吸收式熱泵應(yīng)用于鍋爐煙氣余熱回收案例分析

柯國(guó)華

(北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所， 北京 100011)

1 概述

隨著能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)保要求提高，北方平原地區(qū)“煤改氣”工程持續(xù)推進(jìn)，燃?xì)忮仩t成為清潔供暖的主力軍。燃?xì)忮仩t煙氣具有排放量大、能級(jí)不高和開發(fā)潛力較大等特點(diǎn)，深度挖掘利用煙氣余熱對(duì)推進(jìn)節(jié)能降耗、提升環(huán)境品質(zhì)具有重要意義。受限于一級(jí)管網(wǎng)回水溫度，以省煤器、空氣預(yù)熱器為代表的傳統(tǒng)余熱回收裝置余熱回收效果不佳[1]?；谖帐綗岜玫臒煔庥酂峄厥占夹g(shù)能夠克服上述問(wèn)題，減輕煙氣出口的水霧現(xiàn)象，有效緩解霧霾[2]，因此逐漸在各供熱廠、鍋爐房中得到廣泛應(yīng)用。在對(duì)加裝熱泵后的節(jié)能效果進(jìn)行分析時(shí)，工程中大多將鍋爐與回收系統(tǒng)作為整體，以總供熱量、總回收熱量和最終排煙溫度等參數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)[3-5]，注重改造前后的整體收益。然而，熱泵機(jī)組目前僅有性能系數(shù)、工作效率等測(cè)評(píng)參數(shù)，缺乏對(duì)煙氣余熱回收項(xiàng)目中熱泵本身節(jié)能收益的準(zhǔn)確衡量，為相關(guān)技術(shù)、管理人員進(jìn)行全面可行性分析、設(shè)備優(yōu)選配置、項(xiàng)目驗(yàn)收及復(fù)評(píng)帶來(lái)了諸多不便。因此，本文提出“煙氣余熱回收比例”這一概念，結(jié)合實(shí)際案例分析熱泵機(jī)組在煙氣余熱回收中的實(shí)際效果，指出熱泵性能系數(shù)和煙氣余熱回收比例的適宜范圍，為相關(guān)應(yīng)用提供技術(shù)參考。

2 煙氣余熱回收案例測(cè)試及分析

2.1 煙氣余熱回收項(xiàng)目情況

燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收系統(tǒng)的工藝流程見圖1。圖1中，節(jié)能器是燃?xì)忮仩t的一部分，吸收式熱泵包括余熱換熱器和吸收式熱泵主體。在本系統(tǒng)中，燃?xì)忮仩t的煙氣進(jìn)入余熱換熱器，放出顯熱和潛熱，溫度大幅度降低后，通過(guò)煙囪排入大氣。在余熱換熱器中，余熱水吸收煙氣的顯熱和潛熱后，溫度顯著升高，進(jìn)入吸收式熱泵主體釋放熱量。此時(shí)，以天然氣為驅(qū)動(dòng)熱源的吸收式熱泵主體通過(guò)提取余熱水的熱量來(lái)加熱部分熱網(wǎng)回水，可減少鍋爐的耗氣量，節(jié)約一次能源。

圖1 煙氣余熱回收工藝流程及部分測(cè)點(diǎn)分布

為分析溴化鋰吸收式熱泵在燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收中的實(shí)際運(yùn)行效果，本文選取5個(gè)供熱項(xiàng)目的6臺(tái)熱泵作為應(yīng)用案例，對(duì)其使用情況進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)分析熱泵運(yùn)行狀況。供熱項(xiàng)目概況見表1。

表1 供熱項(xiàng)目概況

根據(jù)分析需要，鍋爐運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)包括鍋爐排煙參數(shù)(如煙氣組成、鍋爐尾部排煙溫度、鍋爐最終排煙溫度、燃?xì)夂臍饬?、過(guò)?？諝庀禂?shù)、環(huán)境溫度等)和熱網(wǎng)水參數(shù)(如鍋爐供回水溫度、鍋爐水流量等)；熱泵機(jī)組運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)包括熱泵熱水進(jìn)出口溫度、熱泵余熱水進(jìn)出口溫度、熱泵流量、熱泵耗燃?xì)饬俊岜煤碾娏?、熱泵排煙溫度等，部分測(cè)點(diǎn)分布見圖1。

2.2 煙氣余熱回收運(yùn)行測(cè)試

現(xiàn)以供熱項(xiàng)目1為例，利用鍋爐和熱泵機(jī)組的測(cè)試數(shù)據(jù)，分析計(jì)算熱泵的性能系數(shù)、熱泵供熱量、煙氣余熱回收量、煙氣余熱回收比例等。

首先對(duì)燃?xì)忮仩t運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試。設(shè)置溫度自記儀以30 min為周期記錄數(shù)據(jù)，鍋爐熱水流量記錄采用熱源處安裝的超聲波流量計(jì)，設(shè)定流量計(jì)記錄周期為60 min。測(cè)試時(shí)間從2018年12月20日12:00-17:30，測(cè)試期間鍋爐平穩(wěn)運(yùn)行，鍋爐進(jìn)出水溫度見圖2，鍋爐熱水流量見圖3。運(yùn)行期間鍋爐測(cè)試數(shù)據(jù)平均值見表2。

圖2 鍋爐進(jìn)出水溫度

圖3 鍋爐熱水流量

表2 鍋爐運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)鍋爐運(yùn)行測(cè)試結(jié)果，可得到鍋爐進(jìn)出口熱水的比焓分別為207.9 kJ/kg、298.8 kJ/kg。天然氣低熱值為34 730 kJ/m3，對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)狀況下1 m3干燃?xì)獾臒煔庠谀骋粶囟认碌撵史Q為某溫度下煙氣的干燃?xì)饣w積焓，鍋爐排煙溫度下煙氣的干燃?xì)饣w積焓為4 851 kJ/m3，在環(huán)境溫度下的干燃?xì)饣w積焓為687 kJ/m3。

2018年12月20日12:00—17:30測(cè)試期間熱泵平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)熱泵運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試。熱泵熱水進(jìn)出口溫度見圖4。

圖4 熱泵熱水進(jìn)出口溫度

對(duì)測(cè)試期間內(nèi)熱泵熱水進(jìn)出口溫度分別求取平均值，并計(jì)算該溫度對(duì)應(yīng)的比焓與密度。熱泵熱水流量為267 m3/h，燃?xì)饬髁繛?46.3 m3/h，運(yùn)行期間熱泵測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 熱泵運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)熱泵測(cè)試結(jié)果，可得到熱泵熱水進(jìn)出口比焓分別為179.5 kJ/kg、221.6 kJ/kg。天然氣高、低熱值分別為38 230 kJ/m3、34 730 kJ/m3，煙氣在熱泵排煙溫度下的干燃?xì)饣w積焓為1 089 kJ/m3。

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

結(jié)合表2和表3的測(cè)試結(jié)果，計(jì)算熱泵回收鍋爐煙氣余熱情況。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，輸入、輸出熱泵的各個(gè)能量滿足熱平衡方程，即：

Φ4=Φ1+Φ2+P-Φs

(1)

式中Φ4——熱泵供熱量，MW

Φ1——熱泵的輸入熱流量，MW

Φ2——鍋爐煙氣余熱供熱量，MW

P——熱泵消耗的電功率，MW

Φs——散熱量，MW

熱泵供熱量Φ4的計(jì)算式為：

(2)

式中h4,o、h4,i——熱泵熱水出口、進(jìn)口的比焓，kJ/kg

ρ4——水在熱泵進(jìn)口溫度下的密度，kg/m3

q4——熱泵進(jìn)口熱水流量，m3/h

熱泵的輸入熱流量Φ1的計(jì)算式為：

(3)

式中q2——熱泵燃?xì)饬髁浚琺3/h

Hi——天然氣低熱值，kJ/m3

在式(1)中，消耗的電功率P和散熱熱流量Φs的量級(jí)相對(duì)較小，可以忽略，故余熱供熱量Φ2的計(jì)算式為：

Φ2=Φ4-Φ1

(4)

熱泵制熱性能系數(shù)的計(jì)算式為：

(5)

式中ICOP——熱泵制熱性能系數(shù)

為衡量熱泵回收鍋爐煙氣余熱的能力，需計(jì)算熱泵回收鍋爐余熱量與鍋爐可回收煙氣余熱量的比值，定義為煙氣余熱回收比例γ。γ的計(jì)算式為：

(6)

式中γ——煙氣余熱回收比例

Φ0——鍋爐可回收煙氣余熱量，MW

鍋爐可回收煙氣余熱量Φ0的計(jì)算式為：

(7)

式中q1——鍋爐燃?xì)饬髁?，m3/h

h1——鍋爐排放煙氣的干燃?xì)饣w積焓，kJ/m3

h2——熱泵排放煙氣的干燃?xì)饣w積焓，kJ/m3

為衡量熱泵回收煙氣余熱在鍋爐房供熱量中的份額，需計(jì)算熱泵回收鍋爐煙氣余熱量與鍋爐供熱量的比值λ，λ的計(jì)算式為：

(8)

式中λ——熱泵回收鍋爐余熱量與鍋爐供熱量的比值

Φ——鍋爐供熱量，MW

鍋爐供熱量Φ的計(jì)算式為：

(9)

式中h3,o、h3,i——鍋爐出口、進(jìn)口熱水的比焓，kJ/kg

ρ3——熱網(wǎng)回水溫度下水的密度，kg/m3

q3——熱網(wǎng)回水流量，m3/h

若干原因?qū)?dǎo)致實(shí)際運(yùn)行與設(shè)計(jì)工況偏離，熱泵供熱量與熱泵額定供熱量的比值μ的計(jì)算式為：

(10)

式中μ——熱泵供熱量與熱泵額定供熱量的比值

Φd——熱泵額定供熱量，MW

安裝熱泵后，系統(tǒng)能夠節(jié)省的天然氣量q為：

(11)

式中q——節(jié)省的天然氣量，m3/h

η——燃?xì)忮仩t的熱效率

上述計(jì)算過(guò)程中，煙氣的焓均考慮了含濕量和過(guò)剩空氣系數(shù)后的焓。氣體的體積均為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積。對(duì)5個(gè)供熱項(xiàng)目的6臺(tái)熱泵進(jìn)行計(jì)算分析，運(yùn)行效果見表4。為方便計(jì)算，對(duì)項(xiàng)目2中兩臺(tái)熱泵的值取平均值。

表4 熱泵運(yùn)行效果

由表4可知，項(xiàng)目1中的熱泵未能很好實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣余熱的有效回收，從熱泵機(jī)組性能系數(shù)來(lái)看，該機(jī)組熱泵性能系數(shù)僅為1.30，熱泵供熱量以熱泵本身輸入熱量為主，鍋爐可回收煙氣余熱量為1.39 MW，熱泵僅回收其中的0.55 MW，γ為39.56%，熱泵回收熱量所占比例較小。從熱泵供熱量構(gòu)成和熱泵額定供熱量的關(guān)系來(lái)看，熱泵供熱量3.09 MW，μ為80.03%，在熱泵供熱量中，回收鍋爐煙氣余熱量0.55 MW，僅占17.80%，可見熱泵雖然供熱量總體并不低，但其中余熱所占比例非常低，熱泵未能很好實(shí)現(xiàn)余熱回收作用。

另一方面，就熱泵設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)看，該熱泵額定燃?xì)夂牧繛?53.6 m3/h，熱泵實(shí)際進(jìn)氣量為246.3 m3/h，熱泵燃燒器基本達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，熱泵燃燒器的運(yùn)行負(fù)荷和回收鍋爐煙氣余熱負(fù)荷形成“一高一低”的鮮明對(duì)比。而從熱泵銘牌標(biāo)示參數(shù)，計(jì)算出熱泵的設(shè)計(jì)熱泵性能系數(shù)為1.69，熱泵可以回收余熱量為1.58 MW，如果熱泵在該工況下運(yùn)行，熱泵可以實(shí)現(xiàn)該工況下鍋爐余熱的全部回收?？梢姡谠擁?xiàng)目中所選熱泵負(fù)荷是較適宜的，但運(yùn)行中熱泵未能發(fā)揮回收余熱的作用，可能是煙氣換熱器換熱不充分、熱泵調(diào)試不到位或熱泵本身存在問(wèn)題等原因?qū)е碌摹?/p>

由表4可知，除項(xiàng)目1外其他5臺(tái)熱泵的性能系數(shù)均接近1.6，鍋爐煙氣余熱回收比例均達(dá)到60%以上，回收鍋爐煙氣余熱量與鍋爐供熱量的比值達(dá)到7.31%～12.15%，這幾臺(tái)熱泵運(yùn)行效果較好，很好發(fā)揮了余熱回收功能。

在一定范圍內(nèi)增加煙氣余熱回收比例或煙氣余熱回收量占鍋爐供熱量比例，熱泵性能系數(shù)將隨之增大，至峰值后逐漸下降。在本文所述系列項(xiàng)目中，煙氣余熱回收比例為73.70%時(shí)(項(xiàng)目3)，ICOP達(dá)到最大，繼續(xù)增加煙氣余熱回收比例直至96.24%(項(xiàng)目5)或增加煙氣余熱回收量占鍋爐供熱量比例直至12.15%(項(xiàng)目5)，性能系數(shù)不斷減低，此時(shí)熱泵系統(tǒng)供熱量大但綜合能量轉(zhuǎn)化率低，繼續(xù)挖掘余熱資源所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)性并不佳。因此，煙氣余熱回收比例或煙氣余熱回收量占鍋爐供熱量比例并不是越高越好，存在一個(gè)適宜范圍使熱泵性能系數(shù)較大且運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)、高效區(qū)間。

3 結(jié)論及建議

① 對(duì)6臺(tái)熱泵運(yùn)行效果進(jìn)行測(cè)試分析，項(xiàng)目1熱泵運(yùn)行效果較差，其他項(xiàng)目5臺(tái)熱泵均處于較好的運(yùn)行狀態(tài)，能對(duì)鍋爐煙氣余熱實(shí)現(xiàn)有效回收。

② 熱泵性能系數(shù)可以有效反映熱泵運(yùn)行效果，對(duì)熱泵運(yùn)行具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

③ 煙氣余熱回收比例、回收鍋爐余熱量與鍋爐供熱量的比值存在一個(gè)較適宜范圍，以達(dá)到較高的熱泵性能系數(shù)，并不是越高越好。建議在這方面進(jìn)一步開展研究，擴(kuò)大樣本量，以確定適宜的比例范圍。