周航兵
(勝利油田勝利勘察設(shè)計研究院有限公司 工藝配管設(shè)計所,山東 東營257000)
中國是一個地?zé)豳Y源豐富的國家,地?zé)釋儆跐崈舻目稍偕茉?,它具有熱流密度大、容易收集和輸送、參?shù)穩(wěn)定(流量、溫度)、使用方便、不受地域限制等優(yōu)點。不像化石燃料在獲取能源和產(chǎn)生電力的同時,向環(huán)境排放大量的燃燒產(chǎn)物,嚴(yán)重污染了環(huán)境并影響了人們的身心健康。地?zé)崴Y源普遍受到人們的喜愛,特別是集“礦、水”于一身的熱水型地?zé)豳Y源,數(shù)量多且分布范圍廣,有各類不同可利用的溫度,并含多種人體健康所必須的微量元素,使其成為寶貴的能源資源、溫泉旅游資源和熱水資源,有很高的利用價值。
目前,采用吸收式熱泵技術(shù),充分利用地?zé)崴Y源是改善城市大氣環(huán)境、節(jié)約能源的一條有效途徑,是中國能源開發(fā)利用的一個新的發(fā)展方向①。
吸收式熱泵是以熱能為主要驅(qū)動能源的熱回收設(shè)備,它是利用液態(tài)制冷劑在低溫、低壓條件下,蒸發(fā)、汽化吸收載冷劑的熱負(fù)荷,產(chǎn)生制冷效應(yīng)而研制的[1]。根據(jù)吸收式熱泵工作特性和在熱源之間進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)換的形式可分為兩種類型:第一類吸收式熱泵和第二類吸收式熱泵。在該系統(tǒng)中用的是第一類熱泵。
第一類吸收式熱泵(typeⅠabsorption heat pump)以消耗高溫?zé)崮転榇鷥r,通過向系統(tǒng)輸入高溫?zé)崮埽M(jìn)而從低溫?zé)嵩粗谢厥找徊糠譄崮?,提高其溫位,以中溫的形式供給熱用戶(圖1)[2]。
圖1 第一類吸收式熱泵能量轉(zhuǎn)換示意圖
在地?zé)豳Y源的開發(fā)利用中,用得最多的是第一類吸收式熱泵。熱泵的驅(qū)動熱源為鍋爐供給的熱源蒸汽,低溫?zé)嵩词堑責(zé)崴?,可利用熱源為供暖系統(tǒng)所需熱水。熱泵內(nèi)部具體循環(huán)流程見圖2。
某社區(qū)鍋爐房承擔(dān)著約50×104m2的供暖任務(wù),采用燃油鍋爐供暖,年耗渣油量(渣油)3.6kt左右。該社區(qū)目前已建成地?zé)峋當(dāng)?shù)口,采用地?zé)崴苯訐Q熱供暖,作為鍋爐房供暖的補(bǔ)充,同時達(dá)到節(jié)能降耗的目的。地?zé)崴鏊疁囟?8℃,出水量560t/h,供暖設(shè)計熱負(fù)荷3.5×105kW。該鍋爐房現(xiàn)有10t/h和4t/h蒸汽鍋爐各2臺,產(chǎn)生飽和蒸汽,飽和壓力0.6MPa;另有熱水鍋爐若干用于采暖。
圖2 熱泵內(nèi)部具體循環(huán)流程
原有利用方式為:利用地?zé)崴苯訉σ欢娣e的用戶進(jìn)行冬季供暖;地?zé)崴?jīng)用戶管網(wǎng)放熱后作為生活熱水利用。供暖參數(shù)如下:
供暖初期20d,供水溫度51℃,回水溫度42℃;
供暖中期80d,供水溫度72℃,回水溫度58℃;
供暖末期20d,供水溫度51℃,回水溫度41℃。
在供暖的初、末期,地?zé)崴苯舆M(jìn)入管網(wǎng)為用戶供熱,而在中期,由于所需供暖溫度較高,因而溫度較低的地?zé)崴冉?jīng)過熱水鍋爐加熱后再為熱用戶供暖和提供生活用熱水,地?zé)崴?jīng)管網(wǎng)后排放溫度高,熱能利用不充分。
直接利用地?zé)崴┡绞剑嵯到y(tǒng)熱力系數(shù)COP(即系統(tǒng)輸出熱量與輸入能量比值)較低,僅為1.23;地?zé)崴?8℃降為58℃,溫降僅為10℃。
針對供暖中期存在著的地?zé)崴欧艤囟冗^高,地?zé)崮芾貌怀浞值葐栴},對供暖中期整個供熱系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)。利用吸收式熱泵技術(shù)實現(xiàn)地?zé)嵘疃忍菁壚?,即在原有的供熱方案基礎(chǔ)上,在原來直接利用地?zé)崴┡到y(tǒng)中加入熱泵機(jī)組,并利用現(xiàn)有的鍋爐房部分設(shè)備,將系統(tǒng)改為先利用溴化鋰吸收式熱泵,使地?zé)崴畲笙薅鹊氐玫嚼茫倮媒禍睾蟮牡責(zé)崴?yīng)生活用熱水,以達(dá)到利用地?zé)豳Y源,節(jié)約燃油量,保護(hù)環(huán)境的目的。
2.2.1 使用熱泵后過程分析
使用熱泵間接供熱,即采用第一類吸收式熱泵技術(shù),實現(xiàn)地?zé)嵘疃壤?,擴(kuò)大利用溫降,降低排水溫度,具體過程見圖3。地?zé)崴ㄉ顭崴┗芈窞棰伲郏冢埽?;供暖水路線⑤-⑥-⑦-⑧-⑤。
圖3 改造后的供暖中期流程
2.2.2 改造后的投資與系統(tǒng)運行參數(shù)
改造后需加入的裝置與設(shè)備為
熱泵:吸收式熱泵機(jī)組3臺,制熱工況下冷凝器出/回水溫度72℃/58℃,主機(jī)及其附屬設(shè)備投資約為500萬;
熱泵房:新建熱泵機(jī)房一座。另外需要投入增壓水泵、來回輸水管線、若干閥門等零星設(shè)備,投資約為50萬;
鍋爐房:新增蒸汽鍋爐10t/h 1臺,與另外2臺10t/h和1臺4t/h蒸汽鍋爐一起作為吸收式熱泵的驅(qū)動熱源。鍋爐房改造投資50萬。
新增總投資約為600萬元。根據(jù)已知參數(shù)與供暖需求,通過查表和計算(利用VC++6.0程序計算熱泵參數(shù))可得到如下結(jié)果:
地?zé)崴厮疁囟萾d:td=44℃,
熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)熱負(fù)荷Q:Q=33 631.94kW,供熱系統(tǒng)熱力系數(shù)COP:COP=1.86,
鍋 爐 熱 負(fù) 荷Qg:Qg=Q/COP=18 076.39kW。
在供暖初期與末期,由于地?zé)崴鏊疁囟龋?8℃)已大于供水溫度(51℃),且回水溫度41/42℃,基本上可以滿足熱水用戶要求,且排放時無熱污染。故可采用原來地?zé)崴苯庸岬姆椒?,即采用原來先供熱、后供生活熱水的方法。供暖中期則采用上述的系統(tǒng)改進(jìn)措施,以達(dá)到地?zé)嵘疃忍菁壚煤凸?jié)能降耗的目的。
采用吸收式熱泵以后,經(jīng)濟(jì)效益大為提高,進(jìn)行其優(yōu)越性分析[3]。
2.3.1 地?zé)崴衫脺亟翟龃?/p>
地?zé)崴疁亟涤?8℃→58℃變?yōu)?8℃→44℃,即溫降由10℃變?yōu)?4℃,當(dāng)?shù)責(zé)崴昧髁恳欢〞r,地?zé)崴峁┑臒崃颗c其溫差成正比,即可利用于供暖的地?zé)崮転樵岱绞降?.4倍,一口地?zé)峋s相當(dāng)于原來的2.4口井,實現(xiàn)了地?zé)嵘疃壤谩?/p>
2.3.2 燃油量降低
改造前后系統(tǒng)熱力系數(shù)COP值由1.23增為1.86,在同樣的管網(wǎng)熱負(fù)荷Q條件下,使用熱泵前后燃燒渣油量W與系統(tǒng)熱力系數(shù)成反比,即:
式中,W1W2分別為熱泵使用前后燃燒的渣油量,t。
節(jié)約燃油百分?jǐn)?shù):(W1-W2)/W1= (1.86-1.23)/1.86=33.9%.
供暖中期80d,初、末期均為20d,如采用原有利用方式,中期鍋爐所耗渣油百分比約為90.64%,年耗渣油量約為8 600t。以每噸渣油1 500元計費,則節(jié)約經(jīng)費為
S_money=8 600×90.64%×1500×33.9%=3 953 590元 ≈395.4萬元
2.3.3 經(jīng)濟(jì)效益顯著
投資回收年限:600/395.4≈1.52年 <2年 。
從該項工程經(jīng)濟(jì)性分析得出投資回收年限較短,可知其經(jīng)濟(jì)效益與社會效益都很好,因此供暖系統(tǒng)進(jìn)行改造是可行的。
使用吸收式熱泵后,地?zé)崴玫匠浞掷?,排水作為生活熱水供給熱用戶,節(jié)約了燃油和電,同時減少了渣油燃燒量和煙塵排放量;吸收式熱泵供暖實現(xiàn)了地?zé)嵘疃忍菁壚茫岣吡说責(zé)崂寐?,同時降低地?zé)崤潘疁囟?,保證地?zé)崴_(dá)標(biāo)排放。隨著各科研單位對吸收式熱泵技術(shù)研究力度的深入和大量新技術(shù)的不斷涌現(xiàn),吸收式熱泵技術(shù)將不斷發(fā)展,其運行效率、出水溫度會不斷提高,應(yīng)用范圍會不斷擴(kuò)大??傊帐綗岜眉夹g(shù)將以其經(jīng)濟(jì)節(jié)能、綠色環(huán)保、性能穩(wěn)定以及安全可靠等特點得到越來越廣泛的應(yīng)用。
注:
①國家計委能源所.能源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯編[G].1999:7.
[1]戴永慶,耿惠賓,王禾,等.溴化鋰吸收式制冷技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:1-35.
[2]戴永慶.溴化鋰吸收式制冷空調(diào)技術(shù)實用手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999:68-69.
[3]李新國.地?zé)釤岜谜{(diào)峰供暖系統(tǒng)的熱力及經(jīng)濟(jì)分析[J].太陽能學(xué)報,1997,18(2):146-151.