沈曉懿，董委，何屏

(昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

吸收式熱泵在熱電廠利用的節(jié)能效果

沈曉懿，董委，何屏

(昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

一方面為了降低化石燃料持續(xù)走高的價(jià)格并由此帶來的環(huán)境污染問題；另一方面為了解決熱電廠目前普遍存在的供熱能力嚴(yán)重不足的矛盾，本文通過對某熱電廠供熱機(jī)組的循環(huán)水側(cè)的局部系統(tǒng)改造，利用吸收式熱泵技術(shù)對循環(huán)水余熱回收，在熱泵系數(shù)COP、熱泵凈回收量、節(jié)約煤炭量、節(jié)約用水量及減排量幾個(gè)指標(biāo)方面得到結(jié)果，最后得到熱電廠的日常維護(hù)成本明顯下降，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的，也解決了冬季供熱能力不足的問題。

供熱；熱泵凈回收量；吸收式熱泵；熱泵系數(shù)COP；節(jié)水量

由于發(fā)展中國家能源需求迅猛增長，今后30年全球能源消費(fèi)將大幅增長56%。盡管預(yù)計(jì)未來30年可再生能源和核能的消費(fèi)增長最快，它們均將以平均每年2.5%的速度增長,但是，全球能源消費(fèi)仍將以煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石燃料為主[1],這便使得化石燃料短缺的問題越來越突出。隨著污染排放和全球氣候變暖，對于環(huán)境良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，化石燃料的消耗已成為一個(gè)重要的影響因素[2]。我國2012年能源消費(fèi)占全球20%，鋼鐵消費(fèi)占全球43%,銅占40%,鋁占41%,均居世界第一。預(yù)計(jì)未來20年，在工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化帶動(dòng)下，我國能源消費(fèi)增速將保持年均4.5%[3]。

工業(yè)企業(yè)是能源消費(fèi)大戶，其在生產(chǎn)的過程中產(chǎn)生大量余熱，各行業(yè)的余熱總資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60%[4]。但它們大部分在熱電轉(zhuǎn)換過程中，有近50%的能源以鍋爐排煙和循環(huán)冷卻水的形式直接排放至大氣。例如在火電廠，燃料燃燒發(fā)熱量中只有40%左右轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，凝汽式機(jī)組約50%以上的熱能通過汽輪機(jī)排汽到環(huán)境中[5]，既造成能源的極大浪費(fèi)，也導(dǎo)致環(huán)境污染。

另一方面，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和居民生活水平的提高，冬季城鎮(zhèn)采暖需求不斷增加，采暖需求與供暖能力的矛盾也日趨凸現(xiàn)。在不增設(shè)新的熱源、不增加污染物排放的情況下，提高現(xiàn)有機(jī)組供熱能力已經(jīng)成為棘手需要解決的問題。王力彪等人[6]通過在熱電廠內(nèi)設(shè)置溴化鋰吸收式熱泵站，利用機(jī)組循環(huán)冷卻水作為熱泵的熱源水，提前余熱加熱熱網(wǎng)水，從而顯著提升機(jī)組供熱能力，進(jìn)一步降低煤耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目的。趙斌等人[7]建立了吸收式熱泵和汽輪機(jī)組的理論計(jì)算模型，研究了循環(huán)水熱泵供熱技術(shù)具有進(jìn)一步提高機(jī)組熱效率和供熱能力的潛力。俞聰?shù)热薣8]針對吸收式熱泵回收利用循環(huán)水余熱供熱125 MW熱電聯(lián)產(chǎn)濕冷機(jī)組進(jìn)行性能試驗(yàn)，得到大量的回收余熱量并使供電煤耗率顯著下降。

因此對于消耗大量燃煤的熱電廠，其局部系統(tǒng)的節(jié)能改造，將可以帶來非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。吸收式熱泵系統(tǒng)正是滿足這些要求的新興技術(shù)[9]，它主要針對經(jīng)過汽輪機(jī)后品位不高的低溫余熱，溫度低于150℃的驅(qū)動(dòng)蒸汽，將它們作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩?，通過熱泵提高熱網(wǎng)供水溫度，然后加以利用。

本文簡單介紹吸收式熱泵的基本原理，并選擇某熱電廠的C135-13.24型號的供熱機(jī)組所組成的系統(tǒng)，分析了加入吸收式熱泵技術(shù)后的節(jié)能效果，探討吸收式熱泵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

1 吸收式熱泵系統(tǒng)的原理與構(gòu)成

熱泵熱量從低溫?zé)嵩磦飨蚋邷孛浇椋眍愃朴谥评錂C(jī)。熱泵所產(chǎn)生的是可用熱源，通常在一定的溫度下來適宜地維持房間的環(huán)境溫度。熱泵最吸引人的一個(gè)特點(diǎn)便是相比運(yùn)轉(zhuǎn)熱泵所需要的能量，熱泵本身可以運(yùn)輸更多的熱能。熱泵能在比較低的排放下，高效經(jīng)濟(jì)地提供熱量。而關(guān)于熱泵的概念直到1800年代才被確定下來，其商業(yè)應(yīng)用也已經(jīng)持續(xù)了60多年[10]。

吸收式熱泵是一種以蒸汽或燃料為驅(qū)動(dòng)，將熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩摧斔偷难h(huán)系統(tǒng)。它由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器及換熱器等主要部件，以及溶液泵和工質(zhì)泵等輔助部分組成。這里主要介紹LiBr-H2O組成的一對工質(zhì)對的熱泵系統(tǒng)。

如圖1所示，蒸汽在發(fā)生器內(nèi)釋放熱量Qg，加熱溴化鋰稀溶液并產(chǎn)生冷劑蒸汽，冷劑蒸汽進(jìn)入冷凝器，釋放冷凝熱Qc加熱流經(jīng)冷凝器傳熱管內(nèi)的熱水，自身冷凝成液體后經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器，冷劑水經(jīng)工質(zhì)泵噴淋到蒸發(fā)器傳熱管表面，吸收流經(jīng)傳熱管內(nèi)的來自于凝汽器低溫?zé)嵩此臒崃縌e，使熱源水溫度降低后流出機(jī)組，冷劑水吸收熱量后汽化成冷劑蒸汽，進(jìn)入吸收器，被發(fā)生器濃縮后的溴化鋰溶液返回吸收器后噴淋，吸收從蒸發(fā)器過來的冷劑蒸汽，并放出吸收熱Qa，加熱流經(jīng)吸收器傳熱管內(nèi)的熱水。熱水流經(jīng)吸收器、冷凝器升溫后，輸送給熱用戶。

圖1 吸收式熱泵工作原理

2 熱電廠的系統(tǒng)改造

某熱電廠年用汽達(dá)450萬t，其中，采暖用汽達(dá)130萬t。廠內(nèi)C135-13.24型號的供熱機(jī)組服務(wù)于廠區(qū)的生產(chǎn)、生活用熱，以及周圍地區(qū)的民用采暖和熱電廠自用熱。

圖2 熱電廠改造前的系統(tǒng)圖

如圖2所示，其只含有一個(gè)機(jī)組熱網(wǎng)。熱網(wǎng)供水設(shè)計(jì)流量4 200 t/h，55℃的回水采用一級加熱，使用一臺C135-13.24型號供熱機(jī)組熱網(wǎng)尖峰加熱器加熱到供水需要的75℃。

針對電廠供熱能力不足的問題，決定采用吸收式熱泵對循環(huán)水余熱進(jìn)行回收利用。

循環(huán)水余熱利用改造主要包括兩部分：一部分為循環(huán)水側(cè)；另一部分為熱網(wǎng)側(cè)。循環(huán)水側(cè)，對供熱機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行改造，改造方案見圖3。將凝汽器出口循環(huán)水分為兩路，第一路經(jīng)回水電動(dòng)閥直接回冷卻塔；第二路經(jīng)循環(huán)水升壓泵進(jìn)入2臺吸收式熱泵，用以回收循環(huán)水的熱量。熱泵出口循環(huán)水一路直接回至冷卻塔；另一路回至冷凝器。在非供熱工況下，隔離熱泵系統(tǒng)，循環(huán)水直接經(jīng)回水電動(dòng)閥回至冷卻塔；供暖工況下循環(huán)水切換至熱泵側(cè)，經(jīng)熱泵降溫后，通過循環(huán)水泵升壓進(jìn)入凝汽器。

圖3 改造后的系統(tǒng)圖

3 節(jié)能效益分析

循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)正常投入運(yùn)營后，一臺循環(huán)水升壓泵出口壓力為0.3 MPa，2臺熱泵投入運(yùn)行，熱泵運(yùn)行期間，各主要參數(shù)如表1所示。

表1熱泵運(yùn)行期間主要參數(shù)

3.1 供熱系數(shù)COP

熱泵效能系數(shù)COP是熱泵輸出熱量Qh與熱泵運(yùn)行時(shí)消耗的一次能源總量W之比，是評價(jià)熱泵經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，吸收式熱泵供熱系數(shù)COP一般在1.65～2.00之間[11]

(1)

式中h1——每臺熱泵熱網(wǎng)側(cè)出水焓值；

h2——每臺熱泵熱網(wǎng)側(cè)進(jìn)水焓值；

g1——每臺熱泵熱網(wǎng)側(cè)流量；

h3——熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽焓值；

h4——熱泵疏水焓值；

g2——熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽流量。

將表1數(shù)據(jù)代入公式(1)可得，熱泵效能系數(shù)COP為1.94。

3.2 凈回收熱量

熱泵在運(yùn)行過程中，不僅吸收了循環(huán)水的熱量，也增加了循環(huán)水升壓泵、疏水泵及熱泵工質(zhì)泵、溶液泵的運(yùn)行，增大了電廠用電量的消耗。熱泵凈回收熱量為熱泵吸收循環(huán)水的熱量與生產(chǎn)多消耗的這部分電能所需的熱量之差。熱泵運(yùn)行期間，各轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械主要參數(shù)如表2所示。

表2熱泵運(yùn)行期間各轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械主要參數(shù)

項(xiàng)目電流/A電壓/Vcosφ循環(huán)水升壓泵7160000．76疏水泵993800．87工質(zhì)泵(共2臺)23800．87溶液泵(共2臺)103800．87

各泵運(yùn)行時(shí)，所消耗的電功率

(2)

式中P——電功率；

U——運(yùn)行電壓；

I——運(yùn)行電流；

cosφ——功率因素。

熱泵運(yùn)行時(shí)，凈回收的熱量

Q=Qh-W-8300×P

(3)

式中Q——熱泵運(yùn)行凈回收熱量(8 300 kJ/kW·h為發(fā)電平均熱耗)。

將表1、表2數(shù)據(jù)代入式(2)、式(3)可得，當(dāng)熱泵運(yùn)行時(shí)，凈回收熱量為335.91 GJ/h。

按照綜合供熱指標(biāo)180 kJ/m2計(jì)算，可增加供熱面積186.6萬m2。

3.3 節(jié)水量

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，循環(huán)水的損失主要由蒸發(fā)損失、風(fēng)吹損失和排污損失三部分組成[12]。熱泵在回收循環(huán)水熱量的同時(shí)，降低了循環(huán)水的溫度，減少了循環(huán)水在冷卻塔中的各項(xiàng)損失。以熱泵運(yùn)行120天計(jì)算，則年節(jié)約循環(huán)水量

Qm=(Qe+Qw+Qb)×t=(K1×Δt×Qxh+K2

(4)

式中Qm——循環(huán)水節(jié)水量；

Qe——循環(huán)水蒸發(fā)損失；

Qw——循環(huán)水風(fēng)吹損失；

Qb——循環(huán)水排污損失；

N——濃縮系數(shù)，取3；

Δt——進(jìn)出塔的水溫差；

K1——熱量系數(shù)(進(jìn)塔氣溫為0℃時(shí)，K1取0.001)；

K2——系數(shù)(對于自然通風(fēng)冷卻塔取0.05%);Qxh——循環(huán)水流量；

t——年運(yùn)行時(shí)間[13]。

將數(shù)據(jù)代入式(4)，可知每年可節(jié)約循環(huán)水量195 840 t。

3.4 省煤量

煤在燃燒時(shí)，釋放出的熱量被鍋爐內(nèi)的水吸收后產(chǎn)生蒸汽，由管道進(jìn)入換熱器，鍋爐效率越高煤炭的利用率就越高。熱泵運(yùn)行時(shí)，回收大量熱量，減少鍋爐出力，節(jié)約大量的煤炭。按照熱泵運(yùn)行120天計(jì)算，則年節(jié)約用煤量

(5)

式中G——節(jié)煤量；

Q——凈回收熱量；

Q0——標(biāo)煤發(fā)熱量；

η1——鍋爐效率,取90%；

η2——管道效率,取97%；

t——年運(yùn)行時(shí)間，120天。

將數(shù)據(jù)代入式(5)，得到每年可節(jié)約煤炭37 858 t。

3.5 減排量

煤炭在燃燒的時(shí)候，會(huì)釋放出大量的廢氣，按照每噸煤排放CO2,2.62 t，SO2,8.5 kg，NOX,7.4 kg計(jì)算，則每年可減少CO2排放99 189 t，減少SO2排放322 t，減少NOX排放280 t。

4 結(jié)論

通過對熱電廠的循環(huán)水系統(tǒng)改造，應(yīng)用了吸收式熱泵技術(shù)，經(jīng)過幾種節(jié)能效益的計(jì)算分析，最終得到此供熱機(jī)組在熱泵運(yùn)行期間，增加了186.6萬m2的供熱面積，每年節(jié)約用水19.6萬t，每年節(jié)約煤炭量3.8萬t，從而也減少了CO2排放99 189 t，減少SO2排放322 t，減少NOX排放280 t。吸收式熱泵成功將電廠循環(huán)冷卻水低溫余熱變?yōu)橛杏玫臒崮?，使之用于供暖，大幅提高了電廠的整體熱效率。它具有安全、節(jié)能、環(huán)保的效益，而熱泵雖在建設(shè)初期投資較大，但其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)卻較為低廉，是應(yīng)被推廣普及的一種高新技術(shù)。

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TheEffectofAbsorptionHeatPumpinaThermalPowerPlant

SHENXiao-yi1,DONGWei2,HEPing3

(FacultyofMetallurgicalandEnergyEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093,China)

In order to reduce the pollution of the environment problem of fossil fuel and the sustained high prices as well as to address currently prevailing contradictions of the serious shortage of heating capacity of thermal power plants,this paper obtain statistics through reconstructing the system of certain power plant on the side of circulating water of heating unit and the use of absorption heat pump for circulating water heat recovery technology.We analyze the result of five aspect such asCOP, net heat of heat pump, saving-amount of coal and water and emissions,and we also conclude that using absorption heat pump in this unit can not only reduce the daily power plant maintenance costs, but also solve the problem of insufficient heating capacity in winter.

heating;net heat of heat pump;absorption heat pump;COP;saving-amount of water

2014-03-04修訂稿日期2014-05-03

沈曉懿(1989～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹评渑c低溫領(lǐng)域中的換熱器傳熱性能。

TQ051.5

A

1002-6339 (2014) 06-0557-04