吸收式熱泵在火電廠余熱供暖中的應用分析

劉世宏 梁磊,2 張建良 趙陽

(1.上海電力學院能源與機械工程學院,上海 200090;2.上海熱交換系統節能工程技術研究中心,上海 200090)

吸收式熱泵在火電廠余熱供暖中的應用分析

劉世宏1梁磊1,2張建良1趙陽1

(1.上海電力學院能源與機械工程學院,上海 200090;2.上海熱交換系統節能工程技術研究中心,上海 200090)

簡述了溴化鋰吸收式熱泵的工作原理及性能評價指標,分析了吸收式熱泵在火電廠余熱供暖中的應用。通過實際案例說明吸收式熱泵在火電廠循環水余熱供暖方面具有很好的經濟效益、社會和環境效益。并對熱泵在火電廠余熱供暖方面的進一步開發、應用與推廣提出幾點建議。

吸收式熱泵 火電廠余熱 供暖 應用分析

“十二五”規劃綱要明確提出“單位GDP能耗降低16%，單位GDPCO2排放降低17%，主要污染物排放顯著減少”的節能降耗目標，其中熱電聯產與鍋爐改造已列為重點工程之一，近五年預計形成7500萬噸標準煤的節能能力，這勢必加快火電廠集中供暖改造，提高節能降耗水平。電廠熱量損失主要是汽輪機冷端損失、排煙余熱、鍋爐排污及除氧器排氣余熱損失。鍋爐排煙溫度高達150℃，易于回收利用，因而一直是人們關注的重點。從熱經濟性分析可知，50%的熱量是通過汽輪機冷端凝汽器散失掉的，火電廠各項能量損失見表1。電廠循環水的溫度一般僅高于環境溫度10℃左右，屬于低品位能，很難得到直接利用，一直以來被人們所忽視。以1000MW火電機組為例循環水流量約為30～45m3/s，排水溫升約為8℃～13℃，蘊含熱量約1.2×106～1.9×106kJ/s;以年運行5000h計，其熱量折合標準煤70～114萬t/a[1]。火電廠在排出熱污染的同時也消耗了大量水資源，釋放大量溫室氣體、氮硫化合物等造成環境污染。

我國北方城市季節性明顯，采暖期約4～6個月，供熱的需求較大，且集中供暖面積每年以17%的速度增長[3]。隨著近年城鎮化建設的飛速發展，北方地區熱源明顯不足。近兩年，氣候異常，南方供暖的呼聲愈加高漲，國內城市普遍存在集中供熱熱源不足的狀況[4]。

鑒于此，在節能降耗和供暖需求加劇的雙重壓力下，基于吸收式熱泵的火電廠循環水余熱供暖技術能夠有效地實現能量的梯級利用、緩解供暖緊張的局面，本文就此技術及應用進行詳細分析。

1 吸收式熱泵的基本原理及性能評價

吸收式熱泵按制熱目的可分為2類[5]：第1類吸收式熱泵(AHP)，該類熱泵將蒸汽、燃氣及工業廢熱水等作為驅動熱源，把余熱提升到中高品位，達到能源梯級利用的目的;第二類吸收式熱泵又稱吸收式熱變換器(AHT)，主要利用中溫廢熱和低溫熱源的熱勢差，制取溫度高于中間廢熱的熱媒，從而提高廢熱品質。本文僅針對第1類熱泵進行分析。

溴化鋰吸收式熱泵工作原理如圖1所示，發生器的驅動熱源為蒸汽或燃料，吸收器和冷凝器構成供熱回路對熱網水等熱媒進行加熱。蒸發器通過余熱回路從低品位熱源吸收熱量，產生冷劑蒸汽。運行時溴化鋰稀溶液從溶液泵排出經溶液熱交換器升溫后進入吸收器，噴淋在傳熱管表面，吸收驅動熱源熱量產生水蒸氣。發生器中濃溶液通過溶液熱交換器換熱后進入吸收器，濃度稀釋放熱，從而完成溴化鋰溶液循環。而從發生器蒸發的水蒸氣流經冷凝器加熱熱媒后流入蒸發器吸收低溫余熱進而回到吸收器稀釋溴化鋰溶液，從而完成水循環。熱網水等熱媒進入吸收器，利用溴化鋰稀釋放熱完成第一次升溫過程，在冷凝器內，高溫蒸汽的凝結潛熱，對熱媒進行再次加熱，最終達到設計溫度。

根據吸收式熱泵機組結構可列出系統的熱平衡式：

式中：QE蒸發器中低溫余熱加入的熱量，kJ;

QG發生器中高溫驅動熱源加入的熱量，kJ;

QA吸收器中熱媒吸收的熱量，kJ;

QC冷凝器中熱媒吸收的冷凝熱，kJ;

根據熱力定義，由上式可得熱泵的熱力性能系數(COP)ζ為：

表1 火電廠各項能量損失參考值[2](%)

表2 基于吸收式熱泵的火電廠余熱供暖技術應用案例(部分)

2 吸收式熱泵在火電廠中的應用

2.1 系統結構分析

目前，我國北方區域供暖主要采用熱電聯產方式，熱電聯產相比熱電分產節約1/3能耗，且電廠汽輪機抽汽供熱最為廣泛。火電廠熱電聯產汽輪機抽汽供熱系統流程如圖2所示。

汽輪機抽汽供熱解決了區域供暖問題，但是以犧牲電廠發電總量為代價，并沒有從根本上提高電廠的熱效率。然而汽輪機冷端余熱通過冷卻塔釋放到環境中并未得到充分利用。基于吸收式熱泵的火電廠供暖系統流程如圖3所示，吸收式熱泵的火電廠循環水余熱供暖技術則主要是采用汽輪機低壓抽汽作為驅動熱源，利用電廠循環冷卻水作為熱泵低溫熱源，將僅高于環境10℃左右的低品位余熱大量利用。比較圖2與圖3可知，基于吸收式熱泵的火電廠循環水余熱供暖技術并不同于傳統的熱電聯產，前者充分利用了循環水余熱。此技術可減少汽輪機抽汽量，增加機組的發電量，同時可減少電站冷端損失，提高發電機組熱效率，具有更佳的節能效果。從汽輪機抽汽作為高溫驅動熱源，在熱泵蒸發器中吸收循環水余熱，經過熱泵吸收器和冷凝器兩次加熱最終得到中溫熱網水供水，一般為85℃左右。當遠距離供熱時，可通過熱網加熱器再次加熱得到100℃～130℃的二次網水。

2.2 實際應用分析

以某火電廠為例，采用吸收式熱泵和熱網加熱器的聯合供暖模式。以超臨界660MW的9、10號機組的0.98MPa，355℃部分抽汽減壓至0.80MPa，355℃的蒸汽作為驅動熱源，利用溴化鋰吸收式熱泵機組提取9、10號機組循環水余熱。進、出熱泵蒸發器的循環水溫度分別為36℃和27℃。熱網回水先經過熱泵吸收器和冷凝器由60℃兩次加熱到90℃，在冬季寒冷期，再通過熱網加熱器利用抽汽0.98MPa，355℃的蒸汽加熱，將熱水溫度提高到約120℃，給較遠距離熱用戶供暖。實際工程投入運行時熱泵機組性能系數COP達到設計值約1.7，整個采暖季回收電廠循環水余熱為1.86×106GJ，節約標煤約7.00萬噸，減少CO2排放19.42萬噸，減少SO2排放0.17萬噸，工程投資回收期約4年。

吸收式熱泵是回收利用工業余熱的有效裝置，具有節約能源、保護環境的雙重作用。截止2014年初，推向市場的吸收式熱泵項目已達60多個，總容量近2500MW。其中熱電行業接近半數，不少大型熱電廠如赤峰熱電[6]、錦州大唐國際、滄州華潤熱電、山西武鄉熱電等，具體見表2;石油行業的大港油田采油六廠、冀東油田等;鋼鐵行業的唐山鋼鐵、承德鋼鐵等;紡織、印染、石化、機械制造等領域均有涉及。

圖1 吸收式熱泵工作原理

圖2 火電廠熱電聯產汽輪機抽汽供暖系統流程

圖3 基于吸收式熱泵的火電廠供暖系統流程

2.3 吸收式熱泵應用的幾點建議

鍋爐排煙熱損失占鍋爐總熱損失的80%以上，是電廠鍋爐熱損失中最大一項，一般占電廠總燃料熱量的5%～8%，排煙余熱的再利用對電廠節能減排具有顯著意義。

鍋爐連續排污量一般為鍋爐蒸發量的1%～5%，且排污壓力和溫度很高，電廠一般會設置連續排污擴容器對鍋爐排污熱量與工質進行回收。但在實際應用中，由于技術和運行方面的原因，連續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[7]。如果利用排污水閃蒸出的蒸汽來驅動熱泵以回收鍋爐排污熱量，同時可以回收循環冷卻水中的熱量，可以一舉兩得達到顯著的節能效果。

固然對已建電廠項目進行節能改造是必要的，但如果在新建或擴建項目的設計階段就把吸收式熱泵的應用一并考慮，在系統和布置上統籌規劃，可減少后期的改造難度和工程量、施工干擾以及可能帶來的系統和布置的不合理性，更有利于熱泵的長期安全有效運行。

3 結語

隨著我國電力工業企業改革的迅速推進，節能減排的力度加大，各區域冬季供暖的迫切需求，基于吸收式熱泵的火電廠余熱供暖技術得到普遍的關注。與傳統的熱電聯產模式不同，吸收式熱泵技術能夠更加高效的利用電廠巨大的冷端余熱，具有技術相對成熟、運行可靠、節能潛力巨大，已經在部分電廠得到示范，已取得良好的經濟、社會和環境效益，具有很大的規模化推廣價值。

[1]賀益英,趙懿珺.電廠循環冷卻水余熱高校利用的關鍵問題[J].能源與環境,2007,6：27-29.

[2]任澤霈.熱工手冊[M].北京：機械工業出版社,2002.

[3]Sun F T,Fu L,Zhang S G,et al.New wasteheat district heating system with combined heat and power based on absorption heat exchange cycle in China[J].Applied Thermal Engineering,2012(37)：136-144.

[4]熱泵在火電廠余熱回收中的應用——熱泵技術調研報告[R].廣州智光節能有限公司,2011,6.

[5]Demir H,Mobedi M,Ulku S.A review on adsorption heat pump：Problems and solutions[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2008(12)：2381-2403.

[6]張世鋼,付林,李世一,等.赤峰市基于吸收式換熱的熱電聯產集中供熱示范工程[J].暖通空調,2010,40(11)：71-75.

[7]康艷兵,張建國,張揚.我國熱電聯產集中供熱的發展現狀、問題與建議[J].中國能源,2008,30(10)：8-13.

Lithium bromide absorption heat pump working principle and performance evaluation have been briefly introduced.And applications of absorption heat pumps on heat supply in thermal power plant have been analyzed.Through the application example,it is illustrated that absorption heat pump technology can bring economic,social and environmental benefits. And then some suggestions are given on further applications of absorption heat pump technology in power plants.

absorption heat pump thermal power plant waste heat heat supply application

上海市科委資助項目(13160501000),山西省科技廳資助項目(20130321016-03)。

劉世宏(1989—),男,河南洛陽人,在讀碩士,主要從事電廠余熱利用及換熱器管材研究。