基于熱泵技術(shù)南方電廠循環(huán)水余熱利用研究

袁 方， 洪杰南

(國(guó)家電力投資集團(tuán)江西能源銷售有限公司， 南昌 330096)

目前我國(guó)能源綜合利用率不超過(guò)40%，比發(fā)達(dá)國(guó)家低約10%，極大地浪費(fèi)了資源。對(duì)于能源消耗大戶的火力發(fā)電廠來(lái)說(shuō)，其燃料燃燒總發(fā)熱量中電能的轉(zhuǎn)化率只有35%～40%，而其余大部分的熱量主要通過(guò)鍋爐煙囪和循環(huán)水冷卻塔散失到環(huán)境中[1-2]，其中通過(guò)冷卻塔流失的熱量又占絕大部分[3]。電廠凝汽器循環(huán)冷卻水的出水溫度比江河水溫一般高出10 K左右，在電力生產(chǎn)過(guò)程中汽輪機(jī)的冷端損失不可避免，如果可以通過(guò)其他方式加以回收利用，能夠提高電廠的發(fā)電效率、降低煤耗，同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的熱污染。

隨著居民生活品質(zhì)的提升，日常生活及輕工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)中、低溫?zé)崮艿男枨笤絹?lái)越多，許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程都需要低品位的熱能，如果利用熱泵技術(shù)將低品位的電廠余熱提高品位向這些工業(yè)用戶供熱，將會(huì)降低大量的燃料消耗，能源的綜合利用率將得到有效提高[4]。

1 熱泵技術(shù)原理

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化，即熱量不會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體，若要使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體，則需要付出一定的代價(jià)。熱泵的基本原理是基于逆卡諾循環(huán)，在小部分驅(qū)動(dòng)能量的作用下，將熱量從低溫?zé)嵩磦鬟f到高溫?zé)嵩矗涸谥评淠Ｊ较?，吸收房間內(nèi)的熱量使室內(nèi)溫度降低；在制熱模式下，從外部環(huán)境中吸收熱量傳遞到房間內(nèi)，使室內(nèi)溫度升高[5-6]。由于熱泵起到的其實(shí)是搬運(yùn)能量的作用，因此熱泵的能效比可以大于1，最高可達(dá)5～6，熱泵技術(shù)原理見(jiàn)圖1。

圖1 熱泵技術(shù)原理

2 基于熱泵技術(shù)的循環(huán)水余熱利用方式

2.1 吸收式熱泵

電廠內(nèi)采用吸收式熱泵，利用蒸汽對(duì)冷卻循環(huán)水余熱進(jìn)行熱回收，制備高溫?zé)崴?，通過(guò)管網(wǎng)輸送至能源站，能源站內(nèi)利用電廠高溫?zé)崴畞?lái)制冷制熱。

對(duì)于電廠內(nèi)部高溫?zé)崴闹苽洌饕愿咂焚|(zhì)蒸汽作為驅(qū)動(dòng)能源，在電廠內(nèi)部采用吸收式熱泵機(jī)組對(duì)冷卻塔循環(huán)水熱量進(jìn)行回收，并進(jìn)一步通過(guò)蒸汽對(duì)高溫?zé)崴M(jìn)行加熱，向外提供高溫?zé)崴?；?qū)動(dòng)熱源采用電廠蒸汽，蒸汽壓力為0.5～0.8 MPa。主要流程見(jiàn)圖2。

圖2 吸收式熱泵提取循環(huán)水余熱集中供能流程圖

以蒸汽作為驅(qū)動(dòng)能源，利用吸收式熱泵機(jī)組回收電廠循環(huán)水余熱，將高溫?zé)崴厥丈郎刂?0 ℃，然后利用汽水換熱機(jī)組中的蒸汽將90 ℃的熱水繼續(xù)升溫至130 ℃，接著將其通過(guò)管網(wǎng)輸送至新城各個(gè)能源站制冷制熱，隨后70 ℃熱水通過(guò)管網(wǎng)返回電廠，如此循環(huán)。若在能源站增設(shè)吸收式大溫差換熱機(jī)組，可將一次網(wǎng)回水溫度降至30 ℃左右，拉大一次側(cè)熱網(wǎng)供回水溫差，大幅提高管道輸熱能力，增大供能面積。

該方式在山西大同等地已得到了廣泛的應(yīng)用，在熱電廠無(wú)需擴(kuò)容的情況下大大增加了其供熱能力，減少了大氣污染物的排放，有效緩解了北方供暖季節(jié)環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題[7-8]。但該方式由于電廠內(nèi)部和能源站內(nèi)部都需要增設(shè)吸收式熱泵機(jī)組，導(dǎo)致投資增大；且對(duì)于夏季有集中供冷需求的南方地區(qū)，吸收式溴化鋰制冷機(jī)組的效率偏低，夏季供能成本較高。

2.2 水源熱泵

水源熱泵是以地表水或人工再生水源的低品位熱能，利用熱泵技術(shù)，以消耗少量電能為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)熱量從低品位熱能向高品位熱能傳遞的一種技術(shù)[9]。

電廠循環(huán)冷卻水水溫相對(duì)于江水溫度高出8～10 K，在熱泵系統(tǒng)制熱工況下，水源溫度升高可以提高換熱效率，進(jìn)而提高熱泵機(jī)組的制熱能效比，熱泵機(jī)組因此可以降低電能的消耗。進(jìn)入水源熱泵釋放完熱量的這部分循環(huán)水溫度比經(jīng)過(guò)電廠冷卻塔冷卻的溫度低，因此凝汽器循環(huán)水的進(jìn)水溫度比改造前低，汽輪機(jī)凝汽器的真空度得到了提升，使得汽輪機(jī)的通流量增加，增大了發(fā)電功率。電廠不再需要通過(guò)冷卻塔對(duì)循環(huán)冷卻水降溫，節(jié)省了冷卻塔的電能消耗。提高水源的取水溫度，可以提高主機(jī)的換熱溫差，在相同的取熱量下可以降低水源水的取用量[10]。因此，電廠的循環(huán)冷卻水廢熱資源的利用可以有效地減少水資源和電能的消耗。水源熱泵冬季利用電廠循環(huán)水制熱的原理見(jiàn)圖3。

電廠汽輪機(jī)排汽在凝汽器中凝結(jié)放熱，循環(huán)冷卻水吸收排汽的汽化潛熱后溫度升高，從凝汽器出口引出一部分循環(huán)水經(jīng)輸水管道到達(dá)蒸發(fā)器，釋放完熱量后回到循環(huán)水池；另一部分按原有路徑進(jìn)入冷卻塔，與空氣換熱降溫后回到循水池。水源熱泵工作介質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收循環(huán)水的余熱后，通過(guò)壓縮機(jī)的作用，提高溫度和壓力，在冷凝器中將熱量傳遞給熱網(wǎng)回水，后在節(jié)流閥的作用下，降低溫度和壓力，回到蒸發(fā)器中繼續(xù)吸收循環(huán)水余熱，進(jìn)行下一次循環(huán)。熱網(wǎng)回水在冷凝器中吸收水源熱泵工作介質(zhì)放出的熱量，溫度提升后進(jìn)入用戶側(cè)的換熱器換熱，釋放完熱量后回到冷凝器中繼續(xù)下一次循環(huán)。

1—凝汽器；2—冷卻塔；3—循環(huán)水泵；4，10—水泵；5—蒸發(fā)器；6—壓縮機(jī)；7—冷凝器；8—節(jié)流閥；9—散熱器。

圖3 水源熱泵提取循環(huán)水余熱集中供能流程圖

對(duì)于夏季有供冷需求的南方地區(qū)可將水源熱泵機(jī)組切換為制冷模式，在能源站就地建設(shè)冷卻塔或取江水作為冷源進(jìn)行制冷。

3 利用電廠循環(huán)水余熱集中供能的技術(shù)方案

利用熱泵技術(shù)回收電廠循環(huán)水余熱用于區(qū)域集中供熱在北方已有了大量的成功案例，但由于北方基本無(wú)集中供冷需求，因此利用電廠循環(huán)水供冷的工程案例目前并無(wú)相關(guān)報(bào)道。而對(duì)于南方有些地區(qū)，冬季濕冷、夏季炎熱，居民既有集中供暖的需求，也有集中供冷的需求，因此針對(duì)回收電廠循環(huán)水余熱用于南方地區(qū)集中供冷和供熱研究是非常必要的。

針對(duì)南方某一規(guī)劃進(jìn)行集中供冷和供熱的新城(集中供能規(guī)模為：規(guī)劃建筑面積950萬(wàn)m2，冬季裝機(jī)供暖負(fù)荷約為233 MW，夏季裝機(jī)供冷負(fù)荷約為380 MW，供冷時(shí)長(zhǎng)為4.5月，供熱時(shí)長(zhǎng)為3月)，利用距離新城8 km左右的一大型火力發(fā)電廠作為熱源點(diǎn)，回收電廠的循環(huán)水余熱，同時(shí)考慮利用新城周邊的江水資源，設(shè)計(jì)了以下三個(gè)集中供能方案：

(1) 利用電廠循環(huán)水余熱的水源熱泵方案(方案一)。

新城能源站采用電壓縮式冷水機(jī)組和水源熱泵機(jī)組，冬季將電廠循環(huán)水通過(guò)管道輸送至新城能源站，利用電廠循環(huán)水作為熱源制熱，夏季利用能源站冷卻塔作為冷源制冷。

冬季電廠循環(huán)水平均溫度為25 ℃，不受天氣條件影響，比冬季江水溫度高約17 K，不僅使得供能系統(tǒng)制熱效率高、供熱成本低，還能保證供熱可靠性。夏季能源站制冷采取就地冷卻塔冷卻，冷卻塔可根據(jù)冷負(fù)荷的情況靈活配置，與制冷主機(jī)的匹配性更好，同時(shí)冷卻塔投資成本也更低。

(2) 利用電廠循環(huán)水余熱與新城江水的水源熱泵方案(方案二)。

新城能源站采用電壓縮式冷水機(jī)組和水源熱泵機(jī)組，同時(shí)建設(shè)電廠循環(huán)水管網(wǎng)系統(tǒng)和新城就地江水取水及江水循環(huán)管網(wǎng)系統(tǒng)，冬季利用電廠循環(huán)水作為熱源制熱，夏季利用江水作為冷源制冷。

該方案冬季利用電廠循環(huán)水制熱效率高，夏季利用江水制冷的效率也很高，但因需要建設(shè)電廠循環(huán)水和江水取回水兩套水系統(tǒng)，使得投資增大。

(3) 利用電廠蒸汽與循環(huán)水余熱的吸收式熱泵方案(方案三)。

在電廠內(nèi)部設(shè)置吸收式熱泵機(jī)組，提取循環(huán)水余熱，從電廠引出高溫?zé)崴?雙管制)主管道至新城，能源站接入高溫?zé)崴芫W(wǎng)，能源站內(nèi)配置熱水制熱系統(tǒng)，冬季直接利用高溫?zé)崴?，通過(guò)水水換熱機(jī)組制備空調(diào)熱水；電廠至能源站的高溫?zé)崴┧馨凑照羝艿罉?biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，夏季則通過(guò)高溫?zé)崴┧軐㈦姀S蒸汽輸送至能源站，能源站內(nèi)配置蒸汽與電制冷系統(tǒng)，通過(guò)蒸汽驅(qū)動(dòng)型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組串聯(lián)離心式冷水機(jī)組的制冷系統(tǒng)制備大溫差空調(diào)冷水。

該方案同時(shí)利用了電廠的蒸汽和循環(huán)水資源，電廠熱能利用率較高，主管網(wǎng)供回水溫差較大，管徑可有所減小；但系統(tǒng)復(fù)雜，占地面積大，熱源改造投資較大，造成總投資增加，同時(shí)溴化鋰機(jī)組效率比離心式機(jī)組低，夏季供冷成本較高。

4 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4.1 投資比較

根據(jù)現(xiàn)行有關(guān)文件及該工程的相關(guān)資料，對(duì)三種技術(shù)方案的投資進(jìn)行了估算(見(jiàn)表1)。

表1 三種技術(shù)方案投資 萬(wàn)元

三種方案中方案一的總投資最低，方案三次之，方案二最高。方案一總投資最低的主要原因是該方案夏季不需要增加江水取水設(shè)施，同時(shí)冬季電廠內(nèi)部不需要增設(shè)吸收式熱泵機(jī)組。

4.2 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

對(duì)三種方案進(jìn)行財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)主要參數(shù)

根據(jù)表2的主要參數(shù)，用戶的供能配套費(fèi)按130元/m2進(jìn)行收取，項(xiàng)目的總投資內(nèi)部收益率按市政公用事業(yè)規(guī)定的最低收益率8%進(jìn)行測(cè)算，反推用戶的供能價(jià)格。按85%入住率、90%收費(fèi)率計(jì)算出三種方案的供能價(jià)格見(jiàn)表3。

表3 三種技術(shù)方經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

由表3可知：在相同的邊界條件下，方案一的供能價(jià)格最低，用戶受惠程度最大，最能體現(xiàn)集中供能項(xiàng)目作為市政基礎(chǔ)配套設(shè)施的公益屬性，因此從經(jīng)濟(jì)性方面建議采用方案一作為新城的集中供能方案。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)既有供冷需求又有供熱需求的南方地區(qū)，利用水源熱泵技術(shù)回收電廠循環(huán)水余熱進(jìn)行集中供能比利用吸收式熱泵技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)南方某一規(guī)劃進(jìn)行集中供冷和供熱的新城，基于電廠的循環(huán)水余熱和新城周邊的江水資源，設(shè)計(jì)了三個(gè)集中供能方案，通過(guò)對(duì)三種技術(shù)方案進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 三種方案在技術(shù)上均是可行的，利用電廠循環(huán)水余熱的水源熱泵方案夏季能源站制冷采取就地冷卻塔冷卻，冷卻塔可根據(jù)冷負(fù)荷的情況靈活配置，與制冷主機(jī)的匹配性更好，同時(shí)冷卻塔投資成本也更低。

(2) 利用電廠循環(huán)水余熱的水源熱泵方案總投資最低，同時(shí)用戶的用能價(jià)格也最低，更能體現(xiàn)集中供能項(xiàng)目作為市政基礎(chǔ)配套設(shè)施的公益屬性。

綜上所述，建議選用利用電廠循環(huán)水余熱的水源熱泵方案作為該新城的集中供能技術(shù)方案；同時(shí)該技術(shù)方案具有一定的創(chuàng)新性和推廣價(jià)值，可在類似項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用和借鑒。