一種多能源大溫差區域供冷裝置的製作方法

2023-06-21 20:00:36

本發明涉及區域能源冷熱電三聯供技術領域，尤其是涉及一種多能源大溫差區域供冷裝置。

背景技術：

區域供冷是利用集中設置的大型供冷站向一定範圍內的需冷單位提供冷凍水的供冷方式。它與自來水、電力、煤氣一樣，是一項公共事業，是城市的基礎設施之一，由於其在節能減排、環境保護及運行管理等方面的優勢，使其在歐美等國家和地區得到了廣泛的發展。而在近年來，我國北京、廣州、上海、重慶、紹興等城市也有許多區域供冷系統相繼投入使用，滿足了人們對生活品質日益提高的要求。區域供冷(能源)系統是發達國家中發達地區的標誌。

冷熱電三聯供是指以天然氣為燃料實現集中供電、供冷、供熱。具體流程為燃氣發電設備產生電力供電，系統發電後排出的餘熱通過餘熱回收利用設備(餘熱鍋爐或者吸收式制冷機組等)向用戶供熱、供冷。冷熱電三聯供是對能源的梯級利用，可大大提高整個系統的一次能源利用率，同時解決電廠餘熱排放問題，整個系統經濟收益及效率均相應增加。

區域供冷主要的缺點是冷水輸送距離增加所帶來的三個問題：輸送能耗高；管網投資大；管網的冷損失多。輸送能耗及管網投資與供回水量有關，管網冷損失與供回水溫差有關，供回水量與供回水溫差乘積即為供冷量。因而提高供回水溫差，減少供回水量成為解決冷水輸送能耗高與管網投資大的主要方法，同時輸送能耗的減少可進一步擴大供冷半徑，提高供冷量，提升經濟效益。

冷熱電三聯供所採取的常用供冷主機是以蒸汽輪機抽氣為驅動熱源驅動蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機組，供冷溫度一般為7℃-12℃。但是這種供冷方式存在以下問題：由於溴化鋰制冷機組本身特性的限制，冷水的最低供水溫度只能達到7℃。不能實現大溫差供冷及低溫送風，集中供冷的距離限制較大，另外，因為供冷的溫差較小僅為5℃(7℃-12℃)，所以要求供冷管網的管徑較大，管網初投資較大。吸收式機組自身效率較低。

區域供冷常結合冰蓄冷及水蓄冷技術，利用雙工況製冷主機，白天供冷，夜間製冰或冷水。利用電力的峰谷價差，提升經濟效益，同時削峰填谷，緩解電網容量。

技術實現要素：

本發明目的在於克服現有技術存在的問題，提供一種減少輸送水量及能耗，提升能源一次利用效率，減少冷站用電，可靠性高的多能源大溫差區域供冷裝置。

本發明的目的通過如下技術方案實現：

一種多能源大溫差區域供冷裝置，包括供冷站、輸送管網及用戶端；用戶端包含多個用戶，所述供冷站通過所述輸送管網連接用戶端；所述供冷站包括製冷系統、蓄能系統、分水器和集水器；製冷系統主要由機載吸收式冷水機組、機載離心式冷水機組、第一吸收式冷水機組、離心式冷水機組、第二吸收式冷水機組、雙工況離心式冷水機組、雙工況供冷板換組成；蓄能系統主要由水蓄冷系統與冰蓄冷系統組成；水蓄冷系統包含蓄水池及蓄水供冷板換；冰蓄冷系統包含蓄冰池及融冰供冷板換；

所述機載吸收式冷水機組和機載離心式冷水機組串聯連接，機載吸收式冷水機組進口通過閥門分別與蓄水池和集水器冷凍水回水管連接，機載離心式冷水機組出口通過閥門分別與蓄水池和分水器冷凍水供水管連接；蓄水池進口通過閥門分別與機載離心式冷水機組出口和蓄水供冷板換冷端出口連接，蓄水池出口通過閥門分別與機載吸收式冷水機組進口和蓄水供冷板換冷端進口連接；

所述第一吸收式冷水機組和離心式冷水機組串聯連接，第一吸收式冷水機組進口連接集水器冷凍水回水管，離心式冷水機組出口連接分水器冷凍水供水管；

所述第二吸收式冷水機組和雙工況離心式冷水機組通過雙工況供冷板換連接；第二吸收式冷水機組進口連接集水器冷凍水回水管，出口連接雙工況供冷板換熱端進口；雙工況離心式冷水機組進口通過閥門分別與雙工況供冷板換冷端出口和蓄冰池製冷劑回水管連接，出口通過閥門分別與雙工況供冷板換冷端進口和蓄冰池製冷劑供水管連接；雙工況供冷板換熱端入口通過閥門分別與第二吸收式冷水機組出口和集水器冷凍水回水管連接，熱端出口與分水器冷凍水供水管連接；蓄冰池通過融冰供冷板換與分水器及集水器連接；分水器和集水器分別與外管網連通。

為進一步實現本發明目的，優選地，所述機載吸收式冷水機組、第一吸收式冷水機組和第二吸收式冷水機組選用蒸汽吸收式冷水機組。

優選地，所述機載離心式冷水機組及離心式冷水機組選用YKKCK4H95CWG、YKR4R2K45DJG、YKZSZQK75DLG型冷水機組。

優選地，所述雙工況離心式冷水機組是一種通過改變壓縮機壓比運行製冷或製冰工況的離心式冷水機組。

優選地，所述雙工況供冷板換、蓄水供冷板換及融冰供冷板換為冷水板式換熱器。

優選地，所述蓄水池為保溫蓄水槽。

優選地，所述蓄冰池為布置有蓄冰盤管的保溫蓄冰槽。

優選地，所述分水器及集水器都為冷凍水流量分配和會集裝置。

本發明一種多能源大溫差區域供冷裝置製冷站集中製備冷凍水，並通過區域管網向用戶端供應冷凍水；區域冷站可利用自然冷源、電廠餘熱及電力進行製冷並結合蓄冷技術；冷站、用戶側通過各自板換與輸送管網隔開，冰蓄冷系統利用融冰板換與管網隔開，水蓄冷系統利用蓄水板換與管網隔開，上述系統均為閉式系統。冷站製冷系統主要由三個子系統組成，包括串聯工作的吸收式冷水機組與蓄冷系統、串聯工作的機載吸收式冷水機組與離心式冷水機組、雙工況離心式冷水機組、蓄水系統。

系統運行時，吸收式冷水機組與冰蓄冷系統串聯，位於上遊，利於機組高效率穩定運行，融冰板換位於吸收式冷水機組下遊將冷凍水供水溫度儘量拉低，以增大供回水溫差。雙工況冷水機組也可以通過板換直接向外網供冷。為保障蒸汽管網不間斷安全運行，減少輸水及補償器動作，設置機載吸收式冷水機組及串聯電制冷機組各一臺，以實現大溫差供冷，同時單獨設機載二級水泵，利於降低運行能耗。

供冷方案可總結為：(1)吸收式制冷機與電制冷機串聯供冷；(2)蓄水供冷；(3)雙工況主機的蓄冰、融冰供冷；(4)吸收式制冷機與雙工況主機串聯供冷。四種供冷工藝為並聯運行，既可獨立供冷也可聯合供冷。

系統運行工況為：(1)工況一：機載吸收式制冷機+機載電制冷機串聯蓄水或供冷工況；(2)工況二：蓄水池取水供冷工況；(3)工況三：電制冷機供冷工況；(4)工況四：吸收式制冷機+雙工況電制冷機串聯供冷工況；(5)工況五：雙工況電制冷機供冷工況；(6)工況六：雙工況電制冷機蓄冰工況；(7)工況七：融冰工況。

相對於現有技術，本發明具有如下優點：

1)本發明多能源大溫差區域供冷系統可充分利用多種能源，可應用餘熱製冷，實現能源梯級利用，提升一次能源利用率；

2)本發明可提供更低的冷凍水供水溫度，拉大供回水溫差，減少冷凍水輸送量，從而降低輸送能耗及管道管徑，增加供冷半徑。

3)本發明可增大供回水溫差，減少輸送水量及能耗；

4)本發明用蒸汽替代電製冷，減少冷站用電，降低城市電網供電壓力；

5)本發明可利用電、蒸汽及蓄能多種能源保障，提高系統可靠性。

附圖說明

圖1為本發明的一種多能源大溫差區域供冷裝置的整體結構示意圖；

圖2為圖1所示的大溫差制冷機組供冷系統的結構示意圖。

圖中示出：供冷站 1、輸送管網 2、用戶端 3、第一用戶 31、第二用戶 32、第n用戶 3n、機載吸收式冷水機組 11、機載離心式冷水機組 12、第一吸收式冷水機組 21、離心式冷水機組 22、第二吸收式冷水機組 41、雙工況離心式冷水機組 42、雙工況供冷板換 43、蓄水池 51、蓄水供冷板換 52、蓄冰池 61、融冰供冷板換 62、分水器 71、集水器 72。

具體實施方式

為更好地理解本發明，下面將結合附圖對本發明做進一步的說明，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬於本發明保護的範圍。

如圖1所示，一種多能源大溫差區域供冷裝置包括供冷站1、輸送管網2及用戶端3。供冷站1主要包括製冷系統11及蓄能系統12；用戶端包含多個用戶，分別為第一用戶31、第二用戶32、…第n用戶3n；所述供冷站1生產的冷水通過所述輸送管網2送至用戶端3。

如圖2所示，供冷站1包括製冷系統11、蓄能系統12、分水器71和集水器72；製冷系統主要由機載吸收式冷水機組11、機載離心式冷水機組12、第一吸收式冷水機組21、離心式冷水機組22、第二吸收式冷水機組41、雙工況離心式冷水機組42、雙工況供冷板換43組成；蓄能系統主要由水蓄冷系統與冰蓄冷系統組成，水蓄冷系統包含蓄水池51及蓄水供冷板換52；冰蓄冷系統包含蓄冰池61及融冰供冷板換62；

機載吸收式冷水機組11和機載離心式冷水機組12串聯連接，機載吸收式冷水機組11進口通過閥門分別與蓄水池51和集水器72冷凍水回水管連接，機載離心式冷水機組12出口通過閥門分別與蓄水池51和分水器71冷凍水供水管連接；蓄水池51進口通過閥門分別與機載離心式冷水機組12出口和蓄水供冷板換52冷端出口連接，蓄水池51出口通過閥門分別與機載吸收式冷水機組11進口和蓄水供冷板換52冷端進口連接；

第一吸收式冷水機組21和離心式冷水機組22串聯連接，第一吸收式冷水機組21進口連接集水器72冷凍水回水管，離心式冷水機組22出口連接分水器71冷凍水供水管；

第二吸收式冷水機組41和雙工況離心式冷水機組42通過雙工況供冷板換43連接；第二吸收式冷水機組41進口連接集水器72冷凍水回水管，出口連接雙工況供冷板換43熱端進口；雙工況離心式冷水機組42進口通過閥門分別與雙工況供冷板換43冷端出口和蓄冰池61製冷劑回水管連接，出口通過閥門分別與雙工況供冷板換43冷端進口和蓄冰池61製冷劑供水管連接；雙工況供冷板換43熱端入口通過閥門分別與第二吸收式冷水機組41出口和集水器72冷凍水回水管連接，熱端出口與分水器71冷凍水供水管連接；蓄冰池61通過融冰供冷板換62與分水器71及集水器72連接，向外融冰供冷；

分水器71和集水器72分別與外管網連通；分水器71通過冷凍水二級泵將製冷系統及蓄能系統所生產的冷凍水輸送至供冷管網向外供冷，集水器72將冷凍水回水收集後分配至冷站製冷系統及蓄能系統，完成供冷循環。

圖2中Vf、Vg、Vo、Vq、Va、Vb、Vc、Vd、Ve、Vi、Vh、Vl和Vm都表示閥門。

系統運行時，串聯運行的機載吸收式冷水機組11與機載離心式冷水機組12，可將12℃冷凍水回水降溫至3℃，具體是上遊機載吸收式冷水機組11將12℃水溫降低至7.5℃，串聯的下遊機載離心式冷水機組12進一步將7.5℃水溫降低至3℃，3℃低溫冷凍水可輸送至分水器71直接供冷或輸送至蓄水池51進行蓄冷水，供冷與蓄水工況經閥門切換，白天負荷高峰可運行供冷工況，夜間低負荷可運行蓄水工況。

離心式冷水機組22可與第一吸收式冷水機組21串聯製備3℃冷凍水運行大溫差供冷工況，串聯供冷時上遊吸收式冷水機組21將12℃水溫降低至7.5℃，下游離心式冷水機組22進一步將7.5℃水溫降低至3℃；離心式冷水機組22也可獨自運行12℃降溫至3℃大溫差製冷供冷工況，串聯供冷與直接製冷工況通過閥門切換，蒸汽來源充足時可運行串聯供冷工況，谷電價時可運行直接製冷工況。

雙工況離心式冷水機組42可通過閥門組切換空調工況及製冰工況，載冷劑為乙二醇水溶液，以滿足製冰工況時低溫運行要求。運行空調製冷工況時，載冷劑工作溫度為6.5℃/1.5℃，此時，低溫載冷劑輸送至雙工況供冷板換43作為冷端冷源，用以冷卻雙工況供冷板換43熱端冷凍水，雙工況供冷板換43熱端冷凍水既可以是由第二吸收式冷水機組41提供的7.5℃冷水，也可是由集水器72直接提供的12℃冷凍水回水，此冷凍水來源由閥門切換。上遊吸收式冷水機組41通過雙工況供冷板換43連接下遊雙工況離心式冷水機組42，聯合運行大溫差製冷工況應為高負荷下主要運行工況。雙工況離心式冷水機組42運行製冰工況時，製冷劑工作溫度為-1.7℃/-5.6℃，低溫製冷劑輸送至蓄冰池61蓄冰，製冰工況應在夜間低負荷時進行。

負荷高峰時，水蓄冷系統的蓄水池51可通過蓄水供冷板換52進行供冷，蓄水池51冷水工作溫度為4℃/12℃，蓄水池的蓄冷與供冷工況通過閥門切換；冰蓄冷系統的蓄冰池61可通過融冰供冷板換62進行供冷，蓄冰池61供冷冷水工作溫度為1.5℃/6.5℃。

機載吸收式冷水機組11、第一吸收式冷水機組21和第二吸收式冷水機組41選用蒸汽吸收式冷水機組，三者結構相同，機載限定是使用方式不同而已。具體可用雙良節能系統股份有限公司製造的SXZ4-317(12/7.5)(32/37)H2M2(11)、SXZ4-703(12/7.5)(32/37)H2M2(21)、SXZ4-844(12/7.5)(32/37)H2M2(41)三種型號，其製冷量分別為900RT、2000RT及2400RT。蒸汽吸收式冷水機組是一種不用電能，直接以熱源為動力，製取冷水及溫水的中央空調設備。吸收式冷水機組由蒸發器、吸收器、冷凝器、一隻或多隻發生器、一隻或多隻溶液熱交換器以及內部連接管道和附件構成，以溴化鋰或氨水等溶液為吸收劑，以水為製冷劑，利用水在高真空下蒸發吸熱達到製冷的目的。其利用的熱源既可以是燃油、燃氣、蒸汽，也可以是各種高溫排氣、熱水，甚至太陽能等餘熱和廢熱作為熱源。在一臺制冷機上可以同時利用多種熱源。機組工作時，蒸發器內，低溫冷劑水吸收來自冷媒水的熱量，使冷媒水溫度降低，製備出所需冷凍水；同時，冷劑水蒸發成冷劑蒸汽。吸收器內，溴化鋰濃溶液吸收蒸發器內冷劑蒸汽後變成稀溶液。稀溶液在溶液泵的作用下，經過溶液熱交換器的加熱升溫後，最後送至發生器內進行加熱。發生器內，稀溶液通過高溫熱源的加熱，成為高溫濃溶液；同時產生大量的高溫冷劑蒸汽。濃溶液經溶液熱交換器與吸收器來的稀溶液換熱後，進入吸收器。同時，產生的冷劑蒸汽進入冷凝器內被冷卻，成為低溫冷劑水。冷劑水經降壓節流後進入蒸發器，這樣就完成一個製冷循環。

機載離心式冷水機組12及離心式冷水機組22為離心式冷水機組，具體可用約克中央空調公司製造的YKKCK4H95CWG(12)、YKR4R2K45DJG(22)、YKZSZQK75DLG(42)三種型號，其製冷量分別為900RT、2000RT及2400RT，其中YKZSZQK75DLG(42)為雙工況離心式冷水機組。離心式冷水機組製冷循環主要包括壓縮機、冷凝器、節流裝置以及蒸發器，製冷劑依次在上述四大部件通過內部連接管道和附件構成循環；離心式冷水機組利用電作為動力源，製冷劑在蒸發器內蒸發吸收載冷劑的熱量進行製冷，蒸發吸熱後的溼蒸汽被壓縮機壓縮成高溫高壓氣體，經水冷冷凝器冷凝後變成液體，經膨脹閥節流進入蒸發器再循環。在蒸發器的兩端接有冷凍水循環系統，製冷劑在此吸收熱量將冷凍水溫度降低，從而製取冷凍水供空調末端使用。而冷凝器通過冷卻水系統將熱量帶到冷卻塔排出。雙工況離心式冷水機組42是一種通過改變壓縮機壓比從而運行製冷或製冰工況的離心式冷水機組，兩種工況下，製冷劑進出口溫度不同。

雙工況供冷板換43、蓄水供冷板換52及融冰供冷板換62為冷水板式換熱器，三者結構相同，換熱介質有所不同；蓄水供冷板換52為水—水換熱，雙工況供冷板換43及融冰供冷板換62均為水—乙二醇溶液換熱。具體可選用阿法拉伐技術有限公司製造的TL35-BFG(43)、MX25-BFGS(52)、T35-PFG(62)三種型號，其換熱量分別為1000RT、2000RT及2400RT。板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過板片進行熱量交換。

蓄水池51為鋼筋混凝土建造的具有防水保溫措施的蓄水槽，本實施方式中利用自然分層蓄冷技術儲存夜間機載冷水機組製備的低溫冷凍水供白天使用，蓄冷量為1000RT/h。自然分層蓄冷利用水的物理特性，使溫度為4～6℃的冷水聚集在蓄水池下部，而10～18℃的熱水自然地聚集在蓄水池上部，從而實現冷熱水自然分層。

蓄冰池61為布置有蓄冰盤管的具有防水保溫措施的蓄冰槽，本實施方式採用外融冰技術，通過蓄冰盤管外水的結冰與融冰過程實現蓄冰與供冷，蓄冰量為4000RT/h。冰蓄冷是利用夜間低谷負荷電力製冰儲存在蓄冰裝置中，白天融冰將所儲存冷量釋放出來，減少電網尖峰時段空調用電負荷及空調系統裝機容量，其利用了水的相變熱，因而效率較高。

分水器71及集水器72為冷凍水流量分配和會集裝置，設備均為定製壓力容器。分水器是將多路低溫冷凍水進水匯集後分散為幾路輸出供應冷凍水供水的設備，而集水器是將多路高溫冷凍水進水匯集起來在幾路輸出供應冷凍水回水的設備。結構由主管、分路支管、排汙口、排氣口、壓力表、溫度計等組成直徑較大的筒體上裝有人孔或手孔，材質由碳鋼板卷制，或無縫鋼管制作而成，能承受一定壓力，屬於壓力容器類專業製造，外表面做防腐或保溫處理。

本發明實現大溫差供冷主要方式有以下七種：

(1)機載吸收式冷水機組11與機載離心式冷水機組12串聯運行供冷，上遊吸收式冷水機組11將12℃冷凍水回水降低至7.5℃，下游離心式冷水機組12繼續將7.5℃冷水降低至3℃，機載的目的是為滿足系統最小負荷設置；

(2)第一吸收式冷水機組21與離心式冷水機組22串聯運行供冷，上遊的第一吸收式冷水機組21將12℃冷凍水回水降低至7.5℃，下游離心式冷水機組22繼續將7.5℃冷水降低至3℃，目的在於使系統使用能源多樣化，提升了系統可靠性；

(3)第二吸收式冷水機組41與雙工況離心式冷水機組42串聯運行，通過雙工況供冷板換43進行供冷。第二吸收式冷水機組41將12℃冷凍水回水降低至7.5℃，雙工況離心式冷水機組42運行製冷工況，提供1.5℃/6.5℃低溫載冷劑，通過雙工況供冷板換43繼續將7.5℃冷凍水回水降低至3℃；

(4)水蓄冷系統蓄水池51經蓄水供冷板換52將12℃冷凍水回水降低至4℃進行供冷；

(5)離心式冷水機組22直接運行3℃/12℃製冷工況進行供冷；

(6)雙工況離心式冷水機組42運行製冷工況，經雙工況供冷板換43直接冷卻12℃冷凍水回水，製取3℃冷凍水供水進行供冷；

(7)融冰供冷板換62直接將12℃回水降溫至3℃。

以上製冷系統及蓄能系統運行過程中，大溫差工作溫度為3℃/12℃，考慮冷站內部及管網冷損失等因素，最終可實現管網輸送至用戶側時4℃/12℃的大溫差區域供冷。

在本實施例中，最大尖峰供冷能力8.1萬kW(2.1萬RT)，多能源大溫差區域供冷裝置配置中，機載吸收式冷水機組11與機載離心式冷水機組21串聯供冷系統、第一吸收式冷水機組21與離心式冷水機組22串聯供冷系統、第二吸收式制冷機組41與雙工況冷水機組42串聯供冷系統、水蓄冷系統(包含蓄水池51及蓄水供冷板換52)、冰蓄冷系統(包含蓄冰池61及融冰供冷板換62)，各供冷系統供冷量佔比分別為4.76％、14.29％、57.14％、4.76％及19.05％。輸送管網採用三路總供冷水管管徑為DN900的枝狀管網，服務建築面積約340萬平方米。

可以看出，本發明實施例的多能源大溫差區域供冷裝置，可充分利用電廠蒸汽餘熱及蓄能系統，同時減少電制冷機組工作溫差，提升系統效率。在結合蓄能系統利用多樣能源同時，加大輸送供回水溫差，極大提升了製冷距離，且工藝較為簡單，實現較為容易，並且可以有效減少冷凍水輸送系統的輸配能耗，降低冷凍水系統的補給水量，減少水資源的消耗，同時可以降低冷凍水附屬系統的規模。蓄能系統可進一步削峰填谷，減少市政電力負荷，同時利用峰谷電價，提升經濟性。

本發明的多能源大溫差區域供冷裝置，可充分利用多種能源，提升一次能源利用率，並可提供更低的冷凍水供水溫度，拉大供回水溫差，減少冷凍水輸送量，從而降低輸送能耗及管道管徑，同時可以降低冷凍水附屬系統的規模，增加供冷半徑。

實施方式不能理解為是對權利要求的限制；凡是利用本說明書及附圖內容所做的等效結構、流程提取或等效流程變換，均包括在本發明保護範圍之內。