上海某工業區余熱利用供冷熱系統方案分析

徐銘明

華東電力設計院有限公司

0 項目概況

上海某工業區為國家級經濟技術開發區，是國家首批新型工業化示范基地、國家生態工業示范園區。工業區內規劃新設化工新材料創新基地，化工新材料創新基地將逐步開發F6、F7、F8地塊，其中F6地塊為中試基地，分四期開發，一期預計2021年建成。

本項目為位于F6地塊的一座智慧綜合能源站，向F6地塊一期、工業區管理中心區域（已建成，下文簡稱E7地塊）的部分企業提供冷、熱、電綜合服務，旨在打造更綠色、更高效、更智慧的現代科技化工業園區。

本文主要介紹分析智慧綜合能源站所供應的冷熱系統及其經濟效益。

1 冷熱源系統設計原則

本項目主要建設方為工業區內的A熱電廠，A熱電廠主要業務是向工業區內的生產企業銷售蒸汽、電力、除鹽水等。各生產企業在利用蒸汽后所產生的冷凝水由熱電廠統一回收，回水溫度約70℃。

本項目能源站冷熱系統以優先充分利用蒸汽冷凝水余熱為原則，不足部分利用電力、蒸汽作為輸入能源，設置不同類型的冷熱源裝置以滿足F6地塊一期、E7地塊部分用戶的用冷、用熱需求。系統以實現能源梯級利用為基礎，并利用峰谷分時電價政策，合理設置水蓄能裝置，提高整體運營效益。供冷/熱系統原理示意圖如圖1、圖2。

圖1 供冷系統原理圖

圖2 供熱系統原理圖

本工程適用分時電價表如表1。

表1 分時電價表

2 冷熱源系統設計方案

2.1 典型日冷/熱負荷

本項目冷熱源系統服務對象為F6地塊內的辦公類建筑和E7地塊內的辦公類建筑、酒店建筑、體育館建筑，服務的建筑面積共計8.5萬m2。根據對存量建筑的負荷情況調研、規劃新建建筑的負荷估算及各類型建筑的逐時冷負荷系數[1]、各類型建筑的逐時熱負荷系數[2]，服務范圍內用戶的典型日逐時冷負荷情況如圖3所示，典型日逐時熱負荷情況如圖4所示。

如圖所示，典型日逐時冷負荷峰值出現在14:00-15:00，為10018 kW。典型日逐時熱負荷峰值出現在7:00-8:00，為6642 kW。

圖3 典型日逐時冷負荷

圖4 典型日逐時熱負荷

2.2 系統配置及運行策略

2.2.1 系統主要設計參數

集中空調冷熱水系統采用一次泵定流量、二次泵變流量系統，F6地塊、E7地塊用戶分設2路二次泵系統。冷凍水供/回水溫度5/13℃，熱水供/回水溫度60/50℃。

夏季冷源系統主要設備采用熱水型溴化鋰機組、離心式冷水機組和水蓄能罐。溴化鋰機組熱源采用熱電廠供蒸汽冷凝水，冷凝水夏季參數70/60℃，200 t/h。冬季熱源系統主要設備采用水-水熱交換機組、汽-水熱交換機組。水-水熱交換機組熱源采用熱電廠供蒸汽冷凝水，冷凝水冬季參數70/55℃，150 t/h。汽-水熱交換機組的熱源蒸汽采用園區提供的0.5 MPa飽和蒸汽。

2.2.2 夏季典型日100%/75%/50%/25%負荷運行策略

夏季典型日100%負荷運行策略圖如圖5所示，75%負荷運行策略圖如圖6所示。溴化鋰機組為余熱利用機組，為充分利用余熱故全天運行。電制冷機組夜間電價谷值時運行，蓄能罐蓄冷。白天較低負荷時優先采用溴化鋰機組、蓄能罐向用戶供冷，高負荷時電制冷機組投入運行。

夏季典型日50%負荷運行策略圖如圖7所示，25%負荷運行策略圖如圖8所示。溴化鋰機組為余熱利用機組，為充分利用余熱故全天運行。部分電制冷機組夜間電價谷值時運行，蓄能罐蓄冷。白天優先采用溴化鋰機組向用戶供冷，不足部分由蓄能罐提供。

2.2.3 冬季典型日100%/75%/50%/25%負荷運行策略

圖5 供冷運行策略圖（100%負荷）

圖6 供冷運行策略圖（75%負荷）

冬季典型日100%負荷運行策略圖如圖9所示。水-水熱交換機組為余熱利用機組，為充分利用余熱故全天運行，夜間向用戶供熱、多余部分蓄能罐蓄熱。白天高負荷時段運行汽-水熱交換機組同時向用戶供熱，低負荷時段采用蓄熱罐釋熱。

圖7 供冷運行策略圖（50%負荷）

圖8 供冷運行策略圖（25%負荷）

圖9 供熱運行策略圖（100%負荷）

冬季典型日75%負荷運行策略圖如圖10所示。水-水熱交換機組為余熱利用機組，為充分利用余熱故全天運行，夜間向用戶供熱、多余部分蓄能罐蓄熱。白天不足部分采用蓄熱罐釋熱。

冬季典型日50%負荷運行策略圖如圖11所示，25%負荷運行策略圖如圖12所示。水-水熱交換機組為余熱利用機組，全天根據用戶需求直接供熱。

圖10 供熱運行策略圖（75%負荷）

圖11 供熱運行策略圖（50%負荷）

圖12 供熱運行策略圖（25%負荷）

2.3 余熱利用經濟效益

熱電廠供蒸汽冷凝水的余熱在夏季/冬季分別通過熱水型溴化鋰機組/水-水熱交換機組利用，作為冷/熱源向用戶提供空調冷/熱水。按照2.2節所述的各負荷率典型日運行工況計算，全年通過余熱利用所產出的供冷、供熱總量見表2。

表2 余熱利用輸出供冷/熱量

若按夏季采用離心式電制冷機組、冬季采用電鍋爐的方案來測算經濟效益，若需產出同等供冷、供熱量所耗費的全年用電量及電費，詳見表3。

表3 余熱利用經濟效益

經測算可知，通過蒸汽冷凝水的余熱回收制冷制熱，全年可產出的供冷供熱量為652.8萬kWh，折合節約產出同等冷/熱量所需的電制冷/制熱設備所需用電量為429.7萬kWh（夏季51.9萬kWh，冬季377.8萬kWh）折合節約全年電費293.3萬元（夏季35.4萬元，冬季257.9萬元）。

2.4 水蓄能系統經濟效益

1）水蓄能系統和常規系統主要設備初投資費用對比，詳見表4。

2）水蓄能系統和常規系統運行費用，詳見表5、表6（二次泵運行費用不包括在測算范圍內）。

通過測算可知：

（1）水蓄能系統初投資1216萬元，常規供冷熱系統初投資810萬元。

（2）水蓄能系統全年運行費用為151.8萬元，常規供冷熱系統全年運行費用為291.7萬元。

（3）兩種方案的差額投資回收期為2.9年。

3 結論

表4 初投資費用對比表

表5 水蓄能系統運行費用

本項目通過對園區蒸汽冷凝水的余熱利用進行供冷供熱，經測算分析可知，此部分余熱利用可產生的經濟效益可觀，全年節約293.3萬元。通過對水蓄能系統和常規供冷供熱系統的對比分析可知，水蓄能系統的初投資增加406萬元，全年節約運行費用139.9萬元。按系統設備使用壽命為20年測算，不考慮設備折舊費用以及利率等因素，本項目由于采用余熱利用和水蓄能系統，全壽命周期內的費用較常規供冷供熱系統共節約8258萬元。

表6 常規系統運行費用

本項目通過充分利用工業園區的余熱和水蓄能系統為園區提供清潔、經濟的能源，經分析計算，經濟效益明顯。系統符合能源梯級利用，與園區共同實現節能減排、打造綠色高效的新型工業園區。