熱泵技術(shù)在供暖中的節(jié)能應(yīng)用

周國明

（山東華魯恒升集團(tuán)，山東德州 253024）

熱泵技術(shù)在供暖中的節(jié)能應(yīng)用

周國明

（山東華魯恒升集團(tuán)，山東德州 253024）

為進(jìn)一步降低供熱成本，采用熱泵技術(shù)提取循環(huán)水中的熱量，由蒸汽供暖改造為熱水直接供暖，供熱管道熱損明顯降低，通過對熱泵選型、定點補(bǔ)壓、系統(tǒng)優(yōu)化，降低了蒸汽消耗，提高供熱效率，取得了顯著效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

熱泵；蒸汽消耗；循環(huán)水分配；改造；系統(tǒng)優(yōu)化

山東華魯恒升化工股份有限公司隸屬于山東華魯恒升集團(tuán)有限公司。是全國500家最大化工企業(yè)和山東省200家重點企業(yè)集團(tuán)之一，前身為1968年建廠的德州化肥廠，1996年6月改制為德州恒升化工（集團(tuán)）有限公司，1999年11月更名為山東華魯恒升集團(tuán)有限公司。

山東華魯恒升化工股份有限公司響應(yīng)國家節(jié)能減排號召，對原有供熱系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。原來采用外供蒸汽至中心換熱站方式對德州市城區(qū)進(jìn)行供熱，存在蒸汽利用率低、管道熱損失大、凝結(jié)水無法回收等眾多問題。

現(xiàn)將城區(qū)換熱站至廠區(qū)內(nèi)，進(jìn)行水暖改造。并采用吸收式熱泵機(jī)組回收2＃發(fā)電機(jī)組余熱（1＃、2＃機(jī)組余熱互為備用），綜合抽汽進(jìn)行水暖供熱。實現(xiàn)節(jié)能供熱面積400萬m2，遠(yuǎn)期達(dá)到550萬m2供暖面積。

1 吸收式熱泵技術(shù)說明

1.1 吸收式熱泵簡介

吸收式熱泵（即增熱型熱泵），通常簡稱AHP（absorption heat pump），它以蒸汽、廢熱水、煙氣、燃?xì)鉃轵?qū)動熱源，把低溫?zé)嵩吹臒崃刻岣叩街小⒏邷責(zé)嵩粗校瑥亩岣吡四茉吹钠焚|(zhì)和利用效率。

以蒸汽型為例，吸收式熱泵原理即在電廠首站內(nèi)設(shè)置蒸汽型吸收式熱泵。如圖1，以汽輪機(jī)抽汽為驅(qū)動能源Q1，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，回收循環(huán)水余熱Q2，加熱熱網(wǎng)回水。得到的有用熱量（熱網(wǎng)供熱量）為消耗的蒸汽熱量與回收的循環(huán)水余熱量之和Q1＋Q2。見圖1。

1.2 吸收式熱泵原理

溴化鋰吸收式熱泵包括蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、發(fā)生器、熱交換器、屏蔽泵（冷劑泵、溶液泵）和其他附件等。它以蒸汽為驅(qū)動熱源，在發(fā)生器內(nèi)釋放熱量Qg，加熱溴化鋰稀溶液并產(chǎn)生冷劑蒸汽。冷劑蒸汽進(jìn)入冷凝器，釋放冷凝熱Qc加熱流經(jīng)冷凝器傳熱管內(nèi)的熱水，自身冷凝成液體后節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器。冷劑水經(jīng)冷劑泵噴淋到蒸發(fā)器傳熱管表面，吸收流經(jīng)傳熱管內(nèi)低溫?zé)嵩此臒崃縌e，使熱源水溫度降低后流出機(jī)組，冷劑水吸收熱量后汽化成冷劑蒸汽，進(jìn)入吸收器。被發(fā)生器濃縮后的溴化鋰溶液返回吸收器后噴淋，吸收從蒸發(fā)器過來的冷劑蒸汽，并放出吸收熱Qa，加熱流經(jīng)吸收器傳熱管的熱水。熱水流經(jīng)吸收器、冷凝器升溫后，輸送給熱用戶。

圖1 吸收式熱泵回收余熱示意圖

圖2 吸收式熱泵原理圖

屏蔽泵的做功與以上幾種熱量相比，基本上可以不用考慮，因此可以列出以下平衡式：

吸收式熱泵的輸出熱量為Qa＋Qc，則其性能系數(shù)COP：

由以上兩式可知：吸收式熱泵的供熱量等于從低溫余熱吸收的熱量和驅(qū)動熱源的補(bǔ)償熱量之和，即：供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量（COP＞1），故稱為增熱型熱泵。根據(jù)不同的工況條件，COP一般在1.6～1.8左右。由此可見，溴化鋰吸收式熱泵具有較大的節(jié)能優(yōu)勢。

2 本次改造方案如下

1）采用常規(guī)溫差技術(shù)，用機(jī)組的供熱抽汽做驅(qū)動汽源，小時回收機(jī)組的6 056 t／h冷卻循環(huán)水余熱，小時回收余熱能力70.4 MW。余熱可新增供熱面積153萬m2（單位負(fù)荷46 w／m2），熱電廠內(nèi)設(shè)置4套溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組。

2）熱泵驅(qū)動蒸汽采用熱網(wǎng)供汽母管1.0 MPa.G，溫度210℃過熱蒸汽，經(jīng)由蒸汽噴射器處理后進(jìn)入熱泵使用。工作蒸汽：1.0 MPa過熱蒸汽120 t／h，吸收乏汽：0.05 MPa飽和蒸汽30.4 t／h，輸出蒸汽：0.5 MPa飽和蒸汽150.4t／h進(jìn)入4臺熱泵。

3）對原有城市供熱管道進(jìn)行汽改水工程改造。根據(jù)實際運(yùn)行數(shù)據(jù)，蒸汽供熱時能耗為0.581 GJ／m2，改為熱水后降到0.491 GJ／m2。

3 熱負(fù)荷確定

設(shè)計供熱面積達(dá)到550萬m2，供熱總負(fù)荷253 MW。根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速2m／s考慮，熱網(wǎng)水流量為6 000 t／h，熱網(wǎng)水管道采用DN1000型號。在經(jīng)濟(jì)比摩阻范圍內(nèi)。

城市熱網(wǎng)水6 000 t／h，55℃回水通過吸收式熱泵利用母管抽汽和1＃或2＃發(fā)電機(jī)組循環(huán)水余熱升至80.8℃，這樣母管抽汽將減少98 t／h（1.0 MPa，210℃）。然后通過汽水換熱器由80.8℃加熱到93.1℃提供給熱用戶。

山東華魯恒升化工股份有限公司熱電分部設(shè)計滿負(fù)荷總供熱量253 MW，采用熱泵機(jī)組后，熱泵機(jī)組供熱量達(dá)到169.6 MW，占總供熱負(fù)荷的66%。小時回收余熱70.4 MW，實現(xiàn)無鍋爐增加供熱面積153萬m2（采暖熱指標(biāo)為46 w／m2）。

4 流程簡述及主要設(shè)備

汽輪機(jī)凝汽器的乏汽原來通過循環(huán)水經(jīng)雙曲線冷卻塔冷卻后排放掉，造成乏汽余熱損失，而循環(huán)水經(jīng)凝氣器后溫度升溫，向大氣散發(fā)大量熱能并且損失大量水資源。現(xiàn)采用吸收式熱泵，以經(jīng)凝汽器加熱的冷卻水作為低溫?zé)嵩矗栽膳某槠鳛轵?qū)動熱源，加熱采暖用熱網(wǎng)回水，循環(huán)冷卻水降溫后再去凝汽器循環(huán)利用。這樣可回收循環(huán)水余熱，提高電廠供熱量，即提高了電廠總的熱效率。

按其效率，在其升溫區(qū)間內(nèi)，達(dá)到同樣的升溫效果，采用吸收式熱泵比汽水換熱節(jié)省30%－40%蒸汽量；若可增大供熱面積，在其升溫區(qū)間內(nèi)，單位蒸汽所供的換熱面積變?yōu)橛稍瓉頁Q熱面積的1.5－1.7倍。

機(jī)房內(nèi)主要設(shè)備表1

表1 機(jī)房內(nèi)主要設(shè)備表

5 循環(huán)水利用方案

現(xiàn)改造電廠1＃、2＃機(jī)組（2×50 MW抽凝），其循環(huán)冷卻水采用兩臺機(jī)組共用一臺雙曲線冷卻塔。改造實現(xiàn)熱泵機(jī)組回收1＃機(jī)組冷凝余熱，2＃機(jī)組余熱作為備用，回收循環(huán)水供回水溫度為39－29℃，備用發(fā)電機(jī)組循環(huán)水溫度為25－15℃，熱泵投入運(yùn)行后兩臺機(jī)組循環(huán)水互為備用，互不影響（投運(yùn)后，被回收循環(huán)水對應(yīng)的發(fā)電機(jī)組，循環(huán)水出凝汽器溫度提高為39℃）。

為保證兩臺發(fā)電機(jī)組冷凝系統(tǒng)互相備用及運(yùn)行互不影響，需要設(shè)置合理的取水及分水控制方案。

5.1 余熱利用凝汽器循環(huán)水取水方案

分別從1＃機(jī)組、2＃機(jī)組循環(huán)水供回水管道上開口，共接出4根管道，并聯(lián)至新建母管（DN1000）引至熱泵房作為循環(huán)水母管，原上塔母管保持不變；

引出的每根管道上加裝閥門，電動閥門位于室外需設(shè)置閥門井，原循環(huán)水管道手動門不變，投運(yùn)1＃機(jī)組時，1＃機(jī)組循環(huán)水手動門關(guān)閉，對應(yīng)1＃機(jī)組閥門打開，2＃機(jī)組同1＃機(jī)組投運(yùn)模式。

5.2 余熱利用機(jī)房側(cè)循環(huán)水分水方案

從凝汽器新建循環(huán)水供水母管引出39℃循環(huán)水經(jīng)新設(shè)升壓泵后進(jìn)熱泵機(jī)組，作為熱泵系統(tǒng)的余熱源，經(jīng)熱泵吸收熱量降溫后回新建循環(huán)水回水母管，此處設(shè)置去原循環(huán)水母管上塔聯(lián)絡(luò)門，供暖低負(fù)荷時，熱泵機(jī)組消耗不完，多余熱量由雙曲線冷卻塔消耗。

回水母管與原冷卻塔回水母管設(shè)置電動聯(lián)絡(luò)門（原循環(huán)水泵出口處），用于回水水溫及流量的控制。

6 供熱期間熱泵系統(tǒng)運(yùn)行情況及數(shù)據(jù)分析

6.1 熱泵機(jī)組運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 熱泵機(jī)組運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

6.2 汽水管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

表3 汽水管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)表

6.3 節(jié)能情況分析

與去年同期蒸汽消耗量對比

D720管線平均流量16日 17日 18日 19日 20日2013年11月（t／h）125 127.7 128.9 130.1 128.9 2014年11月（t／h）88.7 89.1 93.3 92.9 86.7節(jié)省蒸汽量（t／h）36.3 38.6 35.6 37.2 42.2

6.4 熱泵機(jī)組節(jié)能量測算

熱泵機(jī)組節(jié)能量即為提取循環(huán)水熱量，具體數(shù)值為：

16日17日18日19日20日2801 2742 2645 2608 2700小時節(jié)能量（GJ） 116.7 114.3 110.2 108.7 112.5折合1.0 MPa蒸汽（t／h）日累計節(jié)能量（GJ）38.2 37.4 36.1 35.6 36.8

6.5 熱泵機(jī)組COP系數(shù)測算

16日17日18日19日20日6736 7011 6994 6919 6907循環(huán)水熱量（GJ） 2801 2742 2645 2608 2700 COP系數(shù) 1.71 1.64 1.61 1.60 1.64 16－20日總COP系數(shù)當(dāng)日總供熱量（GJ）1.64

7 達(dá)到效果及存在的問題

1）熱網(wǎng)水循環(huán)水量偏小，導(dǎo)致熱泵滿負(fù)荷運(yùn)行受限

目前熱網(wǎng)水系統(tǒng)循環(huán)水量約2 500－2800 t／h，分配到每臺熱泵余額800－900 t／h，與熱泵設(shè)計額定工況的1 440 t／h差距較大，造成熱泵機(jī)組冷源較少，熱泵機(jī)組在負(fù)荷較低的情況下熱網(wǎng)水出口溫度已基本達(dá)到上限（80℃），無法繼續(xù)增加負(fù)荷（在增加將降低COP值）；導(dǎo)致熱泵機(jī)組余熱吸收能力較小，熱源水溫差較小，目前維持在6－7℃。

2）由于目前熱網(wǎng)水系統(tǒng)循環(huán)水量約2 500－2800 t／h的時候，供水壓力維持在0.75－0.8 MPa，已達(dá)到熱電公司要求的管線壓力上限。如果繼續(xù)增大循環(huán)水量，需熱電公司原有供熱一次管網(wǎng)提壓。運(yùn)行期間供水壓力達(dá)到0.92 MPa時，循環(huán)水量可達(dá)到3600 t／h，但熱電公司管網(wǎng)出現(xiàn)了泄漏情況。

措施：為提高熱泵機(jī)組效率，下一步應(yīng)盡量提高熱網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)水量，供熱公司需進(jìn)行調(diào)整管網(wǎng)，提高熱網(wǎng)系統(tǒng)的供水壓力，熱泵熱網(wǎng)水采取大流量低溫差的運(yùn)行模式，以提高COP值。

3）發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行

通過近階段的摸索，在機(jī)組帶3萬、5萬發(fā)電時，熱泵投用對其沒有影響，發(fā)電仍能保持滿負(fù)荷工作，需進(jìn)一步摸索在熱泵滿負(fù)荷狀況下對發(fā)電機(jī)組的影響問題，找到二者的平衡點。

4）冷凝液得以全部回收

往年蒸汽供熱時，外供蒸汽量為170 t／h，冷凝液只有110 t／h返回凝水精制崗位，有60t／h冷凝液無法返回，改為熱水供熱后不僅降低了蒸汽使用量，更重要的是冷凝液全部返回得以利用。

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《化工設(shè)計通訊》編輯部

Energy saving application of heat pump technology in heating

Zhou Guo-ming
（SHANDONG HUALU-HENGSHENG CHEMICAL CO.，LTD，Dezhou Shandong 253024，China）

In order to further reduce heating costs and using heat pump technology to extract the heat of the circulating water，by steam heating reconstruction for hot water heating，heating pipe heat loss decreased significantly，by of heat pump type selection，fixed-point complement pressure，system optimization and reduce the steam consumption，improve the heating efficiency，and achieved remarkable effect and the good economic benefit.

heat pump；steam；consumption；circulating water；distribution；reform；system optimization

TK172

B

1003-6490（2015）03-033-04

2015－03－25

周國明（1968－），山東德州人，男，畢業(yè)于山東化校，工程師，主要從事化肥生產(chǎn)、設(shè)計和技術(shù)管理工作。