基于热泵技术南方电厂循环水余热利用研究

2018-11-29洪杰南

发电设备 2018年6期

袁方，洪杰南

(国家电力投资集团江西能源销售有限公司，南昌 330096)

目前我国能源综合利用率不超过40%，比发达国家低约10%，极大地浪费了资源。对于能源消耗大户的火力发电厂来说，其燃料燃烧总发热量中电能的转化率只有35%～40%，而其余大部分的热量主要通过锅炉烟囱和循环水冷却塔散失到环境中[1-2]，其中通过冷却塔流失的热量又占绝大部分[3]。电厂凝汽器循环冷却水的出水温度比江河水温一般高出10 K左右，在电力生产过程中汽轮机的冷端损失不可避免，如果可以通过其他方式加以回收利用，能够提高电厂的发电效率、降低煤耗，同时减少对环境的热污染。

随着居民生活品质的提升，日常生活及轻工业生产过程中对中、低温热能的需求越来越多，许多工业生产过程都需要低品位的热能，如果利用热泵技术将低品位的电厂余热提高品位向这些工业用户供热，将会降低大量的燃料消耗，能源的综合利用率将得到有效提高[4]。

1 热泵技术原理

根据热力学第二定律，不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化，即热量不会自发地从低温物体传递到高温物体，若要使热量从低温物体传递到高温物体，则需要付出一定的代价。热泵的基本原理是基于逆卡诺循环，在小部分驱动能量的作用下，将热量从低温热源传递到高温热源：在制冷模式下，吸收房间内的热量使室内温度降低；在制热模式下，从外部环境中吸收热量传递到房间内，使室内温度升高[5-6]。由于热泵起到的其实是搬运能量的作用，因此热泵的能效比可以大于1，最高可达5～6，热泵技术原理见图1。

图1 热泵技术原理

2 基于热泵技术的循环水余热利用方式

2.1 吸收式热泵

电厂内采用吸收式热泵，利用蒸汽对冷却循环水余热进行热回收，制备高温热水，通过管网输送至能源站，能源站内利用电厂高温热水来制冷制热。

对于电厂内部高温热水的制备，主要以高品质蒸汽作为驱动能源，在电厂内部采用吸收式热泵机组对冷却塔循环水热量进行回收，并进一步通过蒸汽对高温热水进行加热，向外提供高温热水；驱动热源采用电厂蒸汽，蒸汽压力为0.5～0.8 MPa。主要流程见图2。

图2 吸收式热泵提取循环水余热集中供能流程图

以蒸汽作为驱动能源，利用吸收式热泵机组回收电厂循环水余热，将高温热水回收升温至90 ℃，然后利用汽水换热机组中的蒸汽将90 ℃的热水继续升温至130 ℃，接着将其通过管网输送至新城各个能源站制冷制热，随后70 ℃热水通过管网返回电厂，如此循环。若在能源站增设吸收式大温差换热机组，可将一次网回水温度降至30 ℃左右，拉大一次侧热网供回水温差，大幅提高管道输热能力，增大供能面积。

该方式在山西大同等地已得到了广泛的应用，在热电厂无需扩容的情况下大大增加了其供热能力，减少了大气污染物的排放，有效缓解了北方供暖季节环境质量问题[7-8]。但该方式由于电厂内部和能源站内部都需要增设吸收式热泵机组，导致投资增大；且对于夏季有集中供冷需求的南方地区，吸收式溴化锂制冷机组的效率偏低，夏季供能成本较高。

2.2 水源热泵

水源热泵是以地表水或人工再生水源的低品位热能，利用热泵技术，以消耗少量电能为代价，实现热量从低品位热能向高品位热能传递的一种技术[9]。

电厂循环冷却水水温相对于江水温度高出8～10 K，在热泵系统制热工况下，水源温度升高可以提高换热效率，进而提高热泵机组的制热能效比，热泵机组因此可以降低电能的消耗。进入水源热泵释放完热量的这部分循环水温度比经过电厂冷却塔冷却的温度低，因此凝汽器循环水的进水温度比改造前低，汽轮机凝汽器的真空度得到了提升，使得汽轮机的通流量增加，增大了发电功率。电厂不再需要通过冷却塔对循环冷却水降温，节省了冷却塔的电能消耗。提高水源的取水温度，可以提高主机的换热温差，在相同的取热量下可以降低水源水的取用量[10]。因此，电厂的循环冷却水废热资源的利用可以有效地减少水资源和电能的消耗。水源热泵冬季利用电厂循环水制热的原理见图3。

电厂汽轮机排汽在凝汽器中凝结放热，循环冷却水吸收排汽的汽化潜热后温度升高，从凝汽器出口引出一部分循环水经输水管道到达蒸发器，释放完热量后回到循环水池；另一部分按原有路径进入冷却塔，与空气换热降温后回到循水池。水源热泵工作介质在蒸发器中吸收循环水的余热后，通过压缩机的作用，提高温度和压力，在冷凝器中将热量传递给热网回水，后在节流阀的作用下，降低温度和压力，回到蒸发器中继续吸收循环水余热，进行下一次循环。热网回水在冷凝器中吸收水源热泵工作介质放出的热量，温度提升后进入用户侧的换热器换热，释放完热量后回到冷凝器中继续下一次循环。

1—凝汽器；2—冷却塔；3—循环水泵；4，10—水泵；5—蒸发器；6—压缩机；7—冷凝器；8—节流阀；9—散热器。

图3 水源热泵提取循环水余热集中供能流程图

对于夏季有供冷需求的南方地区可将水源热泵机组切换为制冷模式，在能源站就地建设冷却塔或取江水作为冷源进行制冷。

3 利用电厂循环水余热集中供能的技术方案

利用热泵技术回收电厂循环水余热用于区域集中供热在北方已有了大量的成功案例，但由于北方基本无集中供冷需求，因此利用电厂循环水供冷的工程案例目前并无相关报道。而对于南方有些地区，冬季湿冷、夏季炎热，居民既有集中供暖的需求，也有集中供冷的需求，因此针对回收电厂循环水余热用于南方地区集中供冷和供热研究是非常必要的。

针对南方某一规划进行集中供冷和供热的新城(集中供能规模为：规划建筑面积950万m2，冬季装机供暖负荷约为233 MW，夏季装机供冷负荷约为380 MW，供冷时长为4.5月，供热时长为3月)，利用距离新城8 km左右的一大型火力发电厂作为热源点，回收电厂的循环水余热，同时考虑利用新城周边的江水资源，设计了以下三个集中供能方案：

(1) 利用电厂循环水余热的水源热泵方案(方案一)。

新城能源站采用电压缩式冷水机组和水源热泵机组，冬季将电厂循环水通过管道输送至新城能源站，利用电厂循环水作为热源制热，夏季利用能源站冷却塔作为冷源制冷。

冬季电厂循环水平均温度为25 ℃，不受天气条件影响，比冬季江水温度高约17 K，不仅使得供能系统制热效率高、供热成本低，还能保证供热可靠性。夏季能源站制冷采取就地冷却塔冷却，冷却塔可根据冷负荷的情况灵活配置，与制冷主机的匹配性更好，同时冷却塔投资成本也更低。

(2) 利用电厂循环水余热与新城江水的水源热泵方案(方案二)。

新城能源站采用电压缩式冷水机组和水源热泵机组，同时建设电厂循环水管网系统和新城就地江水取水及江水循环管网系统，冬季利用电厂循环水作为热源制热，夏季利用江水作为冷源制冷。

该方案冬季利用电厂循环水制热效率高，夏季利用江水制冷的效率也很高，但因需要建设电厂循环水和江水取回水两套水系统，使得投资增大。

(3) 利用电厂蒸汽与循环水余热的吸收式热泵方案(方案三)。

在电厂内部设置吸收式热泵机组，提取循环水余热，从电厂引出高温热水(双管制)主管道至新城，能源站接入高温热水管网，能源站内配置热水制热系统，冬季直接利用高温热水，通过水水换热机组制备空调热水；电厂至能源站的高温热水供水管按照蒸汽管道标准设计，夏季则通过高温热水供水管将电厂蒸汽输送至能源站，能源站内配置蒸汽与电制冷系统，通过蒸汽驱动型溴化锂吸收式制冷机组串联离心式冷水机组的制冷系统制备大温差空调冷水。

该方案同时利用了电厂的蒸汽和循环水资源，电厂热能利用率较高，主管网供回水温差较大，管径可有所减小；但系统复杂，占地面积大，热源改造投资较大，造成总投资增加，同时溴化锂机组效率比离心式机组低，夏季供冷成本较高。