溴化鋰機組冷凝熱回收利用可行性分析

朱 惠

上海虹橋商務區能源服務有限公司

0 引言

隨著國家“雙碳”戰略目標的確立，各行各業都在積極探尋新的節能減排技術，尤其在一些已建成投運的能源系統中，提高系統效率降低能耗已成為主要關注重點。作為能源高效利用方式之一的燃氣三聯供系統，其余熱利用是整個系統高效運行的關鍵要素。余熱型溴化鋰機組作為整個余熱利用的核心設備，整個工藝流程跟傳統冷水機組原理類似，制冷過程中也有大量的冷凝熱需要通過冷卻塔進行散熱。冷凝熱回收技術是一種有效的能源回收利用方式［1］，應用場景十分豐富，如能源供應［2］、工業制造［3-4］、公共建筑［5］等。本文研究設計了一種針對余熱利用型溴化鋰機組的冷凝熱回收方案，實現制冷的同時可以對外進行供熱，不僅提高了系統的綜合效率，同時也降低了冷卻塔的散熱負荷。該案例作為國內首創的技術發明，對其他類似項目具有重要的參考價值。

1 項目概況

1.1 項目簡介

上海某區域供能項目是國內首個面向大規模區域集中供能項目，項目設計遵循“以熱定電、熱電平衡、余電上網、梯級利用”的原則，采用燃氣三聯供系統運行為主，燃氣鍋爐、蓄冷和電制冷機組運行為輔的供能模式，滿足區域內352 棟，約550 萬m2的全部公共建筑的冷熱空調和酒店生活熱水。該項目中的燃氣三聯供項目于2014 年投運，項目裝機容量1.4 MW×8 分設在兩個能源中心，余熱利用設備與發電機組采用一一對應設置，余熱利用設備為8臺煙氣熱水型吸收式溴化鋰機組用于制冷。

1.2 改造背景

目前，夏季時區域內酒店有少量用熱需求，即能源站存在反季（4-10月）供熱需求，前期采取短暫開啟鍋爐或燃氣三聯供制熱模式運行的方式進行夏季供熱，但是該模式存在以下幾項弊端：

1）因夏季熱需求較小，若燃氣三聯供開啟制熱模式，則系統不能連續運行，故發電機發電量較低，無法滿足站內夏季用電量。

2）為了保障站內總用電需求，需保證燃氣三聯供連續運行，因此燃氣三聯供只能切換到制冷模式，為了滿足用戶短暫用熱需求，只能開啟燃氣鍋爐。然而短暫開啟燃氣鍋爐存在以下幾項問題：

（1）鍋爐燃氣單價較三聯供系統更高，故經濟性較差。

（2）站內配備的鍋爐為大容量燃氣鍋爐，而反季供熱需求量較小，存在鍋爐低負荷運行，造成能源利用率低、經濟效益不高、影響鍋爐壽命等問題。

（3）燃氣鍋爐開啟期間需每月對其排煙進行檢測，工作量增加的同時運行成本也有所增加。

2 改造方案

2.1 改造思路

為了改變這種狀況，現對燃氣三聯供系統中的溴化鋰機組工作原理進行深入研究分析。如圖1所示為溴化鋰機組的制冷工藝圖，吸收器內的溴化鋰水溶液被泵送至高溫熱交換器初步加熱，再進入高溫發生器，發電機煙氣將溴化鋰水溶液加熱升溫至140 ℃從而使得溶劑水蒸發為水蒸氣，而剩余的溴化鋰濃溶液則重新回到吸收器內。水蒸氣被冷卻水冷凝成冷劑水，此冷劑水在進入蒸發器后（高真空環境）驟然蒸發因而需吸收大量的相變潛熱，將換熱銅管內冷媒水從14 ℃降溫至7 ℃。驟然蒸發后的水蒸氣被發生器內的溴化鋰濃溶液吸收，變稀的溴化鋰水溶液再次被泵送至換熱器內，如此往復循環實現連續制冷。

圖1 制冷工藝流程圖

如圖2 所示為溴化鋰機組的制熱工藝圖，發電機煙氣加熱溴化鋰水溶液，從而產生水蒸氣將高溫發生器上部換熱管（熱水器）內的水加熱用于供熱，而水蒸氣被吸收熱量后凝結成水重新流入溴化鋰溶液中再次被加熱……如此循環不已。

圖2 制熱工藝流程圖

經研究發現，溴化鋰制冷工藝流程中產生的冷凝水如繼續用于制熱則需消耗發電機組余熱將其加熱，而通過改造可將此部分冷凝水用于制冷，使具體改造方案是通過在高溫蒸發器（高發）中增加凝水盤，高發與溴化鋰機組主體間增加凝水管，即可回收熱水器產生的冷凝水作為冷劑水用于制冷，獲取一定的制冷量，并且額外獲得一定的制熱量，因此顯著提升機組能效。改造后，機組制熱量調節范圍為350～750 kW，制冷量調節范圍為800～1 100 kW，機組總輸出功率平均為1 600 kW，綜合提升約200 kW。

熱水管增加恒溫調節電動閥，靈活調節制冷制熱量，當制熱量足夠時通過調節閥門，使更多的熱量用以制冷，提升制冷量（見圖3）。其替代部分冷卻水帶走冷劑水蒸氣冷凝熱。如此額外增加了一部分熱能，同時還減少了通過冷卻塔散發的熱量。因此，經研究與探討后，最終得出冷凝熱回收改造方案。該方案實施后溴化鋰機組從原本的制冷/制熱模式升級為可同時制熱制冷的冷熱雙供模式，并且機組的能效也得到了進一步提高。在此基礎上，通過在系統上加裝調節電動閥可實現靈活調節制冷和制熱的比例，此法既可滿足反季供熱需求，從而避免使用燃氣鍋爐，同時冷熱同供可以有效解決冷熱需求不平衡問題，保證燃氣三聯供系統連續穩定運行。

圖3 改造示意圖

2.2 可行性分析

改造后制熱量調節范圍為350～750 kW（如表1 和表2 所示）。根據歷史供能數據測算，改造2 臺溴化鋰機組即可滿足反季供熱需求。

表1 1號能源中心2021年反季（21-04-15至21-10-15）供熱量

表2 2號能源中心2021年反季（21-04-15至21-10-15）供熱量

2.3 實施過程

1）主機改造過程

對2 臺溴化鋰主機同時進行改造，增加帶凝水盤的新換熱器。

2）系統改造

在溴化鋰主機改造的同時拆除原管道，與主機改造同步完成系統管道及恒溫三通閥安裝。

3 項目實施效果

3.1 運行數據分析（見表3）

表3 改造后系統運行數據

3.2 實際經濟效益

根據2023 年1號及2號能源中心4月-10 月實際供熱數據以及改造后設備制熱量分析，本次改造項目可實現僅使用燃氣三聯供機組制熱滿足反季供熱需求，因此可避免使用燃氣鍋爐。以2023 年實際供能數據為例，制熱總量為8 275.29 MWh，燃氣鍋爐單位制熱成本約0.508 元/kWh，三聯供單位制熱成本約0.26元/kWh，因此使用燃氣三聯供機組替代原燃氣鍋爐反季節制熱需求，可節約運行成本約為(0.508-0.260)×8 275.29×1 000/10 000=205.23萬元（見表4）。

表4 2023年1號及2號能源中心4-10月供熱量(MWh)

此外，此次燃氣三聯供系統改造后可實現同時制冷和制熱，因此在滿足制熱需求的同時會產生相應的冷量。改造前燃氣三聯供系統僅用于制冷，其制冷功率約為1 400 kW，改造后可實現同時制冷及制熱，以制熱功率約為700 kW、制冷功率約為900 kW 計算，改造后制冷功率較改造前減少500 kW，此部分制冷量由站內離心式冷水機組（冷機）補充。因此，以2023 年4-10 月實際供熱數據為例，利用燃氣三聯供系統制取8 275.29 MWh 熱量，需電制冷機相應補充5 910.92 MWh 冷量。因燃氣三聯供制冷成本高于冷機制冷成本，燃氣三聯供系統單位制冷成本約0.260 元/kWh，冷機單位制冷成本約0.170 元/kWh，因此制取此部分冷量會相應額外增加運行成本約為(0.260-0.170)×5 910.92×1 000/10 000=53.20萬元。

綜上，此次改造完成后，可每年節省制熱成本約205.23 萬元，節省制冷成本約53.20 萬元，因此總節省經營成本258.52萬元/年。

此次改造項目分別在1 號及2 號能源中心進行，改造以后的兩臺三聯供系統即可滿足用戶反季用熱需求，改造項目總投資金額約87.5 萬元。以2023 年實際供熱數據為例，此改造項目預計4 個月即可回收投資成本，經濟效益十分顯著。

3.3 節能效益

燃氣三聯供系統改造后，其綜合能源利用效率提升約7.14%，并且使用更加清潔高效的燃氣三聯供系統替代了高能耗的鍋爐（見表5）。以2023 年反季制熱數據為例，總制熱量為8 275.29 MWh，因此可節約147 萬m3天然氣，可節約1 400.8 tce，減少CO2排放約3 883.7 t。

表5 燃氣三聯供系統改造前后數據

3.4 項目實際效果

1）國內余熱利用型溴化鋰機組使用冷凝熱回收尚無先例，該項目為首例改造案例，因此對其他燃氣三聯供項目具有重要參考價值，可在行業內積極分享及推廣。

2）節省供能成本。以2023 年反季供熱數據為例，1 號和2 號能源中心總計每年可節約成本約258.52萬元。

3）增加燃氣三聯供系統開機時間，發電機組余電可上網以此增加經濟收益。

4）提升溴化鋰機組功率。改造后機組功率均提升約200 kW，因此溴化鋰機組能效提高約14%，燃氣三聯供系統綜合效率提高約7.14%。

5）機組運行調節更靈活省時，供能模式切換無需停機降溫，且可通過電動調節閥靈活調節冷熱量。

6）使用高效率的燃氣三聯供系統替代燃氣鍋爐，節能減排效益顯著，每年可節約1 400.8 tce，減少CO2排放3 883.7 t。

4 結論

本文設計了一種冷凝熱回收方案，該方案將溴化鋰機組升級為可同時制冷制熱的冷熱雙供模式，并且將部分冷凝水回收利用。經改造后，燃氣三聯供系統的綜合能效提升了7.14%，同時也解決了區域內客戶的反季用熱需求。國內余熱利用型溴化鋰機組使用冷凝熱回收尚無先例，該案例系國內首創，為同類燃氣三聯供項目提供了參考和借鑒。