淺談多熱源梯級聯(lián)合供熱運行技術應用

王昊

【摘 要】近年來我國采暖熱負荷增長迅速，采暖能耗占建筑總能耗的比例逐年提高，集中供熱導致的季節(jié)性大氣污染問題也日益嚴重。為改善現(xiàn)狀，在我國能源結構調整的背景下，多熱源梯級聯(lián)合供熱系統(tǒng)逐漸得到更多的應用[1]。本文以天津市熱力有限公司某供熱站為例，采用熱電聯(lián)產(chǎn)調峰首站換熱機組和燃氣熱水鍋爐供熱為主，并輔以地源熱泵機組以及煙氣冷凝熱回收機組，通過熱源的合理利用，構建多能源互補利用的梯級聯(lián)合供熱運行模式，提升了供熱系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，收到了較好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

【關鍵詞】熱電聯(lián)產(chǎn);調峰首站;煙氣余熱回收;吸收式熱泵;地源熱泵

中圖分類號： TU995 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）24-0102-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.047

1 項目概況

天津市熱力有限公司某供熱站鍋爐房裝機容量為4臺58MW燃氣熱水鍋爐，供暖面積320萬平米。根據(jù)鍋爐房的裝機容量，配置四套共計11.6MW余熱回收系統(tǒng)，用于減少鍋爐房天然氣耗量，充分利用排放的煙氣中的余熱，達到節(jié)能減排的目的。2018年，為了提升熱源保障能力、降低供熱運行成本，在該供熱站建設了5臺30.4MW板式換熱器，可以充分利用熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱，為該供熱站供熱區(qū)域供暖。同時，充分利用地熱資源，通過合理規(guī)劃采暖方式和采用熱泵技術等方式，配備了裝機規(guī)模8.2MW和3.9MW的A、B兩個地熱中心，降低地熱回灌溫度，實現(xiàn)地熱梯級利用，提高地熱利用率。該供熱站采用地熱間接供熱方式。一方面可以避免地熱流體對供熱系統(tǒng)的腐蝕，延長系統(tǒng)使用壽命;另一方面，可以實現(xiàn)地熱源水回灌，減少地熱流體直接排放造成的環(huán)境污染，節(jié)約排污費用，實現(xiàn)地熱資源的可持續(xù)開發(fā)。通過采用采用熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱、燃氣鍋爐調峰為主要熱源供應，鍋爐煙氣冷凝熱回收+地熱高效利用作為輔助補充的多熱源梯級聯(lián)合供熱技術，實現(xiàn)了清潔能源的高效利用、煙氣余熱深度回收的多熱源聯(lián)合供熱。

2 技術路線

2.1 燃氣熱水鍋爐

該供熱站裝機容量為4臺58MW燃氣熱水鍋爐，2015年完成煤改燃工程，采用3臺鍋爐運行1臺鍋爐備用的設置模式，單臺鍋爐供暖期間，每小時的耗氣量約為5800m3，在極寒天氣時，需至少運行3臺鍋爐，每天的耗氣量高達20萬Nm3。

2.2 熱電聯(lián)產(chǎn)調峰首站

2018年，為了提升熱源保障能力，降低供熱站運行成本，實現(xiàn)與熱電聯(lián)產(chǎn)供熱管網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)、調峰運行的功能，需要對鍋爐房進行改造。由于現(xiàn)狀熱電廠供熱一次管網(wǎng)內的熱水達不到到鍋爐運行時水質的要求，因此需要設置5臺調峰換熱首站板式換熱器，將熱電廠一次管網(wǎng)熱水與鍋爐循環(huán)熱水隔離開來。

該供熱站裝機規(guī)模232MW，現(xiàn)狀供熱面積320萬平方米，經(jīng)過水力工況分析發(fā)現(xiàn)在供熱初、末期熱電廠能夠為其全部用戶正常供熱，在深冷季節(jié)或熱電管網(wǎng)故障時，需要啟動燃氣鍋爐房自行供熱或對外供熱。其首站運行工況主要有以下幾種方式：

（1）在供熱初、末期用戶所需熱量較少時，不開啟燃氣鍋爐房，利用熱電廠的熱量通過調峰首站換熱為鍋爐房原有用戶供熱。

（2）在深冷季，熱電廠難以為鍋爐房全部用戶供熱時，開啟燃氣鍋爐房，同時根據(jù)實際情況，鍋爐房既可以與熱電廠聯(lián)網(wǎng)運行，也可以單獨解列運行。

（3）在熱電廠管網(wǎng)發(fā)生故障時，調峰鍋爐房作為保障熱源能夠為熱電廠管網(wǎng)提供熱量。

2.3 燃氣熱水鍋爐煙氣冷凝熱回收技術

2.3.1 能量回收器原理

能量回收器中機組抽氣裝置抽除了機組內的不凝性氣體，并保持其一直處于高真空狀態(tài)。稀溶液泵將吸收器中的稀溶液抽出，經(jīng)溶液熱交換器升溫后進入發(fā)生器，在發(fā)生器中被燃氣燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣繼續(xù)加熱，濃縮成濃溶液，同時產(chǎn)生高溫水蒸汽。濃溶液經(jīng)熱交換器傳熱管間，加熱管內流向發(fā)生器的稀溶液后，溫度降低后回到吸收器。發(fā)生器中產(chǎn)生的高溫水蒸汽流入冷凝器內，加熱流經(jīng)冷凝器傳熱管內的熱水，放出熱量后冷凝成余熱水，經(jīng) U形管節(jié)流進入閃蒸室。因閃蒸室中壓力較低，進入閃蒸室的余熱水一部分閃蒸成水蒸汽，另一部分余熱水則因熱量被閃蒸的那一部分帶走而降溫成飽和溫度的余熱水，流入吸收器底部液囊。進入吸收器余熱水液囊的水被余熱水泵（冷劑泵）抽出送往煙氣取熱器吸取熱量后再次進入閃蒸室。進入吸收器的濃溶液吸收水蒸汽后濃度變稀，流入底部溶液液囊，由溶液泵送入熱交換器后進入發(fā)生器。

來自用戶熱水系統(tǒng)的低溫熱水流經(jīng)吸收器傳熱管內，被管外吸收熱加熱，溫度升高后進入冷凝器，在冷凝器內被管外高溫水蒸汽繼續(xù)加熱，溫度再次上升后流出機組，進入用戶用熱系統(tǒng)。這個過程不斷循環(huán)進行，即可不斷地回收煙氣熱量并制取所需溫度的熱水。

2.3.2 燃氣熱水鍋爐余熱回收裝置的工作原理

當燃氣鍋爐正常運行時，節(jié)能系統(tǒng)風機抽取適量鍋爐煙氣經(jīng)混合器、煙氣取熱器降溫后經(jīng)新建煙囪排入大氣。調整熱網(wǎng)回水管路上的閥組，打開能量回收器進出口閥門，調節(jié)閥門旁路閥門開度，部分熱網(wǎng)回水進入能量回收器。能量回收器以天然氣為驅動熱源，提取煙氣取熱器中余熱水的煙氣熱量，將熱網(wǎng)回水加熱。被加熱后的熱網(wǎng)回水，進入燃氣鍋爐，繼續(xù)被加熱至合適溫度后，對外供熱。鍋爐煙氣經(jīng)冷凝后溫度降低，煙氣中的水蒸氣凝結后可回收，因此本系統(tǒng)對于節(jié)能、節(jié)水、提高系統(tǒng)的綜合利用效率都有重要意義。

2.4 供熱站地熱高效利用技術

該供熱站地熱供熱站使用了熱泵機組來實現(xiàn)地熱回灌技術和梯級利用技術，首級熱泵中選用的高溫熱泵機組蒸發(fā)器側進水溫度可達37℃，機組效率可在9.3以上，地熱系統(tǒng)整體供熱效率可達8.0以上，對地熱水資源的100%回灌的同時，讓地熱資源得到最大化利用，地熱尾水排放溫度在全采暖季控制在15℃以下，大大優(yōu)于常規(guī)地熱項目，年可實現(xiàn)對外輸出熱量約8萬GJ，節(jié)省天然氣消耗量約233萬m3。

3 運行實例

該供熱站2018-2019采暖季，開始采用熱電聯(lián)產(chǎn)調峰+燃氣鍋爐+鍋爐煙氣冷凝熱回收+地熱高效利用的多熱源梯級聯(lián)合供熱技術，實現(xiàn)了清潔能源高效利用、煙氣余熱深度回收、多熱源聯(lián)合供熱。

根據(jù)室外供熱溫度曲線，計算出該供熱站在不同室外溫度下（-9℃-9℃）的多熱源梯級聯(lián)合供熱熱量分配表，并根據(jù)此表結合熱電聯(lián)產(chǎn)調峰量及地熱供熱量，給出相應的鍋爐自產(chǎn)熱量。例如：2018-2019采暖季，當調峰首站提供熱量288GJ/時、地熱提供熱量25GJ/時的時候，通過查詢表格，可以在不同室外溫度下的燃氣鍋爐自產(chǎn)的熱量及相對應出燃氣余熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。從而可根據(jù)不同室外溫度，調節(jié)燃氣鍋爐運行負荷，從而實現(xiàn)多熱源聯(lián)合供熱自適應調節(jié)，避免熱量的浪費。

4 實施效果

2018-2019采暖季，該供熱站供熱量總計為1041059.4GJ，其中熱電調峰熱量622365GJ，占總熱量比例59.78%;鍋爐自產(chǎn)熱量312265.8GJ，占總熱量比例30.0%;煙氣余熱回收熱量31494GJ，占總熱量比例3.03%;熱源熱泵提供熱量74904.6GJ，占總熱量比例7.19%。

由此可知，該供熱站2018-2019采暖季主要熱量來源于熱電聯(lián)產(chǎn)調峰，相比于過去的采暖季，該供熱站鍋爐運行時間大大降低，鍋爐自產(chǎn)提供的熱量從100%降至30%，減少幅度在七成左右。在大量減少天然氣使用、節(jié)約燃氣成本的同時，由于熱電聯(lián)產(chǎn)調峰換熱機組采用無人值守有人巡視的模式，也在一定程度上減少了鍋爐及其附屬設備的運行損耗及人力資源成本，為企業(yè)減少了相當大的經(jīng)濟成本支出。

4.1 經(jīng)濟效益

2018-2019采暖季，接收熱電聯(lián)產(chǎn)調峰輸入熱量622395GJ、地源熱泵提供熱量74904.6GJ，供熱站絕大多數(shù)時間僅需啟動1臺鍋爐調峰運行的模式，較少燃料成本約1040.8萬元，同時減少了鍋爐運行臺數(shù)及運行時長，降低了燃氣鍋爐設備損耗和人工成本。通過燃氣熱水鍋爐煙氣冷凝熱回收技術，可產(chǎn)生熱量31494GJ，消耗燃氣549100Nm3，消耗電量130085kwh，節(jié)能收益約為65.95萬元。單采暖季151天（天津市2018-2019采暖季為11月1日-次年3月31日），可節(jié)約供熱成本1106.75萬元，具有非常可觀的經(jīng)濟效益。

4.2 環(huán)保效益

2018-2019采暖季，通過熱電聯(lián)產(chǎn)調峰+鍋爐煙氣冷凝熱回收+地熱高效利用技術，對燃氣鍋爐房進行有效補給，減少燃氣使用量2115.07萬Nm3，折合標煤2.53萬噸，可減少CO2排放6.58萬噸，減少SO2排放60.72kg，減少NOX排放17.71kg，具有相當可觀的環(huán)保效益。

4.3 社會效益

2019年春節(jié)期間，由于熱電廠節(jié)日期間電負荷受限，無法為熱電聯(lián)產(chǎn)供熱管網(wǎng)輸送足夠的熱量以滿足供熱需求。因此，適時啟動該供熱站設置的調峰首站對外輸出功能，對外供熱總計輸出熱量6008GJ，有效緩解熱電廠節(jié)假日或機組故障造成的熱量輸出不足的情況，保證了廣大熱用戶正常用熱。同時，大型燃氣鍋爐房并入熱電聯(lián)產(chǎn)管網(wǎng)，極大了減少了天然氣使用量，可以有效地緩解北方冬季天然氣使用缺口，保證其他獨立運行燃氣熱源的穩(wěn)定運行，具有非常有效地社會效益。

5 結束語

多熱源梯級聯(lián)合供熱技術提高了鍋爐燃燒效率及清潔能源利用率，有效地保護了生態(tài)環(huán)境，同時對優(yōu)化生態(tài)能源結構，提供良好的基礎環(huán)境，大大減少了對百姓生活的環(huán)境污染。同時，當出現(xiàn)事故工況，熱電廠或某一單一熱源無法滿足供熱需求時，將按事故工況適時進行調節(jié)各種熱源的輸出比例，以最大限度減少由于熱源廠或單一熱源供熱量的不足所造成的停熱事故。這種多熱源的聯(lián)合供熱技術的應用，收到到了理想的效果，在熱源保障、節(jié)能降耗、安全環(huán)保等領域具有較高的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益[2]，為今后供熱熱源的規(guī)劃和建設提供了指導和方向。

【參考文獻】

[1]王海超.多熱源聯(lián)合供熱系統(tǒng)調峰方式及綜合優(yōu)化研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2013：1.

[2]湯慶國.北京集中供熱系統(tǒng)多熱源聯(lián)網(wǎng)運行工況分析[J].2002.7.