楼宇式天然气分布式能源系统年均综合能源利用效率提升方案

余莉，张珍

(1.中国华电科工集团有限公司，北京 100160；2.华电分布式能源工程技术有限公司，北京 100160)

0 引言

楼宇式天然气分布式能源系统是以内燃机(或微燃机)为原动机，以烟气热水溴化锂机组为余热利用设备产生热水和冷水，通过冷热电联产方式直接向一定区域内楼宇建筑用户输出热(冷)能、电能的能源供应系统[1]。烟气热水溴化锂吸收式冷(温)水机组是以内燃机(燃气轮机)发电机组等原动机排放的高温烟气和热水作为驱动热源，在真空环境下制取供暖空调系统或工艺系统所需冷水、热水的设备。受溴化锂溶液腐蚀性和溶液质量浓度的影响，溴化锂吸收式冷(温)水机组的排烟温度夏季制冷工况下不能低于160 ℃，冬季制热工况下不能低于145 ℃。溴化锂机组的排烟温度直接影响系统的年均综合能源利用效率。

1 烟气热水溴化锂机组工作原理

溴化锂吸收式制冷同蒸汽压缩制冷原理相同，都是利用液态制冷剂在低温、低压条件下蒸发、汽化吸收载冷剂的热量，产生制冷效应，不同的是，溴化锂吸收式制冷是以“溴化锂-水”组成的二元溶液为工质对完成制冷循环。

在溴化锂吸收式制冷机内循环的二元工质对中，水是制冷剂，在真空状态下蒸发，具有较低的蒸发温度，从而吸收载冷剂热负荷，使之温度降低，源源不断地输出低温载冷剂(水)。工质对中溴化锂水溶液则是吸收剂，可在常温和低温下强烈地吸收水蒸气，但在高温下又能将其吸收的水分释放出来。吸收与释放周而复始，不断循环，因此，蒸发制冷循环也连续不断。

制冷过程所需的热能可从蒸汽、热水、废气中获得。溴化锂吸收式制冷系统包括发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器等4大热交换装置，再辅以其他设备，组成各种类型的溴化锂吸收式制冷机。

首先由真空泵将机组抽至高真空度状态，为低温下水的沸腾创造了必要条件。由于溴化锂水溶液有低于冷剂水的沸点压力，二者之间存在压力差，所以前者具有了吸收水蒸气的能力，提供了使冷剂水能连续沸腾的可能性。

在单效机组里，溶液泵将吸收器里的稀溶液经热交换器送到发生器，由驱动热源将它加热浓缩成浓溶液，同时产生冷剂蒸汽。冷剂蒸汽在冷凝器中冷凝成冷剂水，其潜热由冷却水带至机外。冷剂水进入蒸发器后，由冷剂泵经喷淋装置喷淋。在高真空度下冷剂水吸收蒸发器管内冷水的热量，低温沸腾再次形成冷剂蒸汽，与此同时制取低温冷水。浓缩后的浓溶液经热交换器后直接进入吸收器，经布液器淋激于吸收器换热管上。浓溶液吸收蒸发器所产生的冷剂蒸汽后，本身变成稀溶液，同时还将吸收冷剂蒸汽时释放出来的热量转移至冷却水中。制冷循环就是溴化锂水溶液在机内由稀变浓再由浓变稀和冷剂水由液态变汽态、再由汽态变液态的循环，2个循环同时进行，周而复始[2-3]。

2 常规楼宇式分布式能源系统配置方案

内燃发电机出口约390 ℃的高温烟气进入烟气热水溴化锂机进行制冷/制热，温度降至约160 ℃(制冷工况)/145 ℃(制热工况)后经烟囱排入大气。

内燃发电机的高温缸套水出口约95 ℃的热水送入烟气热水溴化锂机组冷却至约75 ℃后送回内燃机冷却润滑油、发动机和一级中冷器等，高温缸套水还与高温散热水箱联通，当烟气热水溴化锂机组不能满足高温缸套水冷却需求时，可调节热水至高温散热水箱去冷却。内燃发电机的低温缸套水出口约65 ℃的热水接至低温散热水箱进行换热，温度降至约60 ℃后送回内燃机冷却二级中冷器、二级润滑油等。

烟气热水溴化锂机组的冷却水出口连通冷却塔；烟气热水溴化锂机组包括烟气高温热发生器和低温热交换器，内燃发电机的烟气出口连通烟气高温热发生器；内燃发电机的高温缸套水出口依次连通烟气高温热发生器和低温热交换器。

夏季制冷工况下，溴化锂机组的高温热发生器的溴化锂温度高于150 ℃后，溴化锂溶液对机组的腐蚀会加速，而低于130 ℃后溴化锂溶液质量浓度降低，会影响机组的制冷系数。因此一般会将高温热发生器的溴化锂温度控制在140 ℃以内，基本可避开腐蚀，而排烟温度比高温热发生器的溴化锂温度高15～30 ℃，通常情况下不能低于160 ℃。

3 降低排烟温度的楼宇式分布式能源系统配置方案

为了充分利用余热，可进一步降低溴化锂机组的排烟温度,提高系统的热效率。根据不同工程的情况，有2种降低溴化锂机组的排烟温度的方案。方案1：在烟气热水溴化锂机组排烟口设置烟气热水换热器，制出70 ℃的热水为用户提供生活热水，排烟温度可降至80 ℃。方案2：在烟气热水溴化锂机组排烟口设置烟气热水换热器，将循环水加热至95 ℃后与内燃机的高温缸套水汇合进入溴化锂机组进行制冷，排烟温度可降至100 ℃，同时提高了烟气热水溴化锂机组的热水制冷量。系统配置流程如图1所示。

4 2种方案技术指标对比

下面以具体项目为例，分别按常规方案和增加烟气热水换热器的2种方案计算系统年均综合能源利用效率。

某项目建设天然气冷热电三联供的分布式能源系统，根据初步规划，产业园地上建筑规模大约17万m2，地下面积约8万m2。该园区具有良好的热、电、冷负荷条件，园区的供热负荷为8.024 MW，常规供冷负荷为10.470 MW，常年供冷负荷为1.531 MW，生活热水负荷为1.069 MW，用电负荷为6.951 MW。

图1 设置烟气热水换热器的余热利用系统流程

该项目设计原则是“以冷热定电”，根据冷热负荷确定内燃发电机组建设规模为6.698 MW，按一期进行建设，站内设2台单机装机容量为3.349 MW的内燃机发电机组和2台2 908 kW(制冷量)/2 994 kW(制热量)的烟气热水溴化锂机组，另外配2台直燃机作为调峰机组，以满足工程全部冷热负荷及生活热水负荷需求。

本文仅计算三联供机组的热效率，不计入调峰机组的热效率。计算年均综合能源利用效率η[4]所用设备性能参数及技术指标见表1、表2、表3。

表1 内燃机参数

表2 烟气热水溴化锂机组参数

式中：W为年联供系统输出电量，kW·h；Q1为年有效余热供热总量，MJ；Q2为年有效余热供冷总量，MJ；B为年联供系统燃料总耗量，m3；QL为燃料低位发热量，MJ/m3；Pt为烟气降至不同温度可利用的热量；t为不同季节利用小时数；COP为制冷系数。

表3 各方案技术指标

5 结论

综上所述，楼宇式天然气分布式能源系统在溴化锂机组烟气出口增设烟气热水换热器，可以提高系统年均综合能源利用效率。增设烟气热水换热器供生活热水方案，年均综合能源利用效率可提高约3百分点；增设烟气热水换热器增加溴化锂机组的制冷量方案，年均综合能源利用效率可提高约1百分点。