楼宇型分布式能源站空调水平衡影响分析

2019-05-15顾志祥刘洁孔飞柳玉宾洪博纪宇飞

综合智慧能源 2019年4期

顾志祥，刘洁，孔飞，柳玉宾，洪博，纪宇飞

(1.华电广东顺德能源有限公司，广东佛山 528300； 2.华电电力科学研究院有限公司北京分院，北京 100070)

0 引言

随着我国工业化和新型城市化发展速度的加快，能源与环境问题日益突出，能源需求急速增长导致环境急速恶化，成为制约我国经济进一步发展的重要难题。分布式能源作为布置在用户端的能源供应系统，以天然气或可再生能源作为主要驱动能源，以冷、热、电联供技术为基础，实现直接满足用户多种需求的能源梯级利用，因此是一种高效、清洁、灵活的供能系统[1-2]。当前我国正大力发展分布式能源，国家发改委、财政部、住建部和国家能源局于2011年10月联合发布的《关于发展天然气分布式能源的指导意见》中提出了发展天然气分布式能源的指导思想，即以提高能源综合利用效率为首要目标，以实现节能减排任务为工作抓手，重点在能源负荷中心建设区域分布式能源系统和楼宇分布式能源系统。

目前，根据分布式能源的用户类型可以大致分为楼宇式分布式能源和区域式分布式能源。楼宇式分布式能源以距离相近的楼座为供能对象，为其提供电能、空调冷热、生活热水、燃气等需求[3- 4]；园区式分布式能源的供能对象距离较远，供能范围大，供能用户涵盖工厂、学校、商场等多种形式。因此，楼宇式分布式能源相对容量小，且与负荷侧系统直接相连。对于空调系统，多为能源站供空调水—分水器—楼内空调管网—集水器—能源站空调水回水的路径，空调水直接相连，集水器和分水器中间有流量平衡管。楼内空调水系统(称为二次侧)和能源站空调水系统(称为一次侧)常存在不平衡而导致空调水直接回流的现象[5-6]，这种情形对能源站的运行和节能降耗非常不利。本文将以北京华电产业园(以下简称华电产业园)楼宇式分布式能源站为例，分析一次侧和二次侧水不平衡对能源站运行的影响。

图2 园区空调系统Fig.2 Air conditioning system in the park

1 能源站热力系统及供能系统

目前，该能源站为华电产业园园区供能，该园区地上建筑规模大约17万m2，地下面积约8万m2，建筑用途包括办公场所、餐饮和酒店，需热、电、冷负荷。分布式能源站建设规模为6.698 MW，站内设2台单机装机容量为3.349 MW的内燃机发电机组。内燃机烟气及缸套水余热由烟气-热水型溴化锂机组利用，同时可进入生活热水换热器制备生活热水。作为园区的供能中心，内燃机-余热型溴化锂制冷机组承担主要负荷，为园区提供电、空调冷热、生活热水，实现能源的梯级利用。此外，采用市电作为电负荷的补充，采用2台直燃机和2台电制冷机用于空调负荷调峰。

内燃机排烟首先进入烟气热水溴化锂机组作为热源，再进入烟气-热水换热器进一步进行热量回收，然后由单独设置的烟囱排出。内燃机的高温缸套水在夏季工况时进入烟气热水溴化锂机组作为热源水，夏季置换出7.0 ℃的冷水用于制冷；在冬季供暖工况下通过空调采暖换热器，换热后置换出60.0 ℃的热水用于供暖。内燃机的缸套水一部分进入生活热水换热器置换出70.0 ℃的热水作为生活热水的一次热源水，与烟气热水换热器置换出的生活热水系统并联，用以满足生活热水负荷的需要。

当冷热负荷量较小不能满足单台内燃机最小负荷，或冷热负荷的需求大于内燃机所能提供的基本负荷时，直燃机组可直接生产符合用户参数要求的空调冷水(7.0/14.0 ℃)、采暖热水(60.0/50.0 ℃)，作为空调采暖水的调峰冷热源。同时，当内燃机-溴化锂机系统所生产的生活热水量不足时，#2直燃机可生产一次生活热水热源水(70.0/50.0 ℃)。当制冷负荷超出余热机组的供冷能力时，电制冷机可参与调峰。华电产业园分布式能源站系统示意图如图1所示(烟气热水换热器和空调采暖换热器未示出)。

图1 华电产业园分布式能源站工艺流程Fig.1 Working process of Huadian Industrial Park Distributed Energy Station

华电产业园园区空调系统如图2所示。从能源站来的空调水进入分水器，从分水器通过各个楼座的母管泵送到各个楼座的风机盘管，经过换热后汇入集水器，从集水器流回能源站。每个楼座的空调水流量通过水泵调节，也有流量阀门对空调水流量进行小幅度调节。依据设计规范，分水器和集水器之间有平衡管联通。实际运行中会存在流量不平衡，即能源站的空调水流量与各个楼座使用的空调水流量不匹配，称能源站侧空调水为一次侧，分水器与集水器之间的各个楼座的空调水为二次侧。

当能源站空调水流量大于各个楼座空调水流量时，一次侧空调水有部分通过平衡管直接流入集水器；当能源站空调水流量小于各个楼座空调水流量时，二次侧空调水有部分通过平衡管直接流入分水器。第1种情形导致较低温度的空调水从分水器直接汇入经过换热的较高温度的集水器空调水，降低了能源站的空调水回水温度，因而制冷设备的回水温度也偏低。第2种情形导致经过换热的较高温度的空调水从集水器直接汇入较低温度的分水器空调水，提高了能源站的空调水供水温度，导致二次侧空调系统供水温度偏高。这两种情形都使空调水供回水温差降低。

由于能源站热力系统配置的原因，目前该能源站经常发生一次侧流量偏大的问题。为了分析流量不平衡对能源站设备运行及经济性的影响，在历史运行工况中选取园区电负荷和空调制冷负荷相近的两组工况，见表1。该工况下电负荷约为3 400 kW，冷负荷约为6 400 kW。在流量不平衡时，一次侧比二次侧流量多384 t/h；在流量平衡时，一次侧和二次侧流量基本持平。在流量不平衡时运行了#1内燃机，制冷设备除#2余热机外全部运行；在流量平衡时运行了#1内燃机，制冷设备除#2余热机和#2直燃机外全部运行。从运行设备数看，在制冷负荷相同时，保持一次侧和二次侧流量平衡，可少运行设备。

表1 流量平衡与流量不平衡能源站运行工况Tab.1 Operating conditions of energy station with balanced and imbalanced flow

2 设备运行状态对比

针对上述两种工况，本文对设备出力特性进行详细研究。对能源站运行人员来说，制冷设备的出力控制通过调节空调水供水温度和供水流量实现，设备内部控制逻辑根据供水温度和流量的指令调整负荷输出，达到设定的供水温度。当一次侧流量高于二次侧时，发生空调水未经各个楼座风机盘管直接通过平衡管进入集水器，使集水器温度降低，导致空调水回水温度偏低。在相同供水温度设定下，空调回水温度越低，设备制冷负荷越低，其负荷率越低。表2中是两种工况下内燃机-余热型溴化锂机组对比，表中COP为制热能效比(coefficient of performance)。

表2 内燃机-余热机运行参数Tab.2 Operating parameters of combustion engine-waste heat engine

余热机的热源为内燃机的排烟和高温缸套水，采用近似计算，进入余热机的热量约等于内燃机的电负荷。在平衡工况下，余热机的回水温度为13.7 ℃，制冷负荷为2 150 kW，近似计算其COP为0.72；在不平衡工况下，余热机的回水温度为11.0 ℃，制冷负荷为1 636 kW，COP为0.59。根据余热型溴化锂机组的制冷原理，在其他条件不变的情况下，回水温度降低时，经过溴化锂制冷机组后，供水温度亦随之降低。在一定范围内，空调水供水温度每降低1.0 ℃，制冷量降低7%～9%，COP降低，机组运行不经济。

表3是电制冷机组在两种工况下的参数对比。2台电制冷机组均处于运行状态，在平衡工况下，电制冷机组的回水温度为10.6 ℃，供回水温差为3.2 ℃，制冷负荷为3 387 kW；在不平衡工况下，电制冷机组的回水温度为8.9 ℃，供回水温差为1.5 ℃，制冷负荷为1 899 kW。电制冷机组的空调水经过蒸发器降温后送出，因此，当回水温度降低时，供水温度亦随之降低。空调水进出口平均温度下降，传热温差降低，致使换热效率降低。另外，当供水温度不变时，回水温度降低，为达到设定的供水温度，压缩机功率下降，导致制冷量下降。综合上述两点原因，回水温度降低使设备不能达到最大出力。

表4是两种工况下直燃型溴化锂机组对比。直燃型溴化锂机组的制冷原理与余热机相同，直燃机使用天然气燃烧的热量制热，而余热机使用内燃机的烟气和热水热量制热。在平衡工况下，直燃机的回水温度为14.1 ℃，制冷负荷为1 615 kW；在不平衡工况下，直燃机的回水温度为11.2 ℃，制冷负荷为1 296 kW。与余热型溴化锂机组的制冷原理相同，在其他条件不变的情况下，回水温度降低时，经过直燃机后，供水温度亦随之降低，导致制冷量降低，机组运行不经济。

表3 电制冷机组运行参数Tab.3 Operating parameters of electric refrigeration unit

表4 直燃机运行参数Tab.4 Operating parameters of direct combustion engine

3 供回水温度及运行成本分析

表5中是两种工况下内燃机天然气耗量、直燃机天然气耗量，内燃机发电功率、各机组制冷总量，忽略厂用电，可估算两种工况下的热效率。

表5 流量平衡与流量不平衡能源站运行成本Tab.5 Energy station operating costs with balanced and imbalanced flow

从计算结果可见，平衡工况下热效率为1.03，不平衡工况下热效率为0.89。按内燃机天然气2.51 元/m3，直燃机天然气2.60 元/m3计算，内燃机发电量电价按1.418 2 元/(kW·h)，冷价按152.00 元/GJ计算，可计算两种工况天然气成本为2 638 元/h和2 765 元/h，实时利润为1 604 元/h和1 181 元/h。

从设备运行特性和成本分析可见，当空调系统存在一次侧和二次侧不平衡时，制冷设备的效率下降，设备负荷率降低，能源站的热效率和利润降低，运行的经济性不高。从空调系统看，供热的温差越大，空调水流量越低，也可以节约水泵的电耗。因此，保持空调水系统的平衡，在能源利用效率、降低厂用电、提高运行经济性方面均有重要作用。