發(fā)電廠海水循環(huán)水源熱泵應(yīng)用

王陽

摘要：“海水循環(huán)水源熱泵”是以發(fā)電廠內(nèi)海水循環(huán)水作為熱源的水源熱泵系統(tǒng)，此系統(tǒng)夏季利用進(jìn)凝汽器前低溫水，冬季利用凝汽器后的溫排水，不僅克服了海水源熱泵取排水費(fèi)用高的弊端，更可將冬季凝汽器溫排水中的低品質(zhì)廢熱提取出來用于空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對凝汽器溫排水能量的再利用。文章介紹了“海水循環(huán)水源熱泵”的系統(tǒng)設(shè)置，對比了發(fā)電廠常用空調(diào)系統(tǒng)冷（熱）源方案，對“海水循環(huán)水源熱泵”系統(tǒng)的優(yōu)勢以及存在問題進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：發(fā)電廠；空調(diào)系統(tǒng)冷（熱）源；海水循環(huán)；水源熱泵系統(tǒng)；方案設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TU991 文章編號：1009-2374（2015）05-0055-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0360

1 概述

“海水循環(huán)水源熱泵”是本文根據(jù)熱泵系統(tǒng)所采用的熱源形式而命名的。顧名思義，“海水循環(huán)水源熱泵”是以發(fā)電廠內(nèi)海水循環(huán)水作為熱源的水源熱泵系統(tǒng)，此系統(tǒng)利用了發(fā)電廠海水循環(huán)水系統(tǒng)的現(xiàn)有設(shè)備及取水條件，夏季利用進(jìn)凝汽器前低溫水，冬季利用凝汽器后的溫排水，不僅克服了海水源熱泵取排水費(fèi)用高的弊端，將此種高效、節(jié)能、環(huán)保的能源利用方案引入電廠空調(diào)系統(tǒng)，更可將冬季凝汽器溫排水中的低品質(zhì)廢熱提取出來用于空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對凝汽器溫排水能量的再利用。本文對以“海水循環(huán)水源熱泵”作為發(fā)電廠中空調(diào)冷（熱）源的應(yīng)用進(jìn)行一些分析和探討。

2 系統(tǒng)介紹

為方便直觀表述，本文引用了國內(nèi)東北部沿海某廠址的實(shí)際條件，對“海水循環(huán)水源熱泵”進(jìn)行了方案擬定，并進(jìn)行相關(guān)分析。

2.1 廠址條件

2.1.1 廠址氣象條件：

冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算溫度為-9℃

夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算溫度30.7℃

日平均溫度≤+5℃的天數(shù)112天

2.1.2 廠址海水條件：

歷年（1991～2007年）最高水溫27.3℃

歷年（1991～2007年）月平均最高水溫23.8℃

夏季制冷工況熱源側(cè)月平均水溫在18.73℃～22.96℃間

歷年（1991～2007年）最低水溫0.35℃

歷年（1991～2007年）月平均最低水溫2.02℃

冬季制熱工況熱源側(cè)月平均水溫在2.61℃～7.87℃間

2.2 系統(tǒng)方案

“海水循環(huán)水源熱泵”系統(tǒng)為本廠址工程廠前區(qū)行政辦公樓、多功能中心、職工餐廳、招待所、值班宿舍及廠區(qū)集控樓、生產(chǎn)辦公樓、精密儀器庫、繼電通訊樓的空調(diào)設(shè)備提供冷凍水（t=7/12℃）及熱水（t=45/40℃）。

“海水循環(huán)水源熱泵”系統(tǒng)的用戶側(cè)采用一次泵變流量方案，系統(tǒng)流量隨用戶負(fù)荷改變，系統(tǒng)變流量依據(jù)為末端空調(diào)用戶壓差。系統(tǒng)采用變頻調(diào)速（自動恒壓）裝置補(bǔ)水定壓，補(bǔ)水接自除鹽水管。用戶側(cè)設(shè)備由：2臺海水源熱泵機(jī)組，單臺名義制冷量1002kW、輸入功率162kW，制熱量1190kW、輸入功率225kW；3臺變頻循環(huán)水泵，兩用一備，單臺設(shè)計(jì)工作點(diǎn)流量172m3/h，設(shè)計(jì)工作點(diǎn)揚(yáng)程55m，輸入功率30kW；1套變頻調(diào)速（自動恒壓）裝置；1個補(bǔ)充水箱組成。

“海水循環(huán)水源熱泵”系統(tǒng)熱源側(cè)用水接自電廠循環(huán)水系統(tǒng)，夏季取進(jìn)凝汽器前低溫水，冬季則取經(jīng)凝汽器后的溫排水。由于利用廠內(nèi)已有的取排水構(gòu)筑物及循環(huán)水系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備（如取排水渠、廠用循環(huán)水泵、過濾設(shè)施、沉淀及滅藻等設(shè)施等）已可滿足運(yùn)行要求，熱源側(cè)僅需在冬季運(yùn)行工況時針對虹吸井液位較低的情況增加2臺海水提升泵（一用一備，單臺設(shè)計(jì)工作點(diǎn)流量400m3/h，設(shè)計(jì)工作點(diǎn)揚(yáng)程15m，輸入功率20kW）即可。

2.3 方案可行性

海水源熱泵機(jī)組在夏季制冷工況下，熱源側(cè)出水溫度一般不能高于40℃，按5℃溫升考慮，進(jìn)水溫度一般不應(yīng)超過35℃；本廠址自然條件下，夏季海水歷年最高水溫為27.3℃，可以滿足海水源熱泵機(jī)組正常運(yùn)行。

海水源熱泵機(jī)組在冬季制熱工況下，熱源側(cè)出水溫度一般不能低于3℃，按5℃溫降考慮，進(jìn)水溫度一般不應(yīng)低于8℃；本廠址冬季海水歷年最低水溫及月平均最低水溫分別為0.35℃、2.02℃，月平均水溫在2.61℃～7.87℃間，在自然條件下無法直接滿足海水源熱泵機(jī)組正常運(yùn)行，需考慮海水預(yù)加熱或增大水量等防凍措施；而本工程冬季熱源側(cè)海水自凝汽器后取水，海水經(jīng)凝汽器后溫升不小于8℃，相當(dāng)于對海水進(jìn)行了預(yù)熱，因此也可滿足海水源熱泵機(jī)組正常運(yùn)行。

2.4 能效比分析

2.4.1 制冷工況：制冷工況下系統(tǒng)名義制冷量2004kW，熱泵機(jī)組輸入功率324kW，熱泵機(jī)組COP值約6.18；考慮使用側(cè)循環(huán)水泵輸入功率60kW，熱源側(cè)循環(huán)水功耗20kW（由于廠用循環(huán)水泵效率一般高于小型水泵，因此制冷工況熱源側(cè)循環(huán)水功耗理論上是低于制熱工況所配提升泵的，因此此處取提升泵功耗作為包絡(luò)），名義工況下系統(tǒng)綜合能效比約4.96。

根據(jù)廠址熱源側(cè)海水溫度，按熱泵機(jī)組廠家提供的制冷變工況計(jì)算表進(jìn)行計(jì)算修正，詳見表1：

表1 制冷工況能效比修正

月

份 逐年月平均水溫 熱泵機(jī)組

修正制冷量 熱泵機(jī)組

修正功耗 熱泵機(jī)組修正能效比 系統(tǒng)修正綜合能效比

（℃） kW kW

7 18.73 2095 302 6.9 5.5

8 22.41 2050 312 6.6 5.2

9 22.96 2040 315 6.5 5.2

2.4.2 制熱工況：制熱工況下系統(tǒng)名義制熱量2380kW，熱泵機(jī)組輸入功率450kW，熱泵機(jī)組COP值約5.29；考慮使用側(cè)循環(huán)水泵輸入功率60kW，熱源側(cè)提升泵輸入功率20kW，名義工況下系統(tǒng)綜合能效比約4.49。

根據(jù)廠址熱源側(cè)海水溫度，按熱泵機(jī)組廠家提供的制熱變工況計(jì)算表進(jìn)行計(jì)算修正，詳見表2：

表2 制熱工況能效比修正

月

份 逐年月平均水溫+凝汽器后溫升 熱泵機(jī)組

修正制熱量 熱泵機(jī)組

修正功耗 熱泵機(jī)組修正能效比 系統(tǒng)修正綜合能效比

（℃） kW kW

12 7.87+8=15.87 2630 460 5.7 4.9

1 3.83+8=11.83 2512 455 5.5 4.7

2 2.61+8=10.61 2423 453 5.3 4.5

3 4.2+8=12.2 2538 456 5.6 4.7

3 方案優(yōu)勢

由上述方案可以看出，“海水循環(huán)水源熱泵”系統(tǒng)實(shí)際上是一種利用了發(fā)電廠既有條件的水源熱泵系統(tǒng)，此種結(jié)合形式利用發(fā)電廠的循環(huán)水系統(tǒng)，幫助海水源熱泵系統(tǒng)克服了取排水投資大、水溫低時需要大流量運(yùn)行或預(yù)加熱設(shè)備的弊端，有效地簡化了系統(tǒng)，將海水源熱泵節(jié)能高效環(huán)保的優(yōu)勢充分，使發(fā)電廠空調(diào)的冷（熱）源系統(tǒng)在制冷、制熱工況均具有了較高的能效比。本章我們將通過方案比較的方式論述“海水循環(huán)水源熱泵”具有的優(yōu)勢。

3.1 方案比較

本節(jié)我們將發(fā)電廠中常用到的空調(diào)冷（熱）源方案與“海水循環(huán)水源熱泵”方案進(jìn)行對比和分析。方案對比如下：

3.1.1 水冷冷水機(jī)組方案+換熱機(jī)組（方案一）：

（1）方案初投資：

制冷量2004kW，水冷螺桿機(jī)組2臺 188萬元（938元/kW）

使用側(cè)循環(huán)水系統(tǒng)（含循環(huán)泵、補(bǔ)水及管道） 52萬元

（260元/kW）

冷卻水系統(tǒng) 125萬元（624元/kW）

變配電系統(tǒng)（相對方案二增加冷卻塔電耗） 38萬元（190元/kW）

換熱量2380kW，板式換熱機(jī)組2套 30萬元

（126元/kW）

變配電系統(tǒng)（相對方案二增加冷卻塔電耗） 5萬元

（20元/kW）

機(jī)房300m2（制冷制熱兩套設(shè)備）30萬元（150元/kW）

合計(jì) 468萬元（2335元/kW）

（2）年運(yùn)行綜合費(fèi)用

設(shè)備折舊費(fèi)用（設(shè)備壽命n=25，年利率取i=7%） 40萬元

制冷年運(yùn)行能耗費(fèi)用 16萬元

制熱年運(yùn)行能耗費(fèi)用 33萬元

年運(yùn)行水耗費(fèi)用-使用側(cè)補(bǔ)水 1.4萬元

年運(yùn)行水耗費(fèi)用-熱源側(cè)補(bǔ)水 1.6萬元

年運(yùn)行管理人工費(fèi)（3人，年人工10萬/人） 30萬元

設(shè)備維修管理費(fèi)

（每年設(shè)備維修管理費(fèi)按設(shè)備折舊費(fèi)的10%計(jì)） 4萬元

合計(jì) 126萬元

3.1.2 海水循環(huán)水源熱泵方案（方案二）：

（1）方案初投資：

制冷量2004kW，制熱量2380kW，海水循環(huán)水源熱泵機(jī)組2臺

188萬元（938元/kW）

使用側(cè)循環(huán)水系統(tǒng)（含循環(huán)泵、補(bǔ)水及管道） 52萬元（260元/kW）

熱源側(cè)水系統(tǒng) 45萬元（225元/kW）

變配電系統(tǒng) 40萬元（168元/kW）

機(jī)房200m2 20萬元（100元/kW）

合計(jì) 407萬元（2030元/kW）

（2）年運(yùn)行綜合費(fèi)用：

設(shè)備折舊費(fèi)用（設(shè)備壽命n=19，年利率取i=7%） 39萬元

制冷年運(yùn)行能耗費(fèi)用 14萬元

制熱年運(yùn)行能耗費(fèi)用 21萬元

年運(yùn)行水耗費(fèi)用-使用側(cè)補(bǔ)水 1.4萬元

年運(yùn)行管理人工費(fèi)（3人，年人工10萬/人） 30萬元

設(shè)備維修管理費(fèi)

（每年設(shè)備維修管理費(fèi)按設(shè)備折舊費(fèi)的10%計(jì)） 3.9萬元

合計(jì) 109萬元

3.1.3 超低溫多聯(lián)機(jī)方案（方案三）：

（1）方案初投資：

室外機(jī)57臺，室內(nèi)機(jī)238臺，制冷量2280KW，制熱量2558kW 450萬元（不考慮末端） （1974元/kW）

變配電系統(tǒng) 54萬元（211元/kW）

合計(jì) 504萬元（2232元/kW）

（2）年運(yùn)行綜合費(fèi)用：

設(shè)備折舊費(fèi)用（設(shè)備壽命n=15，年利率取i=7%） 55萬元

制冷年運(yùn)行能耗費(fèi)用 21萬元

制熱年運(yùn)行能耗費(fèi)用 28萬元

年運(yùn)行管理人工費(fèi)（3人，年人工10萬/人） 20萬元

設(shè)備維修管理費(fèi)（每年設(shè)備維修管理費(fèi)按設(shè)備折舊費(fèi)的10%計(jì)）

5.5萬元

合計(jì) 129萬元

3.2 比較結(jié)果

經(jīng)過對比后，海水循環(huán)水源熱泵方案無論在初投資、年運(yùn)行綜合費(fèi)用還是在節(jié)能降耗方面均優(yōu)于其余兩種方案。

3.3 其他優(yōu)勢

水源熱泵系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、舒適性高的優(yōu)點(diǎn)，而“海水循環(huán)水源熱泵”作為一種水源熱泵在發(fā)電廠中的結(jié)合應(yīng)用，同樣繼承了這些優(yōu)點(diǎn)。

海水作為熱源冬季溫度更高、夏季溫度更低，相對于空氣溫度的變化約有1個月的滯后而且變化平緩，這對于熱泵機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行來說是非常有利的，并從一定程度上避免了熱泵機(jī)組高負(fù)荷需求的情況下，輸出功率及能效比反而降低的弊端。

4 存在問題

“海水循環(huán)水源熱泵”是利用了海水循環(huán)水系統(tǒng)，才得以將水源熱泵這種節(jié)能高效的冷（熱）源形式引入發(fā)電廠空調(diào)系統(tǒng)的，但也由于與發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)聯(lián)系密切，“海水循環(huán)水源熱泵”的應(yīng)用也存在了一些問題：

4.1 依賴性較高

“海水循環(huán)水源熱泵”系統(tǒng)的運(yùn)行與發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)密不可分。因此，如果使用方需在發(fā)電廠投運(yùn)前運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)，則需增加另外的臨時措施。并且對于僅設(shè)置單臺機(jī)組的發(fā)電廠，“海水循環(huán)水源熱泵”也無法滿足其空調(diào)系統(tǒng)在停機(jī)大修時的使用。

4.2 設(shè)計(jì)配合工作量大

相對于其他冷熱（源）形式，“海水循環(huán)水源熱泵”系統(tǒng)設(shè)計(jì)的配合工作量較大。

4.3 布置受限

海水管道、海水提升泵造價較高，且廠用循環(huán)水泵一般壓頭較低，因此海水源熱泵機(jī)組不宜遠(yuǎn)離循環(huán)水系統(tǒng)布置。

5 結(jié)語

通過本文以上分析比較可見，“海水循環(huán)水源熱泵”是一種經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保而且舒適的空調(diào)冷（熱）源形式。雖然其應(yīng)用存在一定的依賴性，但在對節(jié)能降耗有更高要求或不要求空調(diào)系統(tǒng)提前投運(yùn)的廠址以及擴(kuò)建工程、改造工程中均會有很好的推廣前景和應(yīng)用潛力。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）