火電廠建筑物采用熱泵供暖的選型與方案研究

紀(jì)萬里

西北電力設(shè)計(jì)院

大型抽凝式燃煤發(fā)電機(jī)組，發(fā)電后低品位的冷凝熱，約占發(fā)電過程中燃料熱量的50%～60%以上，一般通過空氣或冷卻水排放掉，造成能源很大浪費(fèi)，眾所周知，采用熱泵技術(shù)可以有效和充分利用凝汽器循環(huán)水中的冷凝熱量用于供熱，而不影響機(jī)組的發(fā)電能力，從而提高熱機(jī)綜合效率、降低電廠煤耗[1-2]。對采用間接空冷系統(tǒng)的火電廠，結(jié)合間冷循環(huán)水工況以及不同的供暖工況，選擇何種型式的熱泵及其供暖方案的優(yōu)化分析，將是本文研究的內(nèi)容。

1 計(jì)算分析依據(jù)

1.1 原始數(shù)據(jù)

本文以新疆哈密地區(qū)的1000 MW 級間接空冷發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目為依托工程進(jìn)行研究。根據(jù)間冷循環(huán)水溫工況列表，冬季時(shí)進(jìn)、出冷卻塔的間冷循環(huán)水溫按35～25 ℃考慮。該地區(qū)供暖原始數(shù)據(jù)如下：室內(nèi)計(jì)算溫度18 ℃，供暖室外計(jì)算溫度-19 ℃，供暖期室外平均溫度-5 ℃，供暖天數(shù)158 天，供暖期供暖小時(shí)數(shù)3792 h，供暖平均小時(shí)數(shù)2357 h[3]。

1.2 相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算依據(jù)

節(jié)能效益計(jì)算中把年消耗蒸汽量或年節(jié)省的蒸汽量均換算為電量，稱為當(dāng)量電量，節(jié)能率以年耗電量為基數(shù)計(jì)算。因各方案的水泵配置基本一致，故效益比較中只計(jì)入主機(jī)用電量，電價(jià)按0.25 元/kWh 計(jì)算。

電廠內(nèi)常規(guī)供暖系統(tǒng)的加熱熱源通常采用0.5 MPa 的飽和蒸汽，加熱設(shè)備為汽水換熱器，為便于比較，吸收式熱泵的驅(qū)動(dòng)熱源也采用0.5 MPa 的飽和蒸汽，并根據(jù)此參數(shù)折算電量。

相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算式如下：

1）常規(guī)系統(tǒng)年蒸汽耗量（t/a）=設(shè)計(jì)工況的蒸汽耗量（t/h）×供暖平均小時(shí)數(shù)（h）；

2）吸收熱泵年蒸汽耗量（t/a）=熱泵設(shè)計(jì)工況蒸汽耗量（t/h）×供暖平均小時(shí)數(shù)（h）；

3）電動(dòng)熱泵年用電量（kWh）=設(shè)計(jì)工況電功率（kW）×供暖平均小時(shí)數(shù)（h）；

4）吸收熱泵年用電量（kWh）=設(shè)計(jì)工況電功率（kW）×供暖期供暖小時(shí)數(shù)（h）；

5）節(jié)能率=與基準(zhǔn)方案用電量之差或年節(jié)約電量/基準(zhǔn)方案用電量。

2 熱泵供暖選型分析

2.1 熱泵供暖工況確定

考慮電廠建筑物及其生活區(qū)的供暖需求，取對外供暖面積20 萬m2，按綜合熱指標(biāo)70 W/m2計(jì)算，供熱量14000 kW。

因熱泵適合制取溫度較低的熱水，根據(jù)冬季電廠間冷循環(huán)水溫，熱泵出水溫度在65 ℃及以下時(shí)，電動(dòng)熱泵制造商的技術(shù)和制造水平都能達(dá)到此要求，故選取電動(dòng)熱泵和吸收式熱泵都適用的三種出（供）水溫度[4]，見表1：

表1 熱泵供水溫度工況

其中工況一比較適合常規(guī)散熱器供暖，工況二和工況三適宜地面輻射供暖系統(tǒng)以及空調(diào)熱水系統(tǒng)[5]。

2.2 熱泵型式選擇

三種供水溫度工況下，采用電動(dòng)壓縮式熱泵、吸收式熱泵與常規(guī)供暖系統(tǒng)的節(jié)能效益比較見表2：

表2 各水溫工況節(jié)能效益比較

將電動(dòng)熱泵，吸收式熱泵的節(jié)能率和設(shè)備投資回收期隨出水溫度的變化關(guān)系分別回歸整理在圖1 和圖2 中：

圖1 熱泵節(jié)能率與出水溫度關(guān)系圖

圖2 熱泵投資回收期與出水溫度關(guān)系圖

從表2 和圖1、2 中可看出，隨著出水溫度升高，電動(dòng)熱泵的節(jié)能率顯著下降，吸收式熱泵的節(jié)能率則變化平緩、稍有上升。出水溫度在60 ℃附近時(shí)，二者節(jié)能率相同，約為49%，但低溫時(shí)電動(dòng)熱泵的節(jié)能率大幅度高于吸收式熱泵，如出水溫度45 ℃時(shí)電動(dòng)熱泵的節(jié)能率是吸收式熱泵的1.4 倍。

電動(dòng)熱泵和吸收式熱泵的設(shè)備投資回收期都隨著出水溫度增大而增加，但電動(dòng)熱泵的增加幅度更大，出水溫度在50 ℃附近時(shí)二者的投資回收期相同，約為2.6 年。如果以設(shè)備投資回收期作為節(jié)能效益的比較標(biāo)準(zhǔn)，出水溫度在50 ℃以下時(shí)，電動(dòng)熱泵的節(jié)能效益優(yōu)于吸收式熱泵，說明電動(dòng)熱泵更適宜低溫水供暖（如地板輻射供暖）和制取冬季空調(diào)熱水，而出水溫度在50℃以上時(shí)，吸收式熱泵的節(jié)能效益優(yōu)于電動(dòng)熱泵，吸收式熱泵更適合水溫較高的散熱器供暖系統(tǒng)。

3 熱泵供暖方案研究

3.1 各溫度工況節(jié)能性分析

由于火電廠大部分建筑物使用高溫水供暖，從分析計(jì)算可知，電廠建筑物供暖更適合采用吸收式熱泵。以哈密地區(qū)2×1000 MW 火電廠為例，建筑物供暖總熱負(fù)荷12000 kW，其中主廠房熱負(fù)荷8000 kW，供回水溫度110 ℃/70 ℃，輔助建筑物熱負(fù)荷4000 kW，供回水溫度110 ℃/70 ℃或者采用85 ℃/60 ℃水溫[6]。

采用吸收式熱泵將回水從70 ℃提升至80 ℃或90 ℃，或者從60 ℃提升至85 ℃，那么相比常規(guī)供暖系統(tǒng)，三種溫度工況下的熱泵供暖節(jié)能效益比較具體見表3：

表3 各溫度工況節(jié)能效益比較

從表3 可得出，供水和回水溫度對吸收式熱泵的節(jié)能效益都有影響，隨著回水溫度和熱泵制取的供水溫度提高，即熱泵運(yùn)行條件惡化，其節(jié)能率降低、投資回收期增加，從表3 可看出工況一（供回水溫85/60 ℃）的投資回收期最少，節(jié)能效益較優(yōu)。

3.2 供暖方案比較

針對電廠建筑物使用高溫水供暖的情況，其供暖熱源采用吸收式熱泵和常規(guī)蒸汽加熱系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的方式，可組合成以下四種供暖方案，見表4：

表4 供暖方案表

熱泵方案中所用蒸汽參數(shù)與常規(guī)方案相同，因各方案水泵等設(shè)施配置基本一致，不進(jìn)行比較，設(shè)備用電量中僅計(jì)入熱泵的電量。常規(guī)方案和熱泵方案中的方案一、方案三的系統(tǒng)圖分別見圖3、圖4 和圖5：

圖3 常規(guī)方案系統(tǒng)圖

圖4 熱泵方案一系統(tǒng)圖

圖5 熱泵方案三系統(tǒng)圖

各方案的節(jié)能效益比較見表5，表中年節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益為年節(jié)約運(yùn)行電費(fèi)與熱泵年運(yùn)行電費(fèi)之差。

表5 各方案節(jié)能效益比較

從表5 可得出，熱泵的節(jié)能率及其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益都隨著熱泵在總供熱量中承擔(dān)份額的增加而提高，且年節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益隨著節(jié)能率的提高而增加，因設(shè)備投資回收期涉及熱泵投資，所以回收期時(shí)間長短并不與節(jié)能率或經(jīng)濟(jì)效益存在直接比例關(guān)系。如果以投資回收期作為經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)來判斷，方案一最優(yōu)，其次為方案三和方案二，方案四次之。

4 結(jié)論

通過熱泵技術(shù)利用火電廠間冷循環(huán)水余熱，應(yīng)用于電廠建筑物供暖和冬季空調(diào)系統(tǒng)，在本研究范圍內(nèi)得出以下結(jié)論：

1）采用熱泵提取間冷循環(huán)水余熱，制取低溫供暖熱水或冬季空調(diào)熱水，當(dāng)供水溫度不超過65 ℃時(shí)，不論采取何種型式熱泵，都可獲得44%以上的節(jié)能率。

2）如果以設(shè)備靜態(tài)投資回收期為判別依據(jù)，當(dāng)供水溫度在50 ℃以下時(shí)，電動(dòng)熱泵的節(jié)能效益較優(yōu)，而供水溫度在50 ℃以上時(shí)，則吸收式熱泵的節(jié)能效益較優(yōu)。電動(dòng)式熱泵更適宜地板輻射供暖等低溫水系統(tǒng)和空調(diào)熱水，而吸收式熱泵更適合熱水溫度較高的散熱器供暖系統(tǒng)。

3）隨著供暖回水溫度和吸收式熱泵制取供水溫度的升高，熱泵節(jié)能率下降、投資回收期增加。利用熱泵加熱的供回水溫為85/60 ℃時(shí)，節(jié)能效益最優(yōu)、80/70 ℃的工況次之、90/70 ℃的工況再次之。

4）采用吸收式熱泵和蒸汽加熱聯(lián)合運(yùn)行的供暖方案中，相對常規(guī)供暖系統(tǒng)，熱泵的節(jié)能率及其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益都隨著熱泵在總供熱量中承擔(dān)份額的增加而提高，但設(shè)備投資回收期并不與節(jié)能率或節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益有直接比例關(guān)系。

5）以設(shè)備投資回收期作為節(jié)能效益判別標(biāo)準(zhǔn)，在本研究的四個(gè)聯(lián)合供暖方案中，當(dāng)輔助建筑物用供回水溫85/60 ℃供暖、主廠房供暖的熱泵和蒸汽加熱溫度段分別為70 ℃-80 ℃及80 ℃-110 ℃時(shí)，該方案最優(yōu)。當(dāng)全廠建筑物供暖供回水溫統(tǒng)一為110/70 ℃、熱泵和蒸汽加熱溫度段分別為70 ℃-80 ℃及80 ℃-110 ℃時(shí)，該方案次之。