王東鵬，任 兵

（1.山西大學(xué)工程學(xué)院，山西 太原 030013；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

電廠余熱利用的分析與探討

王東鵬1，任 兵2

（1.山西大學(xué)工程學(xué)院，山西 太原 030013；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

文章通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外大型火電廠水冷機(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。目前，由于在冬季北方日光大棚的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益受到環(huán)境氣候條件的限制，其生產(chǎn)效率比較低，影響了市場(chǎng)的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)。通過(guò)這種方式，既能減少對(duì)供熱系統(tǒng)的投資，又可以減少供熱系統(tǒng)的熱量損失。

循環(huán)水余熱利用；熱泵技術(shù)；農(nóng)業(yè)日光大棚

能源生產(chǎn)和能源消費(fèi)所引起的環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為制約我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題之一。在未來(lái)20年我國(guó)經(jīng)濟(jì)翻兩番和全面實(shí)現(xiàn)小康社會(huì)，能源和能源消費(fèi)所帶來(lái)的問(wèn)題同過(guò)去20年相比將會(huì)更加突出、更加嚴(yán)峻。目前國(guó)內(nèi)大型火電廠的大量余熱很多情況下沒(méi)有得到有效地利用，造成了能源的浪費(fèi)，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(wèn)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(zhǎng)，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(guò)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(zhǎng)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(duì)于大型水冷機(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(shí)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(guò)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(yùn)行循環(huán)水供熱[1]，該技術(shù)在理論上可以實(shí)現(xiàn)很高的能源利用效率，國(guó)內(nèi)外都有很多研究和成功運(yùn)行的實(shí)例，技術(shù)已很成熟，特別在我國(guó)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(wèn)題，如發(fā)電功率受用戶熱負(fù)荷的制約，不能分別地獨(dú)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(huì)在某種介質(zhì)中被吸收、轉(zhuǎn)移、擴(kuò)散，水是一種最常見(jiàn)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(kù)的水來(lái)做冷卻循環(huán)水，水庫(kù)成了二級(jí)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(lái)冷卻。但是用作冷卻系統(tǒng)的水庫(kù)被加熱后，生活在水庫(kù)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(kù)，出現(xiàn)了水草、藻類植物過(guò)量生長(zhǎng)，引起水體缺氧，水質(zhì)下降，影響魚(yú)類生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)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(wèn)題的發(fā)生。對(duì)于一般大型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)水余熱為居民住宅供熱投資相比為農(nóng)業(yè)供熱要大。對(duì)于電廠濕冷機(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(guó)北方地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的局限性

在我國(guó)的華北、東北、西北地區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無(wú)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(shí)間長(zhǎng)達(dá)半年之久。為了延長(zhǎng)生產(chǎn)時(shí)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(lái)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，存在溫差過(guò)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(zhǎng)期長(zhǎng)、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(jià)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(lái)供熱的制冷機(jī)，它是通過(guò)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?，向溫度較高的熱源（溫度為Th的供熱系統(tǒng)）放熱。驅(qū)動(dòng)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(shuō)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(lái)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(shí)，利用制冷劑蒸發(fā)吸收循環(huán)水的熱量，然后通過(guò)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3部分組成：①熱泵的驅(qū)動(dòng)能源(電能）和驅(qū)動(dòng)裝置(電機(jī)、發(fā)動(dòng)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(zhǎng)溫度在18～35℃。對(duì)于北方地區(qū)，在冬季日光大棚不能滿足植物的生長(zhǎng)溫度，并且大棚內(nèi)的溫度不穩(wěn)定，一天的溫差過(guò)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(lái)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(zhǎng)，避免用一些對(duì)人體有害的藥物促使植物生長(zhǎng)。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(guó)的煤礦大部分分布在北方，電廠分布除了幾個(gè)大城市如上海、天津、廣州和廣東、江蘇、浙江幾個(gè)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(lái)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(huì)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(duì)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(shí)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(shí)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300 MW機(jī)組循環(huán)水用于溫室大棚供熱的分析與估算

以國(guó)內(nèi)某300 MW水冷機(jī)組為例，其循環(huán)水量平均為每小時(shí)3.5萬(wàn)t，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(shí)可以被利用的熱量為：

以黃瓜的種植為例，其根系的適宜溫度為18～22℃。在我國(guó)河北地區(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(zhǎng)溫度，每立方米空間需要提供的熱量為：

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

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)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(diǎn)。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，2004，6.

[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.

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

The Analysis and Discussion of Utilization of Waste Heat in Power Plant

Wang Dong Peng，Ren Bing

By analyzing the utilizing conditions of waste heat of circulating water in the domestic large-scale thermal power plant which is cooled by circulating water，the text suggests the solution that solar greenhouses in agriculture are heated by circulating water which is temperatured in the heat pump.At present，as the production efficiency of solar greenhouses in agriculture affected by environmental and climatic conditions is relatively low，it affects the supply of agriculture products market.In this wa，it will reduce the investment and heat loss in the system.

the waste heat utilization of circulating water；heat pump technology；solar greenhouses in agriculture

TK09

A

1000-8136(2010)35-0003-02