高效熱泵技術(shù)回收低溫余熱應(yīng)用

高軍，馬光宇，劉常鵬，張?zhí)熨x，趙俁，黃顯保

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

中國鋼鐵工業(yè)2017年余熱資源總量為8.44 GJ/t鋼，占噸鋼可比能耗的37%；冷卻水?dāng)y帶的顯熱為1.24 GJ/t鋼，占余熱資源總量的15%。目前，大部分企業(yè)都采用敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對循環(huán)水進(jìn)行冷卻，水溫約為15～35℃，循環(huán)水的余熱回收率非常低，僅為1.9%左右，大量的低溫余熱被浪費。現(xiàn)今，國內(nèi)南方地區(qū)應(yīng)用熱泵制冷技術(shù)的較多，而北方地區(qū)冬季供暖應(yīng)用高效水源熱泵回收低溫循環(huán)水余熱技術(shù)的較少，一般采用蒸汽或蒸汽換熱水的形式，存在蒸汽壓力和熱損失較大的問題。

近年來，水源熱泵技術(shù)在中國取得了較快發(fā)展，市場也日趨活躍。高能效熱泵機(jī)組技術(shù)成為了低溫循環(huán)水余熱的低品位熱源能否為水源熱泵機(jī)組利用的關(guān)鍵，這項技術(shù)不僅能大幅度提高一次能源的利用效率，而且具有污染物零排放的特點，無論是對于北方地區(qū)的冬季供暖，還是對于工業(yè)的中低溫余熱利用都意義重大，應(yīng)用前景廣闊。本文對應(yīng)用高效離心式水源熱泵技術(shù)回收循環(huán)水余熱的應(yīng)用實例進(jìn)行了介紹和分析。

1 熱泵分類

熱泵技術(shù)是基于逆卡諾循環(huán)原理實現(xiàn)的。根據(jù)驅(qū)動力不同，熱泵可分為壓縮式熱泵和吸收式熱泵。壓縮式熱泵主要由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥組成，通過讓工質(zhì)不斷完成蒸發(fā)（吸收熱量）-壓縮-冷凝（放出熱量）-節(jié)流-再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程，將低溫?zé)嵩吹臒崃總鬟f給熱用戶。吸收式熱泵主要由再生器、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器和溶液熱交換器等組成，是利用兩種沸點不同的物質(zhì)組成的溶液的氣液平衡特性來工作的［1］。根據(jù)熱泵熱源介質(zhì)的不同，熱泵可分為空氣源熱泵和水源熱泵等。空氣源熱泵是以空氣為熱源，因空氣對熱泵系統(tǒng)中換熱設(shè)備無腐蝕，理論上可在任何地區(qū)（寒冷地區(qū)可在回水管加補(bǔ)熱器等）運用，因此，是目前熱泵技術(shù)中應(yīng)用最多的裝置。水源熱泵是以熱水為熱源，因水源熱泵的熱源溫度一般為15～35℃，全年基本穩(wěn)定，其制熱和制冷系數(shù)可達(dá)3.5～4.5，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，高出30%左右［2］。

2 高效熱泵技術(shù)特點

提高制熱系統(tǒng)各部件的性能和改善系統(tǒng)循環(huán)可以提高熱泵機(jī)組的性能。COP（Coefficiency of Performance）為制熱性能指數(shù)，是制熱量與輸入功率的比率。用低輸入功率，產(chǎn)生高制熱量，是提高熱泵COP的關(guān)鍵。目前，熱泵COP一般為3.5～4.5，采用高效熱泵并對運行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可將熱泵COP提高30%以上。

2.1 高效離心雙級壓縮補(bǔ)氣增焓技術(shù)

采用帶經(jīng)濟(jì)器的雙級壓縮循環(huán)，能夠在功耗增加較少的情況下，較大幅度地提高熱泵制熱量，明顯改善系統(tǒng)性能，節(jié)能效果顯著。雙級壓縮補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)見圖1。壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑蒸氣進(jìn)入冷凝器放熱，然后通過一次節(jié)流后進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器閃蒸，產(chǎn)生的中壓蒸氣進(jìn)入中間補(bǔ)氣孔，剩余態(tài)工質(zhì)再經(jīng)節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱氣化后被壓縮機(jī)吸氣口吸入，被壓縮到一定壓力后，與中間補(bǔ)氣口吸入的制冷劑混合，再進(jìn)一步壓縮后排出壓縮機(jī)，完成一個循環(huán)［3］。同時，應(yīng)用雙級壓縮補(bǔ)氣循環(huán)，制熱時可提升系統(tǒng)循環(huán)效率8%，能效高，更穩(wěn)定。系統(tǒng)循環(huán)P-h見圖2。因此，雙級壓縮補(bǔ)氣增焓技術(shù)是高效熱泵的最優(yōu)選擇。

2.2 壓縮機(jī)全工況氣動設(shè)計方法

傳統(tǒng)壓縮機(jī)根據(jù)額定工況點進(jìn)行設(shè)計，高效離心式熱泵針對75%工況點進(jìn)行設(shè)計，然后向50%或100%工況拓展。同時，壓縮機(jī)還設(shè)計了新型三元全長葉片閉式葉輪、低稠度葉片擴(kuò)壓器和360°環(huán)形補(bǔ)氣口等氣動零部件。在常規(guī)運行范圍內(nèi)，壓縮機(jī)絕熱效率可達(dá)85%以上［4］。

圖1 雙級壓縮補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)

圖2 系統(tǒng)循環(huán)P-h

2.3 減小傳熱溫差，降低不可逆損失

傳熱溫差是導(dǎo)致實際熱泵循環(huán)偏離理想逆卡諾循環(huán)的-個重要因素。熱泵不可逆損失公式：

式中，Enheatex為熱泵循環(huán)系統(tǒng)不可逆損失，kW；Q為熱泵循環(huán)系統(tǒng)的有效功，kW；T1為高溫?zé)嵩礈囟龋琄；T2為低溫?zé)嵩礈囟龋琄；Ta為環(huán)境溫度，K。由式（1）可以看出，傳熱溫差越大，不可逆損失越大，偏離理想循環(huán)的程度也就越大。由于對數(shù)平均溫差每降低1℃，換熱器的不可逆程度就減少0.011。因此，為了提高系統(tǒng)COP，要選擇合適的傳熱溫差，既不能使蒸發(fā)溫度過低，也不能使冷凝溫度過高［3］。

3 高效熱泵回收低溫余熱供暖應(yīng)用

以北方某鋼廠地區(qū)采暖為例，應(yīng)用高效離心熱泵技術(shù)，利用鋼鐵企業(yè)低溫余熱循環(huán)水替代原有的蒸汽供暖；同時，在采暖系統(tǒng)運行中，優(yōu)化熱泵運行參數(shù)，使系統(tǒng)COP提高至5.5以上。

3.1 熱泵技術(shù)回收循環(huán)水系統(tǒng)余熱方案

某鋼廠循環(huán)水側(cè)進(jìn)/出水溫度為27/21℃，讓循環(huán)水經(jīng)過切換閥進(jìn)入熱泵系統(tǒng)，通過熱泵的蒸發(fā)器將循環(huán)水內(nèi)的熱量提取出來，輸送到冷凝器，在冷凝器內(nèi)把熱量傳遞給供暖熱水系統(tǒng)，供熱側(cè)進(jìn)/出水溫度為45/52℃，從而實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)與高效熱泵技術(shù)相結(jié)合的供暖方式。循環(huán)水系統(tǒng)與熱泵相結(jié)合示意圖見圖3。生成的采暖熱水由熱水泵經(jīng)廠區(qū)熱水管網(wǎng)送至各采暖熱用戶。經(jīng)過一個冬季的運行，熱泵機(jī)組完全滿足用戶采暖需求。

圖3 循環(huán)水系統(tǒng)與熱泵相結(jié)合示意圖

3.2 優(yōu)化熱泵系統(tǒng)運行參數(shù)

3.2.1 優(yōu)化熱泵熱水溫差

高效離心式熱泵機(jī)組在運行中，熱水循環(huán)流量是固定的，機(jī)組制熱量的調(diào)整通過調(diào)節(jié)熱水溫差來實現(xiàn)。因此，在實際運行中，可以通過優(yōu)化熱泵熱水溫差，提高系統(tǒng)COP。熱水溫差性能曲線如圖4所示。由圖4可以看出，隨著出口熱水溫差降低，熱泵系統(tǒng)COP升高。供熱負(fù)荷計算公式如下：

式中，Qs為供熱負(fù)荷，kJ；m 為熱水流量，kg；t1為熱水出口溫度，℃；t2為熱水回水溫度，℃；△t即為熱水出口及回水溫差，℃；c 為比熱容，kJ/(kg·℃)。 根據(jù)公式（2）計算，其中供熱負(fù)荷為實際需求值，得出實際運行中平均供回水溫差為6.2℃，此溫差為熱泵機(jī)組運行最優(yōu)溫差，熱泵系統(tǒng)COP得到提高。

圖4 熱水溫差性能曲線

3.2.2 優(yōu)化熱泵熱水出口溫度

高效熱泵機(jī)組為雙級壓縮系統(tǒng)，在采暖初期和末期，系統(tǒng)供出熱水溫度按40～45℃控制，降低熱水出口溫度，所需熱負(fù)荷降低。因此，負(fù)荷低時，將熱泵雙級壓縮優(yōu)化為一級壓縮控制，降低熱泵系統(tǒng)的耗電量。在實際運行中，可以滿足現(xiàn)場的熱負(fù)荷需求，熱泵系統(tǒng)COP得到提高。熱水出口溫度性能曲線如圖5所示。

圖5 熱水出口溫度性能曲線

3.2.3 COP實際運行分析

COP計算公式為：

式中，Qs為供熱熱負(fù)荷，MJ；P為系統(tǒng)耗電量（按表計量），kW·h。以下數(shù)據(jù)為采暖期按4個月統(tǒng)計時的平均值，Qs=31 974.3 MJ,系統(tǒng)電量即為熱泵系統(tǒng)總的耗電量,P=1 605 kW·h=5 778 MJ,因此COP=Qs/P=5.53。通過以上優(yōu)化運行，COP提高至5.53，與傳統(tǒng)COP為4.00相比，提升了38.25%。

4 運行效果及效益分析

4.1 運行效果

高效熱泵系統(tǒng)回收工業(yè)低溫循環(huán)余熱在供暖中應(yīng)用后，該鋼廠地區(qū)采暖全部由熱泵系統(tǒng)供出，供暖溫度達(dá)到設(shè)計要求55℃，原用蒸汽全部停用，實現(xiàn)低溫余熱循環(huán)水替代蒸汽采暖的目標(biāo)，同時減少了循環(huán)水的蒸發(fā)量及二氧化碳、氮氧化物的排放量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和環(huán)保效益。

4.2 效益分析

采用高效熱泵系統(tǒng)回收工業(yè)低溫循環(huán)余熱供暖，節(jié)約蒸汽62.25 t/h，按照采暖期4個月（2 880 h），1 t蒸汽折算 2.92 GJ， 蒸汽價格按45元/GJ計算，年節(jié)約蒸汽效益2 355.7萬元。熱泵供暖系統(tǒng)年耗電量 4.62×106kW·h，電價0.54元/(kW·h)，年用電消耗資金249.5萬元，年維護(hù)費用和年折舊費用241萬元。年節(jié)約資金1 865.2萬元。高效熱泵系統(tǒng)建設(shè)投資2 238萬元，項目的投資回收期為1.2年，經(jīng)濟(jì)效益良好。

同時，采用高效熱泵系統(tǒng)回收工業(yè)低溫循環(huán)余熱供暖,年節(jié)約蒸汽523 497.6 GJ，折算為標(biāo)準(zhǔn)煤年節(jié)能量為17 862 t。按燃燒每t標(biāo)煤排放二氧化碳約2.6 t、二氧化硫約24 kg、氮氧化物 約7 kg計算，每年可減排二氧化碳46 441t、二氧化硫約429 t、氮氧化物125 t，節(jié)能和環(huán)保效益顯著。

5 結(jié)論

應(yīng)用高效熱泵技術(shù)回收工業(yè)低溫循環(huán)水余熱為北方地區(qū)冬季供暖，熱泵系統(tǒng)運行效果良好，能夠滿足供暖需求，可以替代原有的蒸汽供暖方式，較好地實現(xiàn)了能量的梯級利用，在低溫余熱回收研究領(lǐng)域內(nèi)具有推廣價值和借鑒意義。

（1）通過采用高效熱泵技術(shù)并優(yōu)化系統(tǒng)運行參數(shù)，熱泵系統(tǒng)COP達(dá)到了5.53，與傳統(tǒng)相比提升了38.25%；

（2）采用高效熱泵系統(tǒng)回收低溫余熱供暖，投資回收期短，僅為1.2年；

（3）低溫余熱循環(huán)水取代蒸汽供暖，減少了循環(huán)水的蒸發(fā)量，降低了二氧化碳、氮氧化物的排放量，節(jié)能和環(huán)保效益顯著。