王馨雨 林智成 王翔 張莉 許昱鳴

摘 要：火力發(fā)電廠運行過程中會產生大量熱量，如何利用這些余熱正越來越受到關注，本文將熱泵技術用于火力發(fā)電廠的余熱回收工作，旨在達到節(jié)能環(huán)保的目的。介紹了熱泵技術，給出了凝汽式汽輪機發(fā)電廠運用熱泵余熱回收技術的案例，研究了火力發(fā)電廠熱泵鍋爐余熱回收工藝的經濟效益。最后，給出了熱泵技術在火力發(fā)電廠推廣時的難點及解決途徑。

關鍵詞：凝汽器;熱泵技術;余熱

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.168

1 概述

隨著生產力和科學技術的不斷提高，生產與生活用電量與日俱增，火力發(fā)電廠正發(fā)揮著倍增器的作用?；鹆Πl(fā)電廠余熱的合理回收及利用既提高了發(fā)電機組熱經濟性，又加強了環(huán)境保護作用，因此越來越受到關注。實際生產過程中，火力發(fā)電廠余熱存在嚴重損失，其中汽輪機冷源損失成為其主要部分，占發(fā)電總量比重高達六成，是減少火力發(fā)電廠熱循環(huán)效率的主因。在凝汽式火力發(fā)電廠，源自汽輪機的乏氣進入凝汽機后冷卻凝結為水，其部分熱量被傳遞給冷卻水，剩余熱能則經水塔向環(huán)境釋放，汽輪機的冷源損失由此形成。表1展示了目前火力發(fā)電廠的主要損失參數。分析表1能夠發(fā)現，汽輪機排汽熱損失（即冷端損失）的總量十分驚人。

在普通火力電廠發(fā)電過程中，為了減少汽輪機排氣熱損失，汽輪機經歷了以下4個階段的改進：（1）回熱抽汽;（2）背壓式汽輪機或調整抽汽式汽輪機;（3）汽輪機低真空供熱;（4）熱泵技術應用。其中，利用熱泵技術將電廠排氣冷卻水作為低溫熱水源，汲取以往被當做工業(yè)廢熱排放的凝汽熱量，提升回熱凝結水及以及熱網水溫度，此種做法不但有助于火電廠建立起封閉的冷卻水循環(huán)系統，減少水的蒸發(fā)量，又能提高整體發(fā)電效率降低煤耗率。

目前，能源日益緊張且環(huán)境污染日趨嚴重，在國家大力推行節(jié)能減排能源的政策的大背景下，火力發(fā)電廠豐富的余熱資源正引起人們越來越多的關注?；鹆Πl(fā)電廠輸入燃料總熱量的35%左右轉變?yōu)殡娔埽?0%以上的熱能則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。鍋爐所排出的煙氣問題偏高，因此余熱回收使用的難度較低，長期是火電廠技術人員以及科研人員研究與分析的熱點之一。而凝汽器循環(huán)水水溫和空氣溫度的差值約為10℃，品味較低，所以其利用率長期偏低，大多未經處理便釋放到空氣中，引發(fā)熱污染及能源短缺等問題。

針對上述問題，本文利用熱泵技術對火力發(fā)電廠余熱進行回收，以期達到節(jié)能和環(huán)保雙重效果。

2 熱泵技術

自上世紀七十年代起，熱泵步入了高速發(fā)展階段，逐漸成為了眾多學者分析與探討的熱點，全球能源組織與歐盟共同體也明確了大型熱泵的建設方案。伴隨著各種新興熱泵技術的不斷涌現，熱泵的運用范圍越發(fā)廣泛，功能越發(fā)豐富，現已在空調等工業(yè)產業(yè)中獲得了大范圍的推廣，對于能源環(huán)保事業(yè)做出了突出的貢獻。相較于歐美發(fā)達國家，國內關于熱泵的學術研究要滯后二三十年。自建國起，伴隨著工業(yè)化建設步伐的加快，我國才開始啟用熱泵技術。到了新世紀，因為我國沿海地區(qū)城市化水平的大幅提升，人均GPD一路上行，再加上2008年北京奧運會和2010年上海世博會的成功舉辦，均有力推動了我國空調行業(yè)的發(fā)展，加速了熱泵技術的更新與創(chuàng)新速度。

在中國，熱泵技術誕生于2001年，而后歷經數年的不斷發(fā)展，我國熱泵市場慢慢自起步階段過渡到快速發(fā)展階段，現已頗具規(guī)模。全球能源問題的日漸加劇突出了熱泵良好的節(jié)能環(huán)保特性，同時社會各界的積極參與也加速了熱泵技術的改良與創(chuàng)新。

近年來，熱泵技術已成為備受關注的新能源技術。泵是一種提升位能的裝置，諸如水泵主要用以提升水的高度。但是熱泵卻能夠提取環(huán)境中空氣、土壤或水中的低品位能量，通過電能做功的方式，輸出可供使用的高品位熱量。熱泵系統中的低溫熱源多為平時比較常見的介質，諸如地表水、消防水、河水、空氣、城市污水或生產設備釋放的物質，工質和周邊介質的溫度差較小。熱泵系統與壓縮制冷系統兩者的運行機理相同，對于小型制冷設備而言，為了全面發(fā)揮其作用，實現夏季制冷或冬季制熱功能，均選用的同一設備實現。在夏日需制冷的條件下，啟用制冷模式，壓源自壓縮機的高壓蒸汽流過換向閥（又名四通閥）流入冷凝器，制冷蒸汽凝結為冷凍水，經過節(jié)流后流入蒸發(fā)器，蒸發(fā)吸熱使戶內氣溫降低，蒸發(fā)所得的制冷劑氣體，流過換向閥或進入壓縮機，由此不斷循環(huán)，形成制冷循環(huán)系統。在冬日需要制熱時，則首先將換向閥切換到熱泵模式，壓縮機對制冷劑加壓，流經換向閥進入戶內蒸發(fā)器中（兼任冷凝器功能）利用制冷器氣體的凝結潛熱，增加戶內溫度，實現戶內制熱的效果。冷凝所得的液態(tài)制冷劑，逆向流經節(jié)流設備后流入泠凝器（兼任蒸發(fā)器），吸熱后蒸發(fā)，所得的蒸汽流經換向閥流入壓縮機，由此實現循環(huán)制熱。以上向戶內轉移戶外空氣或循環(huán)水熱能的系統，即為熱泵系統。

若以火力發(fā)電廠循環(huán)水作為熱源，通過熱泵回收余熱技術，便能夠大幅降低能源消耗量?；鹆Πl(fā)電廠的冷卻水余熱作為低溫熱源具有以下6方面優(yōu)勢：

（1）水量充沛，且蘊含的余熱資源豐富。

（2）水質不含腐蝕性鹽類，比城市污水更清潔，因此對水質的處理也相對簡單。

（3）流量與溫度都比較平穩(wěn)，換熱系統的結構比較簡單，因為水溫偏高，避免了冬天制熱時蒸發(fā)器結霜的問題，熱循環(huán)系數可保持在較高水平。

（4）熱泵設備的啟動速度快且流動性佳。

（5）熱容量高，僅需不多的水便能夠傳輸較高的熱能，由此能夠進一步縮小換熱系統的外形規(guī)格。

（6）搜集與運用火電廠冷卻循環(huán)水余熱，既能夠降低冷卻塔向大氣釋放的熱量，同時能夠減少循環(huán)水的蒸發(fā)量，節(jié)省水資源，在火電廠循環(huán)水系統中引入熱泵余熱回收技術，兼具節(jié)能與環(huán)保的兩重優(yōu)點，且機組負荷越大相應的節(jié)能效果越顯著。

3 實例分析

為了分析本文技術的效益，下文以300MW凝汽式汽輪機發(fā)電廠利用熱泵回收余熱為例進行說明。傳統汽輪機排氣方式采用冷卻塔將循環(huán)水冷卻至30℃，隨后通過凝汽器加熱到40℃。

選用第一類吸收型熱泵，低溫熱源選用40℃循環(huán)水，驅動熱源選用250℃、0.5-0.8MPa抽氣，制備85℃的取暖水，將冷卻水冷卻到30℃后送入凝汽器中反復使用，由此降低電廠冷卻塔中的能量損失。相較于改造前，系統的供熱量多出了70.5MW，緩解了電廠的供熱缺口。另一方面，利用凝汽余熱為民眾供暖，在全年采暖期節(jié)省了三萬噸的標準煤，二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和灰渣的減排量分別為89880t/a、289t/a、251.6t/a和9880t/a。并且，因為此種熱泵設備中的冷卻水能夠對汽機凝汽進行冷卻，因此采暖期能夠降低冷卻水21000噸的損失量。

3.1 仿真計算

首先計算凝汽器出口水溫。

熱平衡方程式：

Q：凝汽器熱負荷;

：汽輪機排氣量;

：汽輪機排氣焓;

：凝汽器壓力下的飽和水焓。

冷卻水溫升及冷卻水出口溫度。

在低溫條件下，蒸汽的焓值約為對應水溫的4.1816倍。

冷卻水溫升可由凝汽器熱平衡方程式求得：

由凝汽器壓力=0.0054M 計算得飽和水焓=143.52KJ/kg;

=

冷卻水出口溫度：

=5+9.204=14.204

計算所得凝汽器出口的溫度為14.204，此溫度基本合理。

3.2 對比分析

以下主要針對熱泵計算過程以及加熱和未加熱時2種工況下的經濟性進行對比。該計算過程中的樣本取自東北地區(qū)用戶。假設每棟樓有12戶居民，按照東北地區(qū)冬季居民用戶習慣，每戶居民日用熱水量按照500L/d計算，故本文設日用熱水量為600L/d，并采用以下2種方案：（1）直接使用普通管道中的冷卻水進行熱泵加熱，送入用戶端，冬季冷水溫度為5℃;（2）使用經凝汽器換熱加熱后的冷卻水，將其送入熱泵進行加熱后送入用戶端，經計算，冷卻水水溫為14.204℃。

具體計算過程：

;

方案一：

冷水溫度：5。

熱泵機組平均秒供熱量：

T=16h。

方案二：

熱泵機組平均秒供熱量：

3.3 結果分析

經計算，可以得到，在采用本文所提出的新方案后，熱泵在相同時間達到同樣用戶采暖供熱要求是每秒減少了約5kW的耗工。平均每棟住戶每秒可減少5kW的耗工，將其擴大至現代大型社區(qū)，可在理想情況下相對減少熱泵的使用，減少其臺數，從而達到減少成本的經濟目的。

4 難點及解決途徑

熱泵技術雖然較成熟，但是要在傳統火力發(fā)電廠對余熱回收應用中的推廣有其難點，具體包括以下2個方面：

（1）由于循環(huán)冷卻水需往返于凝汽器與冷卻塔之間，在整個循環(huán)流動過程中不可避免會與外界接觸導致循環(huán)水中摻雜微生物或沉積污垢等，如果將循環(huán)水直接投入熱泵系統中則會對管道內部造成結垢或腐蝕管道，一定程度上降低了管道壽命，同時降低了換熱效果。此外，管道中循環(huán)水流動阻力增大也將導致水流速度和流量產生變化，降低了系統自動化程度和換熱效果，嚴重影響了整個系統的經濟性。為了解決該問題，本文采用循環(huán)水與熱泵系統循環(huán)水經換熱器換熱，使熱泵系統的水與火力發(fā)電廠循環(huán)水區(qū)分開來，定期對熱泵系統中的管道進行清洗，并通過對水進行加藥處理達到少結垢的目的。

（2）我國東北地區(qū)冬夏季節(jié)溫度變化明顯，溫差較大，冬季熱泵管路外表可能會結霜而夏季可能會液化空氣凝結水滴，因此會對管路造成一定的腐蝕，影響管道壽命。鑒于此，對所有管道（地上或地下）進行外表隔熱層包裹，以減少管道表面腐蝕及與外界環(huán)境的換熱，提高機組效率。

5 結束語

火力發(fā)電廠運行過程中的冷凝器冷卻循環(huán)水可產生大量熱量，為了節(jié)能和環(huán)保，本文利用熱泵技術對其余熱進行回收利用。由于冷凝器產生的熱量具備熱量大且產生集中的特點，因此在我國北方地區(qū)的冬季可利用這些熱量進行居民日常供暖。供暖時需注意，應盡量使火力發(fā)電廠及其附近設備優(yōu)先對供暖熱量進行消化，以便降低需消耗的額外能量。如果發(fā)電廠以及附近設施無法完全消化時，再對較遠設備進行熱量輸送，但在遠距離熱量輸送過程中，應注意添加熱網技術，這也是后續(xù)研究方向。