(广州大学土木工程学院建筑设备工程系,广东510405)
摘要:对广州大学城区域供冷与燃气轮机热、电、冷联产系统的关系进行了论证,对燃气轮机热、电联产工况进行了计算比较。对天燃气的燃料价格与发电、制冷费用进行了分析,认为采用复合能源是规避燃料价格风险,发挥三联供优点的较佳方式。讨论了大温差对管网节能运行的有利性,以及介绍管网敷设采用直埋技术的有关技术特点。
关键词:燃气轮机联合循环,区域供冷,吸收式制冷,温差,管道直埋
中图分类号:ＴＵ831;ＴＵ832;ＴＵ833 [文献标识码]Ａ
广州大学城位于小谷围岛及其南部地区,方圆43 3平方公里,规划人口35～40万人,首期开发18万平方公里,大学城安排十所大学入住,空间结构层次为组团—校区,分为五个组团,建成后将是全国最大的大学城之一。众所周知,广东省是用能大省,也是缺能大省,大学城的夏季供冷方案经过充分论证,确立为区域供冷,这是符合广东省的能源供应状况,及可持续发展的最佳方案,本文将讨论区域供冷所面临的几个问题。
1区域供冷与热、电、冷三联供的关系
20世纪80年代以来,国外燃气轮机技术进入一个高速发展的时期,热、电、冷联产能够大大提高热能的利用,节约能源,燃气-蒸汽联合循环机组的热能利用率高达80%,而火力发电的热能利用率仅为31%左右,区域供冷若仍用常规电力制冷的方法,,则其电力的消耗惊人,去年广州市因缺电造成200亿元损失,峰谷电力差达到0 52,从改善广州市的大气环境及用能结构,抑制峰谷电力差,提高对能源的综合利用,及提高一次能源的转化率出发,热、电、冷燃气—蒸汽联合循环的三联供系统方案的采用,无疑是明智的选择。
对北方地区,三联供系统往往由于夏季系统热负荷太少,机组排气损失大,而难以提高整个系统的热效率,对南方地区而言,燃气轮机中燃气经作功发电后,其排出的高温烟气(450～600℃),进入余热锅炉由水吸收热量转化为高温蒸汽进入抽汽式汽轮机发电,在夏季汽轮机抽汽或排气供吸收式制冷机制冷及满足其它热负荷,使整个系统的热负荷平衡,提高了夏季热电厂的发电量与供热量,使系统能够高效运行,高位热量发电,低位热量制冷,天然气能源得到梯级利用,提高了全年的综合经济效益,也减轻了电制冷对电网的压力,而且吸收式制冷机采用水-溴化锂溶液工质,有利于保护大气臭氧层。
另外,由2005年末起,广东每年向供气方澳洲伍德赛德(Ｗｏｏｄｓｉｄｅ)能源公司买进330万吨液化天然气(ＬＮＧ),为期25年,大学城热、电、冷联产项目将是一个稳定的用气客户,这对管网经济运行调节极为有利,并将节约建设大型储气罐等设施投资。由此可见燃气轮机热、电、冷联产项目具有重大的社会经济效益与环保效益。
2区域供冷站的选择设置
区域供冷站与热电厂的设置是紧密相连的,燃气轮机技术的一个重要发展方向就是大容量、高参数、大型化,由于燃气轮机热力循环固有特点,其热力性能(热效率、比功)是随着透平初温上升而提高,不断提高热力参数以提高性能一直是燃气轮机发展的主要趋势。当前,透平初温已提高到1300℃,单机功率最大为230ＭＷ,单机联合循环最大为350ＭＷ。
大学城小谷岛(一期)约18平方公里,外环路约15公里,近二年竣工400百万平方米,空调冷负荷估算大约387ＭＷ(约11万ＵＳＲＴ),按照“以冷定电”的原则,笔者主张在小谷围岛设置二个热、电站,东西各一个,小谷围岛中环路长10公里,因此热力管道输送距离约在8公里以内,冷站可设5～7个,节约输送能量。燃气-蒸汽轮机机组各一套,符合大容量、高参数的要求(图1)。站房过多,不仅投资大,而且工业建筑形式也难以与校园优美的田园风格相协调。
按照一个ＤＣＨ负担冷负荷193 5ＭＷ(55000ＵＳＲＴ),来选择配备溴化锂制冷机。国内最大某型号双效蒸汽式溴化锂制冷机冷量为23 3ＭＷ(6614ＲＴ),需要设8台,蒸汽耗量总共为205ｔ/ｈ(0 6ＭＰａ),以此来决定燃机和余热锅炉的容量参数,见表1,从表中数据可看出,抽汽多少对发电量的大小,及联合循环热电效率是有影响的,最佳的情况是热负荷能持续稳定并达到设计值,发电量就能达到设计值,系统运行的成本就低,全年的平均效率就高,对大学城而言,不利的工况是冬季, 热负荷较少,需要开发热用户,减少热损失。另外可采取将余热锅炉生产的部分蒸汽回注到燃机,减少余热锅炉冬夏热负荷的差值,提高机组的发电量[1]。从表1可证明燃气-蒸汽联合循环热、电、冷联产具有较高的热能利用效率,如抽汽140ｔ/ｈ时,联合循环热电效率为64 86%,发电147600ｋＷ,热电比90 43%,天然气耗量为37404ｍ3/ｈ。当抽汽量减少时,联合循环的效率降低。
区域供冷制冷机的设置除了使用双效蒸汽式溴化锂制冷机外,可采用离心式和吸收式制冷机的组合,国外离心制冷机较多采用燃气轮机驱动或蒸气透平驱动,这样提高制冷机组的性能系数与供冷的可靠性。
3区域供冷燃料的经济分析
燃气轮机三联供系统成本一般是由:(1)总投资的折旧成本、(2)运行和维护成本、(3)燃料成本三部分组成。当项目竣工后,第(1)、(2)部分成本基本确定,变化因素较少,不妨称之为固定成本。发电供冷成本加上一定的资金回报和负债回报构成上网电价及供冷价。或者说,当发电成本一定时,为了满足内部收益率、投资回收率、贷款偿还率等经济评价指标的要求,必然对应有一个最低的上网电价及供冷价。这里提及的上网电价只是进行天然气发电经济性分析的概念,并不等于电厂真实售电价。
一般地,燃气轮机联合循环建设比投资低,自动化程度高,劳动定员少,因此与常规燃煤电站相比,系统成本中固定成本部分所占比例减小,一般占35%～55%;燃料成本比例上升,一般占45%～65%,由于燃料成本所占份额较高,ＤＣＨ的运行经济性将很大程度上取决于天然气价格。因而设法降低天然气价格对减少燃气轮机联合循环发电成本至关重要。考虑到燃气轮机热、电、冷联产项目的社会经济效益和环保效益:减少大气污染,改善城市景观,提高能源利用率,节省机房空间等,由政府给予优惠的燃气价格,和提供政策扶持帮助,对其项目的成功是相当重要的。
图2为文献[2]列举的一个天然气燃气轮机联合循环发电与常规燃煤发电技术方案—上网电价相对于燃料价格的敏感性分析。从图上看出,以天然气为燃料的燃气轮机联合循环上网电价与常规燃煤电价相比,对燃料价格比较敏感。天然气价上升时,上网电价上升幅度较大,供冷价格相应增加。
4区域供冷复合能量的使用
燃气驱动热、电、冷联产具有显著的能源利用率达80%以上,其成败的关键在于运行成本的经济性、供能的可靠性、与项目管理的可持续性。在大学城近18平方公里的范围内,单一的能源结构,对燃料的依赖性大,价格风险大,因此应提倡建筑能源的多元化。自然性能系数高的电制冷是首选, 从技术发展的趋势看,相当长的时间内,电力和燃气作为空调能源将是并存的。同时大学城的建设不是一挥而就,阶段落成,阶段使用,供冷负荷是随项目建设而逐渐加大的。考虑到峰谷电价的实施,冰蓄冷对运行成本的降低大有好处,因此电制冷与冰蓄冷可作为首期承担冷负荷的主体,这样避免初期投资巨大,带来项目财务偿债负担和经营压力,供冷项目可以持续滚动发展。
另外,蒸汽驱动的吸收式制冷和电力制冷与冰蓄冷的联合运行,对区域供冷系统也是极为有利的:①供冷可靠性大;②当电力和燃气价格有不一致的涨落时,对用户有锁定成本,风险分担的作用;③实行峰谷电价及燃气费冬夏之分时,热、电、冷站可灵活选择和调整运行,按照热、电、冷联产、自用电与发电上网(卖电)等不同方式,最大限度地减低供冷费用;④吸收式制冷与电制冷和冰蓄冷的串联配合使用,可加大空调冷冻水的温差,同时双效蒸汽溴化锂制冷机运行于效率高的区域(见图3),吸收式制冷机冷冻水出水温度为9℃时,供冷负荷为112%。
5区域供冷冷水管网的运行和敷设
5 1管网运行
空调水系统的循环水泵用电约占空调系统总能耗的15%～20%,通过对一些高层宾馆、办公楼空调水系统的调查表明,普遍存在着不合理的“大流量,小温差”问题,温差情况较好为3℃左右,较差情况只有1～1 5℃,循环水量达设计水量的1 5倍。设计流量一般按最大负荷确定,空调系统一般经常性处于部分负荷状态下运行,相应地系统末端设备所需的冷水量也经常性地小于设计流量,而且设计负荷按冷指标往往加大选用,因此管网运行存在上述问题。同时,循环水泵的扬程一般按最不利环路阻力确定,其他支路少做平衡计算或在管路上采取平衡阀的措施,管路水力工况的不平衡,通常也靠加大流量来掩盖。水泵轴功率为流量与扬程的乘积,由于管道水流量与水泵轴功率成三次方关系,流量的增加,将带来耗电量的增大。例如,一幢建筑面积为5万平方米空调水系统循环泵的电功率为25～40ｋＷ之间,若系统循环水量提高1 4倍,则水泵电功率提高2 74倍,达68 5～109 6ｋＷ,而且水泵运行在低效率区,增加了无效能耗。
区域供冷水管道若仍采用5℃常规温差,则由于流量巨大,而输送电耗惊人,供回水应采用10℃温差,如前所言,最好采用双效蒸汽溴化锂制冷机与离心机的串联使用,溴化锂制冷机进出水温度为14～9℃,离心机进出水温度为9～4℃,加大供回水的温差,减小管道流量。夜间利用廉价电,离心机转为蓄冰工况运行,白天熔冰释放部分冷量(见图4)。
大学城分区域设置供冷站,热电厂将高温蒸汽输送至供冷站制冷,空调冷水经二级泵系统送至用户楼前,若压力不足,用户端可加设三级泵系统。
考虑到输送距离与水泵能耗成正比的关系,以及水输送系数满足国家节能标准,以华南师范大学第五组团为例,设一个供冷站,办公、教室、会议中心的总建筑面积合计为260000ｍ2,空调面积估算为130000ｍ2,空调负荷冷指标为120Ｗ/ｈｍ2,选择循环水泵3台,单台流量520ｍ3/ｈ,扬程35米水柱,循环水泵铭牌功率为90ｋＷ,空调供回水温差为10℃,计算水输送系数为57 8,符合《旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准》中规定供冷的水输送系数不小于30的规定。
因此供冷站按大学城五主团分区设置是不错的选择。总之,节约高品位的电能,比节约低品位的热量更有价值。
5 2管网的敷设
供冷管道的敷设方法有地沟、架空、直埋三种方法,前二种都不适合大学城,一是投资高,二是有碍环境美观。而直埋管道是值得推广的管网敷设方法。国外直埋技术已经有近80年的历史,以往保温材料吸水问题不易解决,再有直埋管道腐蚀严重,因此直埋管道技术局限很大,仅适用于地下水位高,土质干燥且无腐蚀的地方。随着高分子有机合成材料的发展,采用聚氨酯泡沫塑料作保温材料,以高密度聚乙烯作保温管的外壳。施工方法采用“一步法”及“热缠绕法”,很好地解决了管道保温隔热、腐蚀、渗漏、破损等问题。
直埋技术与传统敷设方法相比较有以下优点:
(1)节约投资。直埋比地沟敷设可节约投资30%。北京某大学供热地沟敷设方案的预算为31 98万元(1500米),直埋敷设时的投资结算为21 36万元,节约投资33 2%。
(2)施工简便,缩短工期。比地沟敷设时开槽小,土方工程量约减少50%。砌砖和混凝土的工程量减少90%,施工周期缩短一半以上。
(3)维修工作量减少,直埋管道如无外界破坏,一般很少维修,而地沟敷设时,经常因各种保温材料遇水浸或空气潮湿则需重新更换保温材料,因此维修工作量大。
6结束语
(1)燃气轮机热、电、冷联产系统的建设成功,将为广州后续城市建设项目(广州科学城、广州生物岛、广州新城、南沙经济技术开发区、南沙新港区)积累经验,开辟广州能源利用的新途径。
(2)热、电、冷联产项目,应视为同城市电力、给水、排水、燃气一样的基础设施建设,由政府主导安排协调。这其中能源来源保证,管网敷设,用户端协调,单靠企业行为是无法完成好的。
(3)燃气轮机联合循环是目前国内外公认最好的热、电、冷联产实用技术,其特点:能源利用高效率,低污染,比投资低,运行启动自动化程度高,大学城考虑设置二个热电厂(燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机各一套)是适合的。供冷站(双效蒸汽溴化锂、双工况离心制冷机、冰蓄冷罐、冷却塔、循环水泵)的设置采用吸收式制冷与离心式制冷、冰蓄冷的串联运行对发挥机组性能,使制冷机保持高效经济运行,减少运行费用有好处。使用复合能源,对减低燃料风险是有益的。考虑机房投资与占地面积,管网运行的输送能耗等因素,大学城供冷按组团分区域设置供冷站是可行的。
参考文献
1赵敬德等 双工质并联型联合循环热、电、冷三联产总能系统的研究[Ｊ] 动力工程,2002,06:1809～1810
2何兆华,陈朴 用新眼光正视燃气发电,用新思路发展燃气发电[Ｊ] 燃气轮机发电技术2001,3(1):17～22
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