電廠循環(huán)水廢熱遠程物聯(lián)熱泵增焓區(qū)域供能分析研究

劉洪亮，江建平，楊建廈

（國家電投江西電力有限公司，江西南昌330096）

0　引言

熱泵是利用吸熱介質(zhì)，在消耗一部分能量的條件下，將熱能從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)向高溫?zé)嵩吹母咝茉蠢眉夹g(shù)[1]。水源熱泵是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源[2]，或具有熱能資源的電廠循環(huán)水、廢水、中水等，并采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移[3-6]。由于水源熱泵的冷熱源溫度全年較為穩(wěn)定，使得系統(tǒng)制冷、制熱系數(shù)可達 3.5～5.0[7]。

贛江新區(qū)儒樂湖產(chǎn)業(yè)新城電廠循環(huán)水廢熱熱泵供能項目充分利用電廠循環(huán)冷卻水作為低溫?zé)嵩?，通過熱泵技術(shù)向產(chǎn)業(yè)新城集中供能，滿足了新城冷熱負荷需求，提升了新城城市品質(zhì)，極大地改善了居民生活質(zhì)量，符合國家節(jié)能減排，動能轉(zhuǎn)換的戰(zhàn)略需求。

1　項目概況

該項目供能區(qū)域為贛江新區(qū)儒樂湖新城以及臨空區(qū)福銀高速以南。其中儒樂湖新城規(guī)劃面積約12.1 km2，規(guī)劃常住人口約12萬人。臨空區(qū)福銀高速以南區(qū)域規(guī)劃面積約12.8 km2，產(chǎn)業(yè)人口約9.8萬人，常住人口約1.8萬人。項目將新昌發(fā)電廠循環(huán)水作為分布式能源站冬季供熱熱源，分布式冷凝塔作為保障，采用水源熱泵機組制備55/35℃空調(diào)熱水，滿足區(qū)域冬季供熱負荷需求；夏季則以冷凝塔作為機組的冷卻水源，利用冷水機組與冷水熱泵機組制備5/15℃空調(diào)冷水，滿足區(qū)域供冷負荷需求；同時采用水蓄能系統(tǒng)，利用分時峰谷電價來降低系統(tǒng)運行費用。

用情景分析方法計算，選取區(qū)域內(nèi)典型的建筑功能類型、設(shè)定典型的氣象條件、建筑物使用時間表、內(nèi)部負荷強度、設(shè)備效率等不同情景組合，用建筑能耗分析軟件得出情景負荷，確定系統(tǒng)的峰值、低谷、基礎(chǔ)負荷；確定區(qū)域的典型負荷曲線；確定負荷分布，與能源系統(tǒng)的運行情況相匹配，合理分配負荷。根據(jù)計算結(jié)果，儒樂湖新城擬設(shè)8個能源站，冷負荷總計395.86 MW，熱負荷總計223.12 MW。臨空港區(qū)擬設(shè)2個能源站，冷負荷總計133.48 MW，設(shè)計熱負荷55.58 MW。設(shè)計總冷負荷為529.34 MW，總熱負荷為278.7 MW。項目年總供冷量為490.60×104GJ，年總供熱量為125.05×104GJ，供能總量為615.65×104GJ。

2　電廠循環(huán)水熱泵技術(shù)方案

2.1　電廠循環(huán)水熱資源分析

循環(huán)水資源來自距儒樂湖新城7 km的超大型熱源點新昌電廠（2×700 MW），廠內(nèi)設(shè)有2×700 MW發(fā)電機組，電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用閉式循環(huán)冷卻，循環(huán)冷卻水水源采用贛江水作為補水，每臺機組設(shè)計循環(huán)水量為夏69 460 m3/h，冬46 420 m3/h。循環(huán)水量總量合計為夏季138 920 m3/h，冬季92 840 m3/h。利用循環(huán)冷卻水作為熱泵低位熱源的優(yōu)勢在于：1）電廠循環(huán)水冬季平均溫度在35℃左右，遠高于冬季環(huán)境空氣以及地表水溫度，能夠提高制冷循環(huán)蒸發(fā)溫度，能效比因此提高。2）循環(huán)冷卻水水質(zhì)優(yōu)良，且有相對穩(wěn)定的流量和溫度，溫度波動范圍遠低于空氣，可保證機組運行的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 電廠循環(huán)水廢熱遠程物聯(lián)熱泵增焓總體技術(shù)方案

通過遠程物聯(lián)熱泵增焓技術(shù)，提取循環(huán)冷卻水廢熱，技術(shù)原理如圖1所示，系統(tǒng)主要可分為電廠改造、長輸管線、熱泵增焓供能和供能管網(wǎng)及末端四部分。在電廠端循環(huán)冷卻水與來自汽輪機的蒸汽在凝汽器進行換熱，可將循環(huán)冷卻水溫度提升至37℃。冷卻水經(jīng)水源水長輸管網(wǎng)送至分布式熱泵站，其熱量在蒸發(fā)器中被工質(zhì)吸收，溫度降至15℃，由長輸管線返回電廠。在冷凝器中，供能熱水吸收工質(zhì)冷凝釋放的熱量，溫度由35℃提升至50℃，隨后熱水依次經(jīng)一次供能管網(wǎng)、二級分配站和二次供能管網(wǎng)泵送至供熱末端進行供熱。

圖1　遠程物聯(lián)熱泵增焓總體技術(shù)示意圖

2.3　電廠循環(huán)水改造方案

為提高能量利用效率，對電廠循環(huán)冷卻水線路做調(diào)整，使汽輪機乏汽熱量也得到充分利用，流程如圖2所示。改造后，循環(huán)冷卻水在凝汽器中吸收汽輪機排汽凝結(jié)放出的熱量后溫度升高，一部分從凝汽器出口經(jīng)輸水管道到達能源站水源熱泵蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中放出熱量后再次回到電廠循環(huán)水池；另一部分直接進入電廠冷卻塔冷卻，冷卻后回到循環(huán)水池。工質(zhì)在熱泵蒸發(fā)器中吸收循環(huán)冷卻水的熱量后，經(jīng)壓縮機升溫升壓，在熱泵冷凝器中將熱量放給供暖熱水，后經(jīng)過熱泵機組節(jié)流閥降溫降壓，回到熱泵機組蒸發(fā)器中繼續(xù)吸熱，完成下一次循環(huán)。

圖2　電廠循環(huán)冷卻水利用流程

2.4　熱泵增焓區(qū)域供能技術(shù)方案

能源站夏季制冷流程如圖3所示，采用熱泵機組和冷水機組制冷，設(shè)計供回水溫度為5℃/15℃。空調(diào)冷凍水回水（15℃）經(jīng)循環(huán)水泵增壓后進入機組蒸發(fā)器側(cè)實現(xiàn)降溫（5℃），空調(diào)冷水經(jīng)供能管網(wǎng)輸送至各用戶滿足空調(diào)制冷需求。離心式冷水機組設(shè)計制冷量6 500 kW，能效比（Cofficient of Performance，COP）為6.30，制冷劑為R134a。冷凝器進出水溫度分別為32/37℃，水流量1 311 m3/h。離心式水源熱泵機組設(shè)計制冷量6 500 kW，COP為6.00，制冷劑同樣為R134a。蒸發(fā)器進出水溫度分別為15/5℃。冷凝器進出水溫度分別為32/37℃，水流量1 332 m3/h。

能源站冬季制熱流程如圖4所示，利用電廠循環(huán)水作為低溫?zé)嵩?。從凝汽器出來的電廠循環(huán)水經(jīng)過水泵加壓后，通過循環(huán)水管網(wǎng)從電廠送至新城區(qū)域能源站機房，經(jīng)熱泵蒸發(fā)器換熱后，通過回水管網(wǎng)返回電廠，再進入到凝氣吸熱。冬季供暖回水經(jīng)循環(huán)水泵增壓后進入熱泵機組冷凝器側(cè)實現(xiàn)升溫，空調(diào)熱水經(jīng)供能管網(wǎng)輸送至各用戶。由于電廠循環(huán)水水溫較穩(wěn)定，因此能保證系統(tǒng)制熱的高效率。離心式水源熱泵機組設(shè)計制熱量7 000 kW，COP為7.10。蒸發(fā)器進出水溫度分別為37/15℃。冷凝器進出水溫度分別為35/50℃，水流量602 m3/h。多臺熱泵機組階梯并聯(lián)使用，提高系統(tǒng)效率。

圖3　能源站夏季制冷流程

圖4　能源站冬季制熱流程

3　水源熱泵節(jié)能效益評價

方案1：電廠循環(huán)冷卻水熱泵方案，年對外供冷490.62 GJ，供熱共計124.85 GJ，制冷年耗電量38 930萬kWh，制熱年耗電量10 520萬kWh，年耗電總量49 450萬kWh，年耗電總成本37 840萬元；年耗市政自來水總量555萬噸，年耗市政自來水成本1 760萬元，年耗電廠循環(huán)水總量1 375萬t，年耗電廠循環(huán)水成本225萬元，年耗水總成本1 985萬元。全年耗能總成本39 825萬元。

方案2：冷卻塔+電制冷機組+天燃氣鍋爐供熱方案，制冷常規(guī)方案COP按3.0計，年制冷耗電量45 300萬kWh，年耗電總成本34 663.6萬元；制熱常規(guī)方案燃氣熱值按8 300 kcal/Nm3計算，鍋爐效率按0.85計，年耗氣量4 227.74萬m3，年耗氣成本16 361.35萬元；市政自來水耗水總量555萬噸，耗水總成本1 760萬元。全年耗能總成本52 784.95萬元。

綜合全年運行費用，熱泵方案全年運行水電成本為39 825萬元，常規(guī)能源方案全年運行水電氣成本52784.95萬元，采用熱泵方案耗能成本比常規(guī)方案節(jié)約24.5%，其中冬季供暖用電成本僅為化石燃料費用的43.2%，經(jīng)濟效益十分明顯。此外采用熱泵方案不需鍋爐設(shè)施以及無污染物排放，社會效益和環(huán)保優(yōu)勢顯著。

4　結(jié)論

贛江新區(qū)儒樂湖產(chǎn)業(yè)新城利用電廠循環(huán)冷卻水遠程物聯(lián)熱泵增焓供能項目，以電廠循環(huán)冷卻水作為低位熱源的熱泵供能方案，采用循環(huán)水工藝改造和遠程物聯(lián)熱泵增焓技術(shù)，與常規(guī)供能方案相比，具有如下顯著特點：

1）電廠循環(huán)冷卻水水質(zhì)優(yōu)良、流量，溫度穩(wěn)定，作為水源熱泵的低位熱源優(yōu)勢明顯。使用后的循環(huán)水也可返回電廠回?zé)嵯到y(tǒng)，加熱給水，提高電廠熱效率；

2）相比傳統(tǒng)供能方案，電廠循環(huán)冷卻水熱泵技術(shù)全年供能運行成本可節(jié)約24.5%左右，節(jié)能效果明顯；

3）可以避免分散設(shè)置供能機房，節(jié)約社會資源，無燃氣鍋爐以及尾氣排放，具有較好的經(jīng)濟和社會效益，值得在余熱資源豐富的地區(qū)大力推廣。