熱泵在燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用

摘 要

摘要：介紹了某生態(tài)園燃?xì)饫錈犭娐?lián)供能源站的技術(shù)方案。采用水源熱泵利用夜間城市電網(wǎng)低谷電進(jìn)行蓄冷、蓄熱，白天用于供冷、供熱，延長(zhǎng)了燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間，降低了運(yùn)行成本，提
摘要：介紹了某生態(tài)園燃?xì)饫錈犭娐?lián)供能源站的技術(shù)方案。采用水源熱泵利用夜間城市電網(wǎng)低谷電進(jìn)行蓄冷、蓄熱，白天用于供冷、供熱，延長(zhǎng)了燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間，降低了運(yùn)行成本，提高了供冷、供熱的安全可靠性。
關(guān)鍵詞：燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)；燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組；熱泵
Application of Heat Pump in Gas-fired Combined Cooling，Heating and Power System
YANG Jie，WANG Zheng，LIANG Yongjian，BAI Liying
Abstract：The technical scheme of gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)systern applied in an ecological garden is introduced.Heat and cold generated by valley electricity from electric network are stored by water-source heat pump at night and supplied as complements in the daytime.Thus，the running time of the gas-fired electricity generator is extended，the cost is reduced，and the safety of heat and cold supply is improved.
Key words：gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)system；gas-fired electricity generator；heat pump
1 工程概況
    隨著《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》的修訂實(shí)施，國(guó)家對(duì)節(jié)能工作提出了更高的要求。降低建筑能耗是節(jié)能工作的一項(xiàng)重要任務(wù)，為提高能源綜合利用率，燃?xì)饫錈犭娐?lián)供技術(shù)受到高度關(guān)注[1～6]，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 145—2010《燃?xì)饫錈犭娙?lián)供工程技術(shù)規(guī)程》自2011年3月1日起實(shí)施。北京市自1999年以來開始著手進(jìn)行燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)的調(diào)研和工程試點(diǎn)工作，先后有燃?xì)饧瘓F(tuán)指揮調(diào)度中心、文津國(guó)際大廈、北京會(huì)議中心9號(hào)樓、京豐賓館、蟹島綠色生態(tài)園等多項(xiàng)燃?xì)饫錈犭娐?lián)供工程實(shí)施。
    蟹島綠色生態(tài)園位于北京市朝陽區(qū)金盞鄉(xiāng)機(jī)場(chǎng)輔路中段南側(cè)，距首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)7km，集種植、養(yǎng)殖、餐飲、住宿、娛樂、會(huì)議接待為一體。為滿足生態(tài)園游泳館、會(huì)議樓、文化中心、俱樂部及賓館(總建筑面積為9.2×104m2)的冷熱負(fù)荷(設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷為12588kW，設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷為9027kW)，并考慮生態(tài)園用電需求，在生態(tài)園人工湖畔建設(shè)燃?xì)饫錈犭娐?lián)供能源站。能源站于2009年底竣工，2010年1月成功投入運(yùn)行，是世界銀行“北京環(huán)境二期項(xiàng)目”中“高效燃?xì)饽茉醇夹g(shù)推廣的技術(shù)支持”子項(xiàng)目的示范工程。目前，能源站由北京蟹島集團(tuán)公司管理。
2 能源站技術(shù)方案
2.1 系統(tǒng)流程
    能源站主要設(shè)備見表1。能源站優(yōu)先利用1360kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組(采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī))發(fā)電余熱(煙氣、缸套冷卻水)通過煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱溴化鋰機(jī)組)供應(yīng)冷量、熱量。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組出口煙道以及冷卻水管道上分別安裝調(diào)節(jié)閥，根據(jù)負(fù)荷變化情況，調(diào)節(jié)煙氣、冷卻水流量。燃?xì)忮仩t房作為生活熱水和供熱系統(tǒng)的備用熱源。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組設(shè)有備用冷卻系統(tǒng)，冷卻水源為蟹島人工湖水，人工湖水同時(shí)作為熱泵機(jī)組冷熱源。
表1 能源站主要設(shè)備
名稱
主要技術(shù)參數(shù)
數(shù)量/臺(tái)
燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組
發(fā)電功率為1360kW
2
發(fā)電功率為360kW
2
溴化鋰機(jī)組
制冷能力為1740kW，制熱能力為1400kW
2
熱泵
制冷能力為1590kW，制熱能力為2050kW
6
燃?xì)忮仩t
熱功率為4.2MW
1
熱功率為2.8MW
1
    能源站設(shè)1路10kV高壓進(jìn)線，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組經(jīng)2臺(tái)容量為2000kVA變壓器升壓后分別接入10kV配電母線與市電并網(wǎng)運(yùn)行，每臺(tái)變壓器各接入1臺(tái)1360kW及1臺(tái)360kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的方式(或獨(dú)立運(yùn)行方式)，在10kV進(jìn)線側(cè)設(shè)有逆功率保護(hù)裝置，防止向城市電網(wǎng)送電。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電在生態(tài)園范圍內(nèi)使用，除能源站設(shè)備用電外，用于生態(tài)園的為外供電量，不足部分由城市電網(wǎng)補(bǔ)充。為充分利用城市電網(wǎng)低谷時(shí)段電，并考慮夜間冷熱負(fù)荷較低，通常夜間燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組不工作，熱泵利用城市電網(wǎng)低谷電進(jìn)行蓄冷、蓄熱，蓄冷熱裝置采用共用方式。能源站系統(tǒng)流程見圖1。

2.2 生活熱水流程
    360kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組只用于發(fā)電和制備生活熱水，其內(nèi)置換熱器，利用余熱制備生活熱水，與現(xiàn)有太陽能熱水系統(tǒng)聯(lián)合供應(yīng)生活熱水，不足部分由燃?xì)忮仩t房補(bǔ)充。由于生活熱水負(fù)荷波動(dòng)較大，因此設(shè)置了生活熱水儲(chǔ)罐，以保證燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組余熱的充分利用。當(dāng)生活熱水負(fù)荷較低時(shí)，將利用余熱制備的生活熱水儲(chǔ)存在生活熱水儲(chǔ)罐中，避免了燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組余熱的浪費(fèi)。
2.3 供冷供熱流程
    ① 夏季供冷
在白天，利用1360kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組余熱通過溴化鋰機(jī)組供冷，并開啟蓄冷裝置進(jìn)行供冷，不足部分由熱泵補(bǔ)充。
在夜間，城市電網(wǎng)低谷電價(jià)時(shí)段，熱泵利用人工湖水作為熱源通過蓄冷裝置蓄冷，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組不開啟。系統(tǒng)不單獨(dú)設(shè)置熱泵機(jī)組制備空蒯系統(tǒng)冷水，而是將空調(diào)系統(tǒng)冷水與蓄冷裝置換熱后向空調(diào)系統(tǒng)末端供冷，這樣簡(jiǎn)化了系統(tǒng)流程，熱泵機(jī)組之間能互為備用。
    ② 冬季供熱
    在白天，利用1360kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電余熱通過溴化鋰機(jī)組供熱，熱泵利用蓄熱裝置作為熱源供熱，而不再采用人工湖水作為冷源。
在夜間，城市電網(wǎng)低谷電價(jià)時(shí)段，熱泵利用人工湖水作為冷源通過蓄熱裝置蓄熱，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組不開啟?？照{(diào)系統(tǒng)熱水同樣來自蓄熱裝置，不單獨(dú)設(shè)置熱泵機(jī)組制備空調(diào)系統(tǒng)熱水。對(duì)于嚴(yán)寒期，夜間無法采用人工湖水作為熱泵冷源蓄熱時(shí)，全天采用燃?xì)忮仩t房供熱。
3 熱泵應(yīng)用特點(diǎn)分析
    蟹島能源站采用熱泵配合蓄冷、蓄熱裝置供冷、供熱，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面具有以下特點(diǎn)。
    ① 延長(zhǎng)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間
    燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組是燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)中造價(jià)最高的設(shè)備之一，為充分發(fā)揮其作用，必須保證燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組達(dá)到一定的運(yùn)行時(shí)間。有資料顯示，燃?xì)饫錈犭娐?lián)供項(xiàng)目應(yīng)保證燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間達(dá)到3500h甚至4000h以上。因此，準(zhǔn)確的負(fù)荷分析和合理的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組容量選擇是燃?xì)饫錈犭娐?lián)供項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。該項(xiàng)目燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的年滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間為3830h。若不采用熱泵機(jī)組，而采用電制冷機(jī)+燃?xì)忮仩t房供應(yīng)冷熱量。因發(fā)電機(jī)追蹤負(fù)荷情況運(yùn)行，當(dāng)電負(fù)荷不高時(shí)，發(fā)電機(jī)不能滿負(fù)荷運(yùn)行。在本工程中，夏季采用電制冷機(jī)和熱泵組同樣為電制冷，發(fā)電機(jī)夏季運(yùn)行工況不變。冬季若不使用熱泵機(jī)組而使用燃?xì)忮仩t供熱，實(shí)際用電負(fù)荷減小，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)負(fù)載下降，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間縮短。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組年滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間將縮短至3260h。
   ② 提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益
   燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)除了在提高能源綜合利用率、節(jié)能、環(huán)保等方面的貢獻(xiàn)較大以外，還可創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益。能源站采用熱泵配合蓄冷熱裝置供應(yīng)冷熱量，對(duì)比采用電制冷機(jī)+燃?xì)忮仩t房的方式，能源站的主要技術(shù)數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，若不采用熱泵配合蓄冷熱裝置，冬季燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組開機(jī)時(shí)間縮短，余熱減少，不足熱量全部由燃?xì)忮仩t供應(yīng)。對(duì)于能源站運(yùn)行成本，雖然燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組耗氣量減少，但供熱耗氣量增加，年耗氣量增加36×104m3/a，燃?xì)獬杀驹黾?。?duì)于能源站收益，若不采用熱泵配合蓄冷熱裝置，由于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間縮短，年外供電量減少265×104kW·h/a，能源站收益大幅下降。
表2 采用兩種冷熱源的能源站主要技術(shù)數(shù)據(jù)
冷熱源
熱泵+蓄冷熱裝置
電制冷機(jī)+燃?xì)忮仩t房
年發(fā)電量/(kW·h·a-1)
1017×104
865×104
年外供電量/(kW·h·a-1)
705×104
440×104
年耗氣量/(m3·a-1)
314.8×104
350.8×104
能源站年自耗電量(包括城市電網(wǎng)電)/(kW·h·a-1)
618.4×104
473.9×104
③ 提高供能安全性
    能源站在設(shè)備配置上，無論冬夏季，都實(shí)現(xiàn)了電能和天然氣雙能源供應(yīng)冷熱量，但熱泵和溴化鋰機(jī)組并不是互為備用，而是共同運(yùn)行滿足冷熱負(fù)荷。在實(shí)際運(yùn)行中，冷熱負(fù)荷達(dá)到最大值只有較短的時(shí)間，因此在較長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)，蟹島能源站可以選擇只用電能或只用燃?xì)夤?yīng)冷熱量。既保證了冷熱量供應(yīng)的安全性，還可根據(jù)電能和天然氣價(jià)格的變化隨時(shí)調(diào)整運(yùn)行策略，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)化。
4 結(jié)論
    ① 該項(xiàng)目采用燃?xì)饫錈犭娐?lián)供的供能方式，解決了電力供應(yīng)緊張的問題，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
    ② 采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組為熱泵供電，為應(yīng)用可再生能源提供了更有利的條件。熱泵配合蓄冷熱裝置可以起到延長(zhǎng)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組工作時(shí)間、提高能源站經(jīng)濟(jì)效益、提高供能安全性等作用。
    ③ 蟹島能源站已投入運(yùn)行，它的成功實(shí)施，提供了燃?xì)饫錈犭娐?lián)供能源站配置新模式，為燃?xì)饫錈犭娐?lián)供項(xiàng)目的發(fā)展起到示范和推動(dòng)作用。
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(本文作者：楊杰 王崢 梁永健 白麗瑩 北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100032)