热泵技术在电厂循环水余热回收的应用论述

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(陕西高智电力咨询有限公司，西安 710054)

0 引 言

随着全球气候的不断变化，温室效应若供热机组此部分能源回收利用，趋于严重。为了积极应对全球气候变化，国家在“十一五”规划中提出单位国内生产总值能源消耗要降低20%，在“十二五”规划中提出单位国内生产总值能源消费要降低16%，单位国内生产总值二氧化碳排放降低17%的约束性指标。

为了确保实现“十二五”节约能源，减少主要污染物排放的指标，国家在“十二五”提出了调整优化产业结构、实施节约能源重点工程、实施循环经济重点工程等一系列措施。

火力发电厂作为一次能源消耗的重点行业，能源消耗量大，利用率却很低。从保护环境、节约能源等多方面考虑，除提高机组的效率出发外，还应采取各种节能措施利用或回收火电的废弃热能[1-2]。

1 电厂余热现状

火力发电厂的主要热量损失有两部分：排烟带走的热量和汽机排汽被循环水带走的热量，其中汽机的排汽损失最大。大型火力发电机组燃料总热量的35%左右转变为电能，而约60%的热能都损失在环境中，不但造成能源浪费，而且对环境造成热污染[3-4]。

锅炉的排烟温度在100 ℃以上，利用起来相对容易，目前大多数电厂在进行低温省煤器改造，目的就是回收利用锅炉的部分排烟热量。

汽机排汽的温度一般都比较低，约35 ℃左右，属于低品味热能，但是热量很大，占整个电厂热损失的60%以上。目前回收利用的很少，浪费量很大。若以冷却排汽的循环水为热源，利用热泵技术回收其余热，节能效果会非常显著。可采用的方法有两个：一是降低排汽缸真空，提高排汽温度，即通常所说的汽轮机组低真空运行；二是在电厂设置热泵吸取汽轮机凝汽余热实现供热。

汽轮机组低真空运行技术是将凝汽式汽轮机的真空降低，将凝汽器成为热水供热系统的基本加热器，原来的循环冷却水变成了供暖热媒，在热网系统中进行闭式循环，可有效利用汽轮机凝汽所释放的汽化潜热。当需要更高的供热温度时，则在尖峰加热器中进行二级加热。但是由于受到用户热负荷的制约，汽轮机本体结构的限制和机组安全运行的要求，这种技术对于大型机组是不适合推广的[5-6]。

热泵技术是是一种以消耗一部分高质能 ( 机械能、电能或高温热能等) 作为补偿 , 通过热力循环 , 把低品位的凝汽器排汽热损失加以回收、利用的装置 , 因此它可以充分利用低质能量而节约高位能量。特别是对于同时需要供冷和供热的场合 , 采用热泵装置就更加合理。目前这种技术在北方很多大型供热机组上已经逐步开始应用，能源回收效果比较明显[7]。

2 吸收式热泵原理

热泵按驱动能源分为电动热泵、燃气热泵、燃油热泵和蒸汽或热水热泵四大类。针对火力发电厂的情况，推荐可以推广应用的有蒸汽吸收式热泵和电动热泵两大类。对于抽气凝汽式型机组，可以采用蒸汽吸收式，两级换热系统将循环水余热回收，用于采暖和生活供热；对于纯凝汽式机组，可采用电动热泵，直接将循环水余热回收后，采暖区可供给热力公司，由热力公司进行二级加热后输送至其他用户，在其他非采暖区可直接加压用于采暖和生活。

2.1 蒸汽驱动型热泵技术(吸收式)

第一类吸收式热泵技术是以高品位的蒸汽作为驱动动力，回收低品位的热量，从而产生中等品位的热能的一种能源回收技术。吸收式热泵余热回收技术有高效节能和显著经济效益的特点，吸收式热泵常以溴化锂溶液作为工质，对环境没有污染，不破坏大气臭氧层，可以回收利用各种低品位的余热或废热，达到节能、减排、降耗的目的。

由于汽轮机凝汽余热的特点是品位低。排汽压力低，水冷机组背压4～8 kPa；冷凝温度低，水冷20～40 ℃，凝汽温度通常比较低。达不到直接供热的品位要求，必须设法适当提高其温度。吸收式热泵技术非常适合对凝气余热的回收。

吸收式热泵(单效溴化锂)由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液热交换器、节流装置、溶液泵、冷剂泵等组成；为了提高机组的热力系数还设有溶液热交换器；为了使装置能连续工作，使工质在各设备中进行循环，因而还装有屏蔽泵(溶液泵、冷剂泵)以及相应的连接管道、阀门等。其工作过程为：蒸发器连续地产生冷效应，从低位热源吸热，吸收器和冷凝器连续地产生热效应，将热水(中温热源)加热。热水在吸收器和冷凝器中的吸热量等于驱动热源和低位热源在热泵中的放热量之和。原理如图1所示。

图1 单效溴化锂吸收式制冷机工作原理

对电厂乏汽余热回收吸收式热泵来讲，驱动热源是汽轮机抽汽，低位热源是电厂汽轮机乏汽，被加热的热水(中温热源)是集中供热的热网水。

2.2 电动机驱动型热泵技术

电动型热泵与吸收式热泵的原理一样，区别在于驱动能源不一样，电动型热泵较为简单。

对电厂乏汽余热回收吸收式热泵来讲，驱动能源是电力，低位热源是电厂汽轮机乏汽，被加热的热水(中温热源)是集中供热的热网水。

3 热泵能源回收

3.1 热泵性能系数(能源回收系数)

以汽轮机抽汽为驱动能源QH，回收汽轮机乏汽余热QL，加热热网回水。得到的有用热量(热网加热量)为消耗的蒸汽热量与回收的余热量之和QH+QL。热泵的性能系数(COP)定义为得到的有用热量与消耗的蒸汽热量之比，即COP=(QH+QL)/QH

如单效吸收式热泵COPh=1.65～1.84，即消耗1份汽轮机采暖抽汽热量，回收0.65～0.84份乏汽余热，为热网提供1.65～1.84份热量，可见吸收式热泵供热量始终大于消耗的高品位热源的热量，具有较显著的节能优势。

单效吸收式热泵的能量平衡图如图2所示。

图2 热泵能量平衡图

3.2 能源回收分析

目前国内的供热机组主流机型为300 MW等级，文中以300 MW等级的常规抽汽供热机组为例，进行循环水余热回收能源利用的论述，在以下参数的前提下：

机组一次网供水温度： 120 ℃

机组一次网回水温度： 60 ℃

额定供热抽汽压力： 0.5 MPa

额定供热抽汽温度： 261.3 ℃

额定供热工况低压缸排汽量：205.88 t/h

额定供热工况小机排汽量： 35.41 t/h

最大供热工况排汽背压： 4.9 kPa

排汽焓： 2431.2 kJ/kg

凝水温度： 33.66 ℃，

凝水焓： 140.7 kJ/kg

单台300 MW机组额定抽汽工况下的可回收的冷凝热量为：

(205.88+35.41)×(2431.2-140.7)

=552.67×106kJ/h

截止2010年底，国内火电供热机组总容量达16 655万kW，占全国发电机组总容量的17.2%。供热机组装机容量约2 865万kW，折合约95台套300 MW等级机组。

目前国内300 MW等级供热机组的型式及供热能力基本相似，以300 MW等级供热机组采用热泵技术计算为例，基本两台300 MW等级的汽轮机抽汽可回收单台300 MW机组的冷凝热量，约552.67 GJ/h，按北方地区平均4个半月的采暖季(3 240 h)计算，鉴于机组实际运行效果和外网热负荷的变化等因素，考虑采暖期40%的供热时间处于60%供热负荷，60%的供热时间处于额定供热负荷对采暖小时数进行折算，折算小时数约2 720 h，一个采暖期两台300 MW等级的供热机组可回收热量约150×104GJ，折合标准煤约5.1万t，扣除改造后系统热泵设备增加的耗电，折合标煤量约4 680 t，扣除采暖期背压升高增加的煤耗量5 000 t。两台机组可年节约标准煤约4.1万t，可减少碳排放约5.7万t。

若全国供热机组此部分能源回收利用，可节约标准煤约195万t，相当于4个300 MW等级机组的年耗标准煤量，可减少碳排放约273万t，能源节约效益和环保效益相当可观。是节能减排的一个非常好的措施。

其次，近些年来，非采暖地区受气候变化影响，冬季异常潮湿阴冷，采用空调采暖的用户异常增多，电负荷也呈直线增加。作为改善这些地区居住环境，节约电能的角度来说，也可考虑采用水源热泵或吸收式热泵技术，将循环水温度提升直接作为采暖热源，在回收大量循环水带走的热量的同时，节约了大量的空调用能。但是，由于非采暖地区的城市供热管网并未建设，需要新建供热管网，不确定因素很多，制约了热泵采暖技术的应用与推广。

4 总结

国内火电机组装机容量非常大，其中非空冷机组占绝大多数，所以利用水源热泵回收电厂循环水的热量，不但可大量减少循环水的蒸发损失以及对环境造成的热污染，能较好的实现能源的梯级利用，而且技术上可行，运行费用较低，经济合理。热泵技术不但节约了一次能源的消耗，同时还节约了二次能源的消耗。作为提高火电机组提高用能效率、节约能源和环境保护的技术非常适合，目前在北方地区已经有部分应用，在有条件的地区应大力推广。

[1] 陈 东，谢继红.热泵技术及其应用[M].化学工业出版社.

[2] 贺益英，赵懿珺.电厂循环冷却水余热高效利用的关键问题[J].能源与环境，2007，NO.6.

[3] 李 岩，付 林，张世钢，等.电厂循环水余热利用技术综述[J].建筑科学，第26卷，第10期.

[4] 郭小丹，胡三高，杨 昆，等.热泵回收电厂循环水余热利用问题研究[J].现代电力，第27卷，第2 期.

[5] 冯立宁，李建荣，陈广元，等.常规干燥室余热回收装置的研究[J].森林工程，2012，28(2)：22-25.

[5] 吕向阳，吴华新.吸收式热泵技术在热电联产供热系统中的应用[J].

[6] 朱宏清，蔡小荣，毛洪财.溴化锂吸收式热泵在余热领域的应用[S].第十三届全网热泵与系统节能技术大会论文集.