電廠循環(huán)水水源熱泵供熱系統(tǒng)可行性研究

張 強(qiáng)

（大連市熱電集團(tuán)有限公司供熱公司，遼寧大連 116000）

1 電廠循環(huán)水水源熱泵供熱系統(tǒng)

受技術(shù)的限制，我國(guó)火電廠一般實(shí)際熱效率可以達(dá)到35%～45%，除了少部分必須散熱出的熱量，其他大多都轉(zhuǎn)化為熱能。在熱泵的散熱中，鍋爐排煙，器材散熱都只帶走少部分熱量，大部分熱量由凝汽器循環(huán)冷卻水帶走，不僅造成能源的浪費(fèi)，還會(huì)污染環(huán)境，不符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)和綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向。

當(dāng)前我國(guó)主要采用熱泵技術(shù)吸收循環(huán)冷卻水中的熱能進(jìn)行二次利用，利用冷卻水的流量和溫度產(chǎn)生一定的機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)熱泵的正常使用，同時(shí)解決能量浪費(fèi)和環(huán)境污染的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)互利共贏的效果。

熱泵供熱系統(tǒng)主要利用低溫地板輻射式進(jìn)行供熱，這種形式改變了傳統(tǒng)的供熱方式，對(duì)供熱溫度的要求大幅降低。一般情況下，45℃左右的熱水就能滿足生活需求，這樣不僅造成了能源供應(yīng)的普遍性，也大大節(jié)約了能源，減少了能源的浪費(fèi)。另一方面，新形式的功能具有供暖室內(nèi)溫度分布均勻，間接性供熱溫度變化較小，人體舒適度明顯上升。

2 電廠循環(huán)水水源熱泵供熱系統(tǒng)效益分析

（1）節(jié)能分析。當(dāng)電廠循環(huán)水預(yù)熱的水源利用熱泵進(jìn)行供熱時(shí)，不僅不會(huì)增加火電廠的壓力，而且減少?gòu)U氣的排放，以50 MW的供熱發(fā)電機(jī)組為例，在冬季供暖期間，如果總運(yùn)行時(shí)間以5040 h計(jì)算，供暖量相當(dāng)于6800 t煤炭的供暖量，大大節(jié)約了不可再生能源的消耗，同時(shí)推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

（2）環(huán)境效益。當(dāng)前我國(guó)的供暖普遍都是在消耗不可再生能源的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，雖然隨著技術(shù)不斷發(fā)展，供熱效率大大增加，但是如果使用循環(huán)水熱水進(jìn)行供暖，不僅會(huì)節(jié)約不可再生能源的消耗量，而且還會(huì)減少污染氣體的排放量，當(dāng)前，我國(guó)煤燃燒1 t煤炭會(huì)產(chǎn)生二氧化碳440 kg，二氧化硫20 kg，煙塵15 kg，灰渣260 kg。采用循環(huán)水熱泵會(huì)大大降低廢棄物和廢氣的排放量，而且對(duì)于減小煤炭的消耗、減少煤炭燃燒放出的廢氣也會(huì)起到重要作用。

3 電廠循環(huán)水水源熱泵供熱系統(tǒng)技術(shù)性分析

3.1 系統(tǒng)工作原理

低溫水是熱泵循環(huán)冷卻水的主要熱源，吸熱過(guò)程主要是在凝汽器中完成，這些熱量經(jīng)過(guò)汽輪機(jī)排氣凝結(jié)放出大量的熱，導(dǎo)致溫度持續(xù)升高。這些釋放熱量的循環(huán)冷卻水一部分從凝汽器出口經(jīng)過(guò)輸水管道直達(dá)蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中釋放熱量然后回到循環(huán)水池。另一部分則經(jīng)過(guò)冷卻塔，冷卻后回到循環(huán)水池。熱泵則是在蒸發(fā)其中吸收循環(huán)冷卻水的熱量，然后經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)進(jìn)行升溫和升壓，在冷凝器中將熱量放給供暖熱水，然后經(jīng)節(jié)流閥降溫降壓，回到蒸發(fā)器中繼續(xù)吸熱，完成下次一循環(huán)。供暖熱水在冷凝器中吸收熱泵工質(zhì)放出的熱量，溫度升高后進(jìn)入用戶端的散熱器散熱，然后回到冷凝器中繼續(xù)循環(huán)。

3.2 熱泵的設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）數(shù)學(xué)模型。目前我國(guó)的熱泵大多是蒸汽壓縮式，發(fā)熱循環(huán)主要分為3個(gè)層次，第一層是卡諾循環(huán)，第二層為理論循環(huán)，第三層為實(shí)際循環(huán)。在卡諾循環(huán)中，低溫?zé)嵩春透邷責(zé)嵩词侵饕绊懸蛩?，與工質(zhì)和部件的特性無(wú)關(guān)。但目前我國(guó)熱泵追求的主要是和循環(huán)冷卻水和供熱熱水的溫度有關(guān)系，這是熱泵循環(huán)的最佳表現(xiàn)，同時(shí)也是熱泵循環(huán)追求的最高表現(xiàn)，在現(xiàn)實(shí)中幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。理論循環(huán)的影響因素不僅包括熱源、熱水還包括工質(zhì)特性，但是和部件的選擇無(wú)關(guān)。第二層次的制熱系數(shù)明顯比第一層次低很多，這個(gè)層次是當(dāng)前我國(guó)熱泵分析中最常使用的例子，實(shí)際使用最普遍。第二層次制熱系數(shù)小于第一層次制熱系統(tǒng)，其中主要影響因素是蒸發(fā)器中熱泵的循環(huán)工質(zhì)蒸發(fā)溫度要低于低溫?zé)嵩吹臏囟?，兩者之間存在巨大的傳熱端差。而冷凝器的冷凝溫度遠(yuǎn)高于高溫?zé)崴臏囟?，兩者之間同時(shí)也存在傳熱端差。影響實(shí)際循環(huán)的因素不僅包括熱源熱水工質(zhì)甚至還包括部件等，都是影響實(shí)際循環(huán)的重要原因，由于這些因素都是不可逆因素，相應(yīng)的其制熱系數(shù)相對(duì)于第一層次和第二層次又大大減小，尤其是壓縮過(guò)程中的熱量損失，其損失量大大減小。

由于凝汽器的溫度對(duì)熱泵蒸發(fā)的溫度具有重要影響，在凝汽器溫度的影響下，成正比關(guān)系，如果凝汽器的溫度較低，凝汽器的溫度也會(huì)隨之降低，且下降幅度也會(huì)隨著溫度的降低而大幅度降低，這種情況主要是由于熱泵自身的工質(zhì)決定的，是一種不可逆的因素。由于制熱系數(shù)不斷降低，導(dǎo)致單位內(nèi)的供熱量所消耗的電能越來(lái)越大，經(jīng)濟(jì)效益大打折扣。由此可見，當(dāng)凝汽器的溫度下降到一定值時(shí)，利用熱泵節(jié)能性質(zhì)的供熱與其他傳統(tǒng)的供熱方式相比，優(yōu)勢(shì)不明顯。但在冬季室溫溫差較大的地區(qū)，熱泵蒸發(fā)器循環(huán)冷卻水的溫度將不斷上升，其供熱溫度也就隨之不斷降低，這樣不僅大大提高了熱泵的制熱系數(shù)，而且也會(huì)不斷提高當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量。

（2）經(jīng)濟(jì)性分析。利用熱電廠熱泵供熱，熱能隨著技術(shù)的不斷發(fā)展利用率不斷提高，且污染不斷變小，是目前我國(guó)城鎮(zhèn)熱用戶較集中地區(qū)的主要供熱方式。目前我國(guó)用于供熱的汽輪機(jī)，主要有2種，背壓式和抽氣式汽輪機(jī)。由于背壓式汽輪機(jī)熱負(fù)荷之間牽制性較強(qiáng)，因此，為了提高經(jīng)濟(jì)效益，很多熱電廠都選擇使用抽氣式汽輪機(jī)。

沒有凝汽器是背壓式汽輪機(jī)和凝式汽輪機(jī)的最大區(qū)別，利用背壓式汽輪機(jī)能將火電廠循環(huán)水的熱能排除，并供給用戶，工作原理都是高溫高壓的蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)組做功進(jìn)行發(fā)電。凝汽器機(jī)組，主要是利用進(jìn)入機(jī)組中的蒸汽，在汽輪機(jī)中做功，然后進(jìn)入凝汽器凝結(jié)成水，再重新進(jìn)入活路進(jìn)行下一次循環(huán)，一般情況下，排氣的壓力和溫度普遍較低。沒有裝置凝汽器的汽輪機(jī)由于排汽直接供熱，沒有凝汽器中的冷卻損失。它是純粹的熱電聯(lián)合生產(chǎn)的汽輪機(jī)，這種汽輪機(jī)的特點(diǎn)是以熱定電，沒有熱負(fù)荷就不能運(yùn)行，熱負(fù)荷低時(shí)則電負(fù)荷也低。

3 電廠循環(huán)水水源熱泵供熱系統(tǒng)的不足

（1）供熱距離的限制。目前我國(guó)電廠循環(huán)水再利用技術(shù)還不成熟，由于水的比熱容較大，因此，供熱熱水的供、回水溫差比較小，因此長(zhǎng)距離輸送，其熱能就會(huì)大打折扣。如果供熱目的地離電廠的距離較遠(yuǎn)，遠(yuǎn)距離的輸送勢(shì)必會(huì)造成電泵的能耗過(guò)多，經(jīng)濟(jì)性大大降低，因此，對(duì)于這種方式的推廣應(yīng)該局限在電廠周圍，以（3～5）km 的范圍最佳。

（2）熱能的需求。我國(guó)循環(huán)水的供熱集中為居民的生活供暖，因此如果要達(dá)到供暖的經(jīng)濟(jì)效果，首先要保證電廠附近有熱負(fù)荷的要求，只有這樣才需要循環(huán)水的供暖。當(dāng)前我國(guó)循環(huán)水的供暖主要用于生活供暖和采暖等，其熱負(fù)荷較小，因此電廠周圍出現(xiàn)熱負(fù)荷的現(xiàn)象比較小。

（3）熱泵限制。熱泵機(jī)組主要有吸收式和壓縮式2種，這2種熱泵都要求其出水溫度達(dá)到45℃左右，只有這樣才能提高經(jīng)濟(jì)效益，但這個(gè)溫度如果采用老式的暖氣片進(jìn)行供暖達(dá)不到預(yù)期效果，需要采用新式散熱器，如現(xiàn)在最新采用地板輻射供暖或者是風(fēng)機(jī)盤管等，這些新技術(shù)供暖效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

火電廠循環(huán)水中存在著巨大的能量，必要的開發(fā)是緩解當(dāng)前不可再生能源消耗量大，能源供應(yīng)跟不上經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的重大突破，當(dāng)前熱泵以低投入、高收益的優(yōu)越性在我國(guó)新能源的開發(fā)和節(jié)能技術(shù)發(fā)展等方面具有重要的作用?；痣姀S循環(huán)水的使用技術(shù)發(fā)展迅速，不僅具有強(qiáng)大的技術(shù)支持，而且還具有政策支持，對(duì)促進(jìn)綠色經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展具有重要作用，推動(dòng)我國(guó)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和節(jié)約型經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展。