梁俊宇，王周君，陶慶，袁興宇，趙明

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司研究生工作站，昆明 650217；3.曲靖陽光配售電有限公司，曲靖 655000；4.華北電力大學(xué)，北京 102206）

0 前言

為了解決日趨嚴重的環(huán)境問題，我國制定和推行了多項政策、法規(guī)和國家級的戰(zhàn)略，其中最重要的內(nèi)容之一是推行“兩個替代”，既在能源生產(chǎn)側(cè)，采用可再生能源替代傳統(tǒng)化石能源；在用能消費側(cè)，大力推進電能替代，減少終端能源消費中非必需的化石燃料消耗。目前，我國主要依靠鍋爐直接加熱水的方式獲取蒸汽和熱水，不僅能源利用效率低，還造成了環(huán)境的污染。因此，如何利用清潔能源供熱技術(shù)替代傳統(tǒng)鍋爐，并實現(xiàn)工業(yè)節(jié)能、能源綜合利用和提高能源利用效率將成為未來一段時間內(nèi)的研究熱點。在這其中，高溫?zé)岜帽徽J為是最有前景的替代技術(shù)[1-2]。

熱泵一般采用電力作為驅(qū)動，將一些低品位的熱源，如空氣，水、工業(yè)余熱和廢熱轉(zhuǎn)化為高品位的熱量，作為生產(chǎn)和生活供應(yīng)。根據(jù)主流學(xué)術(shù)的觀點[1]，出口溫度低于80℃，工作熱源低于40℃是普通熱泵。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前該類產(chǎn)品已經(jīng)非常成熟，主要用來供應(yīng)生活和部分生產(chǎn)用熱水。在美國、德國、瑞典、挪威和日本等國家廣泛應(yīng)用醫(yī)院、酒店和大型商業(yè)綜合體等建筑的供熱/冷中。出口溫度低于100℃，工作熱源低于60℃是高溫?zé)岜?，目前國?nèi)外均有部分投入到市場的產(chǎn)品?？傮w來說，由于高溫?zé)岜玫膽?yīng)用場景需要面對水的沸騰問題，為了避免結(jié)垢，對水質(zhì)的要求較高。為此，國外的產(chǎn)品一般會對水做增壓處理，提高水的沸點。而國內(nèi)廠家為了控制成本，選擇將供熱溫度控制在沸點以下，目前還未見到供熱溫度高于100℃的產(chǎn)品。蒸汽熱泵則是在高溫?zé)岜玫幕A(chǔ)上，增加汽化和增壓設(shè)備，可供應(yīng)120℃以上的飽和/過熱蒸汽。目前蒸汽熱泵基本處于實驗室研究階段，鮮有成熟的商業(yè)化產(chǎn)品。蒸汽熱泵的出現(xiàn)，極大地拓寬了熱泵的應(yīng)用范圍，是未來替代傳統(tǒng)蒸汽鍋爐，并實現(xiàn)工業(yè)余熱和廢熱高效回收、光熱儲能高效利用的理想方案。

1 高溫?zé)岜眉夹g(shù)現(xiàn)狀

按照工作原理劃分，熱泵一般可以分為壓縮式熱泵、吸收/吸附式熱泵和化學(xué)熱泵三大類[3]，其中壓縮式熱泵目前技術(shù)較成熟，其優(yōu)點是可以提供較高的供熱溫度，但單機供熱功率很難達到1MW以上。吸收式熱泵的優(yōu)點是工作熱源溫度范圍較寬，可以輕松地將單機功率做到兆瓦級別。但目前由于吸收/吸附式熱泵系統(tǒng)設(shè)計困難，換熱效率偏低等問題，在工程中鮮有應(yīng)用的實例?；瘜W(xué)熱泵是集合了儲能與熱泵為一體的新型熱泵，具有溫度適應(yīng)范圍寬、溫升大、儲能密度高、儲能時間長等優(yōu)點，可與壓縮式熱泵和吸收式熱泵形成互補，實現(xiàn)低品位工業(yè)余熱的深度利用。另外，在需要儲能配合的場景，如光熱輔助儲能，谷電儲能等化學(xué)熱泵具有較好的應(yīng)用前景?；瘜W(xué)熱泵主要的應(yīng)用難點是系統(tǒng)穩(wěn)定性低、反應(yīng)速率低和系統(tǒng)效率不高等問題?？紤]到技術(shù)成熟度的因素，下文中所涉及的高溫?zé)岜脩?yīng)用分析只針對壓縮式高溫?zé)岜谩?/p>

2010年以后，高溫?zé)岜玫南嚓P(guān)研究出現(xiàn)了井噴式的增長，研究方向主要集中于供熱溫度高于100℃的應(yīng)用領(lǐng)域。圖1列出了當前各國比較有代表性的研究計劃[4]。近幾年，以日本、德國和挪威為代表的很多國家在熱泵工質(zhì)，高壓比壓縮機，熱泵系統(tǒng)等方面取得了突破性的進展。

圖1 全球范圍內(nèi)具有代表性的高溫?zé)岜醚芯坑媱?/p>

Helminger等人[5]，采用R1336mmz工質(zhì)，并引入了中間換熱器(ΙHX) 研究了單級HTHP。成功將出口溫度提高到了160℃。為了達到高溫的需求，對現(xiàn)有的關(guān)鍵部件進行了改進。實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的COP在109℃的熱源溫度和156℃的出口溫度下，達到了2.7。同時ΙHX提高了約4%的COP。

Fleckl等人[6]也開展了類似的工作，實驗結(jié)果顯示，在出口溫度150℃下，溫升為35K和70K時系統(tǒng)COP分別達到了5.8和2.4。為了避免壓縮過程中R1336mmz工質(zhì)進入氣液兩相區(qū)，在溫升分別為35K和70K時，需要預(yù)留10K和20K左右的過熱度。在另外一項由奧克斯納(Ochsner)公司主導(dǎo)的研究中，Wilk[7]等人通過改良工質(zhì)，將出口溫度提高到了130℃，輸出的熱功率達到400kW。在溫升為70K時，系統(tǒng)的COP達到2.3（60℃熱源）。

在德國，Noack[8]在實驗室中建立起的熱泵系統(tǒng)的出口溫度高達140℃，工作熱源的溫度為60～90℃之間，COP在出口溫度120℃時達到了最高值4.5。該系統(tǒng)系統(tǒng)采用了更加環(huán)保的工質(zhì)HT125，沒有采用任何特殊部件。在法國[9-10]，江森自控（Johnson Control Ιnc.）和法國電力公司（Electricite de France）合作主導(dǎo)了高溫?zé)岜玫拈_發(fā)。為了覆蓋工業(yè)生產(chǎn)中的用熱需求，兩家公司合作開發(fā)了雙螺桿和離心壓縮機，并測試了采用R245fa作為工質(zhì)的系統(tǒng)效率。結(jié)果顯示，在熱源溫度為60℃，出口溫度為100℃的情況下，供應(yīng)熱水的最高COP達到了6。

挪威的 HeatUp項目以將出口溫度提高至200℃以上為目標，其中Bamigbetan等人[11]研究并開發(fā)了由R290和R600制冷劑組成的梯級系統(tǒng)，可在熱源溫度為30℃時，穩(wěn)定地將出口溫度提升至120 ℃。

國內(nèi)目前在開展高溫?zé)岜醚芯康臋C構(gòu)主要是上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)等高校，其中王懷信等[11]的實驗研究結(jié)果表明，與純質(zhì) HFC245fa 相比，MB85 和 HFC245fa 的二元混合工質(zhì)在冷凝溫度 70℃ ～ 100℃工況范圍內(nèi)，綜合性能優(yōu)于 HFC245fa；在出口溫度為100℃，循環(huán)溫升為 45℃時，COP 達到3.83，熱水輸出溫度達到97.2℃。上海交通大學(xué)的李廷賢等人[13]利用混合工質(zhì)將冷凝水從 70 ℃ 加熱到 90 ℃，同時結(jié)合太陽能發(fā)電技術(shù)，開展了一系列研究。西安交通大學(xué)的王凱等人[14]通過將壓縮機噴油冷卻技術(shù)引入到余熱回收高溫?zé)岜孟到y(tǒng)測試平臺，實現(xiàn)了對螺桿壓縮機在高溫工況下的排氣溫度的有效控制，出水溫度可達 85 ℃ 。

SGH120可在熱源溫度為25-65℃時，提供約流量不低于0.52t/h，溫度不低于120℃的飽和蒸汽。在此基礎(chǔ)上，神戶制鋼通過自主研發(fā)的高壓比雙螺桿壓縮機，將120℃的飽和蒸汽進行壓縮，產(chǎn)出流量不低于0.89t/h，溫度不低于165℃的飽和蒸汽，并研發(fā)出SGH165。維京熱機的HeatBoosterS4采用R133mzz工質(zhì)和活塞式壓縮機，能夠提供高達150℃的出口溫度，但目前該產(chǎn)品還處于改進階段，系統(tǒng)的整體的穩(wěn)定性不如SGH165。奧克斯納的產(chǎn)品采用單螺桿壓縮機，最高供熱溫度為130℃。雖然供熱溫度低于前兩者，但其單機供熱功率是目前所有100℃以上壓縮式熱泵中最高的。混合能源作為挪威另外一家高溫?zé)岜玫闹圃焐?，采用了吸收式與壓縮式熱泵混合運行的技術(shù)，其優(yōu)勢是具有較大的工作范圍，其次是可以進一步擴大單機熱功率。從表中可以看出，目前采用R717作為工質(zhì)的Hybrid Heat Pump在滿足120℃供熱溫度的同時，最大單機功率已達到2.5 MW。日本的前川制作所(Mayekawa)則主要專注于CO2工質(zhì)和相關(guān)壓縮機產(chǎn)品的研發(fā)。由于CO2具有其他人造工質(zhì)無法比擬的優(yōu)勢，所以被認為是未來最有應(yīng)用前景的制冷劑。但由于CO2的臨界壓力較高（7.37 MPa），壓縮機的材料和零部件需要具有較好的承壓能力，研制難度極大。

圖2 云南省工業(yè)領(lǐng)域各行業(yè)用熱需求

2 電能替代實例分析

云南省70%的終端能源消費來自于工業(yè)，其中可替代潛力最大的環(huán)節(jié)主要是130℃以下的飽和蒸汽的烘干，保溫，加熱、蒸餾等過程。大力推進云南省的燃煤鍋爐電能替代，對于提高本地電力消費途徑和節(jié)能減排方面具有重要意義。云南省各行業(yè)的用熱需求和替代等級分類詳見圖2。從圖中可以看出，目前替代潛力最大的是食品與飲料加工行業(yè)，其次是造紙和化工業(yè)。為此，本節(jié)將以云南省典型的食品加工業(yè)，石屏縣豆制品工業(yè)園區(qū)為例，針對電能替代實際需求，給出初步的替代方案，并分析采用蒸汽熱泵替代傳統(tǒng)燃煤鍋爐的技術(shù)經(jīng)濟可行性。

2.1 替代方案簡述

本技術(shù)方案針對該生產(chǎn)工藝中用熱(蒸汽)溫度低于150℃的特點，采用蒸汽熱泵系統(tǒng)對原燃煤鍋爐進行替代的技術(shù)路線，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝中蒸汽、熱水的點對點供應(yīng)，最大限度減少熱力管網(wǎng)損耗，提升系統(tǒng)的整體運行效率和用能環(huán)節(jié)的能效；實現(xiàn)生產(chǎn)過程中空氣污染物零排放。經(jīng)過前期的計算和仿真分析，采用本技術(shù)路線對原0.5 t/h燃煤鍋爐替代后，完全能夠滿足豆腐加工企業(yè)的用能需求。

為了提高生產(chǎn)過程的整體能效及熱泵系統(tǒng)的整體COP，鮮豆腐生產(chǎn)替代擬采用如下路線：

1)為了減少煮漿過程的蒸汽耗量，減小傳熱溫差，采用直熱式熱泵機組，將常溫豆?jié){加熱至60℃后再送入到蒸煮容器內(nèi)。

2)為了提升熱泵蒸汽機組的能效，采用熱水熱泵機組將水從常溫加熱至60℃左右。后期可根據(jù)需要，加裝光熱+蓄熱裝置，進一步減少這個環(huán)節(jié)熱泵所消耗的電能。

3)高溫?zé)岜谜羝麢C組的以60℃的熱水作為熱源，將水加熱至115℃的過熱水。過熱水通過蒸汽閃蒸發(fā)生器變?yōu)檎羝?，并通過壓縮環(huán)節(jié)和電輔熱環(huán)節(jié)，最終變?yōu)?.4 Mp，140℃左右的飽和蒸汽。將蒸汽引至煮漿的容器，加熱豆?jié){至110℃左右，并持續(xù)加熱15分鐘。

豆腐皮生產(chǎn)擬采用如下技術(shù)路線：

1)為了減少煮漿過程的蒸汽耗量，減小傳熱溫差，采用直熱式熱泵機組，將常溫豆?jié){加熱至60℃后再送入到蒸煮容器內(nèi)。

2)為了提升熱泵蒸汽機組的能效，采用熱水熱泵機組將水從常溫加熱至60℃左右。后期可根據(jù)需要，加裝光熱+蓄熱裝置，進一步減少這個環(huán)節(jié)熱泵所消耗的電能。

3)高溫?zé)岜谜羝麢C組的以60℃的熱水作為熱源，將水加熱至115℃的過熱水。過熱水通過蒸汽閃蒸發(fā)生器變?yōu)檎羝⑼ㄟ^壓縮環(huán)節(jié)和電輔熱環(huán)節(jié)，最終變?yōu)?.4 Mp，140℃左右的飽和蒸汽。將蒸汽引至煮漿的容器，加熱豆?jié){至110℃左右，并持續(xù)加熱15分鐘。

4)對揭皮生產(chǎn)線的揭皮鍋和管道進行全面的保溫改造，減少熱力管網(wǎng)的熱損失，提高能源利用效率。

5)將0.4 Mp，140℃左右的飽和蒸汽引至揭皮生產(chǎn)線，提供不小于1.4 t/h的連續(xù)蒸汽供應(yīng)能力。

2.2 能量平衡計算

能量平衡計算的目的是確定在滿足最大生產(chǎn)用能需求情況下的熱泵系統(tǒng)功率以及每戶加工企業(yè)所需要配置的變壓器容量。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和對用能點參數(shù)的初步測量結(jié)果。

鮮豆腐和豆腐皮加工對蒸汽參數(shù)的需求，考慮到蒸汽壓力的差別對于蒸汽焓值的影響不大。在后續(xù)熱力平衡計算時，統(tǒng)一選取143.62℃，0.4 Mp的蒸汽焓值2 738.5 kJ/kg。

鮮豆腐企業(yè)和豆腐皮企業(yè)每條生產(chǎn)線分別配有一臺0.5t/h和4t/h的燃煤鍋爐，根據(jù)對調(diào)研數(shù)據(jù)的分析，每戶鮮豆腐生產(chǎn)企業(yè)的燃煤費用約為1.5～2萬元/月，按照每戶370元/t計算，月最小和最大燃煤消耗約40噸和54噸左右，折合1.35～1.8t/天。按照最大需求選取燃煤消耗量為1.8噸/天計算所需的熱泵功率。豆腐皮生產(chǎn)企業(yè)日燃煤消耗約12～13t/天。按照最大需求選取燃煤消耗量為13噸/天計算所需的熱泵功率。

由于鮮豆腐和豆腐皮生產(chǎn)用蒸汽均為間歇性用汽，通過推算分別取連續(xù)耗能系數(shù)為0.5和0.6，以此參數(shù)反映在生產(chǎn)間斷過程中，為了維持燃煤鍋爐燃燒所損失的熱量。

通過測算，原鍋爐系統(tǒng)整體效率分別為0.51和0.43。當熱泵系統(tǒng)整體效率取2時，滿足鮮豆腐生產(chǎn)用能需求的熱泵功率應(yīng)不低于133.12kW。滿足豆腐皮生產(chǎn)用能需求的熱泵功率應(yīng)不低于684.63kW。

鮮豆腐企業(yè)共有豆腐生產(chǎn)線2條(對應(yīng)2臺0.5t/h鍋爐)，豆腐皮生產(chǎn)線6條(對應(yīng)6臺4t/h鍋爐)，目前只有一戶配置專門的用戶變(兩條豆腐皮生產(chǎn)線，專變?nèi)萘?60 kVA)，其余的用戶的供電均由附近三臺400 k的公用變引出。采用熱泵系統(tǒng)替代燃煤鍋爐后，單條鮮豆腐生產(chǎn)線所需熱泵負荷約140 kW。扣除原鍋爐輔機約10.8 kW的負荷，新增負荷約130 kW。考慮到原有用戶負荷約40 kW，則滿足單戶鮮豆腐生產(chǎn)的總負荷應(yīng)不低170 kW，變壓器容量應(yīng)不低于200 kVA。

松村工業(yè)園區(qū)內(nèi)的豆腐皮企業(yè)的用戶專變?nèi)萘繛?20 kVA～160 kVA不等。其中生產(chǎn)過程的負荷(不包括燃煤鍋爐輔機)約80 kW。單條豆腐皮生產(chǎn)線所需熱泵負荷約694 kW，扣除原鍋爐輔機約37.2 kW的負荷，新增負荷約656 kW?？紤]到原有用戶負荷約80 kW，則滿足單戶鮮豆腐生產(chǎn)的總負荷應(yīng)不低于736 kW，變壓器容量應(yīng)不低于1 000 kVA。

3 替代經(jīng)濟分析

運行經(jīng)濟性對比按照一戶企業(yè)配備一條生產(chǎn)線為測算基準，測算過程中的總體原則如下：

1) 蒸汽焓值統(tǒng)一采用738.5 KJ/kg。

2) 鮮豆腐企業(yè)蒸汽耗量0.35 t/h，豆腐皮企業(yè)蒸汽耗量1.8 t/h。

3) 鮮豆腐企業(yè)日平均干豆消耗量0.8 t/天，豆腐皮企業(yè)日平均干豆消耗量5 t/天。

4) 單位能源價格按照電0.54元/kWh、煤炭0.39元/kg、天然氣3.2元/m3、生物質(zhì)燃料1元/kg計算。

5) 煤炭熱值取3 000 kcal、天然氣熱值取7 000 kcal、生物質(zhì)燃料取4 000 kcal。

6) 熱泵COP取2、燃煤鍋爐效率0.51(豆腐生產(chǎn)線)和0.43(豆腐皮生產(chǎn)線)、天然氣鍋爐0.6、電鍋爐0.95、生物質(zhì)鍋爐效率0.45(豆腐生產(chǎn)線)和0.43(豆腐皮生產(chǎn)線)。

7) 考慮到豆腐加工過程為間歇性的生產(chǎn)用能，系統(tǒng)的連續(xù)耗能系數(shù)統(tǒng)一取0.5。

通過初步測算，原有燃煤方案的單位原材料能源成本約0.88元，與實際調(diào)研得到的價格區(qū)間(0.7～1.1元)基本相符。采用熱泵方案的單位原料生產(chǎn)成本比天然氣便宜約1.54元/戶，比生物質(zhì)便宜約0.83元/戶。

對于豆腐皮企業(yè)來說，原有燃煤方案的單位原材料能源成本約1.03元，與實際調(diào)研得到的價格區(qū)間(0.7～1.1元)基本相符。采用熱泵方案的單位原料生產(chǎn)成本比天然氣便宜約1.32元/戶，比生物質(zhì)便宜約0.9元/戶。

采用熱泵方案的年運行費用僅比燃煤鍋爐增加約6.53萬元左右。而熱泵方案相比天然氣、生物質(zhì)和電鍋爐每年可分別節(jié)約運行資金約30萬元/戶、21萬元/戶和23萬元/戶。

采用熱泵方案的年運行費用僅比燃煤鍋爐增加約21萬元左右。而熱泵方案相比天然氣、生物質(zhì)和電鍋爐每年可分別節(jié)約運行資金約184萬元/戶、137萬元/戶和175萬元/戶。

4 結(jié)束語

隨著能源短缺、大氣污染和全球變暖等一系列問題的日趨嚴重，熱泵技術(shù)，特別是高溫?zé)岜玫难芯砍蔀榱私鼛啄甑膰H上的研究熱點。從發(fā)展趨勢來看，熱泵工質(zhì)、輸出溫度、容量、能效、可靠性與溫度適應(yīng)性是研究的主流方向。供熱溫度85℃的熱泵產(chǎn)品較為豐富，技術(shù)較為成熟；85℃-100℃的產(chǎn)品正在逐步推廣并形成了一些工程化應(yīng)用的示范；100℃-130℃已形成了部分工程樣機，預(yù)計未來2年之內(nèi)會逐步實現(xiàn)工程應(yīng)用；130℃以上的高溫?zé)岜悯r有成熟的產(chǎn)品，基本還停留在試驗樣機階段。

熱泵技術(shù)可利用光熱、地?zé)?、工業(yè)余熱、廢熱等低品位的熱源來獲取高溫?zé)崃黧w。高溫?zé)岜?包括蒸汽熱泵)的研發(fā)、推廣和應(yīng)用對于云南省淘汰和替代燃煤鍋爐，提升電氣化水平，充分利用可再生能源、減少有害氣體排放、提高大氣環(huán)境質(zhì)量、提高用戶終端能源利用效率具有重要的意義，同時也是云南省未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要手段。

本文在總結(jié)了現(xiàn)有壓縮式高溫?zé)岜眉夹g(shù)的基礎(chǔ)上，以典型的石屏豆制品行業(yè)為對象，按照其用能需求開展了電能替代方案的初步設(shè)計。從經(jīng)濟性分析的結(jié)果可知，采用全電氣化的蒸汽熱泵方案后，全年運行成本約比原燃煤鍋爐高21萬元，但顯著低于生物質(zhì)燃料和天燃氣，具有良好的替代經(jīng)濟性。