熱泵回收電廠循環(huán)水余熱利用問題研究

李光強

摘 要：電廠的循環(huán)水存在大量低溫熱能，熱泵具有將低溫熱能提升為高溫熱能的能力。筆者對利用熱泵回收電廠循環(huán)水余熱的技術(shù)進行了可行性分析，并與常規(guī)熱電廠供熱進行對比，認為利用熱泵回收電廠余熱具有節(jié)能、環(huán)保的雙重效應；然后以某電廠周邊小區(qū)應用循環(huán)水熱泵系統(tǒng)進行冬季供暖以及夏季制冷為實例，進行技術(shù)經(jīng)濟性分析，雖然水源熱泵系統(tǒng)的初期投資較高，但運行費用較低，5 年可收回投資成本。

關(guān)鍵詞：水源熱泵；循環(huán)水；低溫余熱；節(jié)能；技術(shù)經(jīng)濟

在國家大力推行節(jié)能減排能源政策的大背景下，火電廠豐富的余熱資源正引起人們越來越多的關(guān)注?；痣姀S輸入燃料總熱量的35%左右轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?0%以上的熱能主要通過鍋爐排煙和汽輪機凝汽器的循環(huán)水散失到環(huán)境中。由于鍋爐的排煙溫度較高，利用起來相對容易，因此它一直是電廠和節(jié)能工作者關(guān)注的焦點。但由于凝汽器循環(huán)水的溫度一般只比環(huán)境溫度高 1O℃左右，熱品位不高，所以人們對它的利用遠遠不夠，往往直接排放到大氣中，造成能源的浪費以及對環(huán)境的熱污染。若以電廠循環(huán)水為熱源，利用熱泵技術(shù)回收其余熱，就能夠達到顯著的節(jié)能效果。

1 循環(huán)水一熱泵系統(tǒng)性能分析及其設(shè)計方案

1.1 水源熱泵的工作原理

水源熱泵是利用低溫水為熱源，達到向建筑物供冷和供熱的目的，實質(zhì)上是一種以消耗一部分高質(zhì)能（機械能、電能或高溫熱能等）作為補償，通過熱力循環(huán)，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的低品位能量加以發(fā)掘、利用的裝置，因此它可以充分利用低質(zhì)能量而節(jié)約高位能量。特別是對于同時需要供冷和供熱的場合，采用熱泵裝置就更加合理。

熱泵按照驅(qū)動力的不同分為壓縮式熱泵和吸收式熱泵。冬季在制熱工況下，低溫低壓的制冷劑（常用氟利昂類工質(zhì)）流經(jīng)蒸發(fā)器，從冷源吸熱升溫蒸發(fā)后進入壓縮機，被絕熱壓縮成高溫高壓蒸汽，然后進入冷凝器向熱源放熱冷凝后，經(jīng)膨脹閥絕熱節(jié)流，降溫降壓成低干度的濕蒸汽，低溫低壓的制冷劑再流經(jīng)蒸發(fā)器從熱源吸熱蒸發(fā)，開始新 的循環(huán)。夏季，水源熱泵的蒸發(fā)器變?yōu)槔淠?，冷凝器變?yōu)檎舭l(fā)器，則循環(huán)按反方向進行。

1.2 水源熱泵系統(tǒng)的性能分析

水源熱泵系統(tǒng)是否具有明顯的節(jié)能效果，其最重要的評價指標是熱泵的性能系數(shù)C0P（C oeffi—cient of P erform ance），即制熱系數(shù)COP和制冷系數(shù)COQ0 為熱泵從低溫熱源吸收的熱量在理想狀態(tài)下，水源熱泵的性能系數(shù)主要取決于兩熱源之間的溫度差，即冷凝溫度與蒸發(fā)溫度的差值。根據(jù)美國制冷學會ARI320標準，水源熱泵系統(tǒng)對水溫的要求在 5～38℃之間，在水溫0～22℃時系統(tǒng)能夠較經(jīng)濟地運行。一般的水源熱泵機組，在供水溫度9～20℃時，制熱系數(shù)C0P可達3.6～4.1；在供水溫度為15～30℃條件下，制冷系數(shù)達到5.5～4.3。因此，只要電廠所在區(qū)域溫度的季節(jié)性波動較小，使得循環(huán)水溫度在熱泵的經(jīng)濟運行溫度區(qū)間內(nèi)，那么循環(huán)水一熱泵系統(tǒng)就可以實現(xiàn)冬季供熱和夏季制冷兩種需求，從而獲得較高的能效比。

1.3 循環(huán)水一熱泵供熱系統(tǒng)的設(shè)計方案

利用電廠循環(huán)水供熱，由于其供回水溫差較?。?0～15℃左右），在相同的供熱負荷下，較城市熱網(wǎng)需要更大的管網(wǎng)投資和水泵電耗，因此循環(huán)水供熱的適用范圍為電廠周邊半徑3～5km以內(nèi)。循環(huán)水一熱泵供熱系統(tǒng)根據(jù)熱泵設(shè)置位置的不同，可分為分布式和集中式熱泵供熱方式。分布式熱泵供熱方式就是熱泵分散設(shè)置在用戶處的各個熱力站內(nèi)，將電廠循環(huán)水從電廠引出到各個熱力站；集中式熱泵供熱方式就是將熱泵在電廠內(nèi)部集中設(shè)置，提取電廠循環(huán)水余熱產(chǎn)生熱水送出電廠。但從減少管網(wǎng)輸送熱損失和熱泵規(guī)格的角度考慮，應盡量采取分布式熱泵供熱方式。

將循環(huán)水通過一次循環(huán)水管網(wǎng)輸送到設(shè)立在各個用戶處的熱力站，熱力站內(nèi)分別安裝有吸收式熱泵機組或者電動壓縮式熱泵機組。電廠循環(huán)水在相應的熱泵機組中放熱降溫后，返回電廠凝汽器吸熱升溫后再輸送到熱力站。如此循環(huán)往復地將電廠凝汽器余熱輸送到用戶熱力站，熱泵機組從循環(huán)水吸熱并加熱二次側(cè)熱媒，通過二次管網(wǎng)輸送到用戶處的采暖末端設(shè)備。

熱力站具體采用哪種形式的熱泵，需要結(jié)合電廠周邊用戶地區(qū)的能源供應狀況而定。吸收式熱泵主要是采用高溫熱水 （120℃～130℃）、蒸汽 （6bar）或天然氣驅(qū)動，對于電廠周邊熱水網(wǎng)采暖的用戶以及具備燃氣或蒸汽條件的用戶可以將循環(huán)水通過管道引到熱力站，并在熱力站增設(shè)吸收式熱泵，從而實現(xiàn)相應地區(qū)周邊的高效供熱，節(jié)約用能一倍以上。蒸汽或天然氣沒有到達同時電力容量不受限制的電廠周邊地區(qū)，可采用電動壓縮式熱泵技術(shù)回收電廠循環(huán)水熱量。壓縮式熱泵系統(tǒng)綜合能源利用率略低于吸收式熱泵，但是壓縮式熱泵的一個優(yōu)勢就是占地小、設(shè)置靈活，可以設(shè)置在熱力站甚至是設(shè)置在住戶家中，實現(xiàn)設(shè)備冬夏兩用，降低設(shè)備初投資。

2 循環(huán)水一熱泵系統(tǒng)的適用范圍

由于循環(huán)水余熱量較大、熱能品位較低，因此大規(guī)模利用這部分熱量仍然受到3個方面的制約：

首先是供熱距離的限制。由于循環(huán)水供熱熱水的供、回水溫差較小，因此其輸送距離就會受到限制，如果熱用戶離電廠較遠，長距離輸送會造成較大的輸送水泵電耗。因此該種推廣方式只能局限在電廠周邊3～5km范圍內(nèi)的地區(qū)。

其次是熱量的需求。要大規(guī)模利用循環(huán)水余熱，就要求在電廠附近有相應的熱負荷需求。循環(huán)水熱量利用的主要途徑包括：冬季居民小區(qū)的生活熱水和采暖，以及一些特殊熱量需求，如游泳池、農(nóng)業(yè)等。生活熱水的熱負荷相對較小，而并不是每個電廠周圍都有特殊的熱量需求。

最后是熱泵C0P的限制。常用的熱泵機組包括吸收式和壓縮式兩種，無論哪一種熱泵，都在出水溫度為40～50℃運行的條件下較為經(jīng)濟。此溫度適用于一些新的低溫采暖技術(shù)如風機盤管或者地板輻射采暖，而不適宜較老的暖氣片方式進行采暖。

3 取代凝汽器循環(huán)方式

循環(huán)水的余熱歸根溯源主要來源于低壓缸排汽的熱量，如果考慮用氣源熱泵代替水源熱泵而直接從排汽中吸取熱量，將節(jié)省用循環(huán)水吸收排汽熱量的環(huán)節(jié)，從而提高熱交換效率，且回收的余熱既可用于冬季的生活供熱，也可常年用于加熱凝結(jié)水，參與火電廠的熱力循環(huán)。

低壓缸的排汽進入熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器被制冷劑吸取汽化潛熱并液化成水，低熱量的水通過水泵加壓進入熱泵系統(tǒng)的冷凝器吸取通過壓縮機壓縮形成的高溫制冷劑熱量，成為具有一定溫度的凝結(jié)水進入下一個加熱器，參與火電廠的熱力循環(huán)。這種循環(huán)方式利用火電廠本身的排汽能量參與熱力循環(huán)，不僅省去了凝汽器和冷卻塔的投資，更能在運行當中節(jié)省煤耗和水量，是一種環(huán)保節(jié)能型的運行方式。這種方式較之前幾種循環(huán)方式更節(jié)能，更具有前瞻性，這種技術(shù)利用熱泵機組直接回收乏汽余熱，其潛熱能量巨大，而且省去了將余熱傳遞給循環(huán)水的過程，減少了傳熱損失，大大提高余熱利用率，將是未來新建火電廠的一種技術(shù)參考，不過這種方式對機組和系統(tǒng)的影響大，有待于進一步研究和試驗。

4 結(jié)束語

利用水源熱泵回收電廠循環(huán)水的熱量，可減少循環(huán)水的蒸發(fā)損失以及對環(huán)境造成的熱污染，能較好地實現(xiàn)能源的梯級利用，不僅技術(shù)上可行，而且在溫度條件適宜的地區(qū)，系統(tǒng)可實現(xiàn)冬、夏兩季的空調(diào)負荷調(diào)節(jié)，其運行費用較低、經(jīng)濟上合理，適合作為電廠及其周邊小區(qū)的集中供熱制冷系統(tǒng)，整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、舒適性較高，充分體現(xiàn) 了系統(tǒng)的經(jīng)濟性、節(jié)能性、環(huán)保性的優(yōu)點，應在有條件的地區(qū)大力推廣。