楼宇型天然气分布式能源站指布置在楼宇内, 且为一个或多个用户提供热 (冷) 、电负荷的分布式能源站。热电冷三联供的主体由天然气内燃机发电机组、溴化锂冷热水机组联合组成, 也可配置离心式冷水机组作为制冷调峰机组使用。天然气内燃机将做功发电后的高温烟气送入溴化锂冷热水机组, 溴化锂冷热水机组吸收废气中的热能实现对外热水和冷水的供应, 从而组成冷热电三联供。冷热电三联供流程详见图1。

天然气分布式能源系统在运行上具有极其灵活的特点, 这就要求为主机 (内燃机、溴化锂机组、离心式冷水机组) 服务的循环冷却水 (以下简称循环水) 系统在设计时要考虑周全。

本文依托某楼宇型天然气分布式能源项目机组运行的实际情况, 对主机各工况下循环水系统的运行模式及系统设备布置方式进行深入分析。

项目主要服务对象为武汉某主题产业园区。产业园占地面积近300亩 (1亩≈667m²) , 规划建筑面积31hm², 容积率1.6, 绿化率40%, 是国内新建规模最大、以创意产业为主要服务对象的主题产业园区。

为满足园区的冷热电需求, 拟建设一座热电冷三联供能源站, 主要包括:4台天然气内燃发电机组、4台烟气热水型溴化锂冷热水机组 (以下简称溴化锂机组) 、4台离心式冷水机组 (以下简称离心机组) , 同时配套建设冷热水管网和电气、供水、暖通、自动控制、消防等工程。因占地原因, 园区建设方无法提供独立的地面上布置的能源站站址, 所以能源站站址设于园区某高层的地下室1层独立消防分区内, 总建筑面积约为5 405.10m²。

循环冷却水主要为内燃机的中冷水、缸套水系统的板式换热器以及溴化锂机组、离心机组提供换热服务。能源站循环水补给水源为市政自来水, 循环冷却水采用由玻璃钢结构的横流式机械通风冷却塔降温的集中循环供水系统。

本工况下, 循环冷却水系统主要供给: (1) 溴化锂机组; (2) 离心机组; (3) 内燃机中冷水系统 (简称中冷水系统) 。用水量分配详见表1 (内燃机、溴化锂机组及离心机组均按4台考虑) 。表1所列为循环水最大需水量, 存在各机组混合运行, 以灵活适应负荷变化的情况, 但内燃机与溴化锂机组必定是一一对应、同时运行的。

本工况下, 溴化锂机组制热, 无需冷却水, 离心机组不运行, 循环冷却水系统主要供给中冷水系统) 。用水量分配见表2 (内燃机、溴化锂机组均按4台考虑) 。

事故工况下 (内燃机运行而溴化锂机组停运) , 此时内燃机运行产生的缸套水及中冷水需循环水进行冷却, 单台内燃机此部分需循环水360 m³/h, 并设置烟气换热器冷却内燃机运行产生的烟气, 单套烟气换热器需要循环冷却水360 m³/h, 共需循环冷却水720m³/h。

根据循环水系统的运行工况, 将循环水系统细分为:内燃机/溴化锂机组循环水系统、离心机组循环水系统及内燃机中冷水循环水系统。循环水系统示意见图2。

循环水泵流量根据其所服务系统所需冷却水量确定, 扬程应根据管道布置进行具体计算。

在选用冷却塔时, 需根据项目所在地的气象条件结合厂家的选型曲线进行选型, 并考虑1.1~1.2倍的裕量^[2]。

冷却塔的标准设计工况见表3。

厂家样本中选型曲线依据进水温度、出水温度、设计温差、环境湿球温度4个参数进行, 本工程站址位于武汉, 当地湿球温度为28.5℃, 查询选型曲线得出, 标准设计工况下, 100m³/h的冷却塔在工程所在地仅能达到83 m³/h的出力, 同时考虑1.1倍的裕量, 则本工程冷却塔的容量选择见式 (1) :

式中Q———冷却塔容量, m³/h;

Q₀———冷却水量, m³/h。

鉴于本工程站址位于高档社区, 对噪声防护要求较高, 另外由于场地限制, 冷却塔只能布置于高层建筑的屋面上, 通过优化布置, 最终选择采用单座冷却能力为200 m³/h的标准型横流式机械通风冷却塔进行组合, 以满足循环冷却水各系统的要求。

本系统主要供给溴化锂机组冷却用水、内燃机中冷水系统冷却用水。考虑正常工况下, 内燃机及对应的溴化锂机组同时运行, 其共用1套循环水系统。

系统最大冷却水需水量为1 200×4=4 800 (m³/h) , 则冷却塔容量为:1.325×4 800=6 360 (m³/h) , 取6 400m³/h。共设置32座超低噪音横流式机械通风冷却塔 (单座标准工况下处理水量为200m³/h) , 放置于3#高层屋面上。设置4台循环水泵, 单泵流量约为1 200 m³/h, 扬程29 m, 水泵变频控制, 循环水管道采用焊接钢管, 立管于管井内布置。

本系统主要负责夏季调峰供冷时供给离心机组循环冷却水。

系统最大冷却水需水量为750×4=3 000 (m³/h) , 则冷却塔容量为:1.325×3 000=3 975 (m³/h) , 取4000m³/h。共设置20座标准型机械通风冷却塔 (单座标准工况下处理水量为200 m³/h) , 放置于1#楼屋面上。系统共设置4台循环水泵, 单泵流量750m³/h, 扬程25m, 循环水管道采用焊接钢管, 立管于管井内布置。

本系统主要负责供热工况下内燃机系统的循环冷却水。

系统最大循环水量为320m³/h。不设独立冷却塔, 但是设置变频循环水泵2台, 并联接入内燃机/溴化锂机组循环水系统循环水管道。单台水泵参数:流量160m³/h, 扬程25m。夏季及过渡季节制冷工况下, 系统循环水泵不开启。冬季供热工况下, 内燃机/溴化锂机组循环水系统不运行, 开启变频循环水泵及相应的冷却塔, 给中冷水冷却循环系统供水。

事故工况下 (内燃机运行而溴化锂机组停运) , 因内燃机停运滞后于溴化锂机组, 此时内燃机运行所产生的高温烟气以及内燃机内部的高温缸套水均需要循环冷却水进行冷却。由于本工况时间较短, 考虑采用内燃机/溴化锂机组循环水系统水泵供水进行冷却, 不另设置相关循环水系统设备。

本项目耗水系统主要为: (1) 循环冷却水系统 (冷却塔风吹、蒸发及排污损失) ; (2) 软化水系统; (3) 生活用水。

项目最大补给水量为130m³/h, 设170m³补给水池1座, 补给水源为市政自来水, 补给水来水管上设电动蝶阀, 与补给水池液位连锁, 冷却塔补水泵与冷却塔水位连锁。

能源站内主要生活用水为卫生间及各操作间洗手池生活用水, 生活水水源为城市自来水, 由主体建筑预留接口接入。

楼宇型分布式能源站循环水系统的设计的主要特点表现在以下方面:

(1) 目前国内的分布式能源项目所采用的内燃机均为进口品牌, 这类内燃机一般自带空冷系统, 且一般置于屋顶, 但其占地面积巨大 (相对湿冷系统增加将近一倍多的占地面积) , 且众多风扇会所产生较大的噪音, 因此一般不推荐使用, 而是采用水冷系统。

(2) 相对于溴化锂机组及离心机组来说, 内燃机的冷却水系统对于温度变化较为敏感, 如有可能, 建议内燃机循环水系统单独设置。

(3) 由于占地面积的限制, 一般循环水系统水泵置于建筑底层或者地下室内, 而冷却塔置于建筑屋顶。这种情况下, 循环水泵作用类似于管道泵, 在进行水力计算时候需要注意。另外, 常规电厂中, 机械通风冷却塔一般采用工业逆流塔, 冷却塔置于地面上, 塔下部一般设有2m左右深度的水池, 而楼宇型天然气分布式能源站由于冷却塔布置于屋顶, 荷载较大, 一般不推荐设置较深的塔池, 采用民用横流塔较多, 塔下部设置集水盘, 通过公共母管相连。同时, 由于冷却塔荷载较大, 所以需及时提供塔的布置图及荷载分布, 供主体建筑设计单位进行结构复核。

(4) 循环水管在室内布置, 因其管径较大, 兼有暖通专业冷冻水管、冷却水管、蓄冷蓄热水管、通风系统管道、热机专业烟管、电气专业桥架等纷繁众多的系统, 因此室内管道的综合规划布置显得尤为重要, 尤其在项目初期就要预留充足的管道走廊, 同时需要统筹规划循环水泵和内燃机、溴化锂机组等主机的相对位置, 做到循环水泵尽量就近主机布置。另循环水管道由主体建筑管井中上至屋顶冷却塔处, 因管井开口较大, 管井的布置位置及大小在主体建筑设计时必须及时配合。

(5) 冷却塔冷却能力的确定, 常规火电厂气象条件一般取近5年温度最高3个月频率为10%的湿球温度作为循环水的校核气象参数, 对应设置相当规模的冷却塔。而楼宇型天然气分布式能源站中, 冷却水温度对溴化锂机组制冷效果影响较大, 相关数据显示, 冷却水温度升高1℃, 溴化锂机组效率下降约5%, 冷却水系统能力不够时, 将造成夏季温度较高时机组出力不足, 尤其当服务对象为高档社区、酒店时, 将给业主声誉造成负面影响。所以楼宇型分布式能源站循环水系统冷却塔设置需根据地域气象条件留足裕量。

(6) 由于服务对象为酒店、社区等, 其冷热负荷变化较大, 相应内燃机及溴化锂机组, 离心机组处理也有波动, 这种情况下, 配置变频循环水泵对系统水量进行调节是较为节能的, 也是切实可行的。

(7) 因为所处位置居民、住户较多, 对噪音较敏感。所以, 循环水系统的水泵及冷却塔等均需根据相关规范设置降噪措施, 冷却塔一般选用噪音较小的横流式冷却塔, 同时考虑降噪设施对冷却塔冷却效果的影响。冷却塔宜选用超低噪音类型。

(8) 单个冷却塔规格的确定:考虑到噪音的问题, 一般单塔较小的塔噪音较低, 但是如果系统总水量较大, 采用小塔意味着较多数量的塔, 系统安装费用的增加和后期运行维护的难度增加, 而较多小塔组成的塔组其噪声值未必小于少量较大容量塔组成的塔组噪声值, 同时需要综合考虑使得塔组造价和降噪设施造价总价最小, 因此单塔规格的确定需经各方面统筹考虑确定。