回收循環(huán)水余熱的熱泵供熱系統(tǒng)熱力性能分析

張曉華

（山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，山西太原 030001）

0 前言

當前時期，全球天然氣、石油、煤炭的儲量在不斷減少，能源問題是每個國家都應(yīng)該關(guān)注和解決的問題，人們越來越重視能源的梯級利用、余熱回收。如今，我國北方城鎮(zhèn)集中供熱面積不斷增加，導致城市供熱熱源十分緊張，鑒于此，對供熱機組的供熱性能有了更高的標準與要求。

1 我國熱泵供熱系統(tǒng)應(yīng)用

1.1 調(diào)節(jié)抽氣式供熱機組

當前時期，我國各地使用的集中供熱機組即為可調(diào)抽氣式的供熱機組，然而其并非完美，依舊存在一系列問題，如，汽輪機直接用于加熱熱網(wǎng)回水，熱網(wǎng)回水溫度通常約55℃，加熱后可達130℃左右，若熱網(wǎng)溫差太大，將嚴重損壞熱網(wǎng)，且抽汽中的熱能得不到有效使用。且汽輪機排汽中余熱會同循環(huán)水一并流失，并在空氣中進行消散，進而導致循環(huán)水余熱未被良好的進行著應(yīng)用，最終出現(xiàn)大量的浪費。

1.2 吸收式熱泵

吸收式熱泵優(yōu)點是可對低品熱能有效利用，并能再次回收地熱能和太陽能燈廢熱，減少環(huán)境污染。其熱源來源于電站的循環(huán)水，通過吸收式熱泵進一步優(yōu)化其功能，最終可以為用戶提供熱量。在這個過程中，不但能回收利用循環(huán)水余熱，也使供熱系統(tǒng)供熱性提升，有效解決了供熱不足造成的供需矛盾。而且進入熱網(wǎng)的水的基準溫度很高，使溫差減小，也減少了對熱網(wǎng)的破壞，從而更好地利用抽汽。最關(guān)鍵的缺陷是氣密性高。在應(yīng)用中，一旦空氣進入外界，會對整個機組的性能帶來非常大的不利影響，并且摒除了因其用水作為制冷劑，所以，僅選擇超過5℃的冷媒水進行使用。此外，因為溴化鋰有非常高的價格，所以，第一次使用時會投入很多的資金。

與此同時，目前，隨著吸收式熱泵的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外專家學者也十分關(guān)注這方面，國外學者Christian keil 深入研究了低溫集中供熱中的吸收式熱泵，在吸收式熱泵和吸收式換熱器的基礎(chǔ)上，國內(nèi)學者李巖等人重新設(shè)計了一類新型集中熱能法，從而使海水淡化余熱回收及低品位余熱回收中對熱泵應(yīng)用的可能性增加。

2 熱電廠余熱回收技術(shù)類別

2.1 吸收式熱泵技術(shù)

2.1.1 開式循環(huán)運行方式

熱電廠熱泵及循環(huán)水系統(tǒng)中使用開式循環(huán)運行方式，循環(huán)水通?？煞謨刹糠?，一部分為確保電廠正常循環(huán)的循環(huán)水將流入冷卻塔，另一部分循環(huán)水流入熱泵機組實現(xiàn)低溫余熱回收利用，然后冷卻塔循環(huán)水與水池中熱泵機組的循環(huán)水熔化，再返回凝汽器進行冷卻處理，開展下一循環(huán)。開式循環(huán)方式下，循環(huán)水的水質(zhì)要求通常較高，但由于具體操作步驟相對簡單方便，這種方法在具體的日常使用中會被經(jīng)常使用，其具有十分理想的效果。

2.1.2 閉式循環(huán)運行方式

火電廠熱泵系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)用閉式循環(huán)運行時，需要對凝汽器設(shè)備進行改造或?qū)υ鬟M行改造，使之成為一種新型的雙面操作的設(shè)備，這對雙側(cè)運行方式而言均發(fā)揮了不同的作用，其中有一側(cè)的循環(huán)水將流入上塔，而另側(cè)循環(huán)水則會流經(jīng)到熱泵循環(huán)中。

如果應(yīng)用閉式循環(huán)的運行方法，則可以有效調(diào)節(jié)循環(huán)水流量、水溫和變回水溫等，若溫度攀升且熱負荷減少時，那么通過熱網(wǎng)會使循壞水溫度上升，進而提升供水溫度，當換熱網(wǎng)絡(luò)被加熱或凝汽器內(nèi)的冷凝壓力和冷凝溫度升高時，加熱器內(nèi)的排汽量也會降低，此時循環(huán)水流量增多并流入冷卻塔，從而使原凝汽器內(nèi)熱量被一同帶走，這時，循環(huán)管網(wǎng)供水溫水溫將降到規(guī)定標準。

2.1.3 熱泵取代凝汽器運行方式

汽輪機產(chǎn)生的熱量主要是循環(huán)水中的余熱來源，如果能通過相關(guān)設(shè)備直接從熱泵機組獲取熱量，可將中間一系列操作、介質(zhì)省去，降低傳輸中能量及熱量損耗。且它將大大提高換熱效率，可用熱泵機取代替冷凝器，且余熱利用率通過中間環(huán)節(jié)的省略而增加，符合國家節(jié)能減排戰(zhàn)略，過程綠色環(huán)保，但也有一定的應(yīng)用缺點，實際運行中，會影響機組和系統(tǒng)，且中間操作十分紛繁復(fù)雜，無法精準控制，所以，如今我國工程中依舊未被廣泛的進行推廣與應(yīng)用，為此，在將來需要我們?nèi)ミM一步去不斷深入挖掘與研究。

2.2 低真空供熱技術(shù)

2.2.1 凝汽器單側(cè)運行

凝汽器內(nèi)水在凝汽器單側(cè)運行會按原路線通過供熱管網(wǎng)流經(jīng)循環(huán)冷卻塔。此運行方式叫雙背壓凝汽器，與單背壓凝汽器功能效果相比，其具有更理想的環(huán)保節(jié)能效果，特別雙背壓凝汽器中，冷卻面積可增加，可以有效地改善凝汽器的傳熱性能，在運行過程中，相對單一的背壓將產(chǎn)生很大的凝汽器功率，不但增加了傳熱溫差，而且又直接影響到其最終的傳熱性。

2.2.2 凝汽器雙側(cè)運行方式

凝汽器兩側(cè)運行且兩側(cè)的循環(huán)水通過熱網(wǎng)，然而，僅有一部分水進入冷卻水塔，此運行方式是單背壓凝汽器，可讓兩側(cè)背壓相同，這樣兩側(cè)的工作狀態(tài)將會是最理想的。

3 工程實例分析

3.1 工礦計算

分析300MW 的供熱機組，看到原來的抽氣量是240t/h，蒸汽輪機熱網(wǎng)加熱器用于加熱熱網(wǎng)中的水，溫度由50℃逐漸升高到130℃，汽輪機空氣干球溫度22℃，濕球溫度16.9℃，凝汽器（31680t/h）控制熱泵循環(huán)水量，系統(tǒng)冷卻塔臨睡面積、特征參數(shù)分別是6000m2和1.9662.0 代表的是熱泵內(nèi)空氣、水質(zhì)量比，繼而形成熱泵加熱方式。

3.2 工礦計算結(jié)果

基于溴化鋰吸收式熱泵供暖計算結(jié)果：循環(huán)水熱泵供暖系統(tǒng)中，熱泵性能系數(shù)為1.723，熱泵效率在傳統(tǒng)模式下是73.68%，熱泵供暖模式的效率高達83.68%，提高了10%。針對熱泵循環(huán)控制量，熱泵供熱方式抽汽用水量每小時可節(jié)約31.68t，熱泵機組功率提高5.31MW。當熱網(wǎng)水溫由55～80℃時，系統(tǒng)凝汽器出口循環(huán)水溫升0.7℃，凝汽器壓力增肌了0.23kPa，機組功率降低0.33MW；另外，循環(huán)水增壓泵循環(huán)水消耗后，機組功率降低0.25MW，這時，熱泵供熱系統(tǒng)機組凈功率增為W=5.31-0.23-0.25=4.83M，見圖 1。

3.3 變工況的熱泵供熱系統(tǒng)熱力性能

（1）系統(tǒng)熱性能受凝汽器出口熱網(wǎng)水溫影響，系統(tǒng)端差一定，熱泵循環(huán)水量、用氣量會隨著凝汽器出口熱網(wǎng)水溫升高而增加，而熱泵耗氣量出現(xiàn)顯著增加。鑒于此，峰值負荷加熱器耗氣量也顯著降低，且下降幅度顯著高于熱泵，從而使整個熱泵供熱系統(tǒng)用氣量明顯降低。

圖1 收循環(huán)水余熱的熱泵供熱系統(tǒng)

（2）通過分析熱網(wǎng)回水溫度對熱泵供暖系統(tǒng)熱性能的影響，熱網(wǎng)加熱溫度一定的情況下，隨著回水溫度的升高，循環(huán)水的質(zhì)量流量及熱泵的耗氣量將隨著返水溫度的升高而逐漸減少，并且前者有更高的下降幅度，但是，隨著蒸發(fā)器循環(huán)水水溫的升高，供暖系統(tǒng)的耗氣量會降低，但降低幅度較小。所以，通過同傳統(tǒng)的供熱方式相比，熱泵供熱系統(tǒng)汽輪機抽汽量將得到更大的節(jié)省，機組的凈功率將得到更大的提高。

（3）分析對蒸發(fā)器循環(huán)水溫降對熱泵供暖系統(tǒng)性能的影響。據(jù)分析，進口循環(huán)水溫恒定，溫降范圍縮小，出口循環(huán)水溫增加，蒸發(fā)器、吸收器壓力會受影響，而不發(fā)生任何改變的就是熱泵系統(tǒng)的其他參數(shù)。循環(huán)水溫若下降，那么質(zhì)量大流量會表現(xiàn)出不斷上升的變化趨勢，但會不斷降低熱泵耗氧量，最后，熱泵的性能參數(shù)將不斷提高，因此，與傳統(tǒng)的供熱方式相比，將節(jié)省更多汽輪機組的抽汽量，增加的凈功率也獲得了提升。還應(yīng)注意的是，循環(huán)水溫度的冷卻范圍縮小，但在供熱量不變的情況下，熱泵供熱方式效率會隨熱泵供熱系統(tǒng)耗氣量減少而提高，盡管增幅不是很大，然而，也能改善熱泵系統(tǒng)的熱性能。

（4）分析蒸發(fā)器出口循壞水溫對熱泵熱力性影響。蒸發(fā)器內(nèi)循環(huán)水溫降低、端差一定，吸收塔間壓力和蒸發(fā)器會受出口循環(huán)水溫影響，但系統(tǒng)其他參數(shù)恒定。蒸發(fā)器出口的循環(huán)水溫持續(xù)升高，也會持續(xù)增加循壞水的質(zhì)量流量，然而，熱泵含氣量會不斷降低，進而會增加熱泵性能參數(shù)值。當出口循環(huán)水溫度不斷升高時，熱泵供暖系統(tǒng)的耗氣量將降低，與傳統(tǒng)采暖方式相比，將增加節(jié)約抽汽量與機組凈功率。

4 結(jié)束語

在應(yīng)用循環(huán)水余熱回收熱泵節(jié)能機理時，需提高公式計算效率，以獲得準確的計算結(jié)果，防止誤差對余熱利用效率形成影響，同時，循環(huán)水余熱利用熱泵的節(jié)能研究應(yīng)以我國現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，適應(yīng)時代的需要，只有如此，我國的節(jié)能減排事業(yè)才可獲得繁榮可持續(xù)發(fā)展，最終與我國倡導的節(jié)能減排、綠色環(huán)?？谔栂喾希嬲秊槿藗兊纳眢w健康造福。