水源熱泵回收電廠循環水余熱的節能分析

馬 闖 任建興 李芳芹 侯 鑫 馮海軍 章曉彤

上海電力學院能源與機械工程學院

0 引言

目前，我國供熱機組在冬季處于抽氣運行工況的機組約占火電廠裝機總量的30%。從現狀看，傳統抽氣供熱的方法，尚存在不足。供熱汽輪機抽氣量增大后，機組一次調頻能力下降，需要充分考慮電網自平衡能力，減小電網安全隱患[1]。研究發現利用熱泵供熱替代傳統抽氣供熱，總熱效率將增加。與此同時，節煤量也增加，在額定抽氣工況下熱泵供熱性能優于抽氣供熱工況[2，3]。因此，有必要對傳統供熱的方法進行分析，對供熱的節能性加以重視。

電廠中蘊含著豐富的余熱資源，燃料燃燒的熱量，60%的熱能通過鍋爐尾部煙氣和被流過凝汽器的循環水帶走，在環境中散失，大量的余熱資源被浪費。通常電廠循環水的溫度比環境溫度高10℃左右，無論是夏季還是冬季都能滿足水源熱泵的運行要求。若通過水源熱泵回收電廠循環水余熱用于供熱，與常規直接抽氣供熱進行分析比較，具有很大的節能潛力。

1 傳統直接抽氣供熱系統

熱電廠以熱電聯產為基礎的供熱式汽輪機對外供熱和供電。供熱式汽輪機主要有背壓式汽輪機和抽氣式汽輪機。對于背壓式供熱形式，按照“以熱定電”，電能和熱能不能單獨運行，為了克服背壓式汽輪機供熱的缺點，普通的熱電廠多采用抽氣式汽輪機供熱，可同時滿足熱負荷和電負荷隨時變化的需要。抽氣式汽輪機組的供熱原理如圖1所示。

圖1 抽氣式汽輪機組的供熱原理

從鍋爐出來的高參數工質蒸汽，經汽輪機高壓缸作功后分成兩部分，一部分供給熱用戶，另一部分通過調速氣門進入汽輪機低壓缸繼續作功，排出的乏汽進入凝汽器，乏汽經過循環水冷卻后變為凝結水，通過水泵又將水送回鍋爐，完成循環。

隨著國家節能減排政策的推進，我國能源行業開始走向節能環保之路。傳統抽氣供熱利用蒸汽熱源，直接對用戶供熱，熱損失是導致供熱系統高能耗的主要原因[4]。

2 水源熱泵系統分析

相對于空氣源熱泵而言，水源熱泵機組可利用江河湖泊、地下水以及電廠循環冷卻水等作為熱泵的熱源，提高低品位熱能的利用率。水源熱泵利用不同的熱源，具有不同的使用效果。表1列出了水源熱泵利用不同熱源要注意的問題。針對江河湖水源熱泵，根據《中華人民共和國水法》和各地方的《城市用水管理條例》，均要求用水審批和用水收費，使水源熱泵在水源取水問題上增加了阻力[5]。對電廠而言，循環水不可缺少，其作用是用來吸收汽輪機乏汽的汽化潛熱。以600MW機組為例，機組在冬季運行時，某一天，當循環水平均流量達到1 372．4t/h[6]，為水源熱泵提供了充足的水源。水源熱泵將電廠循環水作為水源熱泵的熱源，回收余熱，優越性主要表現在以下幾個方面[7]：

（1）循環水的溫度和流量都較穩定。

（2）循環水的水質好。與海水、城市污水相比，循環水比較清潔，具有較好是傳熱效果。

（3）利用循環水蘊含的巨量余熱，可減少排入大氣的熱量，降低熱污染。

（4）降低進入凝汽器入口的循環水溫度，提高了凝汽器的真空度，增加了機組的發電功率。

（5）減少汽輪機抽氣供熱，避免高品質能量的浪費。

表1 利用不同熱源時需注意的問題

2.1 水源熱泵的工作原理

水源熱泵通過利用溫度較低的水，實現對建筑空間供熱和制冷的目的是以消耗一部分高品位電能作為條件，依靠循環，把蘊含在環境介質中的低品位熱量挖掘出來，達到利用的裝置。通常熱泵每消耗1份電量，可以提供2～3倍甚至更多的熱量[8]。因此可以利用低品位能量而節約高品位能量。

壓縮式熱泵循環流程如圖2所示。其基本工作原理：在冬季制熱工況下，低溫低壓的制冷劑從蒸發器經過，吸收來自低品位冷源（如電廠循環水）的熱量后溫度上升，流入壓縮機，被壓縮成高溫高壓的蒸汽，然后流入冷凝器向熱源放熱，通過膨脹閥降溫降壓處理后，低溫低壓的制冷劑又流入到蒸發器，反復循環。在夏季，水源熱泵的冷凝器與蒸發器的功能互相切換[9-10]。

2.2 水源熱泵系統的節能特點

水源熱泵通過消耗小部分的高品位電能來挖掘、回收低品位熱能，獲得更多的高質量熱能用以供熱或制冷。研究熱泵技術用在火力發電廠循環水的余熱回收，可使電廠節能率達到32．8%[11]。冬季供熱時，將電廠循環水作為水源熱泵的低品位熱源，不僅降低了凝汽器入口循環水的溫度、提高凝汽器真空度，且可節約電廠的耗煤量。目前，我國每消耗1t標準煤，將排放約400kg二氧化碳、20kg二氧化硫、15kg煙塵和260kg灰渣[12-13]。對水源熱泵系統而言，水源側為電廠循環水，通過回收余熱，用來供熱或加熱生活用水，實現節能減排的目的。電廠循環冷卻水的溫度一年四季的波動不大，一般冬季在20℃～35℃之間，夏季在25℃～45℃之間，雖然不同機組、不同地區存在一定差異，但仍可保證水源熱泵在其經濟運行區間內，有很好的節能價值。

由圖2所示，水源熱泵通過輸入小部分的高品位電能，利用熱泵技術提取電廠低溫循環水的余熱供給用戶側。衡量水源熱泵的制熱性能好壞的參數是制熱性能系數COP，定義式為：

當COP的值越大，說明水源熱泵的節能效果越好。

圖2 水源熱泵系統流程圖

假設水源熱泵所用的工質進行的循環是理想的逆卡諾循環，如圖3所示。在T-S圖上，面積3-1-Sa-Sb表示制熱量，面積1-2-3-4表示耗電量。制熱性能系數又可以表達為[14]：

可以看出，求導后的公式（3）始終大于零，說明隨著蒸發溫度的增加，即水源側進水溫度越高，制熱性能系數越大。電廠循環水的溫度高于周圍環境10℃左右，因此，當水源熱泵利用的低溫熱源是電廠循環水而不是江河湖泊等自然地表水的時候，制熱性能系數有一定升高，單位供熱量消耗的電能也就越少。選擇水源側的溫度不同，將影響水源熱泵的節能效果。

圖3 逆卡諾循環在T-S圖上的表示

2.3 水源熱泵系統的供熱方案

隨著小型機組的減少，大型熱電廠的興起，電廠的節能工作越來越被重視。采用水源熱泵提取電廠循環水的低品位余熱越來越得到關注。冬季通過水源熱泵利用循環水供熱，不但可以降低進入凝汽器的循環水的入口溫度，還可以提高凝汽器的真空度。文獻[15]指出凝汽器真空度每提高1kPa，可以降低2．5g/kWh的煤耗值。在實現利用低品位熱量供熱同時，還可節約一次能源的消耗。由此可見，利用循環水供熱具有很好的經濟效益及很好的節能潛力。水源熱泵回收電廠循環水供熱運行的原理見圖4。

圖4 水源熱泵回收電廠循環水供熱運行原理圖

低溫的電廠循環水作為熱泵的熱源，在吸收汽輪機1排氣凝結放出的熱量后溫度升高，一部分直接進入冷卻塔2進行冷卻，回到循環水池，另一部分從凝汽器3出口分出，流到蒸發器4，在蒸發器放出熱量降溫后，回到循環水池。熱泵中的工質在蒸發器中吸收來自循環水的熱量，經過壓縮機5升溫升壓后，在冷凝器6中將熱量傳給供暖熱水，然后經過膨脹閥7降溫降壓又回到蒸發器吸熱，完成一次循環。供暖熱水溫度升高，進入用戶端的散熱器8散熱，回到冷凝器中繼續循環。

3 常規熱電廠供熱與水源熱泵供熱比較

對供熱集中的區域，常規熱電廠通常采用抽氣式汽輪機用于供熱。其原因是在現有條件下，使用背壓汽輪機供熱，熱電負荷會相互制約，對負荷的變化適應性較差。當采用抽氣式汽輪機用于供熱，用戶可以得到的熱量為：

如果上述抽氣不用于供熱，而是繼續發電，則可以多產生電能：

再利用多發出的電能作為水源熱泵的動力，則可以向用戶提供的熱量（不計損失）：

某發電廠1 000MW機組假設兩種供熱方法的主要參數如表2所示。

表2 兩種供熱方式的主要參數

當直接抽氣供給用戶的熱量與其驅動水源熱泵所能產生的熱量相等時，則有下面的關系式：

定義:

?表示熱電廠通過直接抽氣對外的供熱量與通過水源熱泵向用戶提供的熱量之比。當?＞，則表示采用直接抽氣供熱更節能，?＜，則表示利用水源熱泵系統更節能。

4 結語

水源熱泵將電廠循環水作為熱源，回收電廠循環水中蘊含著的豐富余熱，并不需要考慮江河湖泊等熱源要注意的問題。從熱力學第二定律可知，水源熱泵借助電能為動力，實現能量從低品位到高品位的轉換，不僅回收熱量，還實現供熱。傳統機組供熱的設計參數要求達到200℃以上，通過計算分析說明，如果抽氣溫度達到188℃以上，利用水源熱泵供熱優于直接抽氣供熱，體現了節能的優點。

金山區垃圾分類“綠色賬戶”進小區

4月23日，金山區楓涇鎮對楓陽等4個居委開展綠色賬戶培訓活動，并委托第三方機構人員對相關人員、居民等進行“綠色賬戶”實務操作專題培訓。

此次培訓涉及四項內容：（1）講解“綠色賬戶”的重要性、功能、開卡流程以及實際操作方式等；（2）開展居民模擬投遞演練，指出錯誤示范，規范使用過程；（3）發放分類卡；（4）對刷卡員進行綠賬管理應用的常見問題解答。

通過培訓，居民群眾對垃圾分類綠色賬戶認識更全面深入，居民使用“綠色賬戶”積極性進一步提高，為深化落實全鎮生活垃圾分類工作全覆蓋打下了基礎。