北方電廠循環水余熱利用的可行性分析

王新猛

(煙臺恒邦化工有限公司 ， 山東 煙臺 264117)

北方電廠循環水余熱利用的可行性分析

王新猛

(煙臺恒邦化工有限公司 ， 山東 煙臺 264117)

通過分析國內火電廠水冷機組循環水的余熱利用情況，提出由水源熱泵提高溫度后的循環水為農業日光大棚.供熱的可行性分析與探討。目前，由于在冬季北方日光大棚的農業生產受到氣候條件的限制，其生產效率底下，市場農產品供應受到影響。通過將電廠循環水余熱利用到農業日光大棚中，既減少了供熱系統的投資，又減少了系統的熱量損失。

循環水余熱利用；日光大棚；水源熱泵

節能減排是我國的基本國策，火力發電廠是一次能源的使用大戶，火力發電廠余熱回收利用對全國能源的節約具有重要的意義。在未來我國全面實現小康社會和經濟可持續發展的關鍵時期，能源和能源消費所帶來的問題同過去相比將會更加突出、更加嚴峻。目前國內大型火電廠的大量余熱很多情況下沒有得到有效地利用，造成了能源的浪費，因此電廠的余熱利用成為如今節能的一條重要途徑。利用熱泵技術回收循環冷卻水余熱不僅能挖掘低品位熱能，收到顯著的節能效果，還能節約煤炭資源，減少燃煤的負面環境效應，有利于環保。但是利用水源熱泵技術提高溫度后的循環水的利用存在不少問題。利用這種循環水可以為居民樓集中供熱，但是電廠離市區一般都比較遠，供熱系統的管道比較長，投資比較大，且還得依靠水泵將熱水輸送到市區的居民用戶，增加系統的能耗，且遠距離輸送熱量損失比較大。將這部分余熱就近利用到農業中的日光溫室大棚既可以減少供熱系統的投資，也可以減少輸送過程熱量的損失。利用循環水余熱供熱的日光溫室大棚，由于棚內溫度穩定，農作物的正常生長得到了保證，提高了農業生產效率，為北方冬季農產品供應提供了有利的條件。

1 目前電廠循環水余熱利用現狀

對于水冷機組，由于每天循環水帶走大量的熱量，造成熱量的巨大損失，并且損失了大量的水資源，同時也造成大氣溫度升高，所以電廠循環水的余熱利用具有十分重要的意義。由于正常情況下循環水的溫度比較低(一般冬季 20～35 ℃)，達不到直接供熱的要求，要用其供熱，必須想辦法適當提高溫度。中小型凝汽式汽輪機可以通過降低排汽缸真空從而提高循環水溫度 (60～80 ℃)的方法進行供熱，即低真空運行循環水供熱[1]，該技術在理論上可以實現很高的能源利用效率，國內外都有很多研究和成功運行的實例，技術已很成熟，特別在我國一些北方城市得到了廣泛的應用與推廣[2]。但是這種供熱方式也存在一些問題，如發電功率受用戶熱負荷的制約，不能分別地獨立進行調節，使其應用受到限制。目前，利用電廠循環水余熱為市區居民用戶供熱存在一些不足。由于電廠離市區比較遠，該供熱系統的投資比較大，由此產生的熱損失也比較大。

2 冬季電廠余熱用于北方地區農業生產的可行性分析

2.1 電廠循環水余熱的性質及其可利用情況

熱能是能量的一種，它會在某種介質中被吸收、轉移、擴散。水是一種最常見的介質媒體，用水帶走的熱能，其本身是一種清潔能源，當熱量擴散后，可繼續循環利用。然而，為了循環水再利用，必須散發掉其中的熱量，因此在水源充足的地方，人們用抽水庫的水來做冷卻循環水，水庫成了二級水源循環冷卻系統。用在水源不充足的地方，人們建造了循環冷卻塔，用水和空氣來冷卻。但是用作冷卻系統的水庫被加熱后，生活在水庫里的生物受到了嚴重的影響。在這些作循環冷卻水的水庫，出現了水草、藻類植物過量生長，引起水體缺氧，水質下降，影響魚類生長，嚴重時大量死亡，即為電廠的熱污染，所以，合理利用這部分熱量才能避免上述問題的發生。對于一般火電廠大部分建在郊區或鄉鎮，離市區(或縣城)較遠而其周圍一般有農田，所以利用電廠循環水余熱為農業供熱相比居民住宅供熱的投資和熱損失要小很多。電廠機組循環冷卻水的溫度在冬季一般為 20～35 ℃，在夏季為 25～45 ℃[3]，且電廠每天的循環水量大，所以該循環水的余熱利用潛能巨大。

2.2 目前我國北方地區農業生產的局限性

在我國的華北、東北、西北地區，農業生產無霜期短，每年從 10 月份到第二年的 5 月份不宜進行種植生產，時間長達半年之久。為了延長生產時間，人們建造了日光溫室大棚進行種植、養殖。日光溫室大棚種植、養殖給人們的生活帶來了極大的變化。但是,大棚在北方高寒地區受氣溫影響很大，棚內溫度低，晝夜溫差過大，生產并不盡如人意，特別在寒冷冬季，大棚里就得生火加溫，由于熱源不穩定，常造成植物生長期長、產量低、品質差，甚至出現農作物被凍死的現象。由此造成了北方地區冬季的蔬菜、水果等農業產品價格較高，影響人們生活水平的提高。

3 水源熱泵工作原理及其系統組成

熱泵是以冷凝汽器放出的熱量來供熱的制冷機，它是通過消耗外界能量將低品位熱源提升為高品位的熱源。熱泵循環一般以環境介質作為低溫熱源從中吸熱，向溫度較高的熱源(溫度為 Th 的供熱系統)放熱。驅動熱泵所消耗的有用能(或功)E 全部被轉換成熱, 這部分熱量E和從低溫體吸取的熱量Q2一起輸向高溫體,即Q1=Q2+E，Q1為向高溫體輸送的熱量。為說明這種能量轉換的優劣, 熱泵工作效率可用性能系數 COP (Coefficient of Performance)或供熱系數來衡量。

COP=Q1/E，則 COP=Q1/E=Q2/E+1=ε+1，ε=Q2/E，稱為制冷系數[4]。水源熱源泵的工作原理與一般的空氣-空氣熱泵相同。制熱工況時，利用制冷劑蒸發吸收循環水的熱量，然后通過冷凝器將熱量釋放到空調房間，即以循環水作為低位熱源的熱泵裝置。

水源熱泵系統主要由三部分組成：①熱泵的驅動能源(電能)和驅動裝置(電機、發動機等)；②熱泵的工作機；③低位熱源(低溫水)。

4 循環水余熱用于農業日光溫室大棚的可行性分析

一般蔬菜的適宜生長溫度在 18～35 ℃。對于北方地區，在冬季日光大棚不能滿足植物的生長溫度，并且大棚內的溫度不穩定，一天的晝夜溫差過大，嚴重影響農業生產效益。所以在冬季為日光溫室大棚供熱可以為北方的農業生產帶來許多有利因素。例如可以穩定大棚內的溫度，使農作物可以正常生長，避免用一些對人體有害的藥物促使植物生長。其次，提高溫度后，農藥的自然降解加快，使農作物上的殘留農藥減少，易于清洗。我國的煤礦大部分分布在北方，電廠分布除了幾個大城市如上海、天津、廣州和廣東、江蘇、浙江幾個發展較快的省份電廠較多外，基本上和煤礦地理分布一致。近年來北方產煤區為了減少煤矸石和煤堆放產生環境污染，建有數量不少的中小電廠，會產生大量的電廠余熱。由此北方冬季為日光大棚供熱的條件是具備的。由熱泵提高溫度后的循環水溫一般為 60 ℃左右，能使日光大棚的溫度相對穩定，可以提高大棚的農業生產效率，有利于農民增收。

5 利用電廠循環水余熱供熱的日光溫室大棚系統組成、工作原理及其系統示意圖

該供熱系統主要包括：冷卻塔、節流閥、變頻循環泵、水源熱泵裝置、日光大棚、管道等。其工作原理為：由汽輪機排氣裝置排出的濕蒸汽一部分由一支管道引入水源熱泵裝置，將其溫度提高后，再將該水供給日光大棚，特殊情況時走旁路，剩余的循環水在冷卻塔中冷卻。當日光大棚的數量增加或減少時可以調節水源熱泵管路的循環水流量。供熱后的這部分循環水再并入主循環水回水管路，由循環泵送入凝汽器。圖 1 為供熱系統示意圖。

圖1 供熱系統示意圖

6 將某300MW機組循環水用于溫室大棚供熱的分析與估算

以國內某 300 MW 水冷機組為例，其循環水量平均為每小時 3.5 萬噸，在冬季循環水的平均溫度為 27 ℃，經熱泵提高溫度后可以達到 60 ℃。設循環水的回水溫度為 10 ℃，則該循環水每小時可以被利用的熱量為：

Q=Cpm△t

=4.2×103×3.5×107×50

=7.35×1012J

以黃瓜的種植為例，其根系的適宜溫度為 18～22 ℃。在我國山東地區，冬季晚上室外溫度一般在零下 10 ℃左右，白天假設為 0 ℃，則其一天的平均溫度為零下 5 ℃。將空氣視為理想氣體，則定壓比熱容為 1.4 kJ/(kg·K)。取空氣的密度為：1.25 kg/m3，則為保證黃瓜的適宜生長溫度，每立方米空間需要提供的熱量為：

Q′=ρCP△t=43.75 kJ

設溫室大棚的高度為 2 m，則在單位時間內利用循環水余熱可以供熱的面積為：

S=Q/(2×3600 Q′)=2.325×104m2，約為 2.345 hm2。

7 結論

通過對目前電廠循環水余熱利用現狀的分析，得出利用電廠循環水集中為居民住宅供熱存在投資和熱量損失比較大的缺點。將循環水余熱為農業日光大棚供熱不僅可以減少供熱投資和熱損，而且還可以提高日光大棚的農業生產效率，為北方地區冬季的農產品供應提供了有利條件。

[1] 陳 軍，謝冬梅，李心剛.電廠余熱資源的有效利用[J].節能與環保，2006(4):32-34.

[2] 吳 星，付 林，胡鵬.電廠循環水供熱技術的研究與應用[J].區域供熱， 2008(4):4-7.

[3] 馮永華，徐文忠，孫始財.火電廠循環冷卻水廢熱回收利用問題研究[J].節能，2007, 26(3):17-19.

[4] 王東鵬，任 兵.電廠余熱利用的分析與探討[J].節能， 2010(23):3-4.

(本文文獻格式：王新猛.北方電廠循環水余熱利用的可行性分析[J].山東化工，2017，46(10)：109-110.)

2017-03-26

王新猛(1988—)，山東煙臺人，技師，主要從事儀表維護工作。

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