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        河水源熱泵與蓄熱電鍋爐聯(lián)合供暖系統(tǒng)研究

        2021-07-14 09:32:58吳建澤金盈利李炳銳李炳熙
        節(jié)能技術 2021年3期
        關鍵詞:電鍋爐標煤熱泵

        王 維,吳建澤,金盈利,李炳銳,李炳熙

        (1.哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.中國船舶集團公司第703研究所,黑龍江 哈爾濱 150078)

        隨著社會的發(fā)展,環(huán)境問題日趨嚴峻。傳統(tǒng)的燃煤供暖會導致大量的污染物排放。目前,國家發(fā)改委、各省、市均提出了加快推進電能清潔供暖的實施意見和辦法。其中的延長谷期電價時長,協(xié)商電價、以及相關補貼政策更是大大提升了用電供暖的經濟性。

        目前現有的電力供暖大多是采用蓄熱電鍋爐[1-2]的形式,但電鍋爐的熱效率永遠是小于1的。本課題提出將熱效率大于1的熱泵與電鍋爐相結合進行電力供暖,不僅可利用周圍環(huán)境的低品位能源,而且大大提高經濟效益和減少排放。本文以東北某10萬m2供暖需求的小鎮(zhèn)為樣板,針對采用河水源熱泵[3-5]和蓄熱電鍋爐聯(lián)合供暖系統(tǒng)[6]進行了供暖方案設計,并對其經濟效益、環(huán)境效益和系統(tǒng)參數優(yōu)化進行了研究。

        1 熱泵聯(lián)合供暖方案和運行策略

        由于穿過小鎮(zhèn)的河水上游有水力發(fā)電站,冬季河水水溫仍可達到6~8 ℃,存在大量的低品位能源可以利用。小鎮(zhèn)供暖季為11月至次年4月,小鎮(zhèn)供暖面積為10萬m2,每m2供熱負荷取70 W,最大供熱熱負荷為7 MW。河水流量為12 m3/s,可換熱至4 ℃,則可取熱量100~200 MW,遠高于供暖所需熱量。根據該地的氣象溫度變化和實際供暖需求,設計各月供暖熱負荷為:次年4月3.3 MW,11月與次年3月4.7 MW,12月至次年2月6.5 MW。

        擬選用某品牌螺桿壓縮機與蒸汽相變蓄熱電鍋爐串聯(lián)工作。螺桿壓縮機輸入功率w=218 kW,制熱量為wh=704 kW,COP為3.21,熱泵蒸發(fā)溫度t0=-2 ℃,壓縮機指示效率ηi=0.866,冷凝溫度tK=60 ℃。受供暖水溫要求以及河水溫度限制,設置過冷度Δtg=5 ℃,過熱度Δtr=3 ℃,即t1=4 ℃,t2=60 ℃,t3=55 ℃,t4=1 ℃。蓄熱電鍋爐的輸出功率較為靈活,為降低初投資成本,根據熱負荷需求對其輸出熱功率進行自動調節(jié),并保證最大熱負荷為7 MW,具體方案如表1所示。其中方案1為僅適用熱泵、方案6為僅使用電鍋爐。

        表1 聯(lián)合供暖裝機組合方案

        在運行方面,由于熱泵的運行花費較小,因此當優(yōu)先使熱泵機組滿功率運行,電鍋爐根據用熱需求靈活調節(jié)。此外,使用帶蓄熱功能的電鍋爐可以在谷電價時進行蓄熱,并在峰電和平電時進行斷電放熱,降低電鍋爐的運行費用[7-9]。該地的分時段電價為:谷電0.28元/kWh(0:00~7:00和21:00~24:00);平電0.54元/kWh(7:00~7:30和11:30~17:00);峰電0.79元/kWh(7:30~11:30和17:00~21:00),蓄熱電鍋爐運行策略和電價如下圖1所示。

        圖1 某地的分時段電價及蓄熱電鍋爐運行安排

        2 經濟效益分析

        根據上述的時段電價和蓄熱電鍋爐的運行策略,計算了額定供熱為1 MW的熱泵、蓄熱電鍋爐和普通電鍋爐在每天的用電費用,分別為3 863元/MW/天、6 720元/MW/天和12 360元/MW/天??梢姴捎脽岜霉┡倪\行費用遠低于電鍋爐,僅為蓄熱電鍋爐運行費用的57%,而采用蓄熱電鍋爐又可降低接近45%的運行費用。在設備成本方面,水源熱泵的初投資價格約為85元/m2,蓄熱電鍋爐的初投資價格約為55元/m2[10]。

        根據如表1中的運行方案,每年供暖系統(tǒng)高功率運行90天,中功率運行60天,低功率運行30天,計算運行的綜合COP,以及運行和投資成本。則各方案初投資和年運行費用計算如表2所示。綜合COP綜合的計算公式如下,其中w熱泵和w電鍋爐分別為熱泵和電鍋爐的電功率,COP熱泵=3.21,COP電鍋爐=0.98

        表2 供暖系統(tǒng)年運行費用

        (1)

        由表2中計算結果可得,聯(lián)合供暖系統(tǒng)中隨著熱泵數量的增加、電鍋爐數量的減少,設備成本逐漸增高,但運行費用逐漸降低。

        3 環(huán)境效益分析

        采用電力供暖在運行過程中無排放污染,但所消耗的電能仍可折合成為標準煤量與傳統(tǒng)的燃煤供暖進行比較。

        根據供暖熱負荷與供暖季時長,可計算獲得本供暖工程年累計供熱量R供暖為8.06×104GJ。該小鎮(zhèn)原為燃煤鍋爐供暖,提供這些熱量需要消耗的標煤量計算公式為

        (2)

        燃煤鍋爐總效率η取0.7,管網輸送能耗k取0.95,標煤熱值C取29 307 kJ,計算得到年耗標煤量M鍋爐為4 136 t。

        相應的采用表1中6種方案進行電力供暖時,對應需要消耗的電能和轉換的標煤量,如表3所示。耗電量轉化為耗煤量的計算公式如下

        (3)

        火力發(fā)電效率及電力輸送效率ξ取0.33,管網輸送能耗k取0.95。每t標煤燃燒排放二氧化碳2.62 t、二氧化硫8.5 kg、氮氧化物7.4 kg、一氧化碳23 kg。采取各方案供暖所排放的除二氧化碳以外的污染物如表3所示。

        表3 供暖系統(tǒng)年耗煤量和污染物排放量

        由表中可以看出,聯(lián)合供暖方案中所采用的熱泵機組越多,耗電量越少,折合成的耗煤量和污染物排放量越小。其中,方案3所折合的耗煤量與燃煤供暖的耗煤量相接近。

        上文分別討論了6種水源熱泵與蓄熱電鍋爐聯(lián)合供暖方案的經濟效益和環(huán)境效益。6種方案的初投資費用、年運行費用和年污染物排放量如圖2所示。

        圖2 聯(lián)合供暖系統(tǒng)三指標優(yōu)化

        4 結論

        由文中可以得到以下結論:(1)年運行費用和年污染物排放隨著聯(lián)合供暖方案中電鍋爐供熱負荷的增加而線性增加,初投資費用隨電鍋爐供熱負荷的增加而減少。(2)根據三個指標綜合判斷,方案2的8臺熱泵和1.4 MW的蓄熱電鍋爐為最優(yōu)方案,運行費用為39.6元/m2接近燃煤采暖的費用,且污染物排放相比于燃煤供暖每年可減少30 t。

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