朱鍇鍇, 任建興, 李芳芹

(上海電力學院 能源與機械工程學院, 上海 200090)

截止到2016年末,我國火電裝機容量已達1 053 880 MW[1],然而大型火電站實際能源利用率僅有38%左右,輸入能量的50%被排放到大氣中[2-4]。隨著城市的發(fā)展,我國燃煤電廠的規(guī)模越來越大,汽輪機的冷端余熱也不斷增加,但大多通過冷卻塔將其排放到大氣中。這樣不但嚴重浪費了循環(huán)水的熱量,而且在冷卻過程中浪費了大量循環(huán)水,約為全廠補水的60%以上[5]。因此,對循環(huán)水余熱加以回收利用是提高發(fā)電廠能源利用效率的重要手段。國內(nèi)外眾多學者研究了利用吸收式熱泵或壓縮式熱泵回收循環(huán)水余熱加熱供暖回水的方法[6-7]。

目前,大量文獻只研究了冬季循環(huán)水和熱泵的耦合方式,及其對電廠能源利用率和供暖效益的影響[8],但是對過渡季節(jié)和夏季電廠循環(huán)水余熱的利用方式卻鮮有報道。這是因為夏季熱泵以制冷模式運行,循環(huán)水作為冷卻水,其溫度反而升高,與其溫度越低對機組越有利的事實相悖[9]。因此,大部分熱泵在過渡季和夏季都處于閑置狀態(tài),嚴重浪費了資源。提高夏季循環(huán)水余熱利用率,降低循環(huán)水的溫度,已成為提高電廠效率和能源利用率的重要方法。本文分析了夏季利用熱泵加熱生活用水的可行性,比較了夏季不同供熱方式下單位供應熱水的能耗、對環(huán)境影響,以及熱泵初投資的回收年限。

1 熱泵與循環(huán)水的耦合方式

熱泵是利用高品位能源作為驅(qū)動力,使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置。壓縮式熱泵的性能系數(shù)(Coeffcient of Performance,COP)約為4.5,將其與循環(huán)水結(jié)合使用,能夠大量回收循環(huán)水余熱,降低進入凝汽器循環(huán)水的溫度,提高汽輪機的熱效率。

熱泵與循環(huán)水的耦合方式分為串聯(lián)耦合式系統(tǒng)和并聯(lián)直流式系統(tǒng)兩種[10],如圖1所示。

注:1—冷凝器;2—循環(huán)水泵;3—冷卻塔;4—蓄水池;5—蒸發(fā)器;6—壓縮機;7—節(jié)流閥;8—冷凝器;9—循環(huán)泵;10—風機盤管。

圖1熱泵與循環(huán)水系統(tǒng)的耦合方式

2 電廠循環(huán)水特性分析

圖2反映了不同參數(shù)下汽輪機的損失情況[11-12]。由圖2可以看出,汽輪機冷端損失占電廠損失的80%以上。隨著鍋爐參數(shù)的增大,各項損失逐漸降低,電廠效率不斷提高,而冷端損失所占的比例卻越來越大。為了提高機組效率,需要對循環(huán)水余熱進行回收。

圖2 不同參數(shù)下汽輪機的冷端損失

以某電廠600 MW機組為例,分析不同季節(jié)中一天內(nèi)凝汽器出口循環(huán)水溫度的變化情況,結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,循環(huán)水的溫度明顯高于當時的環(huán)境溫度,且在過渡季和夏季循環(huán)水余熱基本沒有被利用,這嚴重削弱了一次能源的利用率。因此,利用水源熱泵回收這部分余熱,能夠改善電廠能源利用率偏低的問題。

圖3 不同季節(jié)中一天內(nèi)的循環(huán)水溫度

3 水源熱泵回收循環(huán)水余熱試驗

3.1 試驗系統(tǒng)

圖4為帶有蓄熱裝置的水源熱泵余熱利用試驗系統(tǒng),利用循環(huán)水余熱直接加熱冷水,以制取生活熱水。

該系統(tǒng)由循環(huán)水箱、水源熱泵機組、蓄熱水箱和給水泵組成。循環(huán)水箱的容積為2 m3,外部由保溫材料包覆,內(nèi)部裝有一組5 000 W的不銹鋼加熱器,加熱循環(huán)水箱中的水即可模擬不同溫度的循環(huán)水。外部由保溫層包覆的蓄熱水箱容積為0.1 m3。水源熱泵機組的參數(shù)如表1所示。

圖4 水源熱泵余熱利用試驗系統(tǒng)表1 水源熱泵機組的特性參數(shù)

型號制冷劑最大排氣壓力最大吸氣壓力MPaMRS-J036R222.80.75名義制冷量名義制熱量制冷輸入功率制熱輸入功率kW108.32.12.8

3.2 熱泵加熱生活用水試驗分析

本次試驗選用的是循環(huán)水-熱泵串聯(lián)耦合系統(tǒng),試驗期間的室外溫度為33 ℃,室內(nèi)溫度為25 ℃。將蓄熱水箱內(nèi)的水溫從20 ℃加熱至50 ℃時,熱泵機組的能耗和性能系數(shù)如圖5所示。

圖5 不同蓄熱水箱水溫下熱泵機組的能耗和性能系數(shù)

由圖5(a)可以看出,當蓄熱水箱的水溫從20 ℃上升至36 ℃時,熱泵機組的能耗從1.31 kW緩慢增加到2.1 kW,然而當水溫從40 ℃上升至50 ℃時,熱泵機組的能耗急劇增大,從2.29 kW增大到3.08 kW。這是因為在試驗初期,進出冷凝器的水溫較低,冷凝壓力較小,壓縮機的能耗也較小;隨著蓄熱水箱中水溫的不斷升高,冷凝器出口的水溫也在升高,壓縮機壓比不斷增大,即壓縮機的能耗不斷增大。由圖5(b)可以看出,將冷水從20 ℃加熱至50 ℃的過程中,熱泵的性能系數(shù)從初始狀態(tài)的6.0逐漸降低到3.08,熱泵的平均性能系數(shù)為4.21。

4 經(jīng)濟性分析

4.1 能耗分析

現(xiàn)代小區(qū)基本實行集中式供暖,但是生活熱水都是由各家各戶直接制取,其中燃氣加熱和電熱水器是最常用的方式。電廠附近某小區(qū)有居民6 300人,每人每天的生活熱水用量標準是0.1 m3[13],小區(qū)每天需要熱水630 m3。若采用熱泵加熱生活用水,每天能夠回收循環(huán)水余熱Q1=16 812.47 kWh,熱泵的總供熱量為22 050 kWh,熱泵機組消耗的電能W=5 237.53 kWh。

Q=Q1T

(1)

式中:Q——供暖周期總的回收余熱量,kJ/kg;

T——機組供熱運行時間。

(2)

式中:M——供暖周期內(nèi)可節(jié)約標準煤量,kg;

Qer——標準煤的發(fā)熱量,為29 200 kJ/kg。

C=PM

(3)

式中:C——節(jié)約煤炭的費用,元;

P——煤的價格,550元/t[14]。

熱泵機組除了冬季供暖以外,在春夏秋3個季節(jié)給用戶供應熱水,機組供熱運行共275天。由式(1)可知,用熱泵為用戶供應生活熱水期間能夠回收余熱4 623 429.25 kWh,折合標準煤570.01 t,可節(jié)省313.51萬元。

以某小區(qū)的生活熱水供應情況為例,3種加熱方式的能耗如表2所示。由表2可以看出,熱泵供熱水的單位燃料成本最低,小區(qū)每天需要630 m3的熱水,與燃氣熱水器和電熱水器相比,利用熱泵回收電廠循環(huán)水余熱加熱生活用水每加熱1噸水的燃料成本降低了5.82元和16.29元,每年能夠分別節(jié)約100.74萬元和282.24萬元。

表2 3種加熱方式的能耗

4.2 環(huán)境效益分析

國家規(guī)定的污染物排放標準中的相關數(shù)據(jù)如表3所示[15]。

表3 我國污染物排放標準相關數(shù)據(jù)

由表2可知,單獨家用燃氣熱水器、電熱水器和集中熱泵供熱水3種方式為小區(qū)提供生活熱水,年能耗分別為681 511.66 m3的天然氣、6 382 894.74 kWh和1 756 488.62 kWh的熱能,相當于分別消耗標準煤0.83 t,786.93 t,216.55 t。按照表3可以初步計算出3種供熱方式每年所產(chǎn)生的污染物排放量如表4所示。

表4 3種供加熱方式產(chǎn)生的污染物排放量 t

由表4可以看出,熱泵的環(huán)境效益明顯優(yōu)于電熱水器。雖然燃氣熱水器的環(huán)境效益又明顯高于熱泵和電熱水器,但是由表2可知,燃氣熱水器加熱每噸水的燃料成本約是熱泵的2倍。因此,相比于燃氣熱水器和電熱水器,使用熱泵加熱生活熱水能夠回收余熱4 623 429.25 kWh。不僅每年能夠減少使用標準煤570.01 t,減少排放17.100 3 t SO2,2.280 04 t NOx,1 567.527 5 t CO2,11.400 2 t 粉塵,而且降低了循環(huán)水的溫度,增大了凝汽器的真空,提高了機組的熱效率,減少了化石能源的使用量,有利于資源的可持續(xù)使用。同時,對緩解日益緊缺的能源問題和日益嚴重的城市污染問題均具有積極的意義。

4.3 成本回收年限

通過上述分析可知,對小區(qū)進行集中式供應生活熱水不僅可以回收電廠循環(huán)水余熱,提高電廠熱效率,而且還能夠提高一次能源的利用率,減少污染物的排放量。因此,某電廠決定利用熱泵為附近小區(qū)集中提供生活熱水,價格為20元/t,電廠每年可以受益346.5萬元。壓縮式熱泵設備的初投資為608萬元,其他年運行費用如下:耗電費用為107.15萬元;人工費為52萬元;維修及其他費用為6.93萬元,總計166.08萬元。

系統(tǒng)動態(tài)投資回收期是反映項目在財務上投資回收能力的重要技術經(jīng)濟指標。本系統(tǒng)方案的現(xiàn)金流量表如表5所示。根據(jù)動態(tài)回收期投資的計算公式[16]可知,該熱泵系統(tǒng)的投資回收期為4.4年。

表5 年現(xiàn)金流量表

5 結(jié) 論

(1) 隨著蓄熱水箱中水溫的不斷升高,冷凝器出口的水溫也不斷地升高,壓縮機能耗亦隨之增大,熱泵性能系數(shù)逐漸減小。整個加熱過程中,熱泵的平均性能系數(shù)為4.21。

(2) 比較分析了燃氣、電加熱和熱泵3種加熱方式,熱泵加熱每噸水的成本比燃氣熱水器和電熱水器分別低了5.8元和16.3元,供給每天需要630 m3熱水的小區(qū),每年能夠分別節(jié)約100.8萬元和282.2萬元。

(3) 通過對熱泵為小區(qū)集中供應生活熱水的分析,以及對系統(tǒng)初投資、運行費用、系統(tǒng)收益的計算,可知熱泵系統(tǒng)的投資回收期為4.4年。