行冷卻，能保證分布式能源系統的安全穩定運行。

根據上述改造的冷卻水系統，分布式能源冷卻水系統與車間冷卻水系統并聯，當車間冷卻水系統損壞需停役檢修時，通過關閉車間冷卻水系統前后隔離閥，單獨運行分布式能源冷卻水系統，與整個廠區冷卻水系統形成閉合回路，穩定安全運行。同時當分布式能源冷卻水系統檢修時，將前后隔離閥關閉，不影響車間冷卻水系統的運行。

2.3 經濟性分析

上述設計案例為某廠區分布式能源方案的設計，在此就兩套方案分別從投資及運行角度進行經濟性分析。

內燃機方案，采用發電量為4 300kW的內燃發電機組，冷卻水耗量為1 156t/h，經改造后，可為分布式能源節省1 156t/h的冷卻塔以及2臺冷卻水泵的初投資。

燃氣輪機項目，采用發電量為6 630kW的燃氣輪機發電機組，冷卻水耗量為81t/h，可節省81t/h的冷卻塔以及2臺冷卻水泵的初投資。

表1為分布式能源冷卻系統改造前后冷卻系統投資估算表。

表1 分布式能源冷卻系統改造前后投資估算表（單套萬元）

從運行成本方面，分布式能源冷卻系統改造后，對于系統內部少了一套冷卻水泵和一套冷卻套，系統的運行成本降低。表2為分布式能源系統節能量。

表2 分布式能源系統節能（單套）

按表2的數據計算分布式能源系統年運行節能費用（年節能費=年節約電量×電費，電費按照0.8元/kWh計算），單套內燃機分布式能源系統節約運行費用166.4萬元/年；單套燃氣輪機分布式能源系統節約費用23.68萬元/年。

系統改造后，分布式能源的投資與運行費用都相應減少，內燃機制冷方案節約運行費用更多，冷卻水系統改造提高了分布式能源的系統收益。

3 總結

本文以工業廠區循環冷卻水在分布式能源系統改造應用為例，闡述了將工業企業循環冷卻水在分布式能源中的應用情景。

因廠區循環冷卻水對工業企業正常生產的重要性，分布式能源冷卻水系統利用工業企業的廠區循環冷卻水是可行的，分布式能源冷卻水系統與車間冷卻水系統并聯，提高了設備運行的安全性，在分布式能源經濟性建造過程中節省了冷卻水泵和冷卻塔的投資，提高了廠區循環冷卻水的利用價值，并且為分布式能源節省了運行成本。