基于太古供熱一級(jí)網(wǎng)回水集中降溫的優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙 寧

(太原市熱力設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030012)

1 概述

為打造優(yōu)美、和諧、宜居的生活環(huán)境，北方各地政府正積極推進(jìn)集中供熱全覆蓋工程。近幾年，由于房地產(chǎn)行業(yè)興起，熱用戶猛增，而熱源不足問題日益嚴(yán)重。另外，現(xiàn)狀集中供熱系統(tǒng)一次網(wǎng)回水溫度均在40 ℃以上甚至更高，導(dǎo)致熱能輸送能力受限且散熱損失較大，不僅增加管網(wǎng)建設(shè)投資，且增大了熱源投入。基于以上兩大背景，本文結(jié)合太原市城西燃?xì)庹{(diào)峰熱源廠項(xiàng)目建設(shè)，通過在廠區(qū)內(nèi)設(shè)置熱泵機(jī)組，降低太古一級(jí)網(wǎng)回水溫度，提供能源利用率；同時(shí)，充分利用提取出的低品位能提升熱源廠供熱回水溫度，節(jié)約鍋爐燃?xì)夂牧浚瑢?shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益雙贏。

2 一級(jí)網(wǎng)回水集中降溫的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

太原市已形成以熱電聯(lián)產(chǎn)和大型熱源廠為主，燃?xì)獬袚?dān)尖峰負(fù)荷的供熱格局，并逐步實(shí)現(xiàn)多熱源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，通過統(tǒng)一的大熱網(wǎng)形成的熱源統(tǒng)一調(diào)配和事故工況下互為備用。

為彌補(bǔ)太原市西北部地區(qū)供熱熱源缺口，將新建1座燃?xì)庹{(diào)峰熱源廠，熱源廠設(shè)計(jì)裝機(jī)5臺(tái)116 MW高溫燃?xì)鉄崴仩t，設(shè)計(jì)供熱能力為580 MW，設(shè)計(jì)供熱面積為1 100萬m2。鍋爐熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，設(shè)計(jì)供回水溫度為130 ℃/70 ℃，鍋爐房燃用天然氣資料為Qdwy=35 680 kJ/m3，8 523 kcal/m3時(shí)，鍋爐峰值用氣量為6.4萬m3/h。額定循環(huán)水量為8 313.3 t/h，主干管管徑為DN1 200。

市區(qū)太古供熱管網(wǎng)一次管網(wǎng)設(shè)計(jì)供、回水溫度為120 ℃/60 ℃，設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，管線從市區(qū)中繼能源站分3支引出，其中一支DN1 400管線位于該熱源廠項(xiàng)目附近，根據(jù)運(yùn)行期間實(shí)測(cè)，其回水溫度43 ℃左右，循環(huán)水量8 500 t/h。

2.2 補(bǔ)燃型吸收式熱泵技術(shù)

補(bǔ)燃型吸收式換熱機(jī)組工作原理類似于溴化鋰吸收式制冷機(jī)，可通過燃?xì)庵苯域?qū)動(dòng)。其工作流程如下：

首先通過燃?xì)馊紵拱l(fā)生器內(nèi)溴化鋰水溶液受到加熱后，溶液中的水不斷汽化；隨著水的不斷汽化，發(fā)生器內(nèi)的溴化鋰水溶液濃度不斷升高，進(jìn)入吸收器。

冷劑水蒸氣進(jìn)入冷凝器，被冷凝器內(nèi)的二次網(wǎng)水吸熱降溫后凝結(jié)，成為高壓低溫的液態(tài)水；當(dāng)冷凝器內(nèi)的水通過節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)，急速膨脹而汽化，并在汽化過程中大量吸收蒸發(fā)器內(nèi)一次網(wǎng)水的熱量，進(jìn)一步降低一次網(wǎng)回水溫度。

低溫水蒸氣進(jìn)入吸收器，被吸收器內(nèi)的溴化鋰水溶液吸收，溶液濃度逐步降低，再由溶液泵送回發(fā)生器，完成整個(gè)循環(huán)。

燃?xì)馊紵蟮臒煔馔ㄟ^發(fā)生器后進(jìn)入蒸發(fā)器，進(jìn)一步降低一次網(wǎng)回水溫度。

二次側(cè)回水先過吸收器吸收一定熱量進(jìn)入冷凝器進(jìn)一步吸熱后供出。如此循環(huán)不息，連續(xù)將一次網(wǎng)熱量傳遞給二次側(cè)。

由于溴化鋰稀溶液在吸收器內(nèi)已被冷卻，溫度較低，為了節(jié)省加熱稀溶液的熱量，提高整個(gè)裝置的熱效率，在系統(tǒng)中增加了一個(gè)換熱器，讓發(fā)生器流出的高溫濃溶液與吸收器流出的低溫稀溶液進(jìn)行熱交換，提高稀溶液進(jìn)入發(fā)生器的溫度。其流程圖見圖1。

2.3 高效直燃型熱泵選型參數(shù)

單臺(tái)機(jī)組參數(shù)見表1。

表1 單臺(tái)機(jī)組參數(shù)表

2.4 一級(jí)網(wǎng)回水集中降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新建的城西燃?xì)鉄嵩磸S地塊內(nèi)設(shè)置補(bǔ)燃熱泵車間，車間內(nèi)設(shè)置4臺(tái)燃?xì)鉄岜脵C(jī)組，一次側(cè)通過燃?xì)怛?qū)動(dòng)，將太古一級(jí)網(wǎng)回水溫度從43 ℃降至20 ℃，循環(huán)水量為8 500 t/h，根據(jù)燃?xì)鉄岜脵C(jī)組選型參數(shù)，可獲得179.18 MW熱量(其中91 MW從回水余熱提取，88.18 MW由燃?xì)馓峁?。二次側(cè)：燃?xì)鉄嵩磸S主回水管經(jīng)過4臺(tái)燃?xì)鉄岜脵C(jī)組，溫度由70 ℃加熱至90 ℃，再經(jīng)過廠區(qū)鍋爐間內(nèi)5臺(tái)燃?xì)忮仩t，將水溫由90 ℃提高至130 ℃，總循環(huán)水量為8 313 t/h。直燃型吸收式熱泵系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

3 節(jié)能量及節(jié)氣量計(jì)算

根據(jù)CJJ 34—2010城市供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范，GB 50189—2015公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及《實(shí)用集中供熱手冊(cè)》，年耗熱量計(jì)算如下：

Qnn= 0.086 4NQnP。

QnP=Q(tn-tpj)/(tn-tw)。

其中，Qnn為采暖年耗熱量；QnP為平均熱負(fù)荷，kW；Q為采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW；N為采暖計(jì)算天數(shù)，151 d；tn為采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，18 ℃；tpj為冬季采暖室外平均溫度，-0.9 ℃；tw為冬季采暖室外設(shè)計(jì)溫度，-11 ℃。

1)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為580 MW，年耗熱量按上述公式計(jì)算如下：

QnP=Q(tn-tpj)/(tn-tw)=580 000×(18+0.9)/(18+11)=378 000 kW。

Qnn= 0.086 4QnPN=0.086 4×378 000×151=4 931 539.2 GJ。

則本項(xiàng)目采暖季供熱量為4 931 539.2 GJ。選用氣源35 680 kJ/Nm3(8 523 kcal/Nm3)，燃?xì)忮仩t綜合熱效率按97%計(jì)算，則實(shí)際熱源工序年耗熱量，即企業(yè)購入天然氣為：

M=4 931 539.2 GJ÷35 680 kJ/Nm3÷97%= 12 885.56×104Nm3/年。

2)通過設(shè)置直燃型吸收式機(jī)組提取低品位能后，天然氣耗量計(jì)算如下:

經(jīng)實(shí)測(cè)太古一級(jí)網(wǎng)回水溫度采暖季維持在43 ℃左右，本文以43 ℃進(jìn)行計(jì)算。直燃型吸收式機(jī)組從回水余熱提取熱量為91 MW，年耗熱量為：

Qy=91×151×24×3 600/1 000 GJ=1 187 222.4 GJ。

燃?xì)忮仩t天然氣用量為：

M1=(4 931 539.2-1 187 222.4)GJ÷35 680 kJ/Nm3÷97%=10 818.72×104Nm3/年。

直燃型吸收式機(jī)組天然氣用量為：

M2=2 472 Nm3/h×24×151=895.85×104Nm3/年。

節(jié)約用氣量：

Mj=M-M1-M2=1 180.99×104Nm3/年。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

本項(xiàng)目輸入能源為天然氣、電力、熱力，輸出能源為熱力。本工程熱力輸出不變；節(jié)約燃?xì)饬繛? 180.99×104Nm3/年，折合標(biāo)準(zhǔn)煤14 396.27 tce；增加用電量為W=180×24×151=65.23×104kW·h，折標(biāo)煤約80.17 tce。

該系統(tǒng)節(jié)約的綜合能源消費(fèi)量(當(dāng)量值)：

14 396.27 tce-80.17 tce=14 316.1 tce。

該系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)，燃?xì)赓M(fèi)按3.63元/Nm3計(jì)算時(shí)，節(jié)約燃?xì)夤岬某杀緸? 287萬元/年。

電價(jià)按照0.55元/度計(jì)算，全年直燃型吸收式熱泵機(jī)組系統(tǒng)增加電耗成本為36萬元/年。

采用直燃熱泵方式回收太古一級(jí)網(wǎng)回水中的余熱后，此部分熱量對(duì)比燃?xì)夤幔晒?jié)省燃?xì)獬杀? 251萬元/年。

根據(jù)估算，增加該系統(tǒng)總投資約4 190萬元，其中4臺(tái)高效直燃熱泵設(shè)備投資約3 650萬元，新建機(jī)房及安裝工程等費(fèi)用約540萬元。項(xiàng)目投資回收期約0.93年。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)采用的余熱回收系統(tǒng)中吸收式熱泵機(jī)組突破了常規(guī)能源利用的情況，減少了燃?xì)庀牧浚?jié)能顯著。理論上可實(shí)現(xiàn)當(dāng)年投資當(dāng)年盈利，不僅如此，太古一級(jí)網(wǎng)回水溫度降低，管網(wǎng)散熱損失大大減少，為太古熱源節(jié)能增效，實(shí)現(xiàn)互利雙贏。