溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)在熱電廠集中供熱改造中的應(yīng)用

楊 玥 郇 偉

（樂金空調(diào)（山東）有限公司，山東 青島 266109；山東富特能源管理股份有限公司，山東 青島 266109）

溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)在熱電廠集中供熱改造中的應(yīng)用

楊 玥1郇 偉2

（樂金空調(diào)（山東）有限公司，山東 青島 266109；山東富特能源管理股份有限公司，山東 青島 266109）

詳細(xì)介紹了電廠首站熱泵改造的基本原理，并以某電廠熱泵改造為例，對其改造的方案和改造后的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，從實(shí)際應(yīng)用的角度分析了運(yùn)用熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)供熱節(jié)能改造的現(xiàn)實(shí)意義，不但為節(jié)能減排、改善城市環(huán)境質(zhì)量作出了貢獻(xiàn)，而且還取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

溴化鋰吸收式熱泵；電廠；余熱回收

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入較快的發(fā)展時(shí)期，工業(yè)企業(yè)效益逐步提升，電力需求持續(xù)增長。與此同時(shí)，煤炭價(jià)格持續(xù)上漲，使發(fā)電行業(yè)面臨較大的成本壓力。所以，合理利用能源、提高能源利用率是國內(nèi)外比較關(guān)注的問題，總能系統(tǒng)能量綜合利用是節(jié)能的主要方向。回收利用電廠余熱能有效地降低電力企業(yè)生產(chǎn)能耗，而熱泵技術(shù)具有高效節(jié)能環(huán)保的特性。

1 研究背景

由于目前我國熱電廠一次能源利用率普遍較低，很大一部分熱量隨著冷卻塔排到大氣中，如果能夠?qū)装桌速M(fèi)的這部分低溫?zé)崃坷闷饋?，能夠大幅度減少一次能源的消耗，降低供熱成本，減少環(huán)境污染，將具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

如圖1所示，熱電廠基本循環(huán)原理：燃料在鍋爐中燃燒，加熱水產(chǎn)生蒸汽，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，蒸汽壓力推?dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，然后汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。汽輪機(jī)排氣進(jìn)入凝汽換熱器，通過電廠冷卻塔將排氣強(qiáng)制冷卻，放出汽化潛熱變成凝結(jié)水，凝水經(jīng)過冷渣機(jī)的預(yù)熱返回電站鍋爐。這個(gè)過程中有大量的熱量通過冷卻塔排放到大氣當(dāng)中去，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。通過以上分析，我們尋找到的解決方案是利用溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組回收凝汽器放出的低品位熱能，并轉(zhuǎn)換可供城市熱網(wǎng)供熱利用的高品質(zhì)熱量。

一般熱電廠除發(fā)電外，還承擔(dān)著當(dāng)?shù)爻鞘泄嵝枨螅鐖D2所示，供熱方式是電廠采暖抽蒸汽，在電廠內(nèi)設(shè)首站，利用氣水換熱器將高溫高壓蒸汽加熱供暖回水對外供熱，將60℃的熱網(wǎng)回水加熱到110℃對外供熱。傳統(tǒng)的這種單獨(dú)采用加熱器的供熱方式，系統(tǒng)簡單，但能耗浪費(fèi)大。

圖1 熱電廠基本工作循環(huán)

圖2 熱電聯(lián)產(chǎn)供熱示意圖

2 項(xiàng)目概述

在河北省唐山市某電廠，其發(fā)電機(jī)組能力300 MW×2，單臺運(yùn)行；廠區(qū)外總采暖建筑面積為230萬m2，總熱負(fù)荷為100 MW。內(nèi)部臨近氯堿化工環(huán)節(jié)有大量的廢熱，主要為蒸餾塔和螺旋板式換熱器換出的55～60℃的水，此部分水最終通過涼水塔散熱將水溫降低至30℃，而后繼續(xù)回至生產(chǎn)工藝。此余熱水循環(huán)量冬季可達(dá)到1 400 t/h，夏季水量較冬季更多。

工藝?yán)鋮s循環(huán)水的總流量為1 400 m3/h，余熱若按照溫差25℃提取，可回收的余熱量為：Q吸熱=G×1 000×C×ΔT÷ 3 600÷1 000 000=40.7 MW。

可見余熱資源比較大，若按照采暖指標(biāo)45 W/m2來計(jì)算，該余熱全部開發(fā)出來可擴(kuò)大供暖90.4萬m2。

余熱水水質(zhì)干凈，可以直接進(jìn)入同方的余熱回收機(jī)組，是非常好的余熱資源。

3 存在問題

（1）首站余熱資源豐富，未予利用。目前可利用余熱水水溫55℃，水量為1 400 m3/h，余熱資源較豐富。首站生產(chǎn)運(yùn)行及周邊小區(qū)冬季供暖均需消耗大量的熱能，而首站的余熱水通過冷卻塔放熱至30℃后再返回工藝使用，未對余熱資源進(jìn)行回收利用。

（2）現(xiàn)首站采用換熱器方式，增加了蒸汽抽汽，導(dǎo)致發(fā)電效率下降，能耗上升，排放物增加，對周邊環(huán)境造成一定污染。

4 改造方案思路

廠區(qū)外總采暖建筑面積230萬m2，總熱負(fù)荷為100 MW，目前采暖熱源為老電廠低真空供暖結(jié)合尖峰加熱的方式為廠區(qū)外建筑供暖。熱網(wǎng)平均供回水溫度為78/55℃，采暖運(yùn)行時(shí)間為2 880 h。而廠區(qū)內(nèi)部生產(chǎn)過程中有大量的余熱和廢熱通過冷卻水散失到大氣中。在本方案中擬利用成熟熱泵技術(shù)回收余熱用于加熱采暖循環(huán)水，從而避免低真空供暖影響所減少的發(fā)電量。本方案采用吸收式熱泵，可以直接吸收工藝熱水中的余熱，用以加熱采暖循環(huán)水，直接將采暖循環(huán)水加熱到78℃，達(dá)到供暖標(biāo)準(zhǔn)，滿足供熱需求。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以滿足自主調(diào)節(jié)供水溫度的需求，采用熱泵與換熱器串并聯(lián)方式，保證出水溫度和供熱系統(tǒng)的安全性。

4.1 機(jī)組結(jié)構(gòu)組成及工作原理簡述

以蒸汽為驅(qū)動(dòng)熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，利用水在低真空狀態(tài)下低沸點(diǎn)沸騰的特性，提取低品位廢熱源中的熱量，在高品位熱源的驅(qū)動(dòng)下，制取采暖用高品位熱水。溴化鋰吸收式熱泵由蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、發(fā)生器、溶液熱交換器、冷劑泵、溶液泵、抽氣系統(tǒng)等組成。蒸發(fā)器內(nèi)保持真空狀態(tài)，利用水在一定的低壓環(huán)境下便會(huì)沸騰蒸發(fā)，水蒸發(fā)吸熱，吸收廢熱源中的熱量，變成水蒸氣，水蒸氣通過擋液板進(jìn)入吸收器中，吸收器中滴淋溴化鋰濃溶液，利用溴化鋰溶液超強(qiáng)吸水性的特點(diǎn)，吸收由蒸發(fā)器過來的水蒸氣產(chǎn)生大量的熱量，加熱銅管內(nèi)的采暖回水，使其溫度提高。發(fā)生器的作用就是對溴化鋰濃溶液吸收水蒸氣后溶液變稀后再進(jìn)行濃縮，重新得到具有強(qiáng)大吸水性的溴化鋰濃溶液。濃縮過程產(chǎn)生的冷劑蒸汽進(jìn)入冷凝器中，被冷凝成冷劑水，冷凝放熱，加熱銅管內(nèi)的采暖回水。吸收式熱泵原理如圖3所示。

圖3 吸收式熱泵循環(huán)原理圖

4.2 改造系統(tǒng)原理圖

如圖4所示，本方案采用LG吸收式熱泵主機(jī)3臺，供熱量33.3 MW/臺，可以直接吸收工藝熱水的熱量，用以加熱采暖循環(huán)水，直接將采暖循環(huán)水加熱到78℃以上，達(dá)到供暖標(biāo)準(zhǔn)，滿足供熱需求。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)供水溫度。同時(shí)為了保證出水溫度和供熱系統(tǒng)的安全性，采用熱泵與換熱器串并聯(lián)方式。

（1）當(dāng)熱泵熱水出口溫度達(dá)到供熱溫度時(shí)，熱泵熱水出口直接連接外管網(wǎng)供熱；

（2）當(dāng)熱泵熱水出口溫度低于供熱溫度時(shí)，熱泵熱水出口連接進(jìn)換熱器進(jìn)一步加熱后進(jìn)入外管網(wǎng)供熱；

（3）當(dāng)熱泵機(jī)組停電或無法運(yùn)行時(shí)，供熱循環(huán)水直接進(jìn)入換熱器加熱后進(jìn)入外管網(wǎng)供熱。

改造后供暖首站如圖4所示。

圖4 改造后供暖首站示意圖

4.3 設(shè)備選型參數(shù)

河北唐山某熱電項(xiàng)目設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 河北唐山某熱電項(xiàng)目設(shè)備參數(shù)

4.4 系統(tǒng)其他耗電設(shè)備配套表

供熱系統(tǒng)中除熱泵主機(jī)外，其他附屬設(shè)備耗電情況如表2所示。

表2 附屬設(shè)備耗電表

以上3臺熱泵可供熱水流量為3 700 m3/h，現(xiàn)熱網(wǎng)循環(huán)水為2 700 m3/h，隨著城市化進(jìn)一步擴(kuò)大，幾年之后該開發(fā)區(qū)的供熱面積勢必有較大的增加。本方案主要依據(jù)供熱量100 MW來進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后的供熱量不足問題，考慮在建設(shè)機(jī)房時(shí)進(jìn)行預(yù)留。

4.6 經(jīng)濟(jì)性分析

4.5 投資分析

熱泵系統(tǒng)方案設(shè)備投資表如表3所示。

表3 熱泵系統(tǒng)方案設(shè)備投資表

4.6.1 余熱回收量效益

每小時(shí)回收余熱量為：（55-30）×455×3÷10×11.63÷ 1 000=40 MW。

年回收熱量為：40×3 600×2 880÷1 000=41.5萬GJ。

年可節(jié)省的標(biāo)煤量為：40×1 000×2 880÷11.63÷0.7÷ 1 000÷0.72=19 654 t。

可節(jié)省的費(fèi)用為：19 654×650÷10 000=1 278萬元。

4.6.2 節(jié)水收益

工藝余熱水由55℃冷卻至30℃，按熱力平衡計(jì)算，冷卻塔的飄水損失為水流量的3％。采用余熱回收技術(shù)后有455×3=1 365 m3/h的循環(huán)水上塔，所以可減少飄水損失。

冬季共節(jié)約水1 365×3％×2 880=118 000 t。

年節(jié)約循環(huán)冷卻水費(fèi)用為：118 000×3.5÷10 000=41萬元。

4.6.3 運(yùn)營成本

人工成本：定員6人，工資支出6×8=48萬元。

動(dòng)力成本：電費(fèi)=（余熱水泵+凝水回水泵+熱泵機(jī)組+控制）×電價(jià)×運(yùn)行時(shí)間×電價(jià)

=（160×3+15+132+100）×2 880×0.46=96.31萬元

管理維護(hù)成本：10萬/臺，共計(jì)30萬元。

財(cái)務(wù)成本：5年以上長期貸款利率6.55％，貸款期10年，利息照付方式，即：

4 652.11×6.55％×10÷15=203.14萬元

折舊成本：按15年直線折舊法計(jì)算，殘值5％計(jì)，即：4 652.11×0.95÷15=294.63萬元

備注：采暖運(yùn)行時(shí)間2 880 h、標(biāo)煤價(jià)格為650元/t、電價(jià)為0.46元/kW·h、水費(fèi)為3.5元/t、鍋爐效率72％、水泵效率為0.8。

蒸汽參數(shù)：0.33 MPa飽和蒸汽，溫度為146℃，其焓值為2 742 kJ/kg，冷凝水焓值為390 kJ/kg。

4.6.4 節(jié)能減排社會(huì)效益分析

本供熱項(xiàng)目改造后，年供熱量為103.68×104GJ，其中余熱供熱量為41.5×104GJ，蒸汽供熱量為62.18×104GJ。余熱供熱量占總供熱量的39％，蒸汽供熱量占總供熱量的61％。

余熱供熱量41.5×104GJ，相當(dāng)于年節(jié)約標(biāo)煤1.96×104t，減少SO2排放量588 t，減少CO2排放量5×104t，減少NOX排放278.7 t，減少煙塵排放量46.6 t。

5 結(jié)語

發(fā)電廠是高耗能行業(yè)之一，回收余熱，正是實(shí)現(xiàn)廢熱能減量再利用的有效途徑，不僅可降低電廠發(fā)電煤耗，把能源用到最精，還可使環(huán)境影響代價(jià)最小。電廠循環(huán)冷卻水余熱高效利用正是順應(yīng)了加快推進(jìn)環(huán)保清潔電力建設(shè)，把電廠建設(shè)成環(huán)境友好型和資源節(jié)約型產(chǎn)業(yè)這一要求。電廠循環(huán)冷卻水余熱利用的最有效途徑是利用熱泵技術(shù)將其低品位余熱提升并盡可能用于采暖系統(tǒng)。

[1] 王以清.溴化鋰吸收式熱泵的研究及應(yīng)用[J].能源技術(shù)，2000（3）.

[2] 楊艷磊.熱泵技術(shù)在發(fā)電廠余熱回收集中供熱改造技術(shù)中的應(yīng)用[C].熱電聯(lián)產(chǎn)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2014.

2015-04-15

楊玥（1985— ），女，黑龍江人，助理工程師，研究方向：熱泵應(yīng)用技術(shù)和推廣。

郇偉（1984— ），男，江蘇徐州人，助理工程師，研究方向：新能源技術(shù)和推廣。