區(qū)域供熱/供冷系統(tǒng)中余熱回收應(yīng)用

吳爽，金旭，劉忠彥，車德勇，隋軍，李睿，趙岳，王召國

區(qū)域供熱/供冷系統(tǒng)中余熱回收應(yīng)用

吳爽1，金旭1，劉忠彥1，車德勇1，隋軍2，李睿1，趙岳1，王召國3

（1．東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林省 吉林市 132012；2．中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京市 海淀區(qū) 100190；3.山東里彥發(fā)電有限公司，山東省 濟(jì)寧市 273517）

區(qū)域供能系統(tǒng)以一次高品位能源為動力，存在能耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。然而，基于“品位對口，梯級利用”原則，采用各種高、中、低溫余熱回收技術(shù)，可顯著提升系統(tǒng)能源綜合利用效率，降低整體能源消耗，減少環(huán)境污染，故備受關(guān)注。通過梳理鋼鐵、冶金以及水泥等能源行業(yè)余熱回收技術(shù)，并重點(diǎn)對低溫品位能源余熱回收及其應(yīng)用于區(qū)域供熱/供冷系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了綜述，探究了供熱/供冷系統(tǒng)中各種余熱回收技術(shù)的特點(diǎn)。最后，結(jié)合工程實(shí)例，對供熱/供冷領(lǐng)域應(yīng)用的余熱回收技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示：余熱回收技術(shù)可提高區(qū)域供熱系統(tǒng)能源綜合利用效率8%以上，在區(qū)域供冷系統(tǒng)中余熱回收與蓄冷技術(shù)相結(jié)合，可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用20%。

低溫余熱；余熱回收；區(qū)域供熱/供冷系統(tǒng)； 節(jié)能

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問題日益嚴(yán)重。當(dāng)前，我國能源應(yīng)用方面仍存在著利用效率低、經(jīng)濟(jì)效益差、生態(tài)環(huán)境壓力大等突出問題[1]，如何減少工業(yè)領(lǐng)域中CO2排放、提高能源利用率，已成為科研工作者面臨的新挑戰(zhàn)，也是解決我國能源問題的根本途徑。在工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)過程中尚存在著大量未經(jīng)任何利用而被直接排放到環(huán)境中的工業(yè)余熱[2]，不僅會造成環(huán)境污染，更是一種能源浪費(fèi)，如：大型火電廠發(fā)電效率只有35%~45%，大部分熱量以煙氣和冷卻水的方式排放到環(huán)境中[3]；中低溫排煙、排氣及工業(yè)企業(yè)、民用建筑中可回收的余熱資源總量達(dá)到15億~20億t標(biāo)準(zhǔn)煤[4]。有效回收工業(yè)余熱，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排、提高能源利用效率。工業(yè)余熱資源按照來源可分為煙氣余熱，廢氣、廢水余熱，冷卻介質(zhì)余熱，化學(xué)反應(yīng)余熱，可燃廢氣、廢料余熱，高溫產(chǎn)品和爐渣余熱[5-7]。其中：煙氣余熱廣泛存在于化工、冶金、建材、電力、機(jī)械等行業(yè)，具有余熱量大、溫度分布范圍廣的特點(diǎn)，且占工業(yè)余熱資源總量的50%以上；冷卻介質(zhì)余熱是指在工業(yè)生產(chǎn)中為保護(hù)高溫生產(chǎn)設(shè)備或滿足工藝流程冷卻要求，空氣、水和油等冷卻介質(zhì)帶走的余熱，屬于中低溫余熱，占工業(yè)余熱資源總量的20%[8]；化學(xué)反應(yīng)余熱占余熱資源總量的10%以下，主要存在于化工行業(yè)中；高溫產(chǎn)品和爐渣余熱是鋼鐵工業(yè)中最主要的廢熱來源，生產(chǎn)1 t鐵大約產(chǎn)生300kg高溫爐渣，其出爐溫度通常在1400℃以上，含有大量的熱量[9]。此外，余熱資源按溫度品位分為高溫、中溫和低溫余熱，其中：高溫余熱溫度在120℃以上，由換熱器回收用于生產(chǎn)；中溫余熱溫度在60~120℃，由換熱器回收用于供熱；低溫余熱溫度在30~60℃，由熱泵回收用于區(qū)域采暖[10-11]。

區(qū)域供熱系統(tǒng)(district heating system，DHS)在我國已有很長歷史，其由供熱源、熱媒輸送管道、熱用戶3部分組成，任何部分或其子系統(tǒng)出現(xiàn)故障或停運(yùn)，都將影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。同時，低溫余熱也可用于區(qū)域供冷，區(qū)域供冷在我國起步較晚，其作為新型節(jié)能減排技術(shù)，從國家“十一五”節(jié)能減排政策出臺后逐步推廣。區(qū)域供冷系統(tǒng)(district cooling system，DCS)相當(dāng)于一個供冷網(wǎng)絡(luò)，將從能源站收集的冷凍水分配給用戶(如機(jī)場、醫(yī)院、大學(xué)等)，然后通過管網(wǎng)輸送給每個用戶的終端設(shè)備。

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，區(qū)域供冷/供熱規(guī)模逐漸擴(kuò)大，能耗迅速增長?；凇捌肺粚?，梯級利用”原則，采用高、中、低品位能源余熱回收技術(shù)有效回收工業(yè)余熱，可顯著提升系統(tǒng)能源綜合利用效率，降低能源消耗，減少環(huán)境污染。本文梳理了供熱/供冷系統(tǒng)中各種余熱回收技術(shù)的特點(diǎn)，并通過鋼鐵、冶金等行業(yè)余熱回收技術(shù)，介紹了高、中、低品位能源余熱回收及其應(yīng)用于區(qū)域供熱/供冷系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展，并以熱電聯(lián)供系統(tǒng)和余熱驅(qū)動溴化鋰機(jī)組供冷系統(tǒng)為例，分析其能源綜合利用效率和節(jié)能率，評價系統(tǒng)的節(jié)能特性，為后續(xù)的相關(guān)研究提供參考。

1 余熱回收技術(shù)

工業(yè)余熱主要來源于工業(yè)生產(chǎn)中的各種爐和窯、化工過程等。目前，工業(yè)余熱總量約占熱工設(shè)備燃料消耗總量的42%，可回收利用的余熱資源占余熱總量的60%[12]。根據(jù)不同的溫度范圍，利用不同技術(shù)進(jìn)行余熱回收，可增加企業(yè)經(jīng)濟(jì) 收益。

1.1 中高溫余熱回收技術(shù)

對于品位較高的中高溫余熱回收，將其轉(zhuǎn)化為高品位的電能是余熱回收中的一條重要途徑。目前，我國的中高溫余熱回收技術(shù)發(fā)展更為成熟,并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、水泥、冶金等行業(yè)。

針對鋼鐵行業(yè)工序中存在的余熱回收效率問題，諸多學(xué)者開展相關(guān)研究，提出了提高余熱回收效率的相關(guān)技術(shù)。針對馬鋼燒結(jié)余熱，丁毅等人[13]通過提高蓄熱器蓄熱量及優(yōu)化蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)，將轉(zhuǎn)爐汽化蒸汽應(yīng)用于RH爐，實(shí)現(xiàn)了余熱蒸汽就地循環(huán)利用，減少了長距離輸送損失。胡長慶等[14-15]研究表明：熄焦可回收80%顯熱，回收的蒸汽用于發(fā)電或其他工序的用能。李冬慶[16]構(gòu)建了適合燒結(jié)冷卻機(jī)余熱發(fā)電的雙壓余熱發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)額定發(fā)電功率可達(dá)11.5MW，推進(jìn)了燒結(jié)工序的節(jié)能降耗。程云等[17]根據(jù)高爐沖渣水的余熱特點(diǎn),提出了一個采用分離式熱管換熱器的余熱回收方案，回收余熱可借助低溫制冷介質(zhì)進(jìn)行發(fā)電與制冷。李洪福[18]研究了特殊的低壓飽和蒸汽的汽輪機(jī)和蓄能器穩(wěn)壓控制系統(tǒng)，建成了我國第一座煉鋼轉(zhuǎn)爐余熱回收發(fā)電工程，為鋼鐵領(lǐng)域煙氣余熱回收提供了新的技術(shù)方案。李揚(yáng)[19]基于煉鋼煙氣余熱顯熱特性分析，提出了煙氣對流段顯熱回收和低質(zhì)煤氣爐口燃燒轉(zhuǎn)化為煙氣顯熱2項技術(shù)，可提高轉(zhuǎn)爐煙氣余熱回收效率。馬永鋒等[20]結(jié)合工程實(shí)例分析了燒結(jié)恒溫循環(huán)余熱回收技術(shù)，并整合燒結(jié)工序煙氣余熱資源，以“溫度對口，能量梯級利用”為余熱回收原則，極大地回收燒結(jié)工序煙氣余熱，每年節(jié)省標(biāo)煤量4700t，同時減少粉塵排放427.8t。

綜上所述，在焦化、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼過程中，每一過程中都會產(chǎn)生大量工業(yè)余熱，但針對特定的技術(shù)分析所得到的結(jié)論往往并不具有普適性，難以應(yīng)用于全部工程案例。

在冶金與水泥行業(yè)中，同樣存在大量的余熱資源，也有諸多學(xué)者展開相關(guān)研究。劉軍祥等[21]研究指出，提高渣粒流速和渣粒初始溫度，自流床余熱鍋爐換熱系統(tǒng)渣粒換熱系數(shù)和熱回收效率均逐漸增加。宋煒[22]通過水泥窯筒體外表面的余熱回收加熱尿素溶液，此余熱回收方案1h提供的熱量相當(dāng)于電功率為312kW的電加熱器，如果電價按0.5元/(kW·h)、年運(yùn)行時間按7200h計算，年節(jié)省電費(fèi)112.32萬元。

目前，鋼鐵行業(yè)的余熱主要應(yīng)用于發(fā)電、供熱、制冷以及供鋼廠其他工序使用，雖能達(dá)到節(jié)省能源的目的，但整體上依舊存在大量能源浪費(fèi)現(xiàn)象。從鋼鐵行業(yè)一個側(cè)面，縱觀不同能源領(lǐng)域，中高溫余熱利用尚缺少整體綜合利用的方案和技術(shù)，且余熱綜合利用效率不高。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)按照“按質(zhì)用能、溫度對口，能級匹配、梯級利用”原則，通過改善能源品質(zhì)提高余熱回收效率。

1.2 低溫余熱回收技術(shù)

低溫余熱回收技術(shù)主要有熱泵、余熱發(fā)電、制冷和熱管等技術(shù)。熱泵技術(shù)[23]作為高效熱能轉(zhuǎn)換裝置，利用少量高品位電能、機(jī)械能和熱能，將熱量由低溫側(cè)轉(zhuǎn)移至高溫側(cè)。余熱發(fā)電[24]是利用生產(chǎn)過程中多余的熱能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)，如有機(jī)朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，ORC)和Kalina循環(huán)，其工作原理分別如圖1、2所示。熱管[25-26]工作原理是利用密閉管內(nèi)工質(zhì)的蒸 發(fā)與冷凝進(jìn)行熱量傳遞，工質(zhì)在加熱段中汽化，吸收大量熱量，并通過熱管將熱量迅速傳遞到熱源外。

諸多學(xué)者針對不同的低溫余熱回收技術(shù)展開了相關(guān)研究。李萌[27]分析了2種熱泵系統(tǒng)的余熱回收率、節(jié)能性和能源利用，并根據(jù)分析結(jié)果指出，提高能源利用水平應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化蒸發(fā)器、吸收式熱泵機(jī)組發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部溫度條件。姜迎春等[28]將機(jī)械壓縮和熱壓縮有機(jī)結(jié)合，使煙氨氣在吸收器中被稀氨水吸收，放出的熱量用于生產(chǎn)工藝蒸汽。高軍[29]研究表明：將高效熱泵用于回收循環(huán)水的余熱，能較好地實(shí)現(xiàn)能量的梯級利用，節(jié)能效果顯著。劉慶偉[30]基于HGAX循環(huán)原理及循環(huán)特性分析，總結(jié)了此循環(huán)低溫余熱回收利用的主要優(yōu)勢，指出此技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高效回收低溫余熱。周濤等[31]研究了一種轉(zhuǎn)爐煙氣中低溫余熱回收工藝，通過全面回收轉(zhuǎn)爐煉鋼的煙氣余熱并加以充分利用，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高轉(zhuǎn)爐煉鋼水平?；粽琢x等[32]分析指出，在大型離心空壓機(jī)低溫余熱系統(tǒng)中，ORC余熱回收系統(tǒng)的最佳循環(huán)熱效率和系統(tǒng)循環(huán)效率分別可達(dá)8.07%和29.15%。

圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)示意圖

圖2 Kalina循環(huán)示意圖

綜上所述，我國對于低溫余熱的利用還處于嘗試和發(fā)展階段，雖然提出了較多余熱回收技術(shù)，但仍不夠成熟，普遍存在投資風(fēng)險大、成本高等問題，以至于很大部分低溫余熱直排環(huán)境，造成了能源的巨大浪費(fèi)。因此，進(jìn)一步研究拓展，把中高溫技術(shù)與低溫技術(shù)耦合成一個整體，即先回收中高溫余熱，再回收低溫余熱，綜合提高余熱利用率是非常必要的。

2 余熱回收在供熱/供冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 余熱回收在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，區(qū)域供熱系統(tǒng)的熱源大都來自于燃煤鍋爐或熱電廠抽汽，熱源與用能需求之間的能源品位不匹配，造成做功能力的巨大浪費(fèi)[33]。

鋼鐵行業(yè)等工業(yè)企業(yè)的低品位余熱資源與區(qū)域供熱系統(tǒng)所需能源品位相似，因此，合理利用“三高”企業(yè)的低品位余熱是解決我國供熱熱源緊缺的重要戰(zhàn)略。我國在20世紀(jì)90年代末將鋼鐵工業(yè)低品位余熱應(yīng)用于供熱工程。1997年，濟(jì)鋼利用部分煉鐵高爐的沖渣水為廠區(qū)自轄小區(qū)進(jìn)行供暖[33]。邊海軍等[34]提出了鋼鐵廠內(nèi)自備電廠的余熱回收及供熱流程，如圖3所示。

圖3 鋼鐵廠自備電廠余熱回收及供熱流程圖

此系統(tǒng)滿足周邊區(qū)域380萬m2供熱面積的用熱需求，供熱能力可達(dá)189MW，余熱回收量合計127MW，累計節(jié)約標(biāo)煤量4.05萬t，二氧化碳減排量達(dá)10.13萬t。鋼鐵廠余熱資源回收因工序、溫度以及使用端需求等存在較大差異，在余熱回收技術(shù)方面也存在差異。目前，科研工作者正在探索新型余熱回收技術(shù)，促進(jìn)高效可持續(xù)發(fā)展的新型供熱模式的創(chuàng)建。

由于工業(yè)余能資源總量巨大，存在回收利用和轉(zhuǎn)換條件復(fù)雜的問題。目前，燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收方案主要有煙氣換熱器的余熱回收方 式[35]和煙氣換熱器與熱泵聯(lián)合的余熱回收方 式[36]2種。張迪等[37]提出了一種應(yīng)用水源熱泵的燃?xì)忮仩t煙氣余熱深度回收技術(shù)，如圖4所示。該技術(shù)采用雙級煙氣余熱回收，并在鍋爐尾部煙道加裝兩級煙氣余熱回收裝置，排煙溫度降至 30℃以下，供暖燃?xì)庀牧拷档?0%，解決了現(xiàn)有燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收裝置受供熱系統(tǒng)回水溫度較高限制，以及難以回收煙氣余熱中大量潛熱的問題。

圖4 水源熱泵煙氣余熱深度回收系統(tǒng)示意圖

趙璽靈等[38]提出了分布式熱泵調(diào)峰型燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)煙氣余熱回收供熱系統(tǒng)，如圖5所示。該系統(tǒng)在熱源站采用余熱鍋爐和直接接觸式換熱塔逐級回收燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備煙氣余熱，并利用板式換熱器和吸收式熱泵機(jī)組將熱量傳遞給一次網(wǎng)回水，使回水逐級升溫，最終發(fā)電機(jī)組低壓缸抽氣通過汽–水換熱器將一次網(wǎng)熱水加熱至120℃。在二次網(wǎng)熱力站處采用補(bǔ)燃型吸收式熱泵對二次網(wǎng)進(jìn)行調(diào)峰，并降低一次網(wǎng)的回水溫度，與有余熱資源的熱源相結(jié)合，低溫回水回到熱源處回收余熱，此種循環(huán)流程有利于回收更多煙氣余熱，供熱能耗降低6%。

王富全等[39]采用熱水驅(qū)動的溴化鋰吸收式熱泵方案，實(shí)現(xiàn)了煙氣余熱回收和煙氣“脫白”，具體流程見圖6。此技術(shù)提升了鍋爐熱效率10% 以上，排煙溫度降低到30℃以下，消除了“白羽”現(xiàn)象，同時二氧化硫、氮氧化物排放也降低了10%~15%。

圖5 分布式熱泵調(diào)峰型燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)煙氣余熱回收供熱系統(tǒng)

圖6 熱泵余熱回收系統(tǒng)流程圖

綜上所述，在供熱系統(tǒng)中利用各類熱泵裝置或換熱設(shè)備提取工業(yè)余熱中低品位余熱的應(yīng)用實(shí)例越來越多，并在我國的供熱行業(yè)取得了較好的發(fā)展，但依靠熱電聯(lián)產(chǎn)進(jìn)行余熱回收，普遍存在利用率低等問題。其中，中低溫余熱難以有效回收是目前存在的主要問題，應(yīng)利用ORC等技術(shù)回收中低溫余熱，或應(yīng)用中高溫余熱聯(lián)合低溫余熱回收，不同階段使用不同的回收技術(shù)，不僅可提高能源利用效率，還能降低運(yùn)行成本。

2.2 余熱回收在供冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

在供冷系統(tǒng)中，利用高溫余熱回收機(jī)組回收工業(yè)機(jī)械循環(huán)冷卻水熱量，實(shí)現(xiàn)對余熱的高效利用。制冷機(jī)主要利用再生器回收60℃以上余熱，通過蒸發(fā)器制取5~30℃冷水以滿足制冷需求。在多數(shù)制冷系統(tǒng)中，普通氣候條件下設(shè)備的冷凝溫度在35~60℃[40]，該部分溫度不高，導(dǎo)致能量品質(zhì)過低而難以利用。通過提高能量品質(zhì)，回收該部分能量并用于牛奶廠、屠宰場、大型建筑的制冷及其內(nèi)部熱水供應(yīng)，水果的儲存與果干加工，大型超市食品存儲及采暖體系等[41]同時需要產(chǎn)熱及制冷的場所中，有益于提高經(jīng)濟(jì)效益。舒建國等[42]采用全熱回收高溫?zé)岜眉夹g(shù)對禽類屠宰場的制冷系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收，用于生產(chǎn)熱水和廠區(qū)采暖，節(jié)能效果顯著，該系統(tǒng)原理如圖7所示。魏洪生等[43]采用氨制冷系統(tǒng)冷凝熱回收，空氣能熱泵系統(tǒng)提升溫度，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益。楊洋[44]針對牛奶的生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，并設(shè)計出牛奶冷卻系統(tǒng)和余熱回收系統(tǒng)，余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計將給乳品公司減少資金上的投入。

梅玉龍等[45]引入一種簡便易行的循環(huán)冷卻水余熱回收系統(tǒng)，將空調(diào)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)與集中生活熱水系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空調(diào)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的余熱回收與節(jié)水的效果，從而降低集中生活熱水系統(tǒng)的運(yùn)營成本。周建輝等[46]采用熱泵技術(shù)吸收換流閥余熱，提升熱源的品位，并通過驅(qū)動吸收式熱泵系統(tǒng)進(jìn)行制冷、制熱，實(shí)現(xiàn)了換流閥冷卻以及余熱回收利用，該新型換流閥余熱綜合利用系統(tǒng)工作原理如圖8所示。付林等[47]提出了一類熱泵型天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用吸收式制冷機(jī)在冬季兼作熱泵運(yùn)行，與直燃機(jī)作余熱鍋爐相比，該系統(tǒng)折合熱回收率提高了16.2%；與常規(guī)熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)相比，這類系統(tǒng)充分利用了天然氣能源，使系統(tǒng)余熱回收率有了不同程度的提高，為后續(xù)學(xué)者研究天然氣余熱回收奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

圖7 全熱回收高溫?zé)岜孟到y(tǒng)原理圖

圖8 新型換流閥余熱綜合利用系統(tǒng)原理圖

綜上所述，在供冷工程中，通過增加換熱器來回收冷凝器余熱，或利用蓄冷技術(shù)與空氣壓縮機(jī)等余熱回收技術(shù)聯(lián)合等措施，充分利用供冷系統(tǒng)中的余熱。在同時需要產(chǎn)熱及制冷的場所中，將低溫余熱用于吸收式制冷或者熱泵制熱，改變余熱能量的等級，提高經(jīng)濟(jì)效益，將成為供冷系統(tǒng)余熱回收的新思路。此外，可發(fā)展冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，在緩解供能壓力、提高能源利用效率、減少CO2排放等方面具有顯著的優(yōu)勢。

3 工程應(yīng)用

3.1 生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項目應(yīng)用

磐石宏日30 MW生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項目位于吉林省磐石經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，由吉林宏日新能源股份有限公司投建，系統(tǒng)方案流程如圖9所示。該項目包含2臺35 t/h鍋爐，燃料耗量為35.88 t/h，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組煙氣量為23萬m3/h(29 kg/h)，排煙溫度為145℃，煙氣中水蒸汽量為23.68t/h。額定供熱抽汽負(fù)荷為50t/h，最大供熱抽汽負(fù)荷為90t/h。累計采暖供熱面積達(dá)51萬m2，采暖熱指標(biāo)為45W/m2。非采暖期額定工況在2臺鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時，汽輪發(fā)電機(jī)組通過抽汽對外供50t/h工業(yè)用汽，發(fā)電機(jī)功率為 29.3MW。

圖9 生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案流程示意圖

利用溴化鋰吸收式熱泵提高系統(tǒng)采暖供熱能力，回收煙氣的熱量，顯熱熱量高溫部分用于熱泵的驅(qū)動熱源，低溫部分用于直接供熱，潛熱熱量用于熱泵的低品位熱源。冷熱站系統(tǒng)有以下5種運(yùn)行模式：

1）鍋爐產(chǎn)蒸汽量為150t/h，汽輪發(fā)電機(jī)組通過抽汽對外供90t/h工業(yè)用汽，發(fā)電機(jī)總功率為21.6MW。

2）2臺鍋爐非滿負(fù)荷運(yùn)行時，純凝工況下，鍋爐產(chǎn)蒸汽量為120t/h，汽輪發(fā)電機(jī)組純凝發(fā)電，發(fā)電機(jī)功率為30MW。

3）采暖期額定工況下，冬季采用低真空供暖方式，2臺鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時，抽50t/h工業(yè)用汽，低真空循環(huán)水供暖面積為67萬m2，發(fā)電機(jī)功率為27.3MW。

4）冬季采用低真空供暖方式，2臺鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時，抽50t/h工業(yè)用汽，低真空循環(huán)水供暖面積為7.3萬m2，另抽50t/h蒸汽供暖，供暖面積約75萬m2，發(fā)電機(jī)功率為19.4MW。根據(jù)周邊企業(yè)用汽量調(diào)整鍋爐產(chǎn)汽量，進(jìn)行供汽、供暖、發(fā)電、制冷。

5）冬夏均采用低真空采暖運(yùn)行方式，2臺鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時，抽50t/h工業(yè)用汽，低真空循環(huán)水供暖面積為67萬m2，發(fā)電機(jī)功率為27.3MW。由于熱泵出水溫度為70℃，不滿足烘干生物質(zhì)需求，因此夏季用部分抽汽將熱泵出水升溫至 80℃，用于烘干。

熱用戶的用汽壓力均在0.4~0.8MPa，綜合分析確定機(jī)組選型抽凝機(jī)組，抽汽參數(shù)壓力為 0.98MPa，溫度為280℃。

該項目可同時滿足周邊企業(yè)生產(chǎn)用汽、制冷用汽的需求，冬季供暖采用低真空供暖方式，可滿足周邊供暖需求。系統(tǒng)增加的供熱量為10178kW，按采暖指標(biāo)50W/m2，熱價27.5元/m2計算，則每年熱費(fèi)收入增加560萬元；系統(tǒng)能源綜合利用效率為94.6%，節(jié)能率為31.0%，且鍋爐效率提高了8.3%。

3.2 橫琴3#能源站項目應(yīng)用

橫琴3#能源站項目位于珠海市橫琴新區(qū)，3#站總供冷面積為498813.9m2，分北、南、西三側(cè)進(jìn)行供冷，其中，北側(cè)供冷面積為223818.1m2，南側(cè)供冷面積為179459.7m2，西側(cè)供冷面積為95536.1m2。

整個橫琴3#能源站冷熱源位于中心，供冷站設(shè)備基本配置有：水箱和水蓄冷換熱系統(tǒng)，蓄冰盤管及融冰換熱系統(tǒng)溴化鋰制冷主機(jī)、水泵和冷卻塔等輔助系統(tǒng)，雙工況主機(jī)、水泵和冷卻塔等輔助系統(tǒng)，雙蒸發(fā)工況主機(jī)、水泵和冷卻塔等輔助系統(tǒng)，離心式電制冷主機(jī)、水泵和冷卻塔等輔助系統(tǒng)。區(qū)域供冷3#能源站設(shè)備平面布置如圖10所示。

圖10 區(qū)域供冷3#能源站設(shè)備平面布置圖

系統(tǒng)主要運(yùn)行模式如下：晚間雙工況制冷機(jī)組蓄冰，白天利用余熱驅(qū)動溴化鋰機(jī)組串聯(lián)融冰板換供冷；晚間高效永磁同步變頻離心式冰蓄冷雙工況機(jī)組的總制冷量為40881.5kW×h，總耗電量為9667.0kW×h，機(jī)組平均性能系數(shù)(coefficient of performance，COP)為4.23；白天空調(diào)負(fù)荷由 蓄冷設(shè)備與余熱驅(qū)動的吸收式制冷主機(jī)共同承擔(dān)，其中吸收式制冷主機(jī)與熱電站配合，實(shí)現(xiàn)了能源的梯級利用；此外，此區(qū)域供冷系統(tǒng)充分 利用峰谷電價和負(fù)荷預(yù)測，通過空調(diào)供水或回水溫度監(jiān)控對蓄冰工況與供冷工況進(jìn)行轉(zhuǎn)換，解 決了制冷主機(jī)和蓄冰裝置之間的供冷負(fù)荷分配問題。

按照目前珠海電價結(jié)構(gòu)計算[48]，利用余熱驅(qū)動溴化鋰機(jī)組供冷和冰蓄冷的全年機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用為891.32萬元，而采用傳統(tǒng)電驅(qū)動的蒸汽壓縮制冷方式的全年機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用為1154.13萬元，優(yōu)化余熱回收與冰蓄冷相結(jié)合技術(shù)及其控制策略，橫琴3#能源站區(qū)域供冷系統(tǒng)每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用20%。

4 結(jié)論

我國工業(yè)余熱資源豐富，合理利用工業(yè)余熱，是提高區(qū)域供熱/供冷系統(tǒng)能源利用率的重要舉措，也是實(shí)現(xiàn)我國節(jié)能減排的工作重點(diǎn)。目前，中高溫余熱利用技術(shù)普及率不高，低溫余熱未得到充分利用，是我國余熱利用率低的原因之一?；谇拔木C述與分析，認(rèn)為對今后區(qū)域供熱/供冷系統(tǒng)余熱回收問題的研究工作應(yīng)從以下3個方面開展：

1）為了更好地促進(jìn)節(jié)能減排工作，有必要進(jìn)一步推廣使用中高溫余熱，加強(qiáng)對低溫余熱的研究，充分利用低品位余熱。

2）以現(xiàn)有的余熱回收技術(shù)為基礎(chǔ)，針對工業(yè)余熱的間歇性、不穩(wěn)定性、能量密度低等特點(diǎn)，對余熱回收技術(shù)進(jìn)行升級創(chuàng)新，以提升能源利用效率。

3）通過對供熱/供冷項目的能效分析，如何合理進(jìn)行熱量/冷量的余熱回收，以及如何合理規(guī)劃不同區(qū)域供熱/供冷項目的系統(tǒng)設(shè)計、運(yùn)行策略，是需要進(jìn)一步研究的問題，也是實(shí)現(xiàn)能量合理利用的關(guān)鍵問題。

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Waste Heat Recovery Applications in District Heating/Cooling Systems

WU Shuang1, JIN Xu1, LIU Zhongyan1, CHE Deyong1, SUI Jun2, LI Rui1, ZHAO Yue1, WANG Zhaoguo3

(1. School of Energy and Power Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, Jilin Province, China;2. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China; 3. Shandong Liyan Power Generation Co., Ltd., Jining 273517, Shandong Province, China)

The regional energy supply system is powered by high-grade energy, which has problems such as high energy consumption and serious environmental pollution. However, based on the principle of "energy grade matching, and cascade utilization", through utilizing various high, medium and low temperature waste heat recovery technologies, the integrated energy efficiency of the system can be significantly improved, as well as the overall energy consumption and environmental pollution can be reduced, so it is of great concern. Through sorting out the technologies of waste heat recovery in the energy industry of steel, metallurgy and cement, and summarizing the technological progress of low-temperature grade energy waste heat recovery and its application to district heating/cooling systems, the characteristics of various waste heat recovery technologies in the heating/cooling systems were inquired. Finally, the feasibility and economy for application of waste heat recovery technologies in the field of the heating/cooling systems were analyzed with project cases. The results show that by utilizing the waste heat recovery technologies, the integrated energy efficiency of the district heating system can be improved by more than 8%. And the operation cost can be saved by 20% in the district cooling system through combining cold storage technology with waste heat recovery.

low temperature waste heat; waste heat recovery; district heating/cooling systems; energy saving

10.12096/j.2096-4528.pgt.20010

TK 115

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2018YFB0905104)。

Project Supported by National Key Research and Development Program of China (2018YFB0905104).

2020-03-30。

(責(zé)任編輯 尚彩娟)