熱泵技術在電廠循環水余熱回收的應用論述

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(陜西高智電力咨詢有限公司，西安 710054)

0 引 言

隨著全球氣候的不斷變化，溫室效應若供熱機組此部分能源回收利用，趨于嚴重。為了積極應對全球氣候變化，國家在“十一五”規劃中提出單位國內生產總值能源消耗要降低20%，在“十二五”規劃中提出單位國內生產總值能源消費要降低16%，單位國內生產總值二氧化碳排放降低17%的約束性指標。

為了確保實現“十二五”節約能源，減少主要污染物排放的指標，國家在“十二五”提出了調整優化產業結構、實施節約能源重點工程、實施循環經濟重點工程等一系列措施。

火力發電廠作為一次能源消耗的重點行業，能源消耗量大，利用率卻很低。從保護環境、節約能源等多方面考慮，除提高機組的效率出發外，還應采取各種節能措施利用或回收火電的廢棄熱能[1-2]。

1 電廠余熱現狀

火力發電廠的主要熱量損失有兩部分：排煙帶走的熱量和汽機排汽被循環水帶走的熱量，其中汽機的排汽損失最大。大型火力發電機組燃料總熱量的35%左右轉變為電能，而約60%的熱能都損失在環境中，不但造成能源浪費，而且對環境造成熱污染[3-4]。

鍋爐的排煙溫度在100 ℃以上，利用起來相對容易，目前大多數電廠在進行低溫省煤器改造，目的就是回收利用鍋爐的部分排煙熱量。

汽機排汽的溫度一般都比較低，約35 ℃左右，屬于低品味熱能，但是熱量很大，占整個電廠熱損失的60%以上。目前回收利用的很少，浪費量很大。若以冷卻排汽的循環水為熱源，利用熱泵技術回收其余熱，節能效果會非常顯著。可采用的方法有兩個：一是降低排汽缸真空，提高排汽溫度，即通常所說的汽輪機組低真空運行；二是在電廠設置熱泵吸取汽輪機凝汽余熱實現供熱。

汽輪機組低真空運行技術是將凝汽式汽輪機的真空降低，將凝汽器成為熱水供熱系統的基本加熱器，原來的循環冷卻水變成了供暖熱媒，在熱網系統中進行閉式循環，可有效利用汽輪機凝汽所釋放的汽化潛熱。當需要更高的供熱溫度時，則在尖峰加熱器中進行二級加熱。但是由于受到用戶熱負荷的制約，汽輪機本體結構的限制和機組安全運行的要求，這種技術對于大型機組是不適合推廣的[5-6]。

熱泵技術是是一種以消耗一部分高質能 ( 機械能、電能或高溫熱能等) 作為補償 , 通過熱力循環 , 把低品位的凝汽器排汽熱損失加以回收、利用的裝置 , 因此它可以充分利用低質能量而節約高位能量。特別是對于同時需要供冷和供熱的場合 , 采用熱泵裝置就更加合理。目前這種技術在北方很多大型供熱機組上已經逐步開始應用，能源回收效果比較明顯[7]。

2 吸收式熱泵原理

熱泵按驅動能源分為電動熱泵、燃氣熱泵、燃油熱泵和蒸汽或熱水熱泵四大類。針對火力發電廠的情況，推薦可以推廣應用的有蒸汽吸收式熱泵和電動熱泵兩大類。對于抽氣凝汽式型機組，可以采用蒸汽吸收式，兩級換熱系統將循環水余熱回收，用于采暖和生活供熱；對于純凝汽式機組，可采用電動熱泵，直接將循環水余熱回收后，采暖區可供給熱力公司，由熱力公司進行二級加熱后輸送至其他用戶，在其他非采暖區可直接加壓用于采暖和生活。

2.1 蒸汽驅動型熱泵技術(吸收式)

第一類吸收式熱泵技術是以高品位的蒸汽作為驅動動力，回收低品位的熱量，從而產生中等品位的熱能的一種能源回收技術。吸收式熱泵余熱回收技術有高效節能和顯著經濟效益的特點，吸收式熱泵常以溴化鋰溶液作為工質，對環境沒有污染，不破壞大氣臭氧層，可以回收利用各種低品位的余熱或廢熱，達到節能、減排、降耗的目的。

由于汽輪機凝汽余熱的特點是品位低。排汽壓力低，水冷機組背壓4～8 kPa；冷凝溫度低，水冷20～40 ℃，凝汽溫度通常比較低。達不到直接供熱的品位要求，必須設法適當提高其溫度。吸收式熱泵技術非常適合對凝氣余熱的回收。

吸收式熱泵(單效溴化鋰)由發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器、溶液熱交換器、節流裝置、溶液泵、冷劑泵等組成；為了提高機組的熱力系數還設有溶液熱交換器；為了使裝置能連續工作，使工質在各設備中進行循環，因而還裝有屏蔽泵(溶液泵、冷劑泵)以及相應的連接管道、閥門等。其工作過程為：蒸發器連續地產生冷效應，從低位熱源吸熱，吸收器和冷凝器連續地產生熱效應，將熱水(中溫熱源)加熱。熱水在吸收器和冷凝器中的吸熱量等于驅動熱源和低位熱源在熱泵中的放熱量之和。原理如圖1所示。

圖1 單效溴化鋰吸收式制冷機工作原理

對電廠乏汽余熱回收吸收式熱泵來講，驅動熱源是汽輪機抽汽，低位熱源是電廠汽輪機乏汽，被加熱的熱水(中溫熱源)是集中供熱的熱網水。

2.2 電動機驅動型熱泵技術

電動型熱泵與吸收式熱泵的原理一樣，區別在于驅動能源不一樣，電動型熱泵較為簡單。

對電廠乏汽余熱回收吸收式熱泵來講，驅動能源是電力，低位熱源是電廠汽輪機乏汽，被加熱的熱水(中溫熱源)是集中供熱的熱網水。

3 熱泵能源回收

3.1 熱泵性能系數(能源回收系數)

以汽輪機抽汽為驅動能源QH，回收汽輪機乏汽余熱QL，加熱熱網回水。得到的有用熱量(熱網加熱量)為消耗的蒸汽熱量與回收的余熱量之和QH+QL。熱泵的性能系數(COP)定義為得到的有用熱量與消耗的蒸汽熱量之比，即COP=(QH+QL)/QH

如單效吸收式熱泵COPh=1.65～1.84，即消耗1份汽輪機采暖抽汽熱量，回收0.65～0.84份乏汽余熱，為熱網提供1.65～1.84份熱量，可見吸收式熱泵供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量，具有較顯著的節能優勢。

單效吸收式熱泵的能量平衡圖如圖2所示。

圖2 熱泵能量平衡圖

3.2 能源回收分析

目前國內的供熱機組主流機型為300 MW等級，文中以300 MW等級的常規抽汽供熱機組為例，進行循環水余熱回收能源利用的論述，在以下參數的前提下：

機組一次網供水溫度： 120 ℃

機組一次網回水溫度： 60 ℃

額定供熱抽汽壓力： 0.5 MPa

額定供熱抽汽溫度： 261.3 ℃

額定供熱工況低壓缸排汽量：205.88 t/h

額定供熱工況小機排汽量： 35.41 t/h

最大供熱工況排汽背壓： 4.9 kPa

排汽焓： 2431.2 kJ/kg

凝水溫度： 33.66 ℃，

凝水焓： 140.7 kJ/kg

單臺300 MW機組額定抽汽工況下的可回收的冷凝熱量為：

(205.88+35.41)×(2431.2-140.7)

=552.67×106kJ/h

截止2010年底，國內火電供熱機組總容量達16 655萬kW，占全國發電機組總容量的17.2%。供熱機組裝機容量約2 865萬kW，折合約95臺套300 MW等級機組。

目前國內300 MW等級供熱機組的型式及供熱能力基本相似，以300 MW等級供熱機組采用熱泵技術計算為例，基本兩臺300 MW等級的汽輪機抽汽可回收單臺300 MW機組的冷凝熱量，約552.67 GJ/h，按北方地區平均4個半月的采暖季(3 240 h)計算，鑒于機組實際運行效果和外網熱負荷的變化等因素，考慮采暖期40%的供熱時間處于60%供熱負荷，60%的供熱時間處于額定供熱負荷對采暖小時數進行折算，折算小時數約2 720 h，一個采暖期兩臺300 MW等級的供熱機組可回收熱量約150×104GJ，折合標準煤約5.1萬t，扣除改造后系統熱泵設備增加的耗電，折合標煤量約4 680 t，扣除采暖期背壓升高增加的煤耗量5 000 t。兩臺機組可年節約標準煤約4.1萬t，可減少碳排放約5.7萬t。

若全國供熱機組此部分能源回收利用，可節約標準煤約195萬t，相當于4個300 MW等級機組的年耗標準煤量，可減少碳排放約273萬t，能源節約效益和環保效益相當可觀。是節能減排的一個非常好的措施。

其次，近些年來，非采暖地區受氣候變化影響，冬季異常潮濕陰冷，采用空調采暖的用戶異常增多，電負荷也呈直線增加。作為改善這些地區居住環境，節約電能的角度來說，也可考慮采用水源熱泵或吸收式熱泵技術，將循環水溫度提升直接作為采暖熱源，在回收大量循環水帶走的熱量的同時，節約了大量的空調用能。但是，由于非采暖地區的城市供熱管網并未建設，需要新建供熱管網，不確定因素很多，制約了熱泵采暖技術的應用與推廣。

4 總結

國內火電機組裝機容量非常大，其中非空冷機組占絕大多數，所以利用水源熱泵回收電廠循環水的熱量，不但可大量減少循環水的蒸發損失以及對環境造成的熱污染，能較好的實現能源的梯級利用，而且技術上可行，運行費用較低，經濟合理。熱泵技術不但節約了一次能源的消耗，同時還節約了二次能源的消耗。作為提高火電機組提高用能效率、節約能源和環境保護的技術非常適合，目前在北方地區已經有部分應用，在有條件的地區應大力推廣。

[1] 陳 東，謝繼紅.熱泵技術及其應用[M].化學工業出版社.

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[4] 郭小丹，胡三高，楊 昆，等.熱泵回收電廠循環水余熱利用問題研究[J].現代電力，第27卷，第2 期.

[5] 馮立寧，李建榮，陳廣元，等.常規干燥室余熱回收裝置的研究[J].森林工程，2012，28(2)：22-25.

[5] 呂向陽，吳華新.吸收式熱泵技術在熱電聯產供熱系統中的應用[J].

[6] 朱宏清，蔡小榮，毛洪財.溴化鋰吸收式熱泵在余熱領域的應用[S].第十三屆全網熱泵與系統節能技術大會論文集.