王新猛

(煙臺恒邦化工有限公司 ， 山東 煙臺 264117)

北方電廠循環(huán)水余熱利用的可行性分析

王新猛

(煙臺恒邦化工有限公司 ， 山東 煙臺 264117)

通過分析國內(nèi)火電廠水冷機(jī)組循環(huán)水的余熱利用情況，提出由水源熱泵提高溫度后的循環(huán)水為農(nóng)業(yè)日光大棚.供熱的可行性分析與探討。目前，由于在冬季北方日光大棚的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到氣候條件的限制，其生產(chǎn)效率底下，市場農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)受到影響。通過將電廠循環(huán)水余熱利用到農(nóng)業(yè)日光大棚中，既減少了供熱系統(tǒng)的投資，又減少了系統(tǒng)的熱量損失。

循環(huán)水余熱利用；日光大棚；水源熱泵

節(jié)能減排是我國的基本國策，火力發(fā)電廠是一次能源的使用大戶，火力發(fā)電廠余熱回收利用對全國能源的節(jié)約具有重要的意義。在未來我國全面實現(xiàn)小康社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵時期，能源和能源消費所帶來的問題同過去相比將會更加突出、更加嚴(yán)峻。目前國內(nèi)大型火電廠的大量余熱很多情況下沒有得到有效地利用，造成了能源的浪費，因此電廠的余熱利用成為如今節(jié)能的一條重要途徑。利用熱泵技術(shù)回收循環(huán)冷卻水余熱不僅能挖掘低品位熱能，收到顯著的節(jié)能效果，還能節(jié)約煤炭資源，減少燃煤的負(fù)面環(huán)境效應(yīng)，有利于環(huán)保。但是利用水源熱泵技術(shù)提高溫度后的循環(huán)水的利用存在不少問題。利用這種循環(huán)水可以為居民樓集中供熱，但是電廠離市區(qū)一般都比較遠(yuǎn)，供熱系統(tǒng)的管道比較長，投資比較大，且還得依靠水泵將熱水輸送到市區(qū)的居民用戶，增加系統(tǒng)的能耗，且遠(yuǎn)距離輸送熱量損失比較大。將這部分余熱就近利用到農(nóng)業(yè)中的日光溫室大棚既可以減少供熱系統(tǒng)的投資，也可以減少輸送過程熱量的損失。利用循環(huán)水余熱供熱的日光溫室大棚，由于棚內(nèi)溫度穩(wěn)定，農(nóng)作物的正常生長得到了保證，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，為北方冬季農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)提供了有利的條件。

1 目前電廠循環(huán)水余熱利用現(xiàn)狀

對于水冷機(jī)組，由于每天循環(huán)水帶走大量的熱量，造成熱量的巨大損失，并且損失了大量的水資源，同時也造成大氣溫度升高，所以電廠循環(huán)水的余熱利用具有十分重要的意義。由于正常情況下循環(huán)水的溫度比較低(一般冬季 20～35 ℃)，達(dá)不到直接供熱的要求，要用其供熱，必須想辦法適當(dāng)提高溫度。中小型凝汽式汽輪機(jī)可以通過降低排汽缸真空從而提高循環(huán)水溫度 (60～80 ℃)的方法進(jìn)行供熱，即低真空運行循環(huán)水供熱[1]，該技術(shù)在理論上可以實現(xiàn)很高的能源利用效率，國內(nèi)外都有很多研究和成功運行的實例，技術(shù)已很成熟，特別在我國一些北方城市得到了廣泛的應(yīng)用與推廣[2]。但是這種供熱方式也存在一些問題，如發(fā)電功率受用戶熱負(fù)荷的制約，不能分別地獨立進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其應(yīng)用受到限制。目前，利用電廠循環(huán)水余熱為市區(qū)居民用戶供熱存在一些不足。由于電廠離市區(qū)比較遠(yuǎn)，該供熱系統(tǒng)的投資比較大，由此產(chǎn)生的熱損失也比較大。

2 冬季電廠余熱用于北方地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可行性分析

2.1 電廠循環(huán)水余熱的性質(zhì)及其可利用情況

熱能是能量的一種，它會在某種介質(zhì)中被吸收、轉(zhuǎn)移、擴(kuò)散。水是一種最常見的介質(zhì)媒體，用水帶走的熱能，其本身是一種清潔能源，當(dāng)熱量擴(kuò)散后，可繼續(xù)循環(huán)利用。然而，為了循環(huán)水再利用，必須散發(fā)掉其中的熱量，因此在水源充足的地方，人們用抽水庫的水來做冷卻循環(huán)水，水庫成了二級水源循環(huán)冷卻系統(tǒng)。用在水源不充足的地方，人們建造了循環(huán)冷卻塔，用水和空氣來冷卻。但是用作冷卻系統(tǒng)的水庫被加熱后，生活在水庫里的生物受到了嚴(yán)重的影響。在這些作循環(huán)冷卻水的水庫，出現(xiàn)了水草、藻類植物過量生長，引起水體缺氧，水質(zhì)下降，影響魚類生長，嚴(yán)重時大量死亡，即為電廠的熱污染，所以，合理利用這部分熱量才能避免上述問題的發(fā)生。對于一般火電廠大部分建在郊區(qū)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)，離市區(qū)(或縣城)較遠(yuǎn)而其周圍一般有農(nóng)田，所以利用電廠循環(huán)水余熱為農(nóng)業(yè)供熱相比居民住宅供熱的投資和熱損失要小很多。電廠機(jī)組循環(huán)冷卻水的溫度在冬季一般為 20～35 ℃，在夏季為 25～45 ℃[3]，且電廠每天的循環(huán)水量大，所以該循環(huán)水的余熱利用潛能巨大。

2.2 目前我國北方地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的局限性

在我國的華北、東北、西北地區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無霜期短，每年從 10 月份到第二年的 5 月份不宜進(jìn)行種植生產(chǎn)，時間長達(dá)半年之久。為了延長生產(chǎn)時間，人們建造了日光溫室大棚進(jìn)行種植、養(yǎng)殖。日光溫室大棚種植、養(yǎng)殖給人們的生活帶來了極大的變化。但是,大棚在北方高寒地區(qū)受氣溫影響很大，棚內(nèi)溫度低，晝夜溫差過大，生產(chǎn)并不盡如人意，特別在寒冷冬季，大棚里就得生火加溫，由于熱源不穩(wěn)定，常造成植物生長期長、產(chǎn)量低、品質(zhì)差，甚至出現(xiàn)農(nóng)作物被凍死的現(xiàn)象。由此造成了北方地區(qū)冬季的蔬菜、水果等農(nóng)業(yè)產(chǎn)品價格較高，影響人們生活水平的提高。

3 水源熱泵工作原理及其系統(tǒng)組成

熱泵是以冷凝汽器放出的熱量來供熱的制冷機(jī)，它是通過消耗外界能量將低品位熱源提升為高品位的熱源。熱泵循環(huán)一般以環(huán)境介質(zhì)作為低溫?zé)嵩磸闹形鼰幔驕囟容^高的熱源(溫度為 Th 的供熱系統(tǒng))放熱。驅(qū)動熱泵所消耗的有用能(或功)E 全部被轉(zhuǎn)換成熱, 這部分熱量E和從低溫體吸取的熱量Q2一起輸向高溫體,即Q1=Q2+E，Q1為向高溫體輸送的熱量。為說明這種能量轉(zhuǎn)換的優(yōu)劣, 熱泵工作效率可用性能系數(shù) COP (Coefficient of Performance)或供熱系數(shù)來衡量。

COP=Q1/E，則 COP=Q1/E=Q2/E+1=ε+1，ε=Q2/E，稱為制冷系數(shù)[4]。水源熱源泵的工作原理與一般的空氣-空氣熱泵相同。制熱工況時，利用制冷劑蒸發(fā)吸收循環(huán)水的熱量，然后通過冷凝器將熱量釋放到空調(diào)房間，即以循環(huán)水作為低位熱源的熱泵裝置。

水源熱泵系統(tǒng)主要由三部分組成：①熱泵的驅(qū)動能源(電能)和驅(qū)動裝置(電機(jī)、發(fā)動機(jī)等)；②熱泵的工作機(jī)；③低位熱源(低溫水)。

4 循環(huán)水余熱用于農(nóng)業(yè)日光溫室大棚的可行性分析

一般蔬菜的適宜生長溫度在 18～35 ℃。對于北方地區(qū)，在冬季日光大棚不能滿足植物的生長溫度，并且大棚內(nèi)的溫度不穩(wěn)定，一天的晝夜溫差過大，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。所以在冬季為日光溫室大棚供熱可以為北方的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來許多有利因素。例如可以穩(wěn)定大棚內(nèi)的溫度，使農(nóng)作物可以正常生長，避免用一些對人體有害的藥物促使植物生長。其次，提高溫度后，農(nóng)藥的自然降解加快，使農(nóng)作物上的殘留農(nóng)藥減少，易于清洗。我國的煤礦大部分分布在北方，電廠分布除了幾個大城市如上海、天津、廣州和廣東、江蘇、浙江幾個發(fā)展較快的省份電廠較多外，基本上和煤礦地理分布一致。近年來北方產(chǎn)煤區(qū)為了減少煤矸石和煤堆放產(chǎn)生環(huán)境污染，建有數(shù)量不少的中小電廠，會產(chǎn)生大量的電廠余熱。由此北方冬季為日光大棚供熱的條件是具備的。由熱泵提高溫度后的循環(huán)水溫一般為 60 ℃左右，能使日光大棚的溫度相對穩(wěn)定，可以提高大棚的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，有利于農(nóng)民增收。

5 利用電廠循環(huán)水余熱供熱的日光溫室大棚系統(tǒng)組成、工作原理及其系統(tǒng)示意圖

該供熱系統(tǒng)主要包括：冷卻塔、節(jié)流閥、變頻循環(huán)泵、水源熱泵裝置、日光大棚、管道等。其工作原理為：由汽輪機(jī)排氣裝置排出的濕蒸汽一部分由一支管道引入水源熱泵裝置，將其溫度提高后，再將該水供給日光大棚，特殊情況時走旁路，剩余的循環(huán)水在冷卻塔中冷卻。當(dāng)日光大棚的數(shù)量增加或減少時可以調(diào)節(jié)水源熱泵管路的循環(huán)水流量。供熱后的這部分循環(huán)水再并入主循環(huán)水回水管路，由循環(huán)泵送入凝汽器。圖 1 為供熱系統(tǒng)示意圖。

圖1 供熱系統(tǒng)示意圖

6 將某300MW機(jī)組循環(huán)水用于溫室大棚供熱的分析與估算

以國內(nèi)某 300 MW 水冷機(jī)組為例，其循環(huán)水量平均為每小時 3.5 萬噸，在冬季循環(huán)水的平均溫度為 27 ℃，經(jīng)熱泵提高溫度后可以達(dá)到 60 ℃。設(shè)循環(huán)水的回水溫度為 10 ℃，則該循環(huán)水每小時可以被利用的熱量為：

Q=Cpm△t

=4.2×103×3.5×107×50

=7.35×1012J

以黃瓜的種植為例，其根系的適宜溫度為 18～22 ℃。在我國山東地區(qū)，冬季晚上室外溫度一般在零下 10 ℃左右，白天假設(shè)為 0 ℃，則其一天的平均溫度為零下 5 ℃。將空氣視為理想氣體，則定壓比熱容為 1.4 kJ/(kg·K)。取空氣的密度為：1.25 kg/m3，則為保證黃瓜的適宜生長溫度，每立方米空間需要提供的熱量為：

Q′=ρCP△t=43.75 kJ

設(shè)溫室大棚的高度為 2 m，則在單位時間內(nèi)利用循環(huán)水余熱可以供熱的面積為：

S=Q/(2×3600 Q′)=2.325×104m2，約為 2.345 hm2。

7 結(jié)論

通過對目前電廠循環(huán)水余熱利用現(xiàn)狀的分析，得出利用電廠循環(huán)水集中為居民住宅供熱存在投資和熱量損失比較大的缺點。將循環(huán)水余熱為農(nóng)業(yè)日光大棚供熱不僅可以減少供熱投資和熱損，而且還可以提高日光大棚的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，為北方地區(qū)冬季的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)提供了有利條件。

[1] 陳 軍，謝冬梅，李心剛.電廠余熱資源的有效利用[J].節(jié)能與環(huán)保，2006(4):32-34.

[2] 吳 星，付 林，胡鵬.電廠循環(huán)水供熱技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].區(qū)域供熱， 2008(4):4-7.

[3] 馮永華，徐文忠，孫始財.火電廠循環(huán)冷卻水廢熱回收利用問題研究[J].節(jié)能，2007, 26(3):17-19.

[4] 王東鵬，任 兵.電廠余熱利用的分析與探討[J].節(jié)能， 2010(23):3-4.

(本文文獻(xiàn)格式：王新猛.北方電廠循環(huán)水余熱利用的可行性分析[J].山東化工，2017，46(10)：109-110.)

2017-03-26

王新猛(1988—)，山東煙臺人，技師，主要從事儀表維護(hù)工作。

TM621

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1008-021X(2017)10-0109-02