濟南產業金融區區域供冷冷卻水系統的研究

王磊 王茂盛 蔡振興 楊敏華

濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司

1 產業金融區區域供冷概況

1.1 區域供冷概況

濟南產業金融區北起工業南路，南至經十路，東起奧體西路，西至華陽路，總面積約 3.2 平方公里。是山東省政府“十二五”規劃中定位為依托政務中心、奧體中心、文博片區，著力打造的集區域金融中心、總部聚集中心、區域創新中心為一體的城市新中心，能夠反映全市改革發展成果、代表省會形象、具有濃郁現代氣息的標志性區域。

產業金融區建筑密度大，辦公及商業建筑集中，擁有“山、泉、湖、河、城”等五座超高層，建筑高度210～420 m。為提升產業金融區城市形象，美化建筑環境，提高辦公建筑工作空間的舒適性，降低建筑能耗，產業金融區采用區域供冷的方式代替傳統空調滿足各類用戶的空調制冷需求[1-2]。

濟南產業金融區規劃南北兩座能源站（圖 1），站 內設置蓄冷空調雙工況機組及基載機制冷機組及配套設施，為 產業金融區提供集中供冷服務。

圖1 能源站分布圖

1.2 近期供冷需求及機組設置

對產業金融區內各開發商供冷需求進行調研，近 三年內（2020 年 -2022 年）有 用冷需求的用戶為濟南城投、綠地和龍湖等地產商，總建筑面積約 37.97 萬m2，實 際供冷需求28.8 萬m2，見 表1。

表1 2020-2022 年供冷規劃

根據產業金融區近期用冷負荷及用冷時間，濟 南熱力集團計劃啟動南部能源站一期工程的建設來滿足近期供冷需求。

南部能源中心一期機組規模為1 臺1200RT 的基載機組和2 臺1150RT 雙工況冷水機組以及相關的蓄冰盤管。低谷電蓄冰和常規電制冷機作為近期各用戶集中冷源，制取 5～7 ℃冷凍水通過產業金融區規劃保溫管道輸送至各用戶的二級換熱站。

1.3 冷卻水量及冷卻水供應方式

冷卻水的設計參數：空 調工況下機組冷凝器進水溫度為32 ℃、機 組冷凝器出水溫度為37 ℃。蓄 冰工況下機組冷凝器進水溫度為30 ℃、機 組冷凝器回水溫度為33 ℃。

冷凝負荷：空調工況下機組冷凝負荷 14.6 MW，供回水溫差5 ℃，冷 卻水量約2520 m3/ h。蓄冰工況下機組冷凝負荷 5.8 MW，供 回水溫差 3 ℃，冷 卻水量約1670 m3/ h。

冷卻水供應方式：常 規供冷站系統是由制冷機及冷凍水輸送系統，末 端用戶系統，冷 卻塔及冷卻水系統等組成。冷卻塔一般設置在供冷站頂部，露 天設置。

南部能源中心位于產業金融區東西綠軸西端（1-31 地塊地下），為 地下建筑。根據規劃要求，南 部能源站頂部為景觀綠化帶，不 允許設置冷卻塔。為保證制冷機組的運轉，必 須考慮在產業金融外設置冷卻塔或采用其他冷卻方式。

2 城市中水利用方案

2.1 城市中水利用工藝流程

城市中水即“ 城市污水再生水”，是 指城市污水經處理后達到一定的水質標準后，可 在一定范圍內重復使用的非飲用水，其 水質介于上水（自來水）與 下水（污水）之 間，主 要用于景觀環境、地 下水回灌、綠 地灌溉等方面，最 為一種穩定水源也被用做電廠循環冷卻水[3-4]。中水回用技術在國外早已應用于實踐。美國、日 本、以 色列等國廁所沖洗園林和農田灌溉、道 路保潔、洗 車、城市噴泉、冷 卻設備補充用水等都大量地使用中水，我 國從上世紀九十年代末開始使用中水回用技術，起 步較晚[5-6]。

本項目是利用城市中水對制冷站制冷機組進行冷卻，即 在水質凈化廠周邊或在由水質凈化廠引出的中水管道沿途建設換熱站，由 中水換取低溫中介水，將 中介水通過管輸送至產業金融區能源中心對機組進行冷卻。通過對污水處理廠的中水進行測試，其溫度波動范圍小，受 氣候影響小，夏 季約為 20～26 ℃，冬 季約為11～16 ℃。夏季中水按26 ℃考慮，經 換熱后升溫至31 ℃，板 換另外一側的中介水進水溫度33 ℃，出 水溫度28 ℃，工 藝流程如圖2 所示。該系統是動力循環系統，不 受距離的限制，理 論上對于具備條件的污水處理廠的中水都能利用。

圖2 中水利用工藝流程圖

2.2 城市中水利用方案

距離產業金融區較近水質凈化廠有水質凈化一廠，水 質凈化三廠及高新區水質凈化廠（圖 3），總 的污水處理能力約71 萬m3/ d（2.96 萬m3/ h），總 量遠遠大于所需冷卻水需求?；?于城區現狀供熱管網的分布情況，中介水換熱站的建設條件等，優 先考慮水質凈化三廠中水利用。

圖3 水質凈化廠分布圖

2.2.1 中水利用現狀

水質凈化三廠日處理能力20 萬/m3，該廠北側1公里處設有現狀中介水換熱站一處，在 冬季利用部分中水換取中介水作為華山片區熱泵能源站的低溫熱源，剩 余中水排入城市河道。夏季該站停運，中 水全部排入張馬河。為減少工程投資，夏 季啟用該站，利 用換熱后中介水對產業金融區供冷機組進行冷卻。

利用現狀供熱管網進行中介水的輸送，無 需敷設新管道，管 網路由如下：水 質凈化三廠—中介水交換站—海門路 DN800-金輿大道 DN600 —濱河南路DN700—工業北路 DN1000—鳳凰路 DN1000—涵源大街DN1000—化纖廠路 DN1200—產業金融區，管 網總長度約27.0 km。具體見圖4。

圖4 水質凈化三廠中水利用管網路由圖

2.2.2 水力計算

利用 MAP 水力計算軟件對管網進行水力校核，計算表明該管網需要兩級水泵，即 在中介水換熱站設一級泵，在 沿途設置中繼泵，具 體參數如下：

一級水泵：揚 程H=30 mH2O，則 循環流量Q=2520 m3/ h。

中繼泵：揚程H=60 mH2O，則循環流量Q=2520 m3/ h。

從水壓圖來看，管 網滿足輸送要求。

2.2.3 主要設備的設置

1）換 熱器

現狀換熱器：共 計 3 臺，單 臺換熱量 8.0 MW，材質：3 16 L，S=1150 m2，PN=1.0 MPa，△H≤8.0 mH2O，設計溫度，高 溫側：14/4 ℃，低 溫側：1 2/2 ℃，耐 腐蝕，端 差2 ℃。

所需冷卻水換熱器：設 計溫度中水側 26/31 ℃，循環水側28/33 ℃，端 差2 ℃。中水流量2520 t/h，換 熱量為 14.5 M W，利 用現狀三臺板換即可，單 臺換熱量4.8 MW，壓 降為9 mH2O 。

2）水 泵

為節省投資，一 級水泵仍然利用現狀換熱站內水泵。中繼泵利用管網沿途經過的濟南東新熱電廠內首站內現狀水泵。

一級水泵原設計設計參數：Q=2156 t/h，H=35 m，250 kW。變 頻調速后參數：Q=2500 t/h，H=30 m，N=250 kW，水 泵曲線見圖5。

圖5 現狀中介水換熱站水本泵曲線

中繼泵（東新電廠首站水泵）原設計設計參數：Q=4000 t/h，H=100 m，N=1600 kW。變頻調速后參數：Q=2520 t/h，H=60m，N=514 kW，水 泵曲線見圖6。

圖6 濟南東新電廠現狀首站水曲線

2.3 工程投資及及運行費用

1）工 程投資

為確保管道的暢通，需 要對部分管道和閥門進行更換，具 體如下：華 山片區管道及閥門投資約 620 萬，東新電廠管道及閥門投資約50 萬，確 定沿線分支閥門投資約100 萬，總 計以上工程投資約770 萬元。

2）運 行費

運行費用為水泵耗電費用，具 體明細如表2：

表2 利用城市中水冷卻運行費用

4 常規冷卻塔建設方案

4.1 冷卻水輸送路由

由于產業金融區不具備就地建設冷卻塔的條件，必須考慮在產業金融區周邊建設冷卻塔，可 考慮在濟南東新電廠內建設冷卻塔。冷卻水通過化纖廠路DN1200，工業南路 DN1000 及華陽路 DN1400 的管道，輸 送至南部能源中心對機組進行冷卻，輸 送距離2.0 km（圖 7）。

圖7 管網路由圖

4.2 冷卻塔建設及設備選型

冷卻塔建設要考慮東新電廠內閑置用地的大小、地勢高差、機 組規模、近 遠結合等因素，所 需泵房占地面積約 1020 m2，泵 房高度為 18 m，地 上三層建筑，一層預留電廠首站用地、二 層為設備間、三 層為管道層，頂部設置冷卻塔。主要設備明如表3：

表3 新建冷卻塔及主要設備

4.3 工程投資及運行費用

1）工 程投資

投資計算僅為冷卻水系統投資，包 括冷卻塔泵房及站內主要設備，如 表4：

表4 工程投資匯總表

2）運 行費用

運行費主要為冷卻塔和水泵的電費，具 體如表5：

表5 新建冷卻塔方案運行費用

5 方案對比分析

5.1 經濟效益

采用常規冷卻塔方式，空 調工況下機組冷凝器進水溫度為32 ℃、機 組冷凝器出水溫度為37 ℃。蓄 冰工況下機組冷凝器進水溫度為30 ℃、機 組冷凝器回水溫度為33 ℃。水質凈化廠處理后的中水溫度在26 ℃左右，可 將中介水降溫至28～33 ℃，在 此溫度下機組的制冷效率比設計工況下提高約12%。

從折舊、維 修、耗 電等方面對兩個方案的綜合成本分析如表6：

表6 綜合成本分析

由表6 可知，利用城市中水對機組進行冷卻的綜合成本比常規冷卻塔要低。

5.2 環境效益

采用水質凈化廠中水對制冷機組進行冷卻，冷 卻系為閉式循環系統，運 行過程中無冷卻塔帶來的熱島效應、污 水飄逝、噪 音等問題，美 化室外環境，對 改善大氣環境質量，改 善周邊居民的生存環境將起到積極的作用。

6 結論

1）利 用水質凈化廠處理后的中水采用間接換熱的方式對制冷站制冷機進行冷卻，可 提高機組制冷效率，增加供冷項目經濟性?？扇∠Ｒ幚鋮s塔的建設，降低工程投資與運行費用，無 污水飄逝、綠 色環保。

2）有 配套現狀管網用于輸送冷卻機組的中介水是水質凈化廠中水冷卻制冷站機組可行性與經濟性保證的前提。通過現狀閥門將用于輸送冷卻水的管道隔離出來，并 檢查沿線閥門的嚴密性，對 于沿線分支閥門要關閉，盡 量減少冷卻水的流失。

3）建 設冷卻塔對制冷機組進行冷卻，工 程投資較高，但是運行費用低。而利用城市中水冷卻制冷機組的方案工程投資少，運 行費用高，但 是從綜合成本來看前者要高于后者。

4）近 期內供冷負荷較小，從 減少工程投資，降 低運行成本的角度，優 先采用城市中水對產業金融區制冷機組進行冷卻。遠期隨著供冷需求的增大，再 考慮東新電廠內冷卻塔的建設。