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0 引 言

隨著全球氣候的不斷變化，溫室效應(yīng)若供熱機(jī)組此部分能源回收利用，趨于嚴(yán)重。為了積極應(yīng)對(duì)全球氣候變化，國家在“十一五”規(guī)劃中提出單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗要降低20%，在“十二五”規(guī)劃中提出單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消費(fèi)要降低16%，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放降低17%的約束性指標(biāo)。

為了確保實(shí)現(xiàn)“十二五”節(jié)約能源，減少主要污染物排放的指標(biāo)，國家在“十二五”提出了調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、實(shí)施節(jié)約能源重點(diǎn)工程、實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)工程等一系列措施。

火力發(fā)電廠作為一次能源消耗的重點(diǎn)行業(yè)，能源消耗量大，利用率卻很低。從保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源等多方面考慮，除提高機(jī)組的效率出發(fā)外，還應(yīng)采取各種節(jié)能措施利用或回收火電的廢棄熱能[1-2]。

1 電廠余熱現(xiàn)狀

火力發(fā)電廠的主要熱量損失有兩部分：排煙帶走的熱量和汽機(jī)排汽被循環(huán)水帶走的熱量，其中汽機(jī)的排汽損失最大。大型火力發(fā)電機(jī)組燃料總熱量的35%左右轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，而約60%的熱能都損失在環(huán)境中，不但造成能源浪費(fèi)，而且對(duì)環(huán)境造成熱污染[3-4]。

鍋爐的排煙溫度在100 ℃以上，利用起來相對(duì)容易，目前大多數(shù)電廠在進(jìn)行低溫省煤器改造，目的就是回收利用鍋爐的部分排煙熱量。

汽機(jī)排汽的溫度一般都比較低，約35 ℃左右，屬于低品味熱能，但是熱量很大，占整個(gè)電廠熱損失的60%以上。目前回收利用的很少，浪費(fèi)量很大。若以冷卻排汽的循環(huán)水為熱源，利用熱泵技術(shù)回收其余熱，節(jié)能效果會(huì)非常顯著?？刹捎玫姆椒ㄓ袃蓚€(gè)：一是降低排汽缸真空，提高排汽溫度，即通常所說的汽輪機(jī)組低真空運(yùn)行；二是在電廠設(shè)置熱泵吸取汽輪機(jī)凝汽余熱實(shí)現(xiàn)供熱。

汽輪機(jī)組低真空運(yùn)行技術(shù)是將凝汽式汽輪機(jī)的真空降低，將凝汽器成為熱水供熱系統(tǒng)的基本加熱器，原來的循環(huán)冷卻水變成了供暖熱媒，在熱網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行閉式循環(huán)，可有效利用汽輪機(jī)凝汽所釋放的汽化潛熱。當(dāng)需要更高的供熱溫度時(shí)，則在尖峰加熱器中進(jìn)行二級(jí)加熱。但是由于受到用戶熱負(fù)荷的制約，汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)的限制和機(jī)組安全運(yùn)行的要求，這種技術(shù)對(duì)于大型機(jī)組是不適合推廣的[5-6]。

熱泵技術(shù)是是一種以消耗一部分高質(zhì)能 ( 機(jī)械能、電能或高溫?zé)崮艿? 作為補(bǔ)償 , 通過熱力循環(huán) , 把低品位的凝汽器排汽熱損失加以回收、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(duì)于同時(shí)需要供冷和供熱的場(chǎng)合 , 采用熱泵裝置就更加合理。目前這種技術(shù)在北方很多大型供熱機(jī)組上已經(jīng)逐步開始應(yīng)用，能源回收效果比較明顯[7]。

2 吸收式熱泵原理

熱泵按驅(qū)動(dòng)能源分為電動(dòng)熱泵、燃?xì)鉄岜?、燃油熱泵和蒸汽或熱水熱泵四大類。針?duì)火力發(fā)電廠的情況，推薦可以推廣應(yīng)用的有蒸汽吸收式熱泵和電動(dòng)熱泵兩大類。對(duì)于抽氣凝汽式型機(jī)組，可以采用蒸汽吸收式，兩級(jí)換熱系統(tǒng)將循環(huán)水余熱回收，用于采暖和生活供熱；對(duì)于純凝汽式機(jī)組，可采用電動(dòng)熱泵，直接將循環(huán)水余熱回收后，采暖區(qū)可供給熱力公司，由熱力公司進(jìn)行二級(jí)加熱后輸送至其他用戶，在其他非采暖區(qū)可直接加壓用于采暖和生活。

2.1 蒸汽驅(qū)動(dòng)型熱泵技術(shù)(吸收式)

第一類吸收式熱泵技術(shù)是以高品位的蒸汽作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，回收低品位的熱量，從而產(chǎn)生中等品位的熱能的一種能源回收技術(shù)。吸收式熱泵余熱回收技術(shù)有高效節(jié)能和顯著經(jīng)濟(jì)效益的特點(diǎn)，吸收式熱泵常以溴化鋰溶液作為工質(zhì)，對(duì)環(huán)境沒有污染，不破壞大氣臭氧層，可以回收利用各種低品位的余熱或廢熱，達(dá)到節(jié)能、減排、降耗的目的。

由于汽輪機(jī)凝汽余熱的特點(diǎn)是品位低。排汽壓力低，水冷機(jī)組背壓4～8 kPa；冷凝溫度低，水冷20～40 ℃，凝汽溫度通常比較低。達(dá)不到直接供熱的品位要求，必須設(shè)法適當(dāng)提高其溫度。吸收式熱泵技術(shù)非常適合對(duì)凝氣余熱的回收。

吸收式熱泵(單效溴化鋰)由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溶液熱交換器、節(jié)流裝置、溶液泵、冷劑泵等組成；為了提高機(jī)組的熱力系數(shù)還設(shè)有溶液熱交換器；為了使裝置能連續(xù)工作，使工質(zhì)在各設(shè)備中進(jìn)行循環(huán)，因而還裝有屏蔽泵(溶液泵、冷劑泵)以及相應(yīng)的連接管道、閥門等。其工作過程為：蒸發(fā)器連續(xù)地產(chǎn)生冷效應(yīng)，從低位熱源吸熱，吸收器和冷凝器連續(xù)地產(chǎn)生熱效應(yīng)，將熱水(中溫?zé)嵩?加熱。熱水在吸收器和冷凝器中的吸熱量等于驅(qū)動(dòng)熱源和低位熱源在熱泵中的放熱量之和。原理如圖1所示。

圖1 單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)工作原理

對(duì)電廠乏汽余熱回收吸收式熱泵來講，驅(qū)動(dòng)熱源是汽輪機(jī)抽汽，低位熱源是電廠汽輪機(jī)乏汽，被加熱的熱水(中溫?zé)嵩?是集中供熱的熱網(wǎng)水。

2.2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型熱泵技術(shù)

電動(dòng)型熱泵與吸收式熱泵的原理一樣，區(qū)別在于驅(qū)動(dòng)能源不一樣，電動(dòng)型熱泵較為簡(jiǎn)單。

對(duì)電廠乏汽余熱回收吸收式熱泵來講，驅(qū)動(dòng)能源是電力，低位熱源是電廠汽輪機(jī)乏汽，被加熱的熱水(中溫?zé)嵩?是集中供熱的熱網(wǎng)水。

3 熱泵能源回收

3.1 熱泵性能系數(shù)(能源回收系數(shù))

以汽輪機(jī)抽汽為驅(qū)動(dòng)能源QH，回收汽輪機(jī)乏汽余熱QL，加熱熱網(wǎng)回水。得到的有用熱量(熱網(wǎng)加熱量)為消耗的蒸汽熱量與回收的余熱量之和QH+QL。熱泵的性能系數(shù)(COP)定義為得到的有用熱量與消耗的蒸汽熱量之比，即COP=(QH+QL)/QH

如單效吸收式熱泵COPh=1.65～1.84，即消耗1份汽輪機(jī)采暖抽汽熱量，回收0.65～0.84份乏汽余熱，為熱網(wǎng)提供1.65～1.84份熱量，可見吸收式熱泵供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量，具有較顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

單效吸收式熱泵的能量平衡圖如圖2所示。

圖2 熱泵能量平衡圖

3.2 能源回收分析

目前國內(nèi)的供熱機(jī)組主流機(jī)型為300 MW等級(jí)，文中以300 MW等級(jí)的常規(guī)抽汽供熱機(jī)組為例，進(jìn)行循環(huán)水余熱回收能源利用的論述，在以下參數(shù)的前提下：

機(jī)組一次網(wǎng)供水溫度： 120 ℃

機(jī)組一次網(wǎng)回水溫度： 60 ℃

額定供熱抽汽壓力： 0.5 MPa

額定供熱抽汽溫度： 261.3 ℃

額定供熱工況低壓缸排汽量：205.88 t/h

額定供熱工況小機(jī)排汽量： 35.41 t/h

最大供熱工況排汽背壓： 4.9 kPa

排汽焓： 2431.2 kJ/kg

凝水溫度： 33.66 ℃，

凝水焓： 140.7 kJ/kg

單臺(tái)300 MW機(jī)組額定抽汽工況下的可回收的冷凝熱量為：

(205.88+35.41)×(2431.2-140.7)

=552.67×106kJ/h

截止2010年底，國內(nèi)火電供熱機(jī)組總?cè)萘窟_(dá)16 655萬kW，占全國發(fā)電機(jī)組總?cè)萘康?7.2%。供熱機(jī)組裝機(jī)容量約2 865萬kW，折合約95臺(tái)套300 MW等級(jí)機(jī)組。

目前國內(nèi)300 MW等級(jí)供熱機(jī)組的型式及供熱能力基本相似，以300 MW等級(jí)供熱機(jī)組采用熱泵技術(shù)計(jì)算為例，基本兩臺(tái)300 MW等級(jí)的汽輪機(jī)抽汽可回收單臺(tái)300 MW機(jī)組的冷凝熱量，約552.67 GJ/h，按北方地區(qū)平均4個(gè)半月的采暖季(3 240 h)計(jì)算，鑒于機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效果和外網(wǎng)熱負(fù)荷的變化等因素，考慮采暖期40%的供熱時(shí)間處于60%供熱負(fù)荷，60%的供熱時(shí)間處于額定供熱負(fù)荷對(duì)采暖小時(shí)數(shù)進(jìn)行折算，折算小時(shí)數(shù)約2 720 h，一個(gè)采暖期兩臺(tái)300 MW等級(jí)的供熱機(jī)組可回收熱量約150×104GJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約5.1萬t，扣除改造后系統(tǒng)熱泵設(shè)備增加的耗電，折合標(biāo)煤量約4 680 t，扣除采暖期背壓升高增加的煤耗量5 000 t。兩臺(tái)機(jī)組可年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約4.1萬t，可減少碳排放約5.7萬t。

若全國供熱機(jī)組此部分能源回收利用，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約195萬t，相當(dāng)于4個(gè)300 MW等級(jí)機(jī)組的年耗標(biāo)準(zhǔn)煤量，可減少碳排放約273萬t，能源節(jié)約效益和環(huán)保效益相當(dāng)可觀。是節(jié)能減排的一個(gè)非常好的措施。

其次，近些年來，非采暖地區(qū)受氣候變化影響，冬季異常潮濕陰冷，采用空調(diào)采暖的用戶異常增多，電負(fù)荷也呈直線增加。作為改善這些地區(qū)居住環(huán)境，節(jié)約電能的角度來說，也可考慮采用水源熱泵或吸收式熱泵技術(shù)，將循環(huán)水溫度提升直接作為采暖熱源，在回收大量循環(huán)水帶走的熱量的同時(shí)，節(jié)約了大量的空調(diào)用能。但是，由于非采暖地區(qū)的城市供熱管網(wǎng)并未建設(shè)，需要新建供熱管網(wǎng)，不確定因素很多，制約了熱泵采暖技術(shù)的應(yīng)用與推廣。

4 總結(jié)

國內(nèi)火電機(jī)組裝機(jī)容量非常大，其中非空冷機(jī)組占絕大多數(shù)，所以利用水源熱泵回收電廠循環(huán)水的熱量，不但可大量減少循環(huán)水的蒸發(fā)損失以及對(duì)環(huán)境造成的熱污染，能較好的實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，而且技術(shù)上可行，運(yùn)行費(fèi)用較低，經(jīng)濟(jì)合理。熱泵技術(shù)不但節(jié)約了一次能源的消耗，同時(shí)還節(jié)約了二次能源的消耗。作為提高火電機(jī)組提高用能效率、節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)的技術(shù)非常適合，目前在北方地區(qū)已經(jīng)有部分應(yīng)用，在有條件的地區(qū)應(yīng)大力推廣。

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