任 軍 盧 軍 李永財 劉崇喜

煙氣余熱回收復(fù)合制冷系統(tǒng)的可行性研究

任 軍 盧 軍 李永財 劉崇喜

（重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400045）

基于工業(yè)余熱回收，提出一種“熱水型和蒸汽型吸收式復(fù)合制冷系統(tǒng)”。通過對某電廠的余熱進(jìn)行回收，利用該復(fù)合系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心供冷，并與純蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行對比。從節(jié)能性方面，對復(fù)合系統(tǒng)冷凍水供回水溫度在7/12℃和12/18℃下的能耗進(jìn)行分析，得出后者比前者節(jié)能6.5%，且該復(fù)合系統(tǒng)全年可節(jié)省2.3í107Nm3天然氣。環(huán)保性方面，煙氣的排煙溫度最低溫度降到39.1℃，最高溫度降到49.2℃，完全高于煙氣的露點(diǎn)溫度58.7℃，可以減少煙氣的白羽現(xiàn)象，對環(huán)境保護(hù)具有一定效果。

余熱回收；復(fù)合制冷系統(tǒng)；煙氣白羽現(xiàn)象；節(jié)能環(huán)保

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程以及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對能源的需求不斷的增加[1]。如何緩解能源短缺的問題，這不僅關(guān)系國家發(fā)展，也影響到國計民生問題，因此采取節(jié)能政策將會在一定程度上緩解我國的能源短缺問題。

目前我國工業(yè)能耗仍為國家能源消耗的主要能耗[1]，這主要是因為能源的利用過程中存在有效能源利用的同時，也存在部分熱能由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等條件的限制，而無法對其進(jìn)行利用，只能排入環(huán)境中去，造成能源浪費(fèi)同時對環(huán)境也造成了污染。而一般電廠相關(guān)設(shè)備的熱轉(zhuǎn)化率僅為40%，也就是說60%的能量就白白被冷卻水排入大氣環(huán)境[2]。據(jù)相關(guān)學(xué)者調(diào)查，2015年有2.0億kW的能量被白白排入環(huán)境[2]。以北京市6個主力熱電廠為例，其排放的循環(huán)水余熱量約為1240MW，如能將這部分余熱回收利用用于供熱，電廠在不增加規(guī)模的情況下，供熱能力提高30%[3,4]。顧煜烔等人[5]通過采用吸收式熱泵和有機(jī)朗肯（ORC）循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)對電廠的循環(huán)冷卻水進(jìn)行回收利用研究，得出全年可回收的余熱為2.432×106MJ，節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤82.997t。

就我國而言，2011年我國的工業(yè)燃料燃燒廢氣排放量為241201×108億m3，將其視為低溫余熱并將其回收至標(biāo)準(zhǔn)條件下（298.15K，101.325kPa），其所蘊(yùn)含的熱能潛力達(dá)到23540×104萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，所占能量達(dá)到同年能源消耗總量的7.7%[6]。因此采用有效的低品位熱能利用技術(shù)對工業(yè)余熱回收、對國家的能源經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響[4]。

1 熱源分析

本項目位于重慶某園區(qū)，項目內(nèi)有一數(shù)據(jù)中心和燃?xì)?蒸氣聯(lián)合循環(huán)電廠，數(shù)據(jù)中心的能耗高但負(fù)荷變化穩(wěn)定，電廠配置了5臺9F級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，4用1備，總裝機(jī)容量為2000MW，同時配置了2×50t/h的調(diào)峰燃?xì)忮仩t，目前已投入使用的是2臺燃?xì)?蒸氣輪機(jī)組，機(jī)組配置采用1+1單軸型式，即1臺燃?xì)廨啓C(jī)+1臺余熱鍋爐+1臺蒸汽輪機(jī)+1臺發(fā)電機(jī)。目前本項目僅從蒸汽輪機(jī)中抽出部分蒸汽用于企業(yè)供熱以及蒸汽型吸收式溴化鋰機(jī)組制冷。而對于煙氣余熱的回收僅局限于余熱鍋爐的回收，電廠的冷卻水的余熱也沒有進(jìn)行回收利用。所以本文提出用復(fù)合制冷系統(tǒng)，利用回收的煙氣余熱對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行供冷。

項目中的電廠采用天然氣作為一次能源燃料，因為其煙氣的成分相比于燃煤，燃油等燃料的比較清潔，天然氣的主要成分是甲烷，甲烷燃燒之后的生成物是水和二氧化碳，不會產(chǎn)生太多的煙氣污染物，且可以看出一份甲烷產(chǎn)生兩份水，其潛熱也是非常大的，據(jù)相關(guān)研究表明，煙氣中水蒸汽的冷凝潛熱占天然氣低位發(fā)熱值的10～11%[7]，因此對煙氣的回收利用不僅限于對其顯熱的回收，還需要對其潛熱進(jìn)行深度回收利用，這樣余熱的回收更大。

2 復(fù)合制冷系統(tǒng)設(shè)計及其數(shù)學(xué)模型

復(fù)合制冷系統(tǒng)由1臺6500kW蒸汽型制冷機(jī)組和19臺2599kW熱水型制冷機(jī)組組成。以園區(qū)電廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為計算依據(jù)，采用MATLAB軟件對復(fù)合型制冷系統(tǒng)進(jìn)行模擬計算，并與純蒸汽系統(tǒng)，即9臺6500kW蒸汽型制冷機(jī)組進(jìn)行對比分析。

2.1 余熱回收復(fù)合制冷系統(tǒng)的設(shè)計

通過對本項目潛在熱源的分析，本文提出的余熱回收復(fù)合型制冷系統(tǒng)原理圖如圖1所示，圖中的余熱熱源主要分為煙氣余熱和蒸汽熱量，將其作為復(fù)合制冷系統(tǒng)運(yùn)行的熱源，其中蒸汽來自汽輪機(jī)的抽氣。煙氣余熱回收中的熱水其作為獨(dú)立的熱水輸配系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)，當(dāng)煙氣回收的余熱大于區(qū)域供暖所需要的熱量時，還可以將剩余熱量用于其他熱用戶。

圖1 余熱回收系統(tǒng)原理圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

復(fù)合制冷系統(tǒng)的能耗主要分為三部分：即熱水系統(tǒng)能耗、蒸汽系統(tǒng)能耗、節(jié)省和回收的熱量。

2.2.1 熱水型系統(tǒng)的能耗

水泵的能耗和水泵的功率以及水泵的負(fù)荷率有關(guān)，其中水泵功率與水泵的流量和揚(yáng)程以及水泵的效率有關(guān)，如下式所示[8]：

式中，表示水泵的功率，kW；表示容重，N/m3，這里取值為9800N/m3；表示水流量，m3/s；表示揚(yáng)程，m；表示水泵的效率，這里取0.85。

其中熱源水的流量為：

則根據(jù)上面的公式可計算得水泵的逐時能耗：

其中，為水泵的臺數(shù)，其臺數(shù)和熱水型機(jī)組的數(shù)量一一對應(yīng)。

2.2.2 蒸汽型系統(tǒng)的能耗

其中，蒸汽的凝結(jié)水量：

根據(jù)項目電廠距離制冷站的距離為1563m，計算得出沿程阻力為H，局部阻力H按照沿程阻力的50%計算，可計算總揚(yáng)程。

則根據(jù)以上可計算得水泵的逐時能耗：

則熱水源系統(tǒng)和蒸汽源系統(tǒng)總能耗為：

2.2.3 復(fù)合機(jī)組配置下節(jié)省和回收的熱量

由于制冷機(jī)組加入了熱水型吸收式制冷機(jī)組，因此所耗的高品質(zhì)蒸汽的耗量將減少，即熱水負(fù)荷所承擔(dān)的冷負(fù)荷所耗的熱量，就是蒸汽節(jié)省的熱量。

回收的煙氣熱量將用于驅(qū)動熱水型制冷機(jī)組或者用于生活或者冬季供暖使用。

2.3 系統(tǒng)模擬結(jié)果

2.3.1 從能耗角度分析

主要分析了復(fù)合型制冷機(jī)組的冷凍水供回水溫度為7/12℃時的能耗，并從節(jié)能方面考慮，較大的溫差可使流量減少，降低冷凍水泵的能耗，從而對比分析了復(fù)合型吸收式制冷機(jī)組的冷凍水供回水溫度在12/18℃下的能耗。

（1）冷凍水供回水溫差為7/12℃和12/18℃下的能耗

整個系統(tǒng)的能耗包括復(fù)合系統(tǒng)熱源部分的能耗和輸配系統(tǒng)的能耗：

①復(fù)合型機(jī)組系統(tǒng)熱源部分的能耗如圖2所示。

圖2 冷凍水供水溫度為7℃和12℃時的熱水和蒸汽系統(tǒng)能耗

從圖2可以看出復(fù)合型機(jī)組系統(tǒng)的熱源部分系統(tǒng)的能耗，在復(fù)合制冷機(jī)組的冷凍水出水溫度為7℃，供回水溫度差為5℃，熱源部分系統(tǒng)的能耗為5.56í105kW；在復(fù)合制冷機(jī)組的冷凍水出水溫度為12℃，供回水溫度差為6℃，熱源部分系統(tǒng)的能耗為5.93í105kW，相比于冷凍水出水溫度為7℃，供回水溫度差為5℃時約節(jié)省3.69í104kW，節(jié)能率為6.7%。

（2）輸配系統(tǒng)能耗

整個輸配系統(tǒng)的能耗包括冷凍水一次網(wǎng)和二次輸配系統(tǒng)的能耗、冷卻水輸配系統(tǒng)的能耗和凝結(jié)水系統(tǒng)的能耗。

圖3 復(fù)合型制冷機(jī)組輸配系統(tǒng)總能耗（7℃，溫差5℃和12℃，溫差6℃）

Fig.3 Total energy consumption of composite refrigeration unit transmission and distribution system (7°C, Δ5°C and 12°C, Δ6°C)

從圖3中可以看出復(fù)合機(jī)組系統(tǒng)的輸配系統(tǒng)，在冷凍水出水溫度為7℃，溫差為5℃下的最大能耗為3628.1kW，在冷凍水出水溫度為12℃，溫差為6℃下的最大能耗為3175.8kW。相比于冷凍水出水溫度為7℃，溫差為5℃下的能耗降低了452.3kW，節(jié)能率為12.7%。

則由圖2和圖3計算的熱源系統(tǒng)能耗和輸配系統(tǒng)能耗，可以計算出復(fù)合型吸收式制冷機(jī)組在7/12℃和12/18℃下的復(fù)合系統(tǒng)的能耗。

圖4 復(fù)合型制冷機(jī)組系統(tǒng)總能耗（7℃，Δ5℃和12℃，Δ6℃）

從圖4中可以看出，當(dāng)機(jī)組的冷凍水出水溫度為7℃、溫差為5℃時，整個復(fù)合系統(tǒng)的能耗最大值為：5.59í105kW，當(dāng)機(jī)組的冷凍水出水溫度為12℃，溫差為6℃時，整個復(fù)合系統(tǒng)的能耗最大值為：5.96í105kW，其比冷凍水出水溫度為7℃、溫差為5℃時節(jié)省能量為3.65í104kW，節(jié)能率為6.5%。

（2）通過計算：煙氣余熱回收系統(tǒng)的混合熱源系統(tǒng)的全年逐時能耗如圖5所示，全年的逐時蒸汽節(jié)省能耗和煙氣余熱回收熱量如圖6所示，復(fù)合型制冷系統(tǒng)的全年逐時能耗和純蒸汽系統(tǒng)全年逐時能耗如圖7所示。

圖5 熱水系統(tǒng)和蒸氣系統(tǒng)的逐時能耗

圖6 回收的煙氣熱量和蒸汽系統(tǒng)節(jié)省的能耗

圖7 蒸汽熱源系統(tǒng)和復(fù)合熱源系統(tǒng)的能耗

從圖7中可以看出復(fù)合系統(tǒng)的全年逐時能耗都是小于蒸汽系統(tǒng)的全年逐時能耗的，復(fù)合熱源系統(tǒng)的全年能耗為1.1í108kWh，蒸汽系統(tǒng)的全年逐時能耗為3.3í108kWh，則復(fù)合熱源系統(tǒng)比蒸汽系統(tǒng)節(jié)省2.2í108kWh，換算成一次能源，則全年約節(jié)省2.3í107Nm3天然氣。

2.3.2 從環(huán)保角度分析

復(fù)合型制冷系統(tǒng)是通過回收煙氣的余熱來驅(qū)動熱水型制冷機(jī)組進(jìn)行制冷，從而可以降低煙氣排入大氣的溫度，對于天然氣而言，由于其中的水蒸氣含量較高，因此通過降低煙氣的余熱，回收煙氣的潛熱，從而可以減少煙氣排入大氣的水汽白霧現(xiàn)象。

下面通過公式（16）可以得出煙氣的溫度可以回收的程度。

圖8 天然氣逐時的耗量

通過回收煙氣的余熱之后其所對應(yīng)的排煙溫度，這里主要通過簡化算法，插值法獲得：

式中，為回收之后的排煙溫度，℃；h130、h50、h30為對應(yīng)排煙溫度下的煙氣焓值，kJ/kg；20為煙氣50℃和30℃的差值，℃。

如圖9所示，其回收的煙氣焓值的變化和冷負(fù)荷的變化規(guī)律一致。其最大值回收的焓值為356.03kJ/kg，最小值為240.54kJ/kg。

從圖10中可以得出煙氣的排放的焓值和溫度，當(dāng)煙氣的溫度進(jìn)入煙氣-水換熱器之前的溫度為130℃時，其通過余熱回收利用之后全年的煙氣的排煙最低溫度為39.1℃，最高溫度為49.2℃，完全高于煙氣的露點(diǎn)溫度58.72℃，因此對于減少煙氣的水汽白霧現(xiàn)象具有一定的效果。

圖10 回收之后的排煙焓值和溫度

圖11 理論和實(shí)際所需的煙氣的余熱量

從圖11中可以看出煙氣理論可以回收的余熱量和相比實(shí)際需求的煙氣余熱量而言是綽綽有余的。

3 結(jié)論

（1）基于工業(yè)余熱回收，提出一種復(fù)合制冷系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)：復(fù)合制冷系統(tǒng)的全年逐時能耗都是小于蒸汽系統(tǒng)的全年逐時能耗，而且復(fù)合熱源系統(tǒng)的全年能耗為1.1í108kWh，純蒸汽系統(tǒng)的全年能耗為3.3í108kWh，所以復(fù)合熱源系統(tǒng)比蒸汽系統(tǒng)節(jié)省2.2í108kWh，換算成一次能源，則全年節(jié)省2.3í107Nm3天然氣。

（2）從理論上分析得出：可以回收的煙氣余熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需回收的煙氣余熱量，煙氣余熱潛力很大，進(jìn)一步分析得出：復(fù)合制冷系統(tǒng)的冷凍水供回水溫度為12/18℃比7/12℃節(jié)能6.5%。

（3）煙氣的排煙溫度可以最低溫度降到39.1℃，最高溫度降到49.2℃，完全高于煙氣的露點(diǎn)溫度58.7℃，因此對于減少煙氣的水汽白羽現(xiàn)象具有一定的效果。

從以上結(jié)論分析得出該系統(tǒng)在工業(yè)余熱回收利用上是可行的，可實(shí)現(xiàn)良好的節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的發(fā)展前景。

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Feasibility Study on Flue Gas Waste Heat Recovery Hybrid Refrigeration System

Ren Jun Lu Ju Li Yongcai Liu Chongxi

( School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing, 400045 )

Based on industrial waste heat recovery, this paper proposes a hot-water and steam type absorption composite system. Cooling the data center by recovering the waste heat from a power plant, and compare it with the pure steam system. From the aspect of energy saving, the energy consumption of the chilled water supply and return water in this Hybrid system at 7/12℃and 12/18℃ was analyzed and compared. Found that the latter is 6.5% more energy efficient than the former, and the 2.3í107Nm3natural gas is saved annually. From the aspect of environment protection, the flue gas exhaust temperature can be reduced to the lowest temperature of 39.1℃, the maximum temperature dropped to 49.2℃, completely higher than the flue gas dew point temperature 58.7℃. Reduced the white plume of the flue gas, it has a certain effect on environmental protection.

Waste heat recovery; Hybrid refrigeration system; Smoke white plume phenomenon; Energy conservation and

TK02

A

1671-6612（2020）02-209-06

任 軍（1994.09-），男，在讀碩士研究生，E-mail：1641304273@qq.com

盧 軍（1966.10-），男，博士，教授，E-mail：1181367768@qq.com

2019-05-16