吸收式熱泵回收300 MW供熱機(jī)組循環(huán)水余熱的效益分析

王海成

(華電能源股份有限公司，哈爾濱 150001)

0 引言

目前，我國(guó)的能源利用率在33%左右，比發(fā)達(dá)國(guó)家低10個(gè)百分點(diǎn)，產(chǎn)值耗能比世界平均水平高出2倍多，導(dǎo)致我國(guó)的能源消耗總量大，污染物排放量高，對(duì)全球氣候及環(huán)境影響備受?chē)?guó)際社會(huì)關(guān)注。我國(guó)為實(shí)現(xiàn)到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%的目標(biāo)，確定了“十二五”節(jié)能減排的指導(dǎo)思想及目標(biāo)。

在國(guó)家大力推行節(jié)能減排政策的大背景下，發(fā)電供熱企業(yè)豐富的循環(huán)水余熱資源被人們廣泛關(guān)注。以300 MW供熱機(jī)組為例，純凝工況下的能源利用率通常低于40%，而在有抽汽供熱的情況下能源綜合利用率也不到60%。在損失的能量中，低溫循環(huán)水所帶走的能量約占電廠總耗能的30%以上，造成能源的浪費(fèi)以及對(duì)環(huán)境的熱污染。若以電廠循環(huán)水為低溫?zé)嵩?，利用熱泵技術(shù)回收其余熱，將會(huì)對(duì)社會(huì)、環(huán)境、發(fā)電供熱企業(yè)帶來(lái)巨大的利益。對(duì)社會(huì)來(lái)說(shuō)可以增加人們的幸福感和對(duì)政府的信任感；對(duì)環(huán)境來(lái)說(shuō)可以節(jié)約燃煤和大量水，減少CO2，SO2和NOx等有害氣體以及粉塵的排放；對(duì)發(fā)電供熱企業(yè)來(lái)說(shuō)可以優(yōu)化指標(biāo)、降低成本，緩解供熱能力不足的問(wèn)題，滿足更大的供熱需求，為更大的供熱面積提供熱源，從而進(jìn)一步拓展供熱市場(chǎng)，不僅使發(fā)電供熱企業(yè)“十二五”期間的節(jié)能減排目標(biāo)得到進(jìn)一步的保證，更會(huì)對(duì)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生積極影響和促進(jìn)作用。

1 吸收式熱泵技術(shù)及特點(diǎn)

吸收式熱泵全稱(chēng)為第一類(lèi)溴化鋰吸收式熱泵，它是在高溫?zé)嵩?蒸汽、熱水、燃?xì)?、燃油、高溫?zé)煔獾?的驅(qū)動(dòng)下，提取低溫?zé)嵩?地?zé)崴?、冷卻循環(huán)水、城市廢水等)的熱能，輸出中溫的工藝用水或采暖熱水的一種技術(shù)。吸收式熱泵的循環(huán)性能系數(shù)(COP)可達(dá)1.7～2.4，而常規(guī)直接加熱方式的COP一般為0.9左右。由此可見(jiàn)，采用吸收式熱泵替代常規(guī)直接加熱方式節(jié)能效果顯著。

第一類(lèi)溴化鋰吸收式熱泵具有以下主要特點(diǎn)。

(1)可以利用各種熱能：以蒸汽、熱水和燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣為驅(qū)動(dòng)熱源；以余熱、排熱、太陽(yáng)能、地下熱能、大氣和河湖水等低品位熱源為低溫?zé)嵩础?/p>

(2)經(jīng)濟(jì)性好、能源利用率高，與傳統(tǒng)使用的鍋爐相比，用于采暖供熱時(shí)熱效率高、節(jié)能效果好。

(3)維護(hù)管理簡(jiǎn)便，運(yùn)轉(zhuǎn)部件少，振動(dòng)和噪聲小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。

(4)有助于能耗的季節(jié)平衡，在能耗高的季節(jié)，熱泵所利用的低品位熱能也增多，有助于減少能源的消耗。

(5)有助于減少二氧化碳的排放，降低溫室效應(yīng)。

利用熱泵機(jī)組供暖與傳統(tǒng)的供暖方式相比，具有環(huán)保安全、節(jié)能高效的優(yōu)勢(shì)?？刂葡到y(tǒng)先進(jìn)，具有集中監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控的接口設(shè)計(jì)、獨(dú)特的氣候補(bǔ)償控制、人性化的操作界面；安全保護(hù)功能完備；符合國(guó)家政策，節(jié)約標(biāo)煤可獲得國(guó)家政策獎(jiǎng)勵(lì)300 元/t。

2 蒸汽型溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)介紹

蒸汽型溴化鋰吸收式熱泵運(yùn)行流程如圖1所示。

熱泵包括蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、發(fā)生器4大部件和其他部件,其運(yùn)轉(zhuǎn)和制熱原理如下：

圖1 熱泵運(yùn)行流程

(1)熱源水通過(guò)管程進(jìn)入機(jī)組蒸發(fā)器后，由于溴化鋰機(jī)組內(nèi)部真空度較高，蒸發(fā)器內(nèi)噴淋下來(lái)的冷劑水蒸發(fā)吸熱，即把電廠循環(huán)冷卻水中的低溫顯熱變?yōu)闈摕幔?/p>

(2)吸收器中的溴化鋰濃溶液吸水性較強(qiáng)，在吸收器上方噴淋時(shí)，吸收來(lái)自蒸發(fā)器中的冷劑蒸汽，使其在吸收器中凝結(jié)，形成溴化鋰稀溶液，同時(shí)放出凝結(jié)熱，這就把蒸發(fā)器中的潛熱變?yōu)橹袦仫@熱，加熱熱網(wǎng)循環(huán)水；

(3)吸收器中的稀溶液通過(guò)溶液泵送至發(fā)生器，并在發(fā)生器內(nèi)由驅(qū)動(dòng)蒸汽加熱分離水蒸氣至冷凝器，生成的濃溶液回到吸收器完成吸收作用；

(4)到冷凝器中的高溫蒸汽，加熱熱網(wǎng)循環(huán)水后節(jié)流回到蒸發(fā)器用于蒸發(fā)。

整個(gè)過(guò)程就完成了制熱的逆向卡諾循環(huán)，可看出:熱網(wǎng)水的熱量一部分來(lái)自熱源水中吸收的顯熱，一部分來(lái)自驅(qū)動(dòng)蒸汽加熱的換熱，所以得到的熱網(wǎng)供熱量為消耗的蒸汽熱量與提取的低溫循環(huán)水余熱量之和。

3 實(shí)例分析

某電廠裝機(jī)容量為2×300 MW供熱機(jī)組，理論設(shè)計(jì)采暖熱負(fù)荷為1 000萬(wàn)m2，熱水網(wǎng)主干由電廠內(nèi)熱網(wǎng)首站引出，設(shè)計(jì)流量為10 000 t/h，供水最高溫度為130 ℃，回水溫度為70 ℃。機(jī)組額定抽汽量為500 t/h，最大抽汽能力為550 t/h。機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)采用單元制閉式循環(huán)供水系統(tǒng)，單臺(tái)機(jī)組設(shè)2臺(tái)50%額定容量的循環(huán)水泵，其中1臺(tái)水泵配雙速電機(jī)。非采暖期運(yùn)行2臺(tái)泵，高速運(yùn)行，循環(huán)水流量為34 746.2 m3/h；采暖期間，單獨(dú)運(yùn)行1臺(tái)低速循環(huán)水泵，循環(huán)水流量為15 201.5 m3/h。

3.1 項(xiàng)目方案及系統(tǒng)流程

該電廠利用單臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水作為吸收式熱泵的低溫?zé)嵩?，汽輪機(jī)的五段抽汽作為吸收式熱泵的驅(qū)動(dòng)汽源，用來(lái)加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。為提高供熱可靠性，無(wú)論是作為驅(qū)動(dòng)汽源的五段抽汽還是作為低溫?zé)嵩吹哪餮h(huán)水，均與2臺(tái)機(jī)組相連接，互為備用。熱泵系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 熱泵系統(tǒng)流程

3.2 熱泵機(jī)組的選型

熱泵機(jī)組選擇時(shí)應(yīng)參考供熱機(jī)組現(xiàn)有的邊界條件及該電廠對(duì)外供熱的設(shè)計(jì)平均熱負(fù)荷。根據(jù)該電廠的平均熱負(fù)荷，選擇7臺(tái)32.26 MW第一類(lèi)溴化鋰吸收式熱泵用于回收單臺(tái)機(jī)組循環(huán)水余熱。

熱泵安裝后，電廠可增加250萬(wàn)m2供熱能力，考慮到嚴(yán)寒地區(qū)最低供熱安全保證率取上限75%的要求，該電廠可保證接帶設(shè)計(jì)供熱面積。

3.3 熱泵回收余熱能力及全廠熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

3.3.1 設(shè)計(jì)原則與計(jì)算思路

設(shè)計(jì)工況為采暖季平均工況，即發(fā)電量為采暖季平均發(fā)電量、供熱量為采暖季平均供熱量，全廠熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以此工況為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算帶熱泵與不帶熱泵2種情況下的全廠熱經(jīng)濟(jì)性：機(jī)組不帶熱泵，供熱面積為1 000萬(wàn)m2；機(jī)組帶熱泵，供熱面積為1 000萬(wàn)m2。通過(guò)計(jì)算以上2種情況下機(jī)組在供出同樣熱量及發(fā)出相等電量時(shí)的全廠熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，計(jì)算出各種條件下的全廠熱效率、發(fā)電煤耗、供熱煤耗、機(jī)組的熱耗率以及燃煤量等。

3.3.2 機(jī)組不帶熱泵，供熱面積為1 000萬(wàn)m2

3.3.2.1 平均熱負(fù)荷

邊界條件：供熱指標(biāo)，58 W/m2；采暖期室外平均溫度，-11.6 ℃；采暖期室外計(jì)算溫度，-25 ℃；采暖期室內(nèi)計(jì)算溫度，18 ℃。

平均熱負(fù)荷計(jì)算公式為

式中：Pav為平均熱負(fù)荷；Pmax為最大熱負(fù)荷；ti為采暖期室內(nèi)溫度；te為采暖期室外平均溫度；tce為采暖期室外計(jì)算溫度。根據(jù)此公式，可計(jì)算出采暖期的平均熱負(fù)荷為400 MW。

3.3.2.2 采暖抽汽量

汽輪發(fā)電機(jī)組不帶熱泵時(shí)，所有熱負(fù)荷均由熱網(wǎng)加熱器承擔(dān)。采暖抽汽量計(jì)算公式為

式中：qVc為采暖抽汽量，t/h；Pav為平均熱負(fù)荷，400 MW；hc為五段抽汽比焓，3 030 kJ/kg；hc′為熱網(wǎng)加熱器疏水比焓，660 kJ/kg。

根據(jù)此公式，可計(jì)算出全廠的抽汽量為607.0 t/h，則每臺(tái)汽輪機(jī)至熱網(wǎng)加熱器的五段抽汽量為303.5 t/h。

3.3.2.3 發(fā)電功率

由于該電廠在承擔(dān)供熱任務(wù)的同時(shí)還需承擔(dān)發(fā)電任務(wù)，根據(jù)電廠提供的2012年度發(fā)電數(shù)據(jù)，機(jī)組至少應(yīng)滿足189 MW的發(fā)電出力。

3.3.2.4 全廠燃煤量

燃煤量計(jì)算公式為

式中：m為燃煤量；qVs為主蒸汽流量，721.3 t/h；hs為主蒸汽比焓，3 396 kJ/kg；qVg為主給水流量，701.4 t/h；hg為給水比焓，1 200 kJ/kg；qVz為再熱蒸汽流量，616 t/h；hr為再熱熱段蒸汽比焓，3 539 kJ/kg；hl為再熱冷段蒸汽比焓，3 021 kJ/kg；ηb為鍋爐效率，92%；Ql為自然煤低位發(fā)熱量，20.920 MJ/kg。

根據(jù)上式，按采暖期182 d考慮，計(jì)算得出采暖期全廠2臺(tái)鍋爐總?cè)济毫繛?24.329 kt(折成標(biāo)煤后)。

3.3.2.5 采暖期全廠發(fā)電熱耗率

根據(jù)采暖期182 d可計(jì)算出發(fā)電設(shè)備運(yùn)行小時(shí)數(shù)為4 368 h，采暖期總供熱量為6.279×1012kJ，發(fā)電功率為379.092 MW，采暖期發(fā)電熱耗率的計(jì)算公式為

d={1 000×1.03[qVs1(hs1-hg1)+

qVz1(hr1-h11)+qVs2(hs2-hg2)+

qVz2(hr2-h12)]-Q/t}/(Pηbηp) ，

式中：ηb為鍋爐效率，92%；ηp為管道效率，99%；P為發(fā)電機(jī)功率，379.092 MW；Q為全廠總供熱量，6.279×1012kJ；t為發(fā)電設(shè)備采暖期利用小時(shí)數(shù)，4 368 h；下標(biāo)1表示#1機(jī)組，下標(biāo)2表示#2機(jī)組。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，采暖期發(fā)電熱耗率為7 062.2kJ/(kW·h)。

3.3.2.6 供熱煤耗

對(duì)于抽凝供熱式機(jī)組，供熱煤耗的公式為

式中：Br為供熱煤耗；Qn為標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量，29 307.6 kJ/kg。經(jīng)計(jì)算，供熱煤耗為37.490 9 kg/GJ。

3.3.2.7 采暖期全廠發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗

式中：W為采暖期總發(fā)電量，1.66×109kW·h。經(jīng)計(jì)算，采暖期發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為0.234 291 kg/(kW·h)。

3.3.2.8 采暖期全廠熱效率

計(jì)算得出采暖期全廠熱效率為66.976%。

3.3.3 機(jī)組帶熱泵，供熱面積為1 000萬(wàn)m2

根據(jù)電廠2012年度供熱統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，室外溫度區(qū)間為-15 ℃以下，-15～-5 ℃，-5～5 ℃時(shí)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 2012年度供熱參數(shù)統(tǒng)計(jì)[1]

根據(jù)該廠2×300 MW機(jī)組的設(shè)計(jì)以及未來(lái)的發(fā)展規(guī)劃，2013年度采暖季供熱面積將增大至1 000萬(wàn)m2，最大熱網(wǎng)水流量為10 000 m3/h。根據(jù)供熱量折算不同室外溫度區(qū)間的熱網(wǎng)水流量，見(jiàn)表2。

由以上3個(gè)供熱區(qū)間段內(nèi)的水量及供回水溫度，可分別折算出3個(gè)區(qū)間內(nèi)的供熱量。由供熱量可折算出抽汽量，根據(jù)不同的抽汽量及189 MW的發(fā)電功率，由于余熱水溫度升高而背壓提高到6.6 kPa，可計(jì)算出3個(gè)不同室外溫度區(qū)間內(nèi)的熱平衡，得出的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 2013年度供熱參數(shù)折算[1]

表3 投入熱泵后能耗指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

因此，在供熱量相同、發(fā)電量相同的條件下，帶熱泵機(jī)組比不帶熱泵機(jī)組每個(gè)采暖季可節(jié)約標(biāo)煤624.329-584.707=39.622 (kt)。

4 經(jīng)濟(jì)投資及效益分析

4.1 投資情況

該工程靜態(tài)投資12 070萬(wàn)元，單位造價(jià)201元/kW；工程動(dòng)態(tài)投資為12 232萬(wàn)元，單位造價(jià)204元/kW；建設(shè)期貸款利息162萬(wàn)元?？偼顿Y收益率為20.03%，項(xiàng)目資本金內(nèi)部收益率為68.00%。

4.2 節(jié)能計(jì)算

在供熱量相同、發(fā)電量相同的條件下，帶熱泵機(jī)組比不帶熱泵機(jī)組每個(gè)采暖季可節(jié)約標(biāo)煤39.622 kt。

4.3 環(huán)保效益

項(xiàng)目建設(shè)的目的旨在對(duì)現(xiàn)有供熱機(jī)組的循環(huán)水余熱進(jìn)行回收利用，項(xiàng)目實(shí)施后，每年可節(jié)約標(biāo)煤39.622 kt，僅此一項(xiàng)每年可減少粉塵排放345.46 t，減少SO2排放154.09 t，減少NOx排放159.06 t，減少CO2排放105.00 kt?？梢?jiàn)，該工程的環(huán)保效益是十分明顯的。

5 結(jié)論

采用水源熱泵系統(tǒng)對(duì)300 MW供熱機(jī)組的低溫循環(huán)水進(jìn)行余熱回收，可有效減少循環(huán)水的蒸發(fā)損失以及對(duì)環(huán)境的熱污染，能較好地實(shí)現(xiàn)能源的再利用。熱泵技術(shù)利用溴化鋰作為工質(zhì)進(jìn)行熱量回收，沒(méi)有燃燒過(guò)程，不排放廢氣、廢水、廢渣，僅是將循環(huán)水中的余熱資源加以回收并用于采暖，符合可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保的要求。整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,舒適性高，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)。不僅有良好的節(jié)能降耗的作用，而且具有明顯的環(huán)保減排效果，并可緩解城市熱網(wǎng)熱源不足的問(wèn)題，在同類(lèi)型供熱機(jī)組上具有一定的推廣價(jià)值。

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