基于吸收式循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術的應用

李利新

基于吸收式循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術的應用

李利新

介紹了清華大學提出的“基于吸收式循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術”在大同煤礦集團公司“兩區(qū)”供熱中的應用，通過一個采暖期的運行數(shù)據(jù)與測試分析表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，熱能利用效率高，熱力站的吸收式換熱機組能夠將一次網(wǎng)回水溫度降到25℃左右，同時電廠的余熱回收熱泵機組可回收電廠循環(huán)水余熱，兩者結合運用，節(jié)能與經(jīng)濟效果顯著。

熱電聯(lián)產(chǎn)；集中供熱；吸收式換熱

1 概述

大同煤礦集團公司采煤沉陷區(qū)綜合治理和棚戶區(qū)改造工程 (簡稱“兩區(qū)”改造工程)，是黨中央、國務院、省、市關心廣大煤礦員工群眾的一項民心工程、德政工程和安居工程。該工程的建成，可使近10萬戶30萬員工家屬的居住條件得到徹底改善。工程分三期建設，目前一、二期工程已建成600多萬m2，安置住戶6萬余戶。根據(jù)同煤集團“兩區(qū)”的建設發(fā)展思路，要不斷完善礦區(qū)職工家屬的居住條件，完善水、電、氣、熱等各項基礎設施。二期工程竣工后，將華電大同第一熱電廠作為集中供熱的主要熱源為“兩區(qū)”供熱。

1.1 熱源情況

華電大同第一熱電廠是日本侵華時期為掠奪大同煤炭于1939年建成的。解放后，電廠經(jīng)過多次擴建，機組容量不斷擴大，對大同市的供電及供熱做出了貢獻。隨著機組的老化和超期服役，1#～7#機組相繼關停，目前電廠利用2007年投產(chǎn)建設的2×135 MW空冷供熱機組，摻燒附近采煤區(qū)的煤矸石，同時為大同城區(qū)供熱和供電。兩臺CKZ135-13.24/535/535/0.245型汽輪機組，冬季最大抽汽工況下的主要熱力參數(shù)見表1，采暖抽汽量為2×200=400 t/h，蒸汽參數(shù)P=0.245 MPa，T=237℃，折合供熱總量約為268 MW。

1.2 熱網(wǎng)及用戶情況

連接華電大同第一熱電廠與同煤“兩區(qū)”各熱力站的一次熱力管網(wǎng)是由同煤集團投資建設的，一次網(wǎng)使用DN1 200的管線從大同一電廠輸出，到達“兩區(qū)”首站后分支變?yōu)?DN1 000，DN900，DN800，DN700，DN600，DN500，DN400，DN300，DN250，DN200的管線分別傳輸?shù)礁餍^(qū)熱交換站，熱交換站通過換熱機組吸收熱量后經(jīng)二次網(wǎng)輸送到住戶家中供熱。一次網(wǎng)設計供回水溫度為120℃/65℃；循環(huán)水泵單臺流量1 800 t/h，揚程140 m，功率1 120 kW，3開1備。二次網(wǎng)設計供回水溫度為70℃/50℃（掛暖）、60℃/40℃（地暖），供回水壓力為0.5 MPa/0.3 MPa。

表1 大同第一熱電廠汽輪機最大抽汽工況下的主要熱力參數(shù)

2009年采暖季，華電大同第一熱電廠為同煤“兩區(qū)”供熱約為260萬m2。根據(jù)2009年采暖季的實際運行數(shù)據(jù)，“兩區(qū)”集中供熱系統(tǒng)的一次網(wǎng)供水溫度在75℃～95℃之間，回水溫度為45℃～55℃，溫差僅為25℃～40℃左右，一次網(wǎng)處于“大流量、小溫差”的不節(jié)能運行狀態(tài)（見表2）。同煤“兩區(qū)”的二次網(wǎng)用戶80%采用地暖，2009年采暖季的實際運行供回水溫度約為45℃/40℃；其余20%的二次網(wǎng)用戶采用掛暖，2009年采暖季的實際運行供回水溫度約為50℃/40℃。其中沉陷區(qū)有熱力站14座，2009年采暖季僅有7座運行，二次網(wǎng)用戶全部采用地暖，實際運行供回水溫度約為45℃/35℃。

1.3 熱負荷

1.3.1 采暖綜合熱指標

建筑采暖綜合熱指標是由所在地區(qū)氣象條件及建筑物的圍護結構特征所決定的。通過對2009年采暖季的實際運行能耗數(shù)據(jù)及供熱面積的分析統(tǒng)計，推算同煤集團“兩區(qū)”供熱系統(tǒng)的采暖綜合熱指標約為60 W/m2。

表2 2009年～2010年采暖期一次網(wǎng)運行參數(shù)

1.3.2 供熱面積統(tǒng)計

2009年采暖季，同煤集團“兩區(qū)”供熱的面積為260萬m2，2010年新增供熱面積370萬m2，現(xiàn)供熱總面積為630萬m2。由此，根據(jù)“兩區(qū)”的采暖綜合熱指標，得出2010年采暖季同煤“兩區(qū)”總熱負荷需求約為378 MW。

1.3.3 熱源能力和熱負荷平衡

同煤集團“兩區(qū)”的熱源能力和熱負荷供需平衡見表3。從表3中數(shù)據(jù)可以看出，同煤集團“兩區(qū)”的供熱系統(tǒng)將面臨著嚴重的熱源能力不足的問題，2010年采暖季將會出現(xiàn)約200萬m2的缺口，由于大氣環(huán)境治理的要求，還要嚴格控制城區(qū)燃煤鍋爐及燃煤電廠的建設。作為城市基礎設施的一項重要組成部分，如果同煤集團“兩區(qū)”的居民采暖問題不能解決，將嚴重限制該區(qū)域居民的生活水平，影響該區(qū)域的和諧穩(wěn)定發(fā)展。

表3 同煤集團“兩區(qū)”供熱系統(tǒng)供需平衡

2 供熱系統(tǒng)改造

目前，由于同煤集團“兩區(qū)”改造工程的逐步建設完善，供熱面積在不斷加大，然而大同一電廠的熱源有限，新建熱電廠或大型燃煤鍋爐房又會帶來環(huán)境問題，為各地環(huán)保部門所嚴格控制；另外，管網(wǎng)輸送能力的不足，不能滿足城市建筑對采暖日益增加的需求，重新擴大主干管管徑不僅投資巨大，而且對于管線密布的地下現(xiàn)狀和交通繁雜、建筑密集的地上現(xiàn)狀，熱網(wǎng)的改造、重建會非常繁瑣。鑒于此情況，采用清華大學提出的“基于吸收式循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術”，對電廠和熱力站進行集中供熱改造，可有效地解決這一問題。

2.1 吸收式換熱

2007年清華大學首次提出了“吸收式換熱”的概念和“基于吸收式循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術”（簡稱“基于吸收式循環(huán)”）并與北京環(huán)能瑞通科技發(fā)展有限公司合作，相繼開發(fā)出“吸收式換熱機組”和“余熱回收專用熱泵機組”等一系列產(chǎn)品。

2.2 技術流程

清華大學提出的基于吸收式循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術流程見第13頁圖1。

圖1 基于吸收式循環(huán)的新型熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術流程

（1）熱力站處安裝吸收式換熱機組，用于替代常規(guī)的水-水換熱器，在不改變二次網(wǎng)供回水溫度的前提下，降低一次網(wǎng)回水溫度至20℃左右，熱網(wǎng)供回水溫度由原來的120℃/60℃變?yōu)?20℃/20℃，輸出溫差拉大了近1倍，由此大幅度地降低了熱網(wǎng)投資和運行費用。

（2）在電廠熱網(wǎng)加熱首站安裝吸收式熱泵機組，以汽輪機的采暖蒸汽驅動回收汽輪機排汽余熱，用于梯級加熱一次網(wǎng)熱水。由于熱網(wǎng)低溫回水實現(xiàn)了與汽輪機排汽的能級匹配，使得熱泵處于極佳的制熱溫度和更大的升溫幅度，從而使熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)的能耗大幅度降低。

通過新型熱泵機組開發(fā)和構建新型的集中供熱系統(tǒng)，一方面利用電廠汽輪機乏汽余熱供熱，可提高電廠現(xiàn)有供熱機組的供熱能力30%以上，降低系統(tǒng)供熱能耗40%以上；另一方面實現(xiàn)了管網(wǎng)的大溫差輸送，可提高熱網(wǎng)的輸送能力80%左右，降低新建管網(wǎng)的投資和輸送能耗30%以上。

2.3 改造方案

2.3.1 大同一電廠

大同一電廠2臺2×135 MW機組配套安裝2臺余熱回收熱泵機組?；厥掌啓C排汽余熱，梯級加熱熱網(wǎng)回水，能把尾部余熱回收利用并提高供熱溫度，額定工況下，可回收電廠余熱140 MW。

2.3.2 同煤“兩區(qū)”熱力站

（1） 同煤“兩區(qū)”有熱力站48座，其中地上熱力站10座，地下熱力站38座。在10個地上熱力站和有條件的4個地下熱力站安裝吸收式換熱機組18臺。末端是掛暖的供熱系統(tǒng)（137萬m2），使一次網(wǎng)回水降低至31℃；末端是地暖的供熱系統(tǒng)（136萬m2），使一次網(wǎng)回水降低至20℃。在不具備安裝吸收式換熱機組的34個地下熱力站采用增加板式換熱片的方式，提高板式換熱器的換熱面積，使一次網(wǎng)回水降低至43℃。通過上述改造，一次網(wǎng)返回熱電廠的綜合回水溫度可降低到37℃左右。

（2）在各熱力站安裝一次水流量自動控制閥57個，增加了遠程檢測調節(jié)系統(tǒng)，以解決水力失調，供熱不均衡等問題。

2.3.3 熱源與用戶供需平衡

改造后的供熱系統(tǒng)熱源與用戶供需平衡見第14頁表4。根據(jù)設計工況下熱量數(shù)據(jù)可以看出，改造后，由于熱源能力的提高，完全可以滿足同煤集團“兩區(qū)”600萬m2的供熱需求。

3 運行效果

3.1 大同一電廠吸收式熱泵運行效果

從2010年10月開始，大同一電廠為同煤“兩區(qū)”供熱420萬m2，其余的由同煤大唐電廠供熱。2010年12月30日，改造工程全部完成，2011年1月5日，大同一電廠2臺吸收式熱泵機組和同煤“兩區(qū)”的8臺吸收式換熱機組同時投入運行。根據(jù)“兩區(qū)”的供熱記錄統(tǒng)計，供熱改造系統(tǒng)運行前后各項數(shù)據(jù)如下。

表4 同煤集團兩區(qū)供熱系統(tǒng)改造后的熱源與用戶供需平衡

3.1.1 供熱改造系統(tǒng)投運前

大同一電廠提供的一次網(wǎng)流量為3 000 t/h左右，平均供水溫度為85℃左右，回水溫度40℃左右；同煤“兩區(qū)”熱交換站二次網(wǎng)的平均供水溫度為40℃左右，個別站二次網(wǎng)供水溫度甚至低于35℃，回水溫度為35℃左右。各物業(yè)站上報的小區(qū)居民測溫結果顯示，30%的居民室溫低于18℃。

3.1.2 供熱改造系統(tǒng)投運后

大同一電廠提供的一次網(wǎng)流量為3 500 t/h～3 800 t/h，供水溫度升為100℃以上，回水溫度在45℃左右；同煤“兩區(qū)”熱交換站二次網(wǎng)的供水溫度全部達到48℃左右，回水溫度為40℃左右。各小區(qū)住戶的測溫結果顯示，除有個別靠山墻及頂層住戶室溫低于18℃，其余住戶都在18℃以上。

3.2 同煤“兩區(qū)”吸收式換熱機組運行效果

2011年2月23 日，同煤“兩區(qū)”將同煤大唐電廠的熱源全部退出，至此，“兩區(qū)”的48個熱交換站，共計600萬m2的供熱面積全部由大同一電廠提供熱源，熱交換站的18臺大溫差換熱機組也全部投入運行。運行結果如下：

（1） 一電廠的一次網(wǎng)流量為3 800 t/h左右，平均供水溫度為100℃左右，平均回水溫度為38℃左右。熱交換站二次網(wǎng)平均供水溫度在48℃左右，平均回水溫度在40℃左右。

（2）同煤“兩區(qū)”熱交換站的18臺“吸收式換熱機組”一次網(wǎng)供水溫度在100℃左右，回水溫度都在25℃左右，吸收熱能溫差在75℃左右。機組的低溫回水在綜合了其他站板式換熱器的回水后，給電廠的回水溫度也只有38℃左右，有效地吸收了熱能。現(xiàn)列舉其中的一個熱交換站做比較（見表5）。表5中所示C區(qū)熱交換站原由同煤大唐電廠采用水-水管式換熱器供熱。

表5 同煤集團兩區(qū)C區(qū)熱交換站供熱系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

以上數(shù)據(jù)顯示，兩種供熱方式，在一次網(wǎng)供水溫度相差5℃左右，流量相差60 t/h的情況下，吸收式換熱機組吸收的熱能溫差仍能達72℃，二次網(wǎng)的供水溫度完全能夠保證，而且降低了能耗。

（3）各小區(qū)住戶室內溫度抽查測量結果顯示，住戶室溫基本都保持在18℃～23℃之間。

4 結論

根據(jù)以上數(shù)據(jù)結果分析，同煤“兩區(qū)”的供熱改造工程，采用清華大學的“基于吸收式循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術”取得了顯著的效果，不僅有效地利用了大同一電廠的熱能，而且大幅度地增加了供熱面積。熱交換站的吸收式換熱機組，有效吸收了電廠一次網(wǎng)的熱能，降低了一次熱網(wǎng)返廠回水溫度，為大同第一熱電廠汽輪機乏汽余熱回收創(chuàng)造有利條件，可大幅提高該電廠的供熱能力和能源利用效率；同時，供熱改造工程通過完善集中熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，有效解決水力失調、供熱不均等問題，提高供熱質量，節(jié)約供熱能耗，實現(xiàn)能源的綠色高效利用。

[1]付林，江億，張世鋼.基于Co-ah循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方法[J].清華大學學報 (自然科學版)，2008（09）：1 377-1 412.

Application of District Heating System Based on Co-ah Cycles in Combined Heating and Power System

Li Lixin

This paper introduces the application of district heating system based on co-ah cycles,proposed by Qinghua University,in combined heating and power systems in Datong Coal Mine Group.Analysis on running data of a whole running season showed that the system ran stably and increased energy efficiency significantly.In the heating substations,the temperature of return water is reduced to 25℃by absorption-exchangers.In the cogeneration plant,circulating water is heated by extraction steam of steam turbines and exhausted heat in absorption pumps.This system achieves a high energy saving effect and economic benefit,so it is proper to apply this system in large-scale.

cogeneration;district heating;absorption heat exchanger

TU995

A

1000-4866（2011）03-0011-04

李利新，男，1972年出生，現(xiàn)在大同煤礦集團鵬程公司工作，工程師。

2011-07-08

2011-07-27