劉世宏 梁磊,2 張建良 趙陽

(1.上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090;2.上海熱交換系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心,上海 200090)

吸收式熱泵在火電廠余熱供暖中的應(yīng)用分析

劉世宏1梁磊1,2張建良1趙陽1

(1.上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090;2.上海熱交換系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心,上海 200090)

簡述了溴化鋰吸收式熱泵的工作原理及性能評價指標(biāo),分析了吸收式熱泵在火電廠余熱供暖中的應(yīng)用。通過實際案例說明吸收式熱泵在火電廠循環(huán)水余熱供暖方面具有很好的經(jīng)濟(jì)效益、社會和環(huán)境效益。并對熱泵在火電廠余熱供暖方面的進(jìn)一步開發(fā)、應(yīng)用與推廣提出幾點建議。

吸收式熱泵 火電廠余熱 供暖 應(yīng)用分析

“十二五”規(guī)劃綱要明確提出“單位GDP能耗降低16%，單位GDPCO2排放降低17%，主要污染物排放顯著減少”的節(jié)能降耗目標(biāo)，其中熱電聯(lián)產(chǎn)與鍋爐改造已列為重點工程之一，近五年預(yù)計形成7500萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的節(jié)能能力，這勢必加快火電廠集中供暖改造，提高節(jié)能降耗水平。電廠熱量損失主要是汽輪機(jī)冷端損失、排煙余熱、鍋爐排污及除氧器排氣余熱損失。鍋爐排煙溫度高達(dá)150℃，易于回收利用，因而一直是人們關(guān)注的重點。從熱經(jīng)濟(jì)性分析可知，50%的熱量是通過汽輪機(jī)冷端凝汽器散失掉的，火電廠各項能量損失見表1。電廠循環(huán)水的溫度一般僅高于環(huán)境溫度10℃左右，屬于低品位能，很難得到直接利用，一直以來被人們所忽視。以1000MW火電機(jī)組為例循環(huán)水流量約為30～45m3/s，排水溫升約為8℃～13℃，蘊含熱量約1.2×106～1.9×106kJ/s;以年運行5000h計，其熱量折合標(biāo)準(zhǔn)煤70～114萬t/a[1]。火電廠在排出熱污染的同時也消耗了大量水資源，釋放大量溫室氣體、氮硫化合物等造成環(huán)境污染。

我國北方城市季節(jié)性明顯，采暖期約4～6個月，供熱的需求較大，且集中供暖面積每年以17%的速度增長[3]。隨著近年城鎮(zhèn)化建設(shè)的飛速發(fā)展，北方地區(qū)熱源明顯不足。近兩年，氣候異常，南方供暖的呼聲愈加高漲，國內(nèi)城市普遍存在集中供熱熱源不足的狀況[4]。

鑒于此，在節(jié)能降耗和供暖需求加劇的雙重壓力下，基于吸收式熱泵的火電廠循環(huán)水余熱供暖技術(shù)能夠有效地實現(xiàn)能量的梯級利用、緩解供暖緊張的局面，本文就此技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 吸收式熱泵的基本原理及性能評價

吸收式熱泵按制熱目的可分為2類[5]：第1類吸收式熱泵(AHP)，該類熱泵將蒸汽、燃?xì)饧肮I(yè)廢熱水等作為驅(qū)動熱源，把余熱提升到中高品位，達(dá)到能源梯級利用的目的;第二類吸收式熱泵又稱吸收式熱變換器(AHT)，主要利用中溫廢熱和低溫?zé)嵩吹臒釀莶睿迫囟雀哂谥虚g廢熱的熱媒，從而提高廢熱品質(zhì)。本文僅針對第1類熱泵進(jìn)行分析。

溴化鋰吸收式熱泵工作原理如圖1所示，發(fā)生器的驅(qū)動熱源為蒸汽或燃料，吸收器和冷凝器構(gòu)成供熱回路對熱網(wǎng)水等熱媒進(jìn)行加熱。蒸發(fā)器通過余熱回路從低品位熱源吸收熱量，產(chǎn)生冷劑蒸汽。運行時溴化鋰稀溶液從溶液泵排出經(jīng)溶液熱交換器升溫后進(jìn)入吸收器，噴淋在傳熱管表面，吸收驅(qū)動熱源熱量產(chǎn)生水蒸氣。發(fā)生器中濃溶液通過溶液熱交換器換熱后進(jìn)入吸收器，濃度稀釋放熱，從而完成溴化鋰溶液循環(huán)。而從發(fā)生器蒸發(fā)的水蒸氣流經(jīng)冷凝器加熱熱媒后流入蒸發(fā)器吸收低溫余熱進(jìn)而回到吸收器稀釋溴化鋰溶液，從而完成水循環(huán)。熱網(wǎng)水等熱媒進(jìn)入吸收器，利用溴化鋰稀釋放熱完成第一次升溫過程，在冷凝器內(nèi)，高溫蒸汽的凝結(jié)潛熱，對熱媒進(jìn)行再次加熱，最終達(dá)到設(shè)計溫度。

根據(jù)吸收式熱泵機(jī)組結(jié)構(gòu)可列出系統(tǒng)的熱平衡式：

式中：QE蒸發(fā)器中低溫余熱加入的熱量，kJ;

QG發(fā)生器中高溫驅(qū)動熱源加入的熱量，kJ;

QA吸收器中熱媒吸收的熱量，kJ;

QC冷凝器中熱媒吸收的冷凝熱，kJ;

根據(jù)熱力定義，由上式可得熱泵的熱力性能系數(shù)(COP)ζ為：

表1 火電廠各項能量損失參考值[2](%)

表2 基于吸收式熱泵的火電廠余熱供暖技術(shù)應(yīng)用案例(部分)

2 吸收式熱泵在火電廠中的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

目前，我國北方區(qū)域供暖主要采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式，熱電聯(lián)產(chǎn)相比熱電分產(chǎn)節(jié)約1/3能耗，且電廠汽輪機(jī)抽汽供熱最為廣泛?；痣姀S熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)抽汽供熱系統(tǒng)流程如圖2所示。

汽輪機(jī)抽汽供熱解決了區(qū)域供暖問題，但是以犧牲電廠發(fā)電總量為代價，并沒有從根本上提高電廠的熱效率。然而汽輪機(jī)冷端余熱通過冷卻塔釋放到環(huán)境中并未得到充分利用。基于吸收式熱泵的火電廠供暖系統(tǒng)流程如圖3所示，吸收式熱泵的火電廠循環(huán)水余熱供暖技術(shù)則主要是采用汽輪機(jī)低壓抽汽作為驅(qū)動熱源，利用電廠循環(huán)冷卻水作為熱泵低溫?zé)嵩?，將僅高于環(huán)境10℃左右的低品位余熱大量利用。比較圖2與圖3可知，基于吸收式熱泵的火電廠循環(huán)水余熱供暖技術(shù)并不同于傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)，前者充分利用了循環(huán)水余熱。此技術(shù)可減少汽輪機(jī)抽汽量，增加機(jī)組的發(fā)電量，同時可減少電站冷端損失，提高發(fā)電機(jī)組熱效率，具有更佳的節(jié)能效果。從汽輪機(jī)抽汽作為高溫驅(qū)動熱源，在熱泵蒸發(fā)器中吸收循環(huán)水余熱，經(jīng)過熱泵吸收器和冷凝器兩次加熱最終得到中溫?zé)峋W(wǎng)水供水，一般為85℃左右。當(dāng)遠(yuǎn)距離供熱時，可通過熱網(wǎng)加熱器再次加熱得到100℃～130℃的二次網(wǎng)水。

2.2 實際應(yīng)用分析

以某火電廠為例，采用吸收式熱泵和熱網(wǎng)加熱器的聯(lián)合供暖模式。以超臨界660MW的9、10號機(jī)組的0.98MPa，355℃部分抽汽減壓至0.80MPa，355℃的蒸汽作為驅(qū)動熱源，利用溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組提取9、10號機(jī)組循環(huán)水余熱。進(jìn)、出熱泵蒸發(fā)器的循環(huán)水溫度分別為36℃和27℃。熱網(wǎng)回水先經(jīng)過熱泵吸收器和冷凝器由60℃兩次加熱到90℃，在冬季寒冷期，再通過熱網(wǎng)加熱器利用抽汽0.98MPa，355℃的蒸汽加熱，將熱水溫度提高到約120℃，給較遠(yuǎn)距離熱用戶供暖。實際工程投入運行時熱泵機(jī)組性能系數(shù)COP達(dá)到設(shè)計值約1.7，整個采暖季回收電廠循環(huán)水余熱為1.86×106GJ，節(jié)約標(biāo)煤約7.00萬噸，減少CO2排放19.42萬噸，減少SO2排放0.17萬噸，工程投資回收期約4年。

吸收式熱泵是回收利用工業(yè)余熱的有效裝置，具有節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的雙重作用。截止2014年初，推向市場的吸收式熱泵項目已達(dá)60多個，總?cè)萘拷?500MW。其中熱電行業(yè)接近半數(shù)，不少大型熱電廠如赤峰熱電[6]、錦州大唐國際、滄州華潤熱電、山西武鄉(xiāng)熱電等，具體見表2;石油行業(yè)的大港油田采油六廠、冀東油田等;鋼鐵行業(yè)的唐山鋼鐵、承德鋼鐵等;紡織、印染、石化、機(jī)械制造等領(lǐng)域均有涉及。

圖1 吸收式熱泵工作原理

圖2 火電廠熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)抽汽供暖系統(tǒng)流程

圖3 基于吸收式熱泵的火電廠供暖系統(tǒng)流程

2.3 吸收式熱泵應(yīng)用的幾點建議

鍋爐排煙熱損失占鍋爐總熱損失的80%以上，是電廠鍋爐熱損失中最大一項，一般占電廠總?cè)剂蠠崃康?%～8%，排煙余熱的再利用對電廠節(jié)能減排具有顯著意義。

鍋爐連續(xù)排污量一般為鍋爐蒸發(fā)量的1%～5%，且排污壓力和溫度很高，電廠一般會設(shè)置連續(xù)排污擴(kuò)容器對鍋爐排污熱量與工質(zhì)進(jìn)行回收。但在實際應(yīng)用中，由于技術(shù)和運行方面的原因，連續(xù)排污擴(kuò)容中蒸汽壓力和液位波動很大且不易控制，難以將排污水閃蒸出的蒸汽可靠回收至熱力系統(tǒng)[7]。如果利用排污水閃蒸出的蒸汽來驅(qū)動熱泵以回收鍋爐排污熱量，同時可以回收循環(huán)冷卻水中的熱量，可以一舉兩得達(dá)到顯著的節(jié)能效果。

固然對已建電廠項目進(jìn)行節(jié)能改造是必要的，但如果在新建或擴(kuò)建項目的設(shè)計階段就把吸收式熱泵的應(yīng)用一并考慮，在系統(tǒng)和布置上統(tǒng)籌規(guī)劃，可減少后期的改造難度和工程量、施工干擾以及可能帶來的系統(tǒng)和布置的不合理性，更有利于熱泵的長期安全有效運行。

3 結(jié)語

隨著我國電力工業(yè)企業(yè)改革的迅速推進(jìn)，節(jié)能減排的力度加大，各區(qū)域冬季供暖的迫切需求，基于吸收式熱泵的火電廠余熱供暖技術(shù)得到普遍的關(guān)注。與傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)模式不同，吸收式熱泵技術(shù)能夠更加高效的利用電廠巨大的冷端余熱，具有技術(shù)相對成熟、運行可靠、節(jié)能潛力巨大，已經(jīng)在部分電廠得到示范，已取得良好的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益，具有很大的規(guī)?；茝V價值。

[1]賀益英,趙懿珺.電廠循環(huán)冷卻水余熱高校利用的關(guān)鍵問題[J].能源與環(huán)境,2007,6：27-29.

[2]任澤霈.熱工手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[3]Sun F T,Fu L,Zhang S G,et al.New wasteheat district heating system with combined heat and power based on absorption heat exchange cycle in China[J].Applied Thermal Engineering,2012(37)：136-144.

[4]熱泵在火電廠余熱回收中的應(yīng)用——熱泵技術(shù)調(diào)研報告[R].廣州智光節(jié)能有限公司,2011,6.

[5]Demir H,Mobedi M,Ulku S.A review on adsorption heat pump：Problems and solutions[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2008(12)：2381-2403.

[6]張世鋼,付林,李世一,等.赤峰市基于吸收式換熱的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱示范工程[J].暖通空調(diào),2010,40(11)：71-75.

[7]康艷兵,張建國,張揚.我國熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱的發(fā)展現(xiàn)狀、問題與建議[J].中國能源,2008,30(10)：8-13.

Lithium bromide absorption heat pump working principle and performance evaluation have been briefly introduced.And applications of absorption heat pumps on heat supply in thermal power plant have been analyzed.Through the application example,it is illustrated that absorption heat pump technology can bring economic,social and environmental benefits. And then some suggestions are given on further applications of absorption heat pump technology in power plants.

absorption heat pump thermal power plant waste heat heat supply application

上海市科委資助項目(13160501000),山西省科技廳資助項目(20130321016-03)。

劉世宏(1989—),男,河南洛陽人,在讀碩士,主要從事電廠余熱利用及換熱器管材研究。