白文斌宋陽王戴娜

上海航天能源股份有限公司

引言

工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中需要大量的冷卻水，如電子行業(yè)、燒堿行業(yè)、石油化工行業(yè)和冶金行業(yè)等內(nèi)部的循環(huán)冷卻水用量占企業(yè)用水總量的50%～90%[1]。工業(yè)企業(yè)的廠區(qū)循環(huán)冷卻水量設(shè)計(jì)較大，在實(shí)際運(yùn)行過程中幾乎很少出現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行的情況[2]。

目前許多工業(yè)廠區(qū)為了達(dá)到節(jié)能減排等目的，在廠區(qū)內(nèi)根據(jù)自身情況設(shè)置一套分布式能源系統(tǒng)，分布式能源系統(tǒng)提供給廠區(qū)所需的能源，如電力、蒸汽、熱水及冷凍水等。電力一般采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的模式，供給廠區(qū)使用[3]。分布式能源系統(tǒng)中冷卻水是不可或缺的，由于工業(yè)企業(yè)原設(shè)計(jì)對(duì)廠區(qū)循環(huán)冷卻水的穩(wěn)定性要求較高，因此完全能夠滿足分布式能源系統(tǒng)中對(duì)冷卻水的需求。

本文以某工業(yè)冷卻水系統(tǒng)的局部改造為例，引一路廠區(qū)冷卻水進(jìn)入分布式能源系統(tǒng)，冷卻分布式能源站內(nèi)設(shè)備，從而達(dá)到利用某些工業(yè)行業(yè)冷卻水，減少分布式能源的投資，達(dá)到節(jié)約運(yùn)行成本和提高分布式能源運(yùn)行效率的目的。

1 工廠冷卻水在分布式能源項(xiàng)目中的應(yīng)用

1.1 某工廠冷卻水現(xiàn)狀

以某工廠為例，此工業(yè)是生產(chǎn)型化工企業(yè)，生產(chǎn)過程中用到了大量的電、蒸汽、冷凍水和冷卻水，企業(yè)用電量約15MW，蒸汽量約20t/h，冷量約6MW，冷卻水量約8 000t/h（包括生產(chǎn)以及制冷的冷卻水）。設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)工廠冷卻水系統(tǒng)時(shí)，從安全性的角度出發(fā)，以廠區(qū)最大用量的110%作為工廠冷卻水的設(shè)計(jì)用量，而工廠實(shí)際冷卻水用量穩(wěn)定在設(shè)計(jì)負(fù)荷的50%左右，且最高峰用量僅達(dá)到設(shè)計(jì)用量的65%左右。因此某廠區(qū)目前有約35%的冷卻水余量處于未利用狀態(tài)。這部分未利用的冷卻水可以作為分布式能源的冷卻水源。

1.2 內(nèi)燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)

企業(yè)所配置的分布式能源系統(tǒng)為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，及煙氣熱水型溴化鋰制冷機(jī)組。圖1為內(nèi)燃機(jī)分布式能源流程圖。

圖1 內(nèi)燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)圖

天然氣進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)，內(nèi)燃機(jī)經(jīng)做功產(chǎn)生電力，供給用戶使用的同時(shí)產(chǎn)生高溫缸套水以及高溫?zé)煔?。高溫缸套水及高溫?zé)煔膺M(jìn)入煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組，煙氣熱水型溴化鋰產(chǎn)生冷水供給用戶使用。內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組以及煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組在工作過程中需要一定量的冷卻水。例如一臺(tái)MWMTCG 2032 V16機(jī)組，機(jī)組發(fā)電量為4 300kW，系統(tǒng)需要冷卻水量為1 156t/h，冷卻水供回水溫度分別為32℃/37℃，系統(tǒng)冷卻水用量占工廠用量的14.45%，不影響工廠的正常運(yùn)行。

1.3 燃?xì)廨啓C(jī)分布式能源系統(tǒng)

本項(xiàng)目為工廠配置的分布式能源系統(tǒng)為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和蒸汽余熱鍋爐[4]。圖2為燃?xì)廨啓C(jī)分布式能源系統(tǒng)圖。

圖2 燃機(jī)輪機(jī)分布式能源系統(tǒng)圖

天然氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，在燃燒室內(nèi)被點(diǎn)燃，高溫?zé)煔膺M(jìn)入透平進(jìn)行絕熱膨脹做功，旋轉(zhuǎn)的透平帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生電力，從透平尾部排出的約500℃的高溫?zé)煔庖胗酂徨仩t，利用煙氣的余熱加熱給水，產(chǎn)生工業(yè)所需的蒸汽。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需要大量的冷卻水給燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)油和發(fā)電機(jī)冷卻。例：對(duì)于MGT6100機(jī)組，機(jī)油冷卻所需的冷卻水量為30t/h，發(fā)電機(jī)組所需冷卻水量為51t/h，冷卻水供回水溫度分別為32℃和37℃，系統(tǒng)冷卻水用量占此工廠用量的1.01%，對(duì)工廠冷卻水系統(tǒng)不造成影響。

2 冷卻水系統(tǒng)的改造論證

2.1 可行性分析

廠區(qū)冷卻水系統(tǒng)改造，主要是將廠區(qū)冷卻水中的其中一路冷卻水引入分布式能源系統(tǒng)，系統(tǒng)圖見圖3。

圖3 改造后的冷卻水系統(tǒng)

從廠區(qū)原有冷卻水管路上引一路支管，分布式能源冷卻水系統(tǒng)與車間冷卻水系統(tǒng)并聯(lián)，通過閥門的開度來調(diào)節(jié)水路平衡，達(dá)到分布式能源冷卻水系統(tǒng)與車間冷卻水系統(tǒng)的水路平衡。在不影響原有生產(chǎn)工藝運(yùn)行的前提下，從車間冷卻水系統(tǒng)引出一路冷卻水，是可行的。

2.2 安全性分析

大部分工業(yè)企業(yè)常年穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行，廠區(qū)冷卻水系統(tǒng)必須安全可靠[5]，一旦發(fā)生系統(tǒng)故障或事故停止供應(yīng)冷卻水的情況，則整個(gè)生產(chǎn)工業(yè)將被迫中止，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至可能發(fā)生安全事故。因此廠區(qū)冷卻水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)以及生產(chǎn)運(yùn)行過程中均為安全級(jí)別非常高的工藝段，為廠區(qū)循環(huán)冷卻水在分布式能源系統(tǒng)中的應(yīng)用提供安全保障。

冷卻水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中都會(huì)考慮一定的余量和檢修過程中的備用冷卻水系統(tǒng)。分布式能源系統(tǒng)利用廠區(qū)冷卻水進(jìn)行冷卻，能保證分布式能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)上述改造的冷卻水系統(tǒng)，分布式能源冷卻水系統(tǒng)與車間冷卻水系統(tǒng)并聯(lián)，當(dāng)車間冷卻水系統(tǒng)損壞需停役檢修時(shí)，通過關(guān)閉車間冷卻水系統(tǒng)前后隔離閥，單獨(dú)運(yùn)行分布式能源冷卻水系統(tǒng)，與整個(gè)廠區(qū)冷卻水系統(tǒng)形成閉合回路，穩(wěn)定安全運(yùn)行。同時(shí)當(dāng)分布式能源冷卻水系統(tǒng)檢修時(shí)，將前后隔離閥關(guān)閉，不影響車間冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

上述設(shè)計(jì)案例為某廠區(qū)分布式能源方案的設(shè)計(jì)，在此就兩套方案分別從投資及運(yùn)行角度進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

內(nèi)燃機(jī)方案，采用發(fā)電量為4 300kW的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組，冷卻水耗量為1 156t/h，經(jīng)改造后，可為分布式能源節(jié)省1 156t/h的冷卻塔以及2臺(tái)冷卻水泵的初投資。

燃?xì)廨啓C(jī)項(xiàng)目，采用發(fā)電量為6 630kW的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，冷卻水耗量為81t/h，可節(jié)省81t/h的冷卻塔以及2臺(tái)冷卻水泵的初投資。

表1為分布式能源冷卻系統(tǒng)改造前后冷卻系統(tǒng)投資估算表。

表1 分布式能源冷卻系統(tǒng)改造前后投資估算表（單套萬元）

從運(yùn)行成本方面，分布式能源冷卻系統(tǒng)改造后，對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部少了一套冷卻水泵和一套冷卻套，系統(tǒng)的運(yùn)行成本降低。表2為分布式能源系統(tǒng)節(jié)能量。

表2 分布式能源系統(tǒng)節(jié)能（單套）

按表2的數(shù)據(jù)計(jì)算分布式能源系統(tǒng)年運(yùn)行節(jié)能費(fèi)用（年節(jié)能費(fèi)=年節(jié)約電量×電費(fèi)，電費(fèi)按照0.8元/kWh計(jì)算），單套內(nèi)燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用166.4萬元/年；單套燃?xì)廨啓C(jī)分布式能源系統(tǒng)節(jié)約費(fèi)用23.68萬元/年。

系統(tǒng)改造后，分布式能源的投資與運(yùn)行費(fèi)用都相應(yīng)減少，內(nèi)燃機(jī)制冷方案節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用更多，冷卻水系統(tǒng)改造提高了分布式能源的系統(tǒng)收益。

3 總結(jié)

本文以工業(yè)廠區(qū)循環(huán)冷卻水在分布式能源系統(tǒng)改造應(yīng)用為例，闡述了將工業(yè)企業(yè)循環(huán)冷卻水在分布式能源中的應(yīng)用情景。

因廠區(qū)循環(huán)冷卻水對(duì)工業(yè)企業(yè)正常生產(chǎn)的重要性，分布式能源冷卻水系統(tǒng)利用工業(yè)企業(yè)的廠區(qū)循環(huán)冷卻水是可行的，分布式能源冷卻水系統(tǒng)與車間冷卻水系統(tǒng)并聯(lián)，提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性，在分布式能源經(jīng)濟(jì)性建造過程中節(jié)省了冷卻水泵和冷卻塔的投資，提高了廠區(qū)循環(huán)冷卻水的利用價(jià)值，并且為分布式能源節(jié)省了運(yùn)行成本。