熱泵技術(shù)及其在火電廠節(jié)能中的應(yīng)用

王東雷

(廣東省電力設(shè)計研究院，廣東 廣州 510663)

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展以及工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的加快，能源的需求量大幅度上升，經(jīng)濟發(fā)展面臨能源約束和能源使用帶來的環(huán)境污染問題越來越突出。依據(jù)近3年能源消費增長的趨勢來研判，到2020年能源需求量將達40多億t標準煤，如此巨大的需求，在煤炭、石油、電力供應(yīng)以及能源安全等方面將會帶來嚴重的問題。若要解決能源約束，一方面要開源，加大國內(nèi)勘探開發(fā)力度，加快工程建設(shè)，充分利用國外資源;另一方面，必須堅持節(jié)約優(yōu)先，節(jié)能是緩解能源約束矛盾的現(xiàn)實選擇，是解決能源環(huán)境問題的根本措施。

我國“十二五”規(guī)劃中提出:堅持把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會作為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式的重要著力點。在“十二五”乃至更長的時間內(nèi)，“節(jié)能減排”將是我國政府工作的重點。

我國能源消費以煤為主，決定了我國發(fā)電機組主要是以燃煤為主的火力發(fā)電機組。2010年我國火電裝機容量達到700GW，到2020年預(yù)計可達到1014GW。對于火力發(fā)電機組而言，其輸入燃料熱量的60%以上都散失在了環(huán)境中，熱量損失形式主要有循環(huán)冷卻水熱量損失(包括凝汽器循環(huán)冷卻水和輔機循環(huán)冷卻水，直接空冷機組還包括空冷島向空氣中散發(fā)的熱量)、鍋爐排煙熱量損失、鍋爐排污熱量損失、鍋爐排灰渣熱量損失和輔機排汽熱量損失等。如何利用好這部分“損失”的能量就成為火電廠節(jié)能減排的重要課題。

熱泵技術(shù)可以把低品位的能量轉(zhuǎn)化為高品位的能量，是一種“變廢為寶”的先進技術(shù)，它可以在火電廠節(jié)能減排中發(fā)揮重要的作用，對我國建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有重要的意義。

1 熱泵技術(shù)

1．1 熱泵及其工作原理

“熱泵”這一術(shù)語是借鑒“水泵”一詞而來的。水泵是將水從低處送到高處而加以利用，熱泵是將低溫位熱能送到高溫位而進行利用［1］。熱泵的作用是把低溫熱源的熱量輸送到高溫熱源［2］，是一種可以充分利用低品位熱能的高效節(jié)能裝置。

熱泵是一種能量轉(zhuǎn)移裝置，以消耗一部分高品位能(W)為代價，從低溫熱源中獲取熱量(Q2)并轉(zhuǎn)移給高溫熱源熱量(Q1)，如圖1所示。

圖1 熱泵工作原理示意圖

由于熱泵運轉(zhuǎn)所需要的能量只是它所提供的全部能量的一部分，因此具有顯著的節(jié)能效果，對于提高能源利用效率和減輕環(huán)境污染具有重要意義。

1．2 熱泵的分類

根據(jù)冷源介質(zhì)的不同，可將熱泵分為水源熱泵、空氣源熱泵和地源熱泵;根據(jù)動力形式的不同，可將熱泵分為機械壓縮式熱泵、吸收式熱泵、固體吸附式熱泵、固體化學(xué)反應(yīng)式熱泵和蒸汽噴射式熱泵。

1．2．1 機械壓縮式熱泵

機械壓縮式熱泵通常由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器4部分組成，其工作原理如圖2所示。

圖2 機械壓縮式熱泵工作原理圖

機械壓縮式熱泵可在制熱和制冷2種工況下運行。在制熱工況下，低溫低壓的制冷劑在蒸發(fā)器中等壓吸收冷源熱量，升溫蒸發(fā)后進入壓縮機，高溫低壓制冷劑氣體在壓縮機中被絕熱壓縮成高溫高壓氣體，然后進入冷凝器向熱源等壓放熱后變成低溫高壓的液體，再經(jīng)過節(jié)流閥絕熱節(jié)流后形成低溫低壓的制冷劑，制冷劑再流經(jīng)蒸發(fā)器開始新的循環(huán)。在制冷工況下，熱泵蒸發(fā)器變?yōu)槔淠鳎淠髯優(yōu)檎舭l(fā)器，熱泵循環(huán)按反方向進行［3］。

1．2．2 吸收式熱泵

吸收式熱泵是利用工質(zhì)對的吸收－解析過程來實現(xiàn)溫度提升的熱動力裝置，它可以分為2種類型。

第1類吸收式熱泵AHP(Absorption Heat Pump)也稱作增熱型熱泵，通常由吸收器、發(fā)生器、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥、溶液泵和熱交換器等部件組成，如圖3所示。

圖3 AHP工作原理圖

吸收劑和制冷劑組成的稀溶液(以LiBr－H2O組成的溶液為例)在發(fā)生器中吸收高溫位熱能后，發(fā)生濃縮并解析出制冷劑氣體，產(chǎn)生的制冷劑氣體在冷凝器中高壓冷凝為液體并釋放出有用的中溫位能量;然后，高壓液體通過節(jié)流閥減壓后進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收低溫熱源的熱量并蒸發(fā)成低壓氣體，氣體在吸收器中被吸收劑和制冷劑組成的濃溶液吸收變?yōu)橄∪芤翰⑨尫懦鲋袦匚荒芰浚∪芤和ㄟ^泵增壓后再回到發(fā)生器開始新的循環(huán)，其中，吸收劑和制冷劑組成的溶液在吸收器和發(fā)生器之間進行循環(huán)。

第2類吸收式熱泵AHT(Absorption Heat Transformer)也稱作升溫型熱泵，和第1類吸收式熱泵組成部件相同，但流程不盡相同，如圖4所示。

圖4 AHT工作原理圖

吸收劑和制冷劑組成的稀溶液(以LiBr－H2O組成的溶液為例)在發(fā)生器中吸收中溫位熱能后發(fā)生濃縮并解析出制冷劑氣體，產(chǎn)生的制冷劑氣體在冷凝器中低壓冷凝為液體并釋放出能量(被冷卻水帶走，釋放到環(huán)境中);然后低壓液體由泵送入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收中溫位能量并蒸發(fā)為高壓氣體，氣體在吸收器中被吸收劑和制冷劑組成的濃溶液吸收變?yōu)橄∪芤翰⑨尫懦鲇杏玫母邷匚荒芰浚∪芤和ㄟ^節(jié)流閥降壓后再回到發(fā)生器開始新的循環(huán)。與第1類吸收式熱泵一樣，吸收劑和制冷劑組成的溶液在吸收器和發(fā)生器之間進行循環(huán)。

對于AHP和AHT來水而言，吸收劑和制冷劑組成溶液的循環(huán)方式是相同的，即稀溶液在發(fā)生器中吸收熱量并釋放制冷劑氣體供給冷凝器，濃溶液進入吸收器后吸收來自蒸發(fā)器的制冷劑氣體并放出熱量。所不同的是，二者發(fā)生吸收和解析作用的壓力不同:AHP是在低壓下吸收，高壓下解析;AHT是在高壓下吸收，低壓下解析。由于AHT的吸收壓力高于AHP的壓力，在驅(qū)動熱源溫度相同的情況下，AHT吸收過程釋放能量的溫度高于AHP吸收過程釋放能量的溫度，這也是AHT可以產(chǎn)生比驅(qū)動熱源溫位高的能量的原因。

1．2．3 固體吸附式熱泵

固體吸附式熱泵是利用固體吸附劑在不同溫度下對制冷劑氣體的吸收和解析作用來驅(qū)動熱泵循環(huán)，通常由吸附床、冷凝器、蒸發(fā)器、儲液器、節(jié)流閥和切換閥等部件組成，如圖5所示。

圖5 固體吸附式熱泵工作原理圖

固體吸附床及其附件的作用相當于壓縮機，為了使熱泵能夠連續(xù)運行，在通常情況下，并聯(lián)設(shè)置2個吸附床(一床吸附，另一床解析)。制冷劑在蒸發(fā)器中吸收熱量升溫蒸發(fā)后進入吸附床，此時吸附床被外界冷卻并吸附制冷劑氣體，同時，另一個吸附床被外界加熱并發(fā)生解析，該床內(nèi)壓力升高，當達到冷凝壓力后，制冷劑氣體進入冷凝器，在冷凝器中放出熱量并凝結(jié)后通過節(jié)流閥減壓后再次進入蒸發(fā)器開始下一個循環(huán)。

與壓縮式和吸收式熱泵相比，固體吸附式熱泵無任何運轉(zhuǎn)部件，耗電少(僅為壓縮式的1/30)，無噪聲，無污染，投資低，壽命長，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，金屬消耗少并能工作在振動、沖擊場合，運行控制方便。

1．2．4 固體化學(xué)反應(yīng)式熱泵

固體化學(xué)反應(yīng)式熱泵是利用氣－固可逆化學(xué)反應(yīng)過程來實現(xiàn)溫度提升的熱動力裝置，它與固體吸附式熱泵的工作原理類似，本文不作詳細介紹。

1．2．5 蒸汽噴射式熱泵

蒸汽噴射式熱泵通常由噴嘴、吸入室、混合室和擴壓室4部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 蒸汽噴射式熱泵工作原理圖

高壓驅(qū)動蒸汽從噴嘴噴出后變?yōu)楦咚倭黧w，使吸入室形成低壓空間，從而吸入低壓蒸汽，驅(qū)動蒸汽和低壓蒸汽在混合室進行混合和能量交換并達到速度均衡，隨后進入擴壓室。伴隨著流體速度的降低，蒸汽的壓力得到了提升，當蒸汽壓力達到可以使用的壓力后即可作為他用，這樣，就達到了回收利用低壓蒸汽的目的。

1．3 熱泵性能評價指標

熱泵是否具有節(jié)能效果，要看其最重要的評價指標—性能系數(shù)(也稱作制熱系數(shù)εh)的高低。熱泵的性能系數(shù)等于制熱量(Q2)與耗功量(W)之比

式中:εc=Q1/W，稱為制冷系數(shù)。

熱泵的性能系數(shù)不僅與2個熱源的溫度有關(guān)，還與工質(zhì)的種類、過熱度、過冷度等因素有關(guān)。一般的水源熱泵機組，在供水溫度為9～20℃時，制熱系數(shù)為3．6～4．1;在供水溫度為15～30℃時，制冷系數(shù)為 4．3～5．5［4］。

由于不同的熱泵所用一次能源的形式不同，所采用的熱泵系統(tǒng)形式也不盡相同，單用性能系數(shù)不能全面反映熱泵性能的優(yōu)劣。通常還需要引入一次能源利用率(E)來衡量熱泵系統(tǒng)的能源利用有效性。一次能源利用率即系統(tǒng)輸出的總能量與系統(tǒng)一次能源消耗量的比值:

一次能源利用率(E)=系統(tǒng)輸出的總能量/系統(tǒng)一次能源消耗量。

對于由電力驅(qū)動的機械壓縮式熱泵來說

式中: ηp，ηt，ηd，ηm分別為電廠效率、輸配電效率、電動機效率和壓縮機機械效率［5］。

2 熱泵技術(shù)在火電廠節(jié)能中的應(yīng)用

2．1 利用熱泵技術(shù)回收火電廠循環(huán)冷卻水中的能量

2．1．1 以火電廠循環(huán)冷卻水為低溫熱源的熱泵系統(tǒng)介紹

電廠循環(huán)冷卻水溫度一般在50℃以下，屬于低品位能量，直接利用范圍狹窄，利用熱泵技術(shù)使循環(huán)冷卻水的溫度得到提升后即可以再利用。電廠循環(huán)冷卻水中蘊含的能量巨大(對于1000MW火電機組而言，僅凝汽器循環(huán)冷卻水量就有35～45m3/s，所蘊含的熱量為 1．5～1．9GJ/s［6］)、流量穩(wěn)定、水質(zhì)相對清潔、水溫合適(電廠循環(huán)冷卻水的溫度高于環(huán)境溫度約10℃，通常在熱泵系統(tǒng)要求的溫度范圍內(nèi))，這些特點使其非常適合作為熱泵系統(tǒng)的低溫熱源。以循環(huán)冷卻水作為低溫熱源的熱泵系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，制熱系數(shù)較高，可以穩(wěn)定利用電廠余熱資源，提高電廠綜合利用效率，達到余熱利用和節(jié)能減排的雙重效果。

2．1．2 利用熱泵技術(shù)回收循環(huán)冷卻水熱量的用途

2．1．2．1 用于供暖

利用熱泵技術(shù)可以實現(xiàn)利用循環(huán)冷卻水余熱供暖，循環(huán)冷卻水－熱泵供暖系統(tǒng)基本原理如圖7所示。把循環(huán)水系統(tǒng)與供暖系統(tǒng)分隔開來，這時熱泵中的蒸發(fā)器相當于傳統(tǒng)循環(huán)水冷卻方式中的冷卻塔，壓降和溫降也與其相當，因此，對原來循環(huán)水系統(tǒng)的影響較小，對電廠更有利的是可以減少冷卻塔的負荷，節(jié)省冷卻塔的運行費用。

圖7 循環(huán)冷卻水－熱泵供暖系統(tǒng)基本原理圖

為了減少管網(wǎng)輸送熱損失和熱泵投資，供暖系統(tǒng)采用分布式布置，即熱泵裝置(熱力站)布置在用戶端。一次管網(wǎng)把電廠循環(huán)水輸送到熱力站，通過熱泵裝置加熱二次管網(wǎng)內(nèi)的采暖用水，采暖用水則直接輸送至用戶末端換熱設(shè)備。由于受水溫的限制，用戶一般采用低溫地板輻射式供熱方式。根據(jù)用戶所在區(qū)域的能源供應(yīng)情況，熱泵裝置可以選擇機械壓縮式、吸收式、固體吸附式或者固體化學(xué)反應(yīng)式等，驅(qū)動能源可以選擇電力、蒸汽、熱水、燃氣和天然氣等，具體熱泵形式和驅(qū)動能源的選擇還要通過技術(shù)經(jīng)濟性比較而確定。

循環(huán)水供熱由于供、回水溫差較小(10～15℃)，同樣供熱負荷下較城市熱網(wǎng)需要更大的管網(wǎng)投資和水泵電耗。因此，循環(huán)水供熱的適用范圍為電廠周邊半徑3～5 km［7］。如果二次管網(wǎng)內(nèi)的采暖用水再用傳統(tǒng)熱網(wǎng)加熱器利用抽汽加熱進一步升溫，則可以實現(xiàn)遠距離供熱。循環(huán)水供熱和目前多數(shù)熱電廠采用的抽汽供熱方式相比也具有優(yōu)勢，實際算例表明，當凝汽器溫度高于33．65℃時，熱泵供熱比抽汽供熱更為經(jīng)濟［8］。

國電大同第二發(fā)電廠余熱回收集中供熱工程采用熱泵和熱網(wǎng)加熱器聯(lián)合供熱方式，以#9，#10機組(超臨界660MW)0．98MPa，355℃部分抽汽減溫減壓至0．80MPa，355℃的蒸汽為驅(qū)動熱源，利用溴化鋰吸收式熱泵機組提取#9，#10機組輔機循環(huán)水冷卻水余熱，進、出熱泵的輔機循環(huán)水溫度分別為35℃和27℃。熱網(wǎng)回水先經(jīng)過熱泵由60℃加熱到90℃，在極寒冷期，再通過汽水換熱器利用抽汽(0．98MPa，355℃)加熱，將熱水溫度提高到約120℃，然后向大同市區(qū)供熱。工程于2011年3月投入運行，熱泵機組性能系數(shù)達到設(shè)計值1．67，回收余熱量為1．86×106GJ，新增加供熱面積200多萬m2，節(jié)約標煤約7．00 萬 t，減少 CO2排放 19．42 萬 t，減少SO2排放0．17萬t，工程投資回收期3．54年。工程于2011年4月底通過了專家評審，被認為是一種新型的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱模式，是在國內(nèi)大型火力發(fā)電廠的首次規(guī)模化使用［9］。

2．1．2．2 用于電廠回熱系統(tǒng)

利用熱泵裝置回收循環(huán)冷卻水余熱可以返回熱力系統(tǒng)中用于加熱凝結(jié)水，減少相應(yīng)低壓加熱器的抽汽消耗量，從而增加電廠的發(fā)電量，降低電廠的發(fā)電煤耗值。其中，熱泵系統(tǒng)既可以從凝結(jié)水泵出口引入熱力系統(tǒng)，也可以從某級加熱器出口處引入熱力系統(tǒng)，熱泵系統(tǒng)既可以取代單級加熱器，也可以取代多級加熱器。利用熱泵回收循環(huán)冷卻水熱量回饋熱力系統(tǒng)方案是否具有節(jié)能性取決于熱泵裝置性能系數(shù)的高低，只有當性能系數(shù)大于臨界值時才是節(jié)能的［10］。根據(jù)熱泵系統(tǒng)的性能和不同機組的特點，余熱回饋存在一個最佳取代級，此時發(fā)電廠熱經(jīng)濟性最高。熱泵回收循環(huán)冷卻水熱量回饋熱力系統(tǒng)基本原理如圖8所示。

圖8 熱泵回收循環(huán)冷卻水熱量回饋熱力系統(tǒng)基本原理圖

2．1．2．3 用于加熱鍋爐進風

在電廠中，鍋爐暖風器利用輔助蒸汽來加熱鍋爐進風，從而提高空氣預(yù)熱器的進口空氣溫度，防止空氣預(yù)熱器發(fā)生低溫腐蝕。如果用熱泵裝置回收循環(huán)冷卻水余熱再加熱鍋爐進風的話，則可以減少輔助蒸汽用量，也可減少抽汽消耗量，從而提高電廠的熱經(jīng)濟性。另外，暖風器的加熱介質(zhì)由蒸汽變?yōu)闊崴碚撋峡梢愿纳婆L器運行中出現(xiàn)的泄漏和水擊問題，但能否改善，仍需進一步驗證［11］。

2．1．2．4 用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

電廠一般建在離城市比較遠的地方，如果為了利用余熱鋪設(shè)熱管網(wǎng)的話，初投資和運行費用都比較大，會直接影響熱泵回收電廠余熱供熱方案的經(jīng)濟性。而如果在電廠附近建設(shè)日光大棚進行農(nóng)業(yè)種植和養(yǎng)殖，則可以形成穩(wěn)定的近距離熱量需求，既可以有效利用電廠余熱，又可以提高大棚的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，增加農(nóng)民收入［12］。

2．2 利用熱泵技術(shù)回收鍋爐排污能量

鍋爐連續(xù)排污量一般為鍋爐蒸發(fā)量的1%～5%，且壓力和溫度很高，電廠一般會設(shè)置連續(xù)排污擴容器對鍋爐排污熱量與工質(zhì)進行回收。但在實際應(yīng)用中，由于運行和技術(shù)方面的原因，連續(xù)排污擴容中蒸汽壓力和液位波動很大且不易控制，難以將排污水閃蒸出的蒸汽可靠回收至熱力系統(tǒng)［13］。如果利用排污水閃蒸出的蒸汽來驅(qū)動熱泵(吸收式、固體吸附式或者固體化學(xué)反應(yīng)式熱泵)，以回收鍋爐排污熱量，同時可以回收循環(huán)冷卻水中的熱量(以循環(huán)冷卻水為低溫熱源)，可以一舉兩得［11－13］。

2．3 利用熱泵技術(shù)回收除氧器排汽熱量

在火電廠中，除氧器排汽會造成大量的工質(zhì)損失和熱能浪費，如果能夠回收這部分排汽，其節(jié)能效果相當顯著。把蒸汽噴射式熱泵應(yīng)用于除氧器排汽系統(tǒng)，可以將除氧器廢汽回收與自動除氧除氧系統(tǒng)有機結(jié)合，不但可以減少投資，而且可以增加設(shè)備運行的安全性［14］。蒸汽噴射式熱泵出口的蒸汽壓力穩(wěn)定且能量品位較高，具有廣泛用途。

3 熱泵技術(shù)在火電廠節(jié)能應(yīng)用中的幾點建議

3．1 電廠煙氣余熱的利用

鍋爐排煙熱損失是電廠鍋爐熱損失中最大的一項，一般占電廠燃料熱量的5%～8%，占鍋爐總熱損失的80%或更高，這部分能量的再利用對電廠節(jié)能減排具有顯著意義。可以研究利用煙氣來驅(qū)動熱泵裝置從而回收煙氣余熱的可行性［15－18］。

3．2 第2類吸收式熱泵在電廠節(jié)能中的應(yīng)用

第2類吸收式熱泵可利用中間溫度的廢熱與低溫熱源之間的熱勢差，制取熱量少但溫度高于中溫廢熱的熱水或蒸汽。可以利用電廠余熱來驅(qū)動第2類吸收式熱泵，從而獲得比余熱溫度更高的熱水或蒸汽，這樣可以替代高溫抽汽，增加電廠發(fā)電量，提高電廠熱效率;也可以將熱水和蒸汽應(yīng)用于供暖等其他方面［19－22］。

3．3 電廠回收余熱的再利用

電廠附近是否有穩(wěn)定的能量用戶對熱泵技術(shù)能否在電廠節(jié)能中應(yīng)用具有決定性意義。在實際情況下，有一部分電廠是作為工業(yè)園區(qū)的自備電廠而建設(shè)的，對于這些電廠來說，可從整個工業(yè)園區(qū)節(jié)能的角度出發(fā)，對工業(yè)生產(chǎn)和園區(qū)生活中的能量需求進行詳細分析并與電廠中應(yīng)用熱泵技術(shù)能提供的能量進行對比，把這部分回收能量應(yīng)用于合適的生產(chǎn)過程或者生活中。

4 結(jié)束語

在火力發(fā)電廠中，有60%左右的輸入燃料熱量都散失在了環(huán)境中，這是對能源的極大浪費。如何利用好這部分損失能量，對我國建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有重要的現(xiàn)實意義。熱泵技術(shù)是一項可以利用低溫余熱的高效節(jié)能技術(shù)，它可以應(yīng)用于火電廠循環(huán)冷卻水余熱、鍋爐排污熱量和除氧器排汽熱量的回收利用工程中，從而提高火電廠的熱經(jīng)濟性，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。從節(jié)約能源和保護環(huán)境的角度出發(fā)，在火電廠中推廣應(yīng)用熱泵技術(shù)是必要的，它具有廣闊的市場前景［23－24］。

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