電廠循環(huán)水為低位熱源的城市供熱技術(shù)研究與應(yīng)用

唐濤

摘 要：我國(guó)工業(yè)分布廣，工業(yè)余熱資源豐富，作為其中一員的電廠循環(huán)水也有著相當(dāng)多的利用條件。以電廠循環(huán)水作為低位熱源，利用熱泵技術(shù)供熱可以在不增加電廠容量和排放的情況下增加供熱能力，同時(shí)對(duì)水余熱的處理也能起到節(jié)約資源的效果。基于此，本文以電廠循環(huán)水與空氣源對(duì)比的辦法討論了用電廠循環(huán)水作為低位熱源的特點(diǎn)，并重點(diǎn)研究了以電廠循環(huán)水為熱源的供熱技術(shù)，說(shuō)明了不同供熱技術(shù)的供熱效果。

關(guān)鍵詞：電廠循環(huán)水；低位熱源；熱泵供熱技術(shù)

中圖分類號(hào)：TU99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）22-0090-02

1 電廠循環(huán)水為低位熱源的特點(diǎn)

低位熱源的能源品味較低，無(wú)法被直接利用，需要依靠熱泵將其轉(zhuǎn)化為高位能進(jìn)行利用。目前我國(guó)的低位熱源有很多種形式，如空氣源熱泵、地表水源熱泵、地下水源熱泵、土壤源熱泵及太陽(yáng)能熱泵等，電廠循環(huán)水目前也被用作城市供熱的一種低位熱源。綜合比較下，我國(guó)目前運(yùn)用最廣的低位熱源是空氣源，但與空氣源相比，電廠循環(huán)水的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

空氣源熱泵的優(yōu)點(diǎn)很多，如前文提到的使用條件易滿足以及節(jié)能、環(huán)保、維修簡(jiǎn)便等。但在寒冷地區(qū)，空氣源熱泵就會(huì)出現(xiàn)幾種問(wèn)題：（1）當(dāng)室外溫度低于建筑熱負(fù)荷的平衡點(diǎn)溫度時(shí)，熱泵就需要增加輔助熱源以維持供熱，從而增加了能耗。如果將平衡點(diǎn)溫度設(shè)計(jì)得特別低，熱泵機(jī)組的負(fù)荷就會(huì)過(guò)大，導(dǎo)致供熱效率降低。（2）一些室外濕度相對(duì)較大的地區(qū)，在低溫時(shí)會(huì)使熱泵換熱器出現(xiàn)結(jié)霜，結(jié)霜長(zhǎng)期積累可造成空氣通道的嚴(yán)重堵塞，使傳熱受阻。（3）當(dāng)室外環(huán)境溫度變低時(shí)，熱泵的壓縮機(jī)壓縮比會(huì)增大，使機(jī)組排氣溫度升高。當(dāng)排氣溫度過(guò)高時(shí)，潤(rùn)滑油的粘度就降低使得潤(rùn)滑效果減弱，同時(shí)可能引起系統(tǒng)頻繁啟停，影響正常工作。（4）減少蒸發(fā)，熱泵對(duì)循環(huán)水的冷卻功能，可以起到減小冷卻塔的負(fù)荷作用。通過(guò)運(yùn)用空氣源熱泵，每年供電廠能夠減少循環(huán)水的蒸發(fā)損失，約1000萬(wàn)噸左右，保證了循環(huán)水在利用過(guò)程中最大化的發(fā)揮功效，產(chǎn)生供熱能力。因此，空氣源熱泵能夠起到非常顯著的效益。

與空氣源相比，以電廠循環(huán)水為熱源具有更顯著的優(yōu)點(diǎn)，如：（1）電廠循環(huán)水蘊(yùn)含的熱量更大，能夠在長(zhǎng)時(shí)間流動(dòng)的過(guò)程中仍舊保持一定溫度，非常適合作為熱源。（2）電廠循環(huán)水的溫度和流量相對(duì)于空氣源都比較穩(wěn)定，因?yàn)檠h(huán)水是不斷流動(dòng)的，所以比較不容易出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象。（3）循環(huán)水的水質(zhì)一般都比較清潔，循環(huán)水不是再生水，而是將水資源多次利用，具有非常清潔的特性，不會(huì)腐蝕換熱器，同時(shí)可以減少水污染。（4）電廠水循環(huán)的余熱如果合理加以利用，會(huì)減少冷卻水蒸發(fā)，從而能夠更多的利用水蒸氣進(jìn)行城市供熱，達(dá)到節(jié)約資源的目的。（5）電廠循環(huán)水作為低位熱源，可以使凝汽器循環(huán)水的進(jìn)水溫度降低，真空程度提高，發(fā)電功率增加。

2 電廠循環(huán)水作為低位熱源供熱的技術(shù)方案

2.1 循環(huán)水熱泵供熱技術(shù)

電廠循環(huán)水溫度用于供熱主要是利用熱泵技術(shù)進(jìn)行供熱。熱泵和蒸汽壓縮式制冷的原理一樣，其理論循環(huán)都是以逆卡諾循環(huán)的兩個(gè)傳熱相區(qū)為基礎(chǔ)進(jìn)行改造，使冷凝器和蒸發(fā)器的壓力相等，實(shí)現(xiàn)冷凝放熱和汽化吸熱。在冬季，冷凝溫度保持在一定范圍內(nèi)，想要保持供熱系數(shù)就需要對(duì)蒸發(fā)器控制。在蒸氣壓縮式熱泵中，低位熱源的溫度可以影響蒸汽蒸發(fā)的溫度，也直接決定了熱泵的供熱系數(shù)。如果冷凝溫度一定，循環(huán)水的溫度將會(huì)提高5～10℃，熱泵的效率也會(huì)隨之提高。在夏季，蒸發(fā)溫度保持在一定范圍內(nèi)，冷凝溫度就控制了熱泵的制冷效果。所以以電廠循環(huán)水作為城市供熱的熱源更有經(jīng)濟(jì)性。例如，以某城市為例，在2016年期間，整個(gè)供暖季節(jié)采暖所用能源比例占整體能源的17%。隨著城市建筑的不斷增多，在未來(lái)幾年，城市冬季供暖所消耗的能源將持續(xù)增長(zhǎng)。如此大的能源消耗所消耗的財(cái)政也是非常巨大，以煤炭供暖為例，同年的煤炭?jī)r(jià)格是一噸400-848元，整個(gè)城市供暖所耗費(fèi)煤炭為2000萬(wàn)噸，所需要花費(fèi)的資金為800億-16961億元，而且預(yù)計(jì)到2020年，冬季建筑采暖需求所消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤為2700萬(wàn)噸，占整個(gè)城市的能源消耗總量的23%。目前，該城市的所有電熱廠和熱力工廠的供熱能力都達(dá)到極限負(fù)荷運(yùn)載，只用通過(guò)改變供暖方式，使用循環(huán)水供暖方法，才能滿足建筑采暖需求。

在熱泵循環(huán)中，供熱系數(shù)是衡量循環(huán)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，熱泵的制熱性能系數(shù)h=，其中為熱泵吸收周圍環(huán)境的熱量，W為熱泵的功率，為熱泵的制熱量。觀察公式可以發(fā)現(xiàn)熱泵的制熱系數(shù)恒大于1。

具體在利用循環(huán)水作為熱源選擇熱泵時(shí)，如果用燃?xì)饣蛉加妥鳛轵?qū)動(dòng)能源，則采用吸收式熱泵，如果用電作為驅(qū)動(dòng)能源，則采用壓縮式熱泵。吸收式熱泵和壓縮式熱泵的系統(tǒng)制熱分別是耗電量的1.7-2.3和4-7倍。在計(jì)算電廠循環(huán)水的供熱能力時(shí)，循環(huán)水帶走的熱量為，為循環(huán)水設(shè)計(jì)流量，和分別是凝汽器循環(huán)水出水和進(jìn)水的水焓值。

2.2 汽輪機(jī)低真空運(yùn)行循環(huán)水供熱技術(shù)

除了熱泵技術(shù)，還可以采用汽輪機(jī)低真空運(yùn)行循環(huán)水供熱技術(shù)。因?yàn)樵谡l件下，循環(huán)水的溫度一般20-35℃之間，所以這樣低的溫度無(wú)法直接應(yīng)用于工人冬季供熱系統(tǒng)，如果想要用低溫循環(huán)水進(jìn)行供熱，就必須提高循環(huán)水的溫度。運(yùn)用中小型的汽輪機(jī)可以做到，主要的工作原理是汽輪機(jī)使排汽缸達(dá)到真空轉(zhuǎn)狀態(tài)，循環(huán)水的溫度能夠進(jìn)行加熱，可以將循環(huán)水的溫度生至到60～80°C，從而達(dá)到供熱要求。這項(xiàng)技術(shù)已很成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的資源利用率，在國(guó)內(nèi)外有非常多的成功案例和研究，特別在我國(guó)北方城市得到有效的應(yīng)用推廣。例如，以我國(guó)北方某城市為例，某北方城市冬季供暖，供暖設(shè)備中有40%熱泵運(yùn)用電動(dòng)壓縮式，剩下的60%熱泵則運(yùn)用吸收式，通過(guò)計(jì)算循環(huán)水熱量可得：在整個(gè)冬季，某城市的實(shí)現(xiàn)采暖供熱1821萬(wàn)GJ，循環(huán)水供熱約為903萬(wàn)GJ，電能共消耗28925萬(wàn)度，蒸汽的消耗占循環(huán)水的比重0.35，共計(jì)316.05萬(wàn)噸，通過(guò)運(yùn)用了這種循環(huán)水供熱和同等規(guī)模的鍋爐房相比較，通過(guò)折合成煤炭每噸所產(chǎn)熱量顯示出兩者之間比較，相對(duì)于燃煤、燃?xì)鈦?lái)說(shuō)，如果循環(huán)水余熱的供熱方式完全發(fā)揮功效的話，每年大約可以節(jié)約30萬(wàn)噸的煤或者2.5億立方米的天燃?xì)?。同時(shí)，考慮循環(huán)水余熱的利用情況，一個(gè)供暖季節(jié)能夠回收利用循環(huán)水200萬(wàn)噸，相當(dāng)于可以減少循環(huán)水蒸發(fā)1000-1200萬(wàn)噸，從而有效降低浪費(fèi)。

在傳統(tǒng)低真空運(yùn)行機(jī)組中，受蒸汽量影響的用戶熱負(fù)荷控制機(jī)組發(fā)電功率，電與熱無(wú)法分開調(diào)節(jié)，所以一旦用戶的熱負(fù)荷出現(xiàn)穩(wěn)定情況，機(jī)組的供電就會(huì)收到強(qiáng)烈的影響。另外，因大型機(jī)組和一部分中型機(jī)組不允許施工人員改造結(jié)構(gòu)，所以只有少數(shù)允許被改造的中小型機(jī)組才能進(jìn)行低真空運(yùn)行。一些大型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有中間再熱式汽輪機(jī)組，機(jī)組的末級(jí)出口會(huì)因?yàn)槟龤鈮毫Χ霈F(xiàn)蒸汽的溫度高、容積流量小，容易造成機(jī)組振動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)影響機(jī)組的壽命，設(shè)備還產(chǎn)生危害運(yùn)行的安全隱患。一般非常大型的汽輪機(jī)組，在進(jìn)行循環(huán)水冷卻的過(guò)程中，水的溫度要求不能超過(guò)33℃，而相對(duì)的，出口的溫度也要在40℃左右，才能保證機(jī)組的運(yùn)行安全。因此，工作人員在安裝低真空運(yùn)行機(jī)組時(shí)，要注意對(duì)低真空運(yùn)行參數(shù)的選擇及機(jī)組的熱負(fù)荷調(diào)節(jié)。

在城市供熱時(shí)，都會(huì)追求供熱水溫，如果供熱水溫過(guò)高，汽輪機(jī)排汽溫度就會(huì)過(guò)高從而導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電功率降低、凝汽器銅管變形及排氣缸后軸承溫度過(guò)高。凝汽管銅管變形嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生泄漏，排氣缸后軸承溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致機(jī)組劇烈振動(dòng)。在調(diào)節(jié)熱負(fù)荷時(shí)，可以采用質(zhì)調(diào)節(jié)、量調(diào)節(jié)、質(zhì)量并調(diào)等方式，調(diào)節(jié)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際機(jī)組運(yùn)行情況選擇合適的調(diào)節(jié)方式。以質(zhì)調(diào)節(jié)為例，在改造機(jī)組時(shí)要考慮機(jī)組的運(yùn)行與供熱質(zhì)量，利用加熱器和除鹽水降溫調(diào)節(jié)熱負(fù)荷。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，低位熱源的形式多種多樣，將電廠循環(huán)水作為低位熱源不僅環(huán)保，而且供熱效果明顯。由分析可知，電廠循環(huán)水作為低位熱源比目前運(yùn)用最廣泛的空氣源更穩(wěn)定、清潔，蘊(yùn)藏?zé)崃扛?，供熱人員利用循環(huán)水熱泵和汽輪機(jī)低真空運(yùn)行循環(huán)水兩種供熱技術(shù)充分提高了電廠循環(huán)水的供熱系數(shù)，使我國(guó)電廠能源得到充分利用。相關(guān)研究人員應(yīng)盡快研發(fā)相關(guān)技術(shù)并合理推廣，爭(zhēng)取早日普及以電廠循環(huán)水為熱源進(jìn)行城市供熱。