蒸汽驅動大溫差低溫水供冷系統的應用研究

湯小敏，毛永東

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430072）

引言

本文研究對象是南昌某項目，根據項目所處情況，項目開發區有大量蒸汽供應的要求且蒸汽波動較大，同時項目開發區內的民用建筑有夏季供冷冬季供熱需要，且用戶端對供冷溫度有要求。蒸汽管道按用戶的設計流量設計，蒸汽波動時會導致流速過小，導致管網的散熱情況情況加重，冷凝水損失增加，導致能量損失[1]。溴化鋰吸收式制冷時，冷水溫度過低時會導致溴化鋰結晶，影響設備的正常運行。

本文針對上述情況，提出一種利用富余蒸汽驅動離心式冷水機組及溴化鋰吸收式冷水機組用來制取低溫水的集中供冷系統方案，梯級利用蒸汽制取低溫冷水[2]。

1 項目概況

項目所處南昌市某項目開發區，開發區有蒸汽供應要需求，同時有民用的建筑集中供冷供熱需求，本章分別對蒸汽負荷及冷熱負荷情況進行說明。

1.1 蒸汽負荷

根據南昌地區氣候條件，將時間分為供暖期、供冷期及過渡期，供暖時間為11 月15 日至2 月15 日，供冷時間一般從6 月15 到10 月31，其余時間為過渡期。

通過對項目開發區14 家工業用戶蒸汽用量進行調研，得出不同時間典型日蒸汽逐時耗量，計算得出整個開發區不同時間的工業蒸汽負荷典型日累積負荷如下圖1。從圖1 中可以看出，項目開發區工業用戶供暖期負荷最大可達58.095 t/h，平均熱負荷36.78 t/h，最小熱負荷21.1 t/h；供冷期負荷最大可達44.4 t/h，平均負荷熱負荷24.63 t/h，最小熱負荷8.4 t/h；過濾期負荷最大可達51.6 t/h，平均負荷熱負荷29.26 t/h，最小熱負荷12.1 t/h。

1.2 冷熱負荷

民用負荷主要考慮開發區的公共建筑、商業建筑、居住建筑等負荷。根據現場調研，項目處于前期階段，建筑物正在建設或仍處于方案規劃階段，因此選取區域內典型建筑功能類型、根據國家節能規范設定典型氣象條件、建筑物使用時間表、內部負荷強度、設備效率等，用HDY-SMAD 能耗分析軟件得出典型建筑典型設計日逐時冷熱負荷指標，并對所有建筑負荷曲線疊加得出民用負荷，統計結果如下。根據圖2 可知，供暖期典型日最大負荷為30.24 MW，供冷期典型日最大負荷為54.29 MW。

2 方案介紹

2.1 方案概述

為了提高蒸汽管道的利用率，根據區域民用建筑冷熱負荷特點及周邊工業建筑蒸汽負荷情況，夏季供冷方案如下。

能源站制冷系統，夏季工業用汽谷段采用以蒸汽驅動壓縮式離心冷水機組與蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機組串聯方案來制備4 ℃空調冷水滿足未端冷負荷需求，同時供冷余量將蓄冷罐蓄滿。

夏季工業用汽峰段，利用蒸汽管網冬夏工業用汽的差額蒸汽量通過蒸汽驅動壓縮式離心冷水機組及溴化鋰機組串聯直接制取4 ℃空調冷水，其余冷負荷則利用電制冷機及蓄冷罐放冷來滿足未端需求，能源站側的冷凍水供回水設計溫度為4/13 ℃。

2.2 機組技術原理

蒸汽驅動壓縮式離心機組通過氟利昂蒸氣壓縮式制冷循環，蒸氣壓縮式制冷的工作原理是使制冷劑在壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器等熱力設備中進行壓縮、放熱冷凝、節流和吸熱蒸發從而實現制冷效果。

與傳統的離心式冷水機組不同之處在于，蒸氣壓縮的驅動能源是蒸汽，具有一定壓力和溫度的蒸汽推動透平機做功，透平機的功率輸出給壓縮機。蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機組制備空調冷水，溴化鋰吸收式制冷機主要由發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器、換熱器和循環泵等幾部分組成，蒸汽驅動壓縮式冷水機組及溴化鋰吸收式制冷原理圖詳見圖3。

2.3 夏季制冷系統及配置

蒸汽驅動壓縮式離心冷水機組+蒸汽型溴化鋰機組串聯系統，管網至能源站處的1.0 MPa，200 ℃蒸汽被蒸汽驅動壓縮式離心冷水機組利用制冷后變為0.4 MPa 蒸汽，背壓蒸汽進入蒸汽型溴化鋰機組制冷后變成80 ℃冷凝水。而對于冷凍水側，13 ℃冷凍水回水首先進入蒸汽型溴化鋰機組降溫到5.5 ℃，然后進入蒸汽驅動壓縮式離心冷水機組產生4 ℃冷凍水供用用戶使用（如圖4 所示）。

能源站空調冷水系統主要包含蒸汽驅動壓縮式離心冷水機組、蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機組、電制冷離心式冷水機組、冷卻塔系統、蓄能系統及空調水管網系統，蓄能系統及空調水輸送管網系統均為供暖和供冷共用系統。

裝機配置采用“提高已建工業蒸汽管道夏季利用效率”原則。本方案設計制冷量3 540 kW 汽輪機驅動型離心式冷水機組1 臺，制冷量5 803 kW 蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機組3 臺，制冷量6.5 MW 的電制冷離心式冷水機組4 臺，制冷量3 MW 的電制冷離心式冷水機組1 臺。

蒸汽驅動壓縮式離心冷水機組+蒸汽型溴化鋰機組串聯系統的最大供冷量為20.95 MW，電制冷離心式冷水機組最大供冷量為29 MW，最大蓄冷量為4.91 MW，最大放冷量為4.34 MW，蓄冷罐的有效容積為2 400 m3，蓄冷罐總制冷量25.2 MW。

冷卻水供回水溫度設定為32 ℃/37 ℃，冷凍水溴機供回水溫度設定為5.5 ℃/13 ℃，蒸汽型離心機供回水溫度設定為4 ℃/5.5 ℃，用戶側供回水溫度4 ℃/13 ℃，蓄冷水罐進出水溫度設定為4 ℃/13 ℃。主要工況為夏季工業用汽谷段直接供冷工況，夏季工業用汽谷段直接蓄冷工況，夏季工業用汽峰段直接供冷工況，夏季工業用汽峰段蓄冷水罐放冷工況。

從下頁圖5 可知，18：00 的負荷值最大為54.29 MW，00：00—7：00 蓄冷罐用蒸汽供冷量蓄冷，11：00—14：00 及15：00—20：00 用汽高峰段釋冷以滿足逐時負荷波動的需要。從圖中也可以看出，蒸汽供冷時蒸汽驅動壓縮式離心冷水機組+蒸汽型溴化鋰機組工況比較穩定，設備的利用效率較高。

從下頁圖6 可知，采用蒸汽驅動壓縮式離心冷水機組+蒸汽型溴化鋰機組串聯系統供冷期總蒸汽耗量有明顯提升，00：00—06：00 時間段，供冷期最小蒸汽供汽量從8.9 t/h 提升至25.40 t/h，09：00—16：00的供汽量均達到管網的設計峰值58 t/h，相比夏季僅工業蒸汽工況，管網利用效率明顯提升。

對比方案夏季民用供冷由電動離心式水冷冷水機組提供，并配置部分電動離心式水冷冷水機組蓄冷，以充分利用蓄能罐，消減制冷機組裝機容量。對比方案與原機組方案不同點：單臺制冷量為4.50 MW 的蓄冷用離心式冷水機組1 臺，單臺制冷量為6.5 MW離心式冷水機組6 臺，單臺制冷量為3.0 MW 離心式冷水機組2 臺，總裝機容量49.5 MW。

3 對比分析

本文不對冬季蒸汽板換供熱系統進行介紹，僅針對夏季民用供冷方案差異部分進行介紹分析，不考慮以上兩種方案的相同部分，例如配套蒸汽管網、冬季供熱系統、蓄能系統、冷凍水二級管網系統的其他運行管理費用等，僅考慮兩種方案不同部分設備初投資及耗電、耗蒸汽等耗能費用方面的差異，對以上兩種制冷方案進行對比。根據對比結果，在蒸汽價格在140 元/t 時，蒸汽驅動制冷方案初期投資高，運行費用高，技術性能指標不占優，系統控制運行維護較復雜，但蒸汽驅動制冷系統提高蒸汽管網的利用率，有利用蒸汽管道的長期運行。該方案在蒸汽價格較低時仍是一種可以考慮的供冷方案。