楊 玥 郇 偉

（樂金空調(diào)（山東）有限公司，山東 青島 266109；山東富特能源管理股份有限公司，山東 青島 266109）

溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)在熱電廠集中供熱改造中的應(yīng)用

楊 玥1郇 偉2

（樂金空調(diào)（山東）有限公司，山東 青島 266109；山東富特能源管理股份有限公司，山東 青島 266109）

詳細(xì)介紹了電廠首站熱泵改造的基本原理，并以某電廠熱泵改造為例，對其改造的方案和改造后的經(jīng)濟性進行了分析，從實際應(yīng)用的角度分析了運用熱泵技術(shù)實現(xiàn)供熱節(jié)能改造的現(xiàn)實意義，不但為節(jié)能減排、改善城市環(huán)境質(zhì)量作出了貢獻，而且還取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

溴化鋰吸收式熱泵；電廠；余熱回收

0 引言

隨著國民經(jīng)濟進入較快的發(fā)展時期，工業(yè)企業(yè)效益逐步提升，電力需求持續(xù)增長。與此同時，煤炭價格持續(xù)上漲，使發(fā)電行業(yè)面臨較大的成本壓力。所以，合理利用能源、提高能源利用率是國內(nèi)外比較關(guān)注的問題，總能系統(tǒng)能量綜合利用是節(jié)能的主要方向。回收利用電廠余熱能有效地降低電力企業(yè)生產(chǎn)能耗，而熱泵技術(shù)具有高效節(jié)能環(huán)保的特性。

1 研究背景

由于目前我國熱電廠一次能源利用率普遍較低，很大一部分熱量隨著冷卻塔排到大氣中，如果能夠?qū)装桌速M的這部分低溫?zé)崃坷闷饋?，能夠大幅度減少一次能源的消耗，降低供熱成本，減少環(huán)境污染，將具有巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

如圖1所示，熱電廠基本循環(huán)原理：燃料在鍋爐中燃燒，加熱水產(chǎn)生蒸汽，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，蒸汽壓力推動汽輪機旋轉(zhuǎn)，熱能轉(zhuǎn)換成機械能，然后汽輪機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，將機械能轉(zhuǎn)變成電能。汽輪機排氣進入凝汽換熱器，通過電廠冷卻塔將排氣強制冷卻，放出汽化潛熱變成凝結(jié)水，凝水經(jīng)過冷渣機的預(yù)熱返回電站鍋爐。這個過程中有大量的熱量通過冷卻塔排放到大氣當(dāng)中去，能源浪費嚴(yán)重。通過以上分析，我們尋找到的解決方案是利用溴化鋰吸收式熱泵機組回收凝汽器放出的低品位熱能，并轉(zhuǎn)換可供城市熱網(wǎng)供熱利用的高品質(zhì)熱量。

一般熱電廠除發(fā)電外，還承擔(dān)著當(dāng)?shù)爻鞘泄嵝枨?，如圖2所示，供熱方式是電廠采暖抽蒸汽，在電廠內(nèi)設(shè)首站，利用氣水換熱器將高溫高壓蒸汽加熱供暖回水對外供熱，將60℃的熱網(wǎng)回水加熱到110℃對外供熱。傳統(tǒng)的這種單獨采用加熱器的供熱方式，系統(tǒng)簡單，但能耗浪費大。

圖1 熱電廠基本工作循環(huán)

圖2 熱電聯(lián)產(chǎn)供熱示意圖

2 項目概述

在河北省唐山市某電廠，其發(fā)電機組能力300 MW×2，單臺運行；廠區(qū)外總采暖建筑面積為230萬m2，總熱負(fù)荷為100 MW。內(nèi)部臨近氯堿化工環(huán)節(jié)有大量的廢熱，主要為蒸餾塔和螺旋板式換熱器換出的55～60℃的水，此部分水最終通過涼水塔散熱將水溫降低至30℃，而后繼續(xù)回至生產(chǎn)工藝。此余熱水循環(huán)量冬季可達(dá)到1 400 t/h，夏季水量較冬季更多。

工藝?yán)鋮s循環(huán)水的總流量為1 400 m3/h，余熱若按照溫差25℃提取，可回收的余熱量為：Q吸熱=G×1 000×C×ΔT÷ 3 600÷1 000 000=40.7 MW。

可見余熱資源比較大，若按照采暖指標(biāo)45 W/m2來計算，該余熱全部開發(fā)出來可擴大供暖90.4萬m2。

余熱水水質(zhì)干凈，可以直接進入同方的余熱回收機組，是非常好的余熱資源。

3 存在問題

（1）首站余熱資源豐富，未予利用。目前可利用余熱水水溫55℃，水量為1 400 m3/h，余熱資源較豐富。首站生產(chǎn)運行及周邊小區(qū)冬季供暖均需消耗大量的熱能，而首站的余熱水通過冷卻塔放熱至30℃后再返回工藝使用，未對余熱資源進行回收利用。

（2）現(xiàn)首站采用換熱器方式，增加了蒸汽抽汽，導(dǎo)致發(fā)電效率下降，能耗上升，排放物增加，對周邊環(huán)境造成一定污染。

4 改造方案思路

廠區(qū)外總采暖建筑面積230萬m2，總熱負(fù)荷為100 MW，目前采暖熱源為老電廠低真空供暖結(jié)合尖峰加熱的方式為廠區(qū)外建筑供暖。熱網(wǎng)平均供回水溫度為78/55℃，采暖運行時間為2 880 h。而廠區(qū)內(nèi)部生產(chǎn)過程中有大量的余熱和廢熱通過冷卻水散失到大氣中。在本方案中擬利用成熟熱泵技術(shù)回收余熱用于加熱采暖循環(huán)水，從而避免低真空供暖影響所減少的發(fā)電量。本方案采用吸收式熱泵，可以直接吸收工藝熱水中的余熱，用以加熱采暖循環(huán)水，直接將采暖循環(huán)水加熱到78℃，達(dá)到供暖標(biāo)準(zhǔn)，滿足供熱需求。同時系統(tǒng)設(shè)計可以滿足自主調(diào)節(jié)供水溫度的需求，采用熱泵與換熱器串并聯(lián)方式，保證出水溫度和供熱系統(tǒng)的安全性。

4.1 機組結(jié)構(gòu)組成及工作原理簡述

以蒸汽為驅(qū)動熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，利用水在低真空狀態(tài)下低沸點沸騰的特性，提取低品位廢熱源中的熱量，在高品位熱源的驅(qū)動下，制取采暖用高品位熱水。溴化鋰吸收式熱泵由蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、發(fā)生器、溶液熱交換器、冷劑泵、溶液泵、抽氣系統(tǒng)等組成。蒸發(fā)器內(nèi)保持真空狀態(tài)，利用水在一定的低壓環(huán)境下便會沸騰蒸發(fā)，水蒸發(fā)吸熱，吸收廢熱源中的熱量，變成水蒸氣，水蒸氣通過擋液板進入吸收器中，吸收器中滴淋溴化鋰濃溶液，利用溴化鋰溶液超強吸水性的特點，吸收由蒸發(fā)器過來的水蒸氣產(chǎn)生大量的熱量，加熱銅管內(nèi)的采暖回水，使其溫度提高。發(fā)生器的作用就是對溴化鋰濃溶液吸收水蒸氣后溶液變稀后再進行濃縮，重新得到具有強大吸水性的溴化鋰濃溶液。濃縮過程產(chǎn)生的冷劑蒸汽進入冷凝器中，被冷凝成冷劑水，冷凝放熱，加熱銅管內(nèi)的采暖回水。吸收式熱泵原理如圖3所示。

圖3 吸收式熱泵循環(huán)原理圖

4.2 改造系統(tǒng)原理圖

如圖4所示，本方案采用LG吸收式熱泵主機3臺，供熱量33.3 MW/臺，可以直接吸收工藝熱水的熱量，用以加熱采暖循環(huán)水，直接將采暖循環(huán)水加熱到78℃以上，達(dá)到供暖標(biāo)準(zhǔn)，滿足供熱需求。同時系統(tǒng)設(shè)計可以實現(xiàn)自主調(diào)節(jié)供水溫度。同時為了保證出水溫度和供熱系統(tǒng)的安全性，采用熱泵與換熱器串并聯(lián)方式。

（1）當(dāng)熱泵熱水出口溫度達(dá)到供熱溫度時，熱泵熱水出口直接連接外管網(wǎng)供熱；

（2）當(dāng)熱泵熱水出口溫度低于供熱溫度時，熱泵熱水出口連接進換熱器進一步加熱后進入外管網(wǎng)供熱；

（3）當(dāng)熱泵機組停電或無法運行時，供熱循環(huán)水直接進入換熱器加熱后進入外管網(wǎng)供熱。

改造后供暖首站如圖4所示。

圖4 改造后供暖首站示意圖

4.3 設(shè)備選型參數(shù)

河北唐山某熱電項目設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 河北唐山某熱電項目設(shè)備參數(shù)

4.4 系統(tǒng)其他耗電設(shè)備配套表

供熱系統(tǒng)中除熱泵主機外，其他附屬設(shè)備耗電情況如表2所示。

表2 附屬設(shè)備耗電表

以上3臺熱泵可供熱水流量為3 700 m3/h，現(xiàn)熱網(wǎng)循環(huán)水為2 700 m3/h，隨著城市化進一步擴大，幾年之后該開發(fā)區(qū)的供熱面積勢必有較大的增加。本方案主要依據(jù)供熱量100 MW來進行設(shè)計，之后的供熱量不足問題，考慮在建設(shè)機房時進行預(yù)留。

4.6 經(jīng)濟性分析

4.5 投資分析

熱泵系統(tǒng)方案設(shè)備投資表如表3所示。

表3 熱泵系統(tǒng)方案設(shè)備投資表

4.6.1 余熱回收量效益

每小時回收余熱量為：（55-30）×455×3÷10×11.63÷ 1 000=40 MW。

年回收熱量為：40×3 600×2 880÷1 000=41.5萬GJ。

年可節(jié)省的標(biāo)煤量為：40×1 000×2 880÷11.63÷0.7÷ 1 000÷0.72=19 654 t。

可節(jié)省的費用為：19 654×650÷10 000=1 278萬元。

4.6.2 節(jié)水收益

工藝余熱水由55℃冷卻至30℃，按熱力平衡計算，冷卻塔的飄水損失為水流量的3％。采用余熱回收技術(shù)后有455×3=1 365 m3/h的循環(huán)水上塔，所以可減少飄水損失。

冬季共節(jié)約水1 365×3％×2 880=118 000 t。

年節(jié)約循環(huán)冷卻水費用為：118 000×3.5÷10 000=41萬元。

4.6.3 運營成本

人工成本：定員6人，工資支出6×8=48萬元。

動力成本：電費=（余熱水泵+凝水回水泵+熱泵機組+控制）×電價×運行時間×電價

=（160×3+15+132+100）×2 880×0.46=96.31萬元

管理維護成本：10萬/臺，共計30萬元。

財務(wù)成本：5年以上長期貸款利率6.55％，貸款期10年，利息照付方式，即：

4 652.11×6.55％×10÷15=203.14萬元

折舊成本：按15年直線折舊法計算，殘值5％計，即：4 652.11×0.95÷15=294.63萬元

備注：采暖運行時間2 880 h、標(biāo)煤價格為650元/t、電價為0.46元/kW·h、水費為3.5元/t、鍋爐效率72％、水泵效率為0.8。

蒸汽參數(shù)：0.33 MPa飽和蒸汽，溫度為146℃，其焓值為2 742 kJ/kg，冷凝水焓值為390 kJ/kg。

4.6.4 節(jié)能減排社會效益分析

本供熱項目改造后，年供熱量為103.68×104GJ，其中余熱供熱量為41.5×104GJ，蒸汽供熱量為62.18×104GJ。余熱供熱量占總供熱量的39％，蒸汽供熱量占總供熱量的61％。

余熱供熱量41.5×104GJ，相當(dāng)于年節(jié)約標(biāo)煤1.96×104t，減少SO2排放量588 t，減少CO2排放量5×104t，減少NOX排放278.7 t，減少煙塵排放量46.6 t。

5 結(jié)語

發(fā)電廠是高耗能行業(yè)之一，回收余熱，正是實現(xiàn)廢熱能減量再利用的有效途徑，不僅可降低電廠發(fā)電煤耗，把能源用到最精，還可使環(huán)境影響代價最小。電廠循環(huán)冷卻水余熱高效利用正是順應(yīng)了加快推進環(huán)保清潔電力建設(shè)，把電廠建設(shè)成環(huán)境友好型和資源節(jié)約型產(chǎn)業(yè)這一要求。電廠循環(huán)冷卻水余熱利用的最有效途徑是利用熱泵技術(shù)將其低品位余熱提升并盡可能用于采暖系統(tǒng)。

[1] 王以清.溴化鋰吸收式熱泵的研究及應(yīng)用[J].能源技術(shù)，2000（3）.

[2] 楊艷磊.熱泵技術(shù)在發(fā)電廠余熱回收集中供熱改造技術(shù)中的應(yīng)用[C].熱電聯(lián)產(chǎn)學(xué)術(shù)交流會論文集，2014.

2015-04-15

楊玥（1985— ），女，黑龍江人，助理工程師，研究方向：熱泵應(yīng)用技術(shù)和推廣。

郇偉（1984— ），男，江蘇徐州人，助理工程師，研究方向：新能源技術(shù)和推廣。