火力发电厂余热利用与热泵技术研究

2016-08-09刘林

大科技 2016年21期

关键词：抽汽火力发电厂热泵

刘林

（贵州黔桂天能焦化有限责任公司贵州盘县 553531）

火力发电厂余热利用与热泵技术研究

刘林

（贵州黔桂天能焦化有限责任公司贵州盘县 553531）

热泵技术在火力发电厂的应用可实现循环冷却水中所含有低位热能的回收利用，换句话说，即实现火力发电厂的余热利用，不仅有利于热能利用率的提高，还有利于减少有毒气体的排放，对经济效益的提高和生态环境的保护具有重要意义。因此，加强火力发电厂余热利用和热泵技术的相关研究是非常有必要的，本文主要从热泵及其工作原理入手，对其在火力发电厂的应用进行分析，以期为火力发电厂热泵技术的相关研究提供可靠科学的参考依据。

火力发电厂；余热利用；热泵技术

1 引言

由于火力发电厂发电的过程较为复杂，需要经过多个程序才能保证发电任务的完成，但在火力发电过程中，会有大量余热残留在各个程序中，若不对这些余热进行合理回收及利用，不仅会造成热能的浪费，同时还会对环境造成严重污染。据相关调查显示，目前我国一些大型火力发电厂的热能利用率达40%，由此可见，在火力发电过程中大量热能被浪费掉，而在火力发电的众多程序中，含有余热最多的环节就是循环冷却水，因此，循环冷却水余热的回收利用是火力发电厂热泵技术需要研究的重点内容。

2 热泵及其工作原理

2.1 热泵的组成

所谓的热泵就是一种用来转移热量的装置，能够有效的将低温物体所含有的热量转移到高温物体上，热泵装置的组成主要包括三个部分：①驱动能源和驱动装置。热泵装置的主要驱动能源为电能，而电机、发动机则是热泵所使用的驱动装置；②工作机；③低位热源，热泵装置中的低温水就是低位能源。在火力发电过程中，通过热泵装置的使用可将未充分利用的热能转变为具有一定利用价值的热能，这一转变过程，不仅会降低对环境的污染，减少能源的消耗，还能有效实现热能利用率的提高。

2.2 热泵的工作原理

相关的物理学中提到，热量不会在缺乏外力作用的情况下自发地从低温物体转移至高温物体，同时保证这一过程还不会发生其它变化。因此，在火力发电过程中，通过热泵技术的使用，将低温物体的热量转移到高温物体的过程是需要消耗能量的。从定量角度对该能量消耗的过程进行分析，在热泵装置运行的过程中，热泵为了达到热量传递的目的所消耗的功耗为W，从循环冷却水中所回收的热量为Q2，最终通过热泵装置所输出的热量为Q1，上述二者之和为Q1=Q2+W，则在该过程中，热泵装置工作的效率为C，则C=Q1/W，由此可见，热泵工作效率是和循环冷却水的温度相关。据有关研究表明，若冷凝温度不变的话，循环冷却水的温度则会提高，相应的，热泵的工作效率也会提高。因此，热泵技术在火力发电厂中的应用，可有效回收循环冷取水中的余热，以此来实现节能减排的目标。

3 热泵技术在火力发电厂中的应用

火力发电厂中循环冷却水具有水质清洁、流动性稳定、温度高的特点，采用热泵设备进行改造相对简单，在一定程度上，会提高COP的值，虽然在改造初期需要一定的资金投入，且热泵运行需要消耗一定电量，但经过改造后的热泵设备具有自动化程度高、工作效率高、易于运行管理、回收投资成本周期短等优势，从而大大改善了火力发电厂的整体运行情况。对热泵装置进行改造后，要求其应具备以下几个特点：

3.1 高温水源热泵在火力发电过程中，若循环冷却水的温度低于35℃，则难以通过热泵技术对其残留的余热进行回收、利用，因此，可通过热泵技术实现其温度的提升，一般情况下，热泵热水出口的温度为40～50℃，对采暖而言，要求水温提高至70～80℃，因此，高温水源热泵能够有效保障循环冷却水余热的回收。

3.2 大容量大温差热泵

通过热泵装置从火电厂循环冷却水中回收来的热量较多，若周围用户所需的热量比从循环冷却水中回收来的热量少，则要将这些剩余的热量输送至更远的地方，在这种情况下，就需要大容量大温差热泵。一般情况下，热泵的容量在200～300MW之间较为合适，温差的话，则要分情况，若是冷水的话，温差控制在8℃较为合适，若是热水，则温差应超过20℃。

3.3 高制热系数水源热泵

为了实现热泵集中供热系统经济效益的提高，应选择制热能效＞4的热泵机组。目前，我国开展余热利用的电厂不多，仅占火电厂总数的16%，其中87%的电厂主要的利用方式是水产养殖，所需热量较少，其工作效率低下。将热泵技术积极应用在火电厂循环冷却水中，可实现热效率的有效提高，有利于降低能源消耗。

4 火力发电厂余热利用与热泵改造工程应用

在火力发电厂相关热泵改造中，普遍采用“热电—热泵”联合循环的模式，这种形式的循环主要是指通过热泵装置的利用可将循环冷却水中的低品质余热提升为高品质余热，并输送至用能的场所，供相关用户使用，将热电正循环和热泵逆循环有效联合起来。

4.1 工程概况

以某市的某热电厂余热回收供暖为例，该电厂共有3台2.5万kW的抽汽凝汽式机组，在冬季供暖所消耗的蒸汽量为300t/h，在改造前，该电厂的抽汽供热量已经达到了该机组的极限，运行状况不太稳定，通过低温余热回收技术在该电厂的应用，能将该热电厂原来排放至环境中的循环水冷却水余热进行回收，并经过余热回收机组的加热后，可投入到冬季采暖回水加热的使用中去，能够有效实现供暖蒸汽量的节省，所节省下来的蒸汽还可用于扩大供热面积上，并产生一定的经济效益，同时也有利于保障机组的安全、稳定运行。

热电厂的余热源主要包括电厂的循环冷却水、锅炉的排污热水，在改造过程中通过对循环冷却水余热的使用，该水源在冬季进出冷却塔的水温在20～30℃之间，每台循环水泵的给水量为3300m3/h，该电厂有3台冷却循环泵，其所产生的冷却水水质较为干净，具有大量余热，通过有关计算发现，若对循环冷却水中的热量进行回收，则可回收的与残余热量为115MW，这些回收的热量可大大增加供暖的面积，利用价值较大。

在冬季，该电厂实行抽汽供暖和发电，供暖主要采用形式为市政热网，分为首站和二级站，首站设在发电厂内，具备2台涉笔，通过汽水换热器的方式，进行2次换热，一次侧是从汽机中直接抽汽加热回水，蒸汽为过热蒸汽，压力为0.33MPa，共消耗的能量为300t/h；二次侧是主要是采用汽机抽汽供暖之后的热水加热回水，温度为60～110℃，消耗的能量为4000t/h。

余热利用在改造过程中，从汽机中蒸汽的压力为0.33MPa，作为主要的驱动热源，从20～30℃的循环冷却水中对热量进行提取，以此来给首站换热器二次侧的60℃的回水加热至75℃后在引进首站换热器，在通过部分0.33MPa的抽汽将这些回水加热至100℃后，才可供暖，流程图如图1所示。