張 強
(大連市熱電集團有限公司供熱公司,遼寧大連 116000)
受技術(shù)的限制,我國火電廠一般實際熱效率可以達到35%~45%,除了少部分必須散熱出的熱量,其他大多都轉(zhuǎn)化為熱能。在熱泵的散熱中,鍋爐排煙,器材散熱都只帶走少部分熱量,大部分熱量由凝汽器循環(huán)冷卻水帶走,不僅造成能源的浪費,還會污染環(huán)境,不符合循環(huán)經(jīng)濟和綠色經(jīng)濟的發(fā)展方向。
當前我國主要采用熱泵技術(shù)吸收循環(huán)冷卻水中的熱能進行二次利用,利用冷卻水的流量和溫度產(chǎn)生一定的機械能,實現(xiàn)熱泵的正常使用,同時解決能量浪費和環(huán)境污染的問題,實現(xiàn)互利共贏的效果。
熱泵供熱系統(tǒng)主要利用低溫地板輻射式進行供熱,這種形式改變了傳統(tǒng)的供熱方式,對供熱溫度的要求大幅降低。一般情況下,45℃左右的熱水就能滿足生活需求,這樣不僅造成了能源供應的普遍性,也大大節(jié)約了能源,減少了能源的浪費。另一方面,新形式的功能具有供暖室內(nèi)溫度分布均勻,間接性供熱溫度變化較小,人體舒適度明顯上升。
(1)節(jié)能分析。當電廠循環(huán)水預熱的水源利用熱泵進行供熱時,不僅不會增加火電廠的壓力,而且減少廢氣的排放,以50 MW的供熱發(fā)電機組為例,在冬季供暖期間,如果總運行時間以5040 h計算,供暖量相當于6800 t煤炭的供暖量,大大節(jié)約了不可再生能源的消耗,同時推動循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。
(2)環(huán)境效益。當前我國的供暖普遍都是在消耗不可再生能源的基礎上進行的,雖然隨著技術(shù)不斷發(fā)展,供熱效率大大增加,但是如果使用循環(huán)水熱水進行供暖,不僅會節(jié)約不可再生能源的消耗量,而且還會減少污染氣體的排放量,當前,我國煤燃燒1 t煤炭會產(chǎn)生二氧化碳440 kg,二氧化硫20 kg,煙塵15 kg,灰渣260 kg。采用循環(huán)水熱泵會大大降低廢棄物和廢氣的排放量,而且對于減小煤炭的消耗、減少煤炭燃燒放出的廢氣也會起到重要作用。
低溫水是熱泵循環(huán)冷卻水的主要熱源,吸熱過程主要是在凝汽器中完成,這些熱量經(jīng)過汽輪機排氣凝結(jié)放出大量的熱,導致溫度持續(xù)升高。這些釋放熱量的循環(huán)冷卻水一部分從凝汽器出口經(jīng)過輸水管道直達蒸發(fā)器,在蒸發(fā)器中釋放熱量然后回到循環(huán)水池。另一部分則經(jīng)過冷卻塔,冷卻后回到循環(huán)水池。熱泵則是在蒸發(fā)其中吸收循環(huán)冷卻水的熱量,然后經(jīng)過壓縮機進行升溫和升壓,在冷凝器中將熱量放給供暖熱水,然后經(jīng)節(jié)流閥降溫降壓,回到蒸發(fā)器中繼續(xù)吸熱,完成下次一循環(huán)。供暖熱水在冷凝器中吸收熱泵工質(zhì)放出的熱量,溫度升高后進入用戶端的散熱器散熱,然后回到冷凝器中繼續(xù)循環(huán)。
(1)數(shù)學模型。目前我國的熱泵大多是蒸汽壓縮式,發(fā)熱循環(huán)主要分為3個層次,第一層是卡諾循環(huán),第二層為理論循環(huán),第三層為實際循環(huán)。在卡諾循環(huán)中,低溫熱源和高溫熱源是主要影響因素,與工質(zhì)和部件的特性無關。但目前我國熱泵追求的主要是和循環(huán)冷卻水和供熱熱水的溫度有關系,這是熱泵循環(huán)的最佳表現(xiàn),同時也是熱泵循環(huán)追求的最高表現(xiàn),在現(xiàn)實中幾乎無法實現(xiàn)。理論循環(huán)的影響因素不僅包括熱源、熱水還包括工質(zhì)特性,但是和部件的選擇無關。第二層次的制熱系數(shù)明顯比第一層次低很多,這個層次是當前我國熱泵分析中最常使用的例子,實際使用最普遍。第二層次制熱系數(shù)小于第一層次制熱系統(tǒng),其中主要影響因素是蒸發(fā)器中熱泵的循環(huán)工質(zhì)蒸發(fā)溫度要低于低溫熱源的溫度,兩者之間存在巨大的傳熱端差。而冷凝器的冷凝溫度遠高于高溫熱水的溫度,兩者之間同時也存在傳熱端差。影響實際循環(huán)的因素不僅包括熱源熱水工質(zhì)甚至還包括部件等,都是影響實際循環(huán)的重要原因,由于這些因素都是不可逆因素,相應的其制熱系數(shù)相對于第一層次和第二層次又大大減小,尤其是壓縮過程中的熱量損失,其損失量大大減小。
由于凝汽器的溫度對熱泵蒸發(fā)的溫度具有重要影響,在凝汽器溫度的影響下,成正比關系,如果凝汽器的溫度較低,凝汽器的溫度也會隨之降低,且下降幅度也會隨著溫度的降低而大幅度降低,這種情況主要是由于熱泵自身的工質(zhì)決定的,是一種不可逆的因素。由于制熱系數(shù)不斷降低,導致單位內(nèi)的供熱量所消耗的電能越來越大,經(jīng)濟效益大打折扣。由此可見,當凝汽器的溫度下降到一定值時,利用熱泵節(jié)能性質(zhì)的供熱與其他傳統(tǒng)的供熱方式相比,優(yōu)勢不明顯。但在冬季室溫溫差較大的地區(qū),熱泵蒸發(fā)器循環(huán)冷卻水的溫度將不斷上升,其供熱溫度也就隨之不斷降低,這樣不僅大大提高了熱泵的制熱系數(shù),而且也會不斷提高當?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量。
(2)經(jīng)濟性分析。利用熱電廠熱泵供熱,熱能隨著技術(shù)的不斷發(fā)展利用率不斷提高,且污染不斷變小,是目前我國城鎮(zhèn)熱用戶較集中地區(qū)的主要供熱方式。目前我國用于供熱的汽輪機,主要有2種,背壓式和抽氣式汽輪機。由于背壓式汽輪機熱負荷之間牽制性較強,因此,為了提高經(jīng)濟效益,很多熱電廠都選擇使用抽氣式汽輪機。
沒有凝汽器是背壓式汽輪機和凝式汽輪機的最大區(qū)別,利用背壓式汽輪機能將火電廠循環(huán)水的熱能排除,并供給用戶,工作原理都是高溫高壓的蒸汽通過汽輪機組做功進行發(fā)電。凝汽器機組,主要是利用進入機組中的蒸汽,在汽輪機中做功,然后進入凝汽器凝結(jié)成水,再重新進入活路進行下一次循環(huán),一般情況下,排氣的壓力和溫度普遍較低。沒有裝置凝汽器的汽輪機由于排汽直接供熱,沒有凝汽器中的冷卻損失。它是純粹的熱電聯(lián)合生產(chǎn)的汽輪機,這種汽輪機的特點是以熱定電,沒有熱負荷就不能運行,熱負荷低時則電負荷也低。
(1)供熱距離的限制。目前我國電廠循環(huán)水再利用技術(shù)還不成熟,由于水的比熱容較大,因此,供熱熱水的供、回水溫差比較小,因此長距離輸送,其熱能就會大打折扣。如果供熱目的地離電廠的距離較遠,遠距離的輸送勢必會造成電泵的能耗過多,經(jīng)濟性大大降低,因此,對于這種方式的推廣應該局限在電廠周圍,以(3~5)km 的范圍最佳。
(2)熱能的需求。我國循環(huán)水的供熱集中為居民的生活供暖,因此如果要達到供暖的經(jīng)濟效果,首先要保證電廠附近有熱負荷的要求,只有這樣才需要循環(huán)水的供暖。當前我國循環(huán)水的供暖主要用于生活供暖和采暖等,其熱負荷較小,因此電廠周圍出現(xiàn)熱負荷的現(xiàn)象比較小。
(3)熱泵限制。熱泵機組主要有吸收式和壓縮式2種,這2種熱泵都要求其出水溫度達到45℃左右,只有這樣才能提高經(jīng)濟效益,但這個溫度如果采用老式的暖氣片進行供暖達不到預期效果,需要采用新式散熱器,如現(xiàn)在最新采用地板輻射供暖或者是風機盤管等,這些新技術(shù)供暖效果較好。
火電廠循環(huán)水中存在著巨大的能量,必要的開發(fā)是緩解當前不可再生能源消耗量大,能源供應跟不上經(jīng)濟發(fā)展要求的重大突破,當前熱泵以低投入、高收益的優(yōu)越性在我國新能源的開發(fā)和節(jié)能技術(shù)發(fā)展等方面具有重要的作用?;痣姀S循環(huán)水的使用技術(shù)發(fā)展迅速,不僅具有強大的技術(shù)支持,而且還具有政策支持,對促進綠色經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展具有重要作用,推動我國循環(huán)經(jīng)濟和節(jié)約型經(jīng)濟的不斷發(fā)展。