供熱工程循環(huán)余熱利用技術(shù)優(yōu)化研究

楊瑞波 佟震 楊明昊

收稿日期：2023-11-30

作者簡介：楊瑞波（1983—），男，河北邯鄲人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：集中供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)。

摘 要：為提高供熱工程的熱效率，以某供熱工程為例，開展循環(huán)余熱利用技術(shù)優(yōu)化方法的設(shè)計(jì)研究。采用定義熱泵變量和參數(shù)的方式，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，參照能量平衡方程，建立供熱工程循環(huán)熱泵數(shù)學(xué)模型。根據(jù)供熱工程循環(huán)熱泵數(shù)學(xué)模型中不同參數(shù)之間的關(guān)系，調(diào)整供熱工程熱網(wǎng)水壓力。通過熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽與疏水器改造，實(shí)現(xiàn)供熱工程循環(huán)余熱利用技術(shù)的優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的供熱工程循環(huán)余熱利用率高于優(yōu)化前的供熱工程循環(huán)余熱利用率，說明設(shè)計(jì)的技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，按照規(guī)范優(yōu)化供熱工程，可以提高供熱工程熱效率，即提升工程循環(huán)余熱利用率。

關(guān)鍵詞：供熱工程；疏水器；數(shù)學(xué)模型；循環(huán)余熱

中圖分類號(hào)：TK115? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2024）03-0117-03

0 引言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，清潔能源的開發(fā)和利用成為了重點(diǎn)。供熱工程作為傳統(tǒng)能源消耗的重要領(lǐng)域，其能源利用方式和效率對(duì)清潔能源的發(fā)展有著重要影響。通過優(yōu)化余熱利用技術(shù)，可以推動(dòng)供熱工程的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，促進(jìn)清潔能源的發(fā)展。供熱工程作為能源消耗的重要部分，通過余熱利用技術(shù)的優(yōu)化，可以減少能源浪費(fèi)，降低溫室氣體排放，為應(yīng)對(duì)氣候變化作出貢獻(xiàn)[1]。隨著社會(huì)能源價(jià)格不斷上漲，提高能源利用效率成為了企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵。優(yōu)化余熱利用技術(shù)，可以提高供熱工程的能源利用效率，降低運(yùn)營成本，提高企業(yè)的競爭力。

在供熱工程中，循環(huán)余熱通常是指在供熱過程中未被充分利用的熱量，這些熱量會(huì)隨著廢氣或冷卻水排出系統(tǒng)，造成能源的浪費(fèi)。然而，隨著能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，有效利用循環(huán)余熱已經(jīng)成為了一個(gè)重要的研究課題。時(shí)國華等人[2]提出基于降低熱網(wǎng)回水溫度的鋼廠余熱回收供暖系統(tǒng)，根據(jù)余熱回收流程，確定余熱回收單元及內(nèi)部換熱網(wǎng)絡(luò)的原則，通過計(jì)算循環(huán)水余熱回收量、煙氣余熱回收量、乏汽余熱回收量，降低余熱回收率影響要素。通過引入等效性能系數(shù)評(píng)估鋼廠低品位余熱回收系統(tǒng)余熱量，完成鋼廠余熱回收供暖分析。為了提高供熱系統(tǒng)的可靠性，李永田等人[3]提出基于熱泵技術(shù)的電廠余熱利用方法，在分析熱泵技術(shù)工作原理的基礎(chǔ)上，研究噴射式熱泵技術(shù)、吸收式熱泵技術(shù)和徑向熱管技術(shù)的基本概念和特點(diǎn)。根據(jù)電廠乏氣的溫度和壓力條件，設(shè)計(jì)相應(yīng)的熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)乏氣的能量回收。在深入此方面內(nèi)容的研究中發(fā)現(xiàn)，供熱工程中的余熱利用主要是通過回收供熱系統(tǒng)中的廢棄熱量，將其轉(zhuǎn)化為有用的能源，以減少能源的浪費(fèi)[4]。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于技術(shù)、設(shè)備和管理等方面的問題，余熱的利用效率并不高。本文以某供熱工程為例，開展循環(huán)余熱利用技術(shù)優(yōu)化方法的設(shè)計(jì)研究，旨在通過此次設(shè)計(jì)，有效地提高供熱工程的能源利用效率，減少能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

1建立供熱工程循環(huán)熱泵數(shù)學(xué)模型

為滿足供熱工程循環(huán)余熱利用技術(shù)優(yōu)化需求，需在設(shè)計(jì)方法前，建立供熱工程循環(huán)熱泵數(shù)學(xué)模型。在此過程熱泵是一種能夠?qū)⒌臀粺嵩粗械臒崃哭D(zhuǎn)移到高位熱源中的裝置。在供熱工程中，熱泵通常被用來從低位熱源（例如地下水、空氣等）中提取熱量，然后通過制冷劑循環(huán)將熱量傳遞給高位熱源（例如供熱管道、散熱器等）。通常采用定義熱泵變量和參數(shù)的方式，用來描述熱泵的工作狀態(tài)，例如制冷劑的流量、進(jìn)出口溫度、熱負(fù)荷等[5]。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，建立供熱工程循環(huán)熱泵數(shù)學(xué)模型，參照能量平衡方程，根據(jù)熱泵工作過程中能量轉(zhuǎn)換方式，建立如下計(jì)算公式所示的熱泵數(shù)學(xué)模型。模型表達(dá)式如式（1）所示。

qm，shs1=qm，xlhxl+Q? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：qm，s表示參與供熱工程的水蒸氣質(zhì)量流量，單位為kg/s；hs1表示發(fā)生器出口位置溴化鋰溶液濃度，單位為kJ/kg；qm，xl表示熱網(wǎng)水質(zhì)量流量，單位為kg/s；hxl表示王水等壓比熱容，單位為kg/（kg·℃）；Q表示吸收器中發(fā)生的換熱量，單位為kJ/s。

式（1）中Q為未知條件，計(jì)算公式如式（2）所示。

Q=qm，rc（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：qm，r表示冷劑水蒸氣初始值，單位為kJ/kg；c表示熱水網(wǎng)中水流的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，單位為%；t2表示吸收器熱水網(wǎng)的出水溫度，單位為℃；t1表示吸收器熱水網(wǎng)的進(jìn)水溫度，單位為℃。

將式（2）的計(jì)算結(jié)果Q代入公式（1），以此實(shí)現(xiàn)供熱工程循環(huán)熱泵數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。

2 供熱工程熱網(wǎng)水壓力調(diào)整

為進(jìn)一步深化供熱工程的循環(huán)余熱利用，應(yīng)根據(jù)供熱工程循環(huán)熱泵數(shù)學(xué)模型中不同參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)行供熱工程熱網(wǎng)水壓力的調(diào)整。

在供熱工程中，對(duì)熱網(wǎng)水壓力的調(diào)整，可以影響供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供熱效率。在此過程中，通過改變水泵的運(yùn)行參數(shù)，可以改變水在管道中的流速和壓力。根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速或葉片角度，以實(shí)現(xiàn)水壓力的調(diào)整。如果需要提高管道壓力，可以通過增加水泵的數(shù)量，使水流的速度加快，從而提高管道的壓力。如果需要降低管道的壓力，可以通過減少水泵的數(shù)量，使水流的速度減慢，從而降低管道的壓力[6]。還可以通過改變管道的直徑，改變水在管道中的流速和壓力。如果需要提高管道的壓力，可以將管道的直徑減小。這樣可以使水流的速度加快，從而提高管道的壓力。

在必要的條件下，可以在熱網(wǎng)中安裝減壓閥或增壓閥，調(diào)整管道壓力。通過調(diào)整減壓閥或增壓閥的開度，控制水在管道中的流量和壓力。在此基礎(chǔ)上，如果供熱系統(tǒng)的熱源是鍋爐或熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，可以通過調(diào)整供熱量來改變水在管道中的壓力。如果需要提高管道的壓力，可以增加供熱量，使水流的速度加快，從而提高管道的壓力。如果需要降低管道的壓力，可以減少供熱量，使水流的速度減慢，從而降低管道的壓力。

在實(shí)際操作中，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方法調(diào)整，以確保供熱工程對(duì)循環(huán)余熱的規(guī)范化利用。在調(diào)整供熱工程時(shí)，需保證供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

3 熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽與疏水器改造

對(duì)熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽與疏水器進(jìn)行改造，是提高蒸汽系統(tǒng)能源利用效率的關(guān)鍵。其中熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽改造是一種將熱泵技術(shù)應(yīng)用于蒸汽系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)，通過將熱泵與蒸汽系統(tǒng)相結(jié)合，可以將低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)化為高位熱源中的熱量，提高蒸汽系統(tǒng)的能源利用效率。在熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽改造中，通常需要將熱泵系統(tǒng)與蒸汽系統(tǒng)集成。

熱泵系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器等部件，可以吸收低位熱源中的熱量并將其轉(zhuǎn)化為壓縮機(jī)的機(jī)械能。蒸汽系統(tǒng)包括蒸汽管道、蒸汽設(shè)備等，需要將改造前的蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)[7]。在此過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的熱泵系統(tǒng)，包括熱泵的數(shù)量、型號(hào)和容量等。并調(diào)研和分析蒸汽系統(tǒng)，確定需要改造的部位和方案，安裝熱泵系統(tǒng)（包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器等部件）。將熱泵系統(tǒng)與蒸汽系統(tǒng)集成，調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和控制系統(tǒng)，對(duì)改造后的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試，可確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行和能源利用效率。改造過程中，需要保證施工安全和質(zhì)量，避免出現(xiàn)事故和質(zhì)量問題。須遵守相關(guān)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確保改造方案合法和合規(guī)。

完成熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽改造后，應(yīng)改造供熱工程中的疏水器。新型疏水器具有更高的能源利用效率和更好的性能，根據(jù)工程需求，將常規(guī)的疏水器更換為新型浮球式疏水器。這種疏水器可以更好地控制蒸汽泄漏，提高能源利用效率。在蒸汽系統(tǒng)中，根據(jù)需要增加疏水器的數(shù)量。在疏水器的使用過程中，通過調(diào)整疏水器的開度，可更好地控制蒸汽泄漏，實(shí)現(xiàn)對(duì)供熱工程循環(huán)余熱的利用。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

供熱工程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生余熱，這些余熱如果得不到有效的利用，就會(huì)造成大量的能源浪費(fèi)。優(yōu)化余熱利用技術(shù)可以使供熱工程的系統(tǒng)效率得到提高。通過回收余熱，可以減少新增熱源的需求，從而降低系統(tǒng)的能耗。優(yōu)化技術(shù)還可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保供熱工程的穩(wěn)定運(yùn)行。

為落實(shí)此項(xiàng)技術(shù)，深化此方面內(nèi)容，本文開展了供熱工程循環(huán)余熱利用技術(shù)優(yōu)化方法的設(shè)計(jì)研究。為實(shí)現(xiàn)對(duì)該優(yōu)化方法在實(shí)際應(yīng)用中的檢驗(yàn)，以某地區(qū)大型供熱工程項(xiàng)目為例，采用設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，進(jìn)行該方法的檢驗(yàn)與測(cè)試。實(shí)驗(yàn)前，對(duì)供熱工程的循環(huán)水管布置示意圖進(jìn)行分析，相關(guān)內(nèi)容如圖1所示。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對(duì)選用的供熱工程運(yùn)行中主要數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，相關(guān)內(nèi)容如表1所示。

掌握供熱工程機(jī)組運(yùn)行的基本情況后，需要確定供熱工程中的各項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)，包括燃料消耗量、燃料熱值、電能消耗量等。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)所有能源輸入量之和，明確機(jī)組總能耗量，以此為依據(jù)，計(jì)算機(jī)組總發(fā)電量與總能耗量的比值（熱效率），計(jì)算公式如式（3）所示。

（3）

式中：f表示供熱工程熱效率（供熱工程循環(huán)余熱利用率），單位為%；Φ1表示機(jī)組總發(fā)電量；Φ2表示機(jī)組總能耗量。為排除實(shí)驗(yàn)中相關(guān)因素的影響，在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，按照表2，設(shè)計(jì)供熱工程循環(huán)余熱利用測(cè)試條件。

在確保供熱工程在運(yùn)行中機(jī)組條件一致的前提下，對(duì)優(yōu)化前、優(yōu)化后的供熱工程循環(huán)余熱利用率計(jì)算，將其作為檢驗(yàn)供熱工程循環(huán)余熱利用技術(shù)優(yōu)化效果的關(guān)鍵指標(biāo)，其結(jié)果如圖2所示。

從圖2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在相同的條件下，優(yōu)化后的供熱工程循環(huán)余熱利用率高于優(yōu)化前的供熱工程循環(huán)余熱利用率。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)技術(shù)通過熱泵工作過程，將低溫的余熱源中的熱量壓縮提升至較高的溫度級(jí)別，完成能量高效回收和轉(zhuǎn)換，以此提高了供熱能力。

通過構(gòu)建供熱工程循環(huán)熱泵數(shù)學(xué)模型，在考慮熱泵的效能特性基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確計(jì)算供熱工程中的熱量輸入與熱量輸出之間的關(guān)系，使供熱工程中余熱的利用效率最大化，從而有效提高余熱利用率及熱泵供熱系統(tǒng)穩(wěn)定性。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，按照規(guī)范進(jìn)行供熱工程的優(yōu)化，可以提高供熱工程熱效率，即提升工程循環(huán)余熱利用率，降低能源消耗。

5結(jié)束語

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和能源價(jià)格的上漲，能源的合理利用和效率提升成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。供熱工程能源利用效率不僅關(guān)系到企業(yè)的運(yùn)營成本，還對(duì)整個(gè)社會(huì)的能源消耗和環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。因此，對(duì)供熱工程循環(huán)余熱利用技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。

為落實(shí)此項(xiàng)工作，本文以某供熱工程項(xiàng)目為例，通過建立供熱工程循環(huán)熱泵數(shù)學(xué)模型、供熱工程熱網(wǎng)水壓力調(diào)整、熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽與疏水器改造，開展了循環(huán)余熱利用技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。隨著科技的發(fā)展，一些先進(jìn)的余熱利用技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用。例如，熱泵技術(shù)可以將低品位余熱轉(zhuǎn)化為高品位熱能?？梢酝ㄟ^推廣這些先進(jìn)的技術(shù)，提高供熱工程的能源利用效率。

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