焦偉航

（浙江浙能樂(lè)清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325600）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)能源需求日益增大，目前國(guó)內(nèi)能源供應(yīng)主要是以煤炭為代表的化石能源，然而，大量消費(fèi)化石能源所造成的能源緊張和環(huán)境污染已成為全球性的問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)可再生、清潔環(huán)保的新能源來(lái)逐漸替代傳統(tǒng)能源，降低我國(guó)當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)中化石能源的比例，勢(shì)在必行。

熱泵技術(shù)是當(dāng)前新興的能源技術(shù)，以高效、環(huán)保等特點(diǎn)著稱，其主要是通過(guò)投入少量高品質(zhì)能量，從低溫介質(zhì)中獲得大量的低品質(zhì)熱能，海水熱泵便是其中一種。海洋中蘊(yùn)含巨大的能量，是難以枯竭的，海水每日所吸收的太陽(yáng)能絕大部分以低品質(zhì)熱能的形式儲(chǔ)存在海水內(nèi)，而海水熱泵可以挖掘和利用海水中的低品質(zhì)熱能。我國(guó)有1.8萬(wàn)km的大陸海岸線，沿海區(qū)域正是能源消耗的集中區(qū)域，海水熱泵對(duì)于沿海城市的發(fā)展有很大價(jià)值。

然而，目前海水熱泵的實(shí)際應(yīng)用有著很多問(wèn)題和困難，如海水四季溫度變化大，海水取/排水管道布設(shè)難度大、投資高，海水清潔度差，提取熱量品質(zhì)較低難以滿足實(shí)際需要等。鑒于以上問(wèn)題，海水熱泵在全球的應(yīng)用普及率較低。

中國(guó)沿海地區(qū)的多座大型現(xiàn)代化火力發(fā)電廠普遍以海水作為發(fā)電機(jī)組的循環(huán)冷卻用水，其排水溫度、海水質(zhì)量、現(xiàn)有管道等均能滿足海水熱泵的要求，因此在沿?；鹆Πl(fā)電廠應(yīng)用海水熱泵具有天然優(yōu)勢(shì)和便利條件。

1 熱泵基本原理

熱泵是通過(guò)投入少量高品質(zhì)能，將熱量從低溫物系向加熱對(duì)象輸送的裝置。其熱力循環(huán)方向與正常的動(dòng)力循環(huán)方向相反，與制冷熱力循環(huán)類似。以壓縮式熱泵為例，其基本組成和工作流程如圖1所示。

圖1 壓縮式熱泵原理

熱泵系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、熱端換熱器、節(jié)流閥、冷端換熱器組成。工作介質(zhì)（制冷劑R22，CO2等）依次通過(guò)各組成部分，首先在冷端換熱器內(nèi)吸收低溫物系的熱量qL；接著進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮，壓縮機(jī)對(duì)工質(zhì)做功wnet；然后工質(zhì)進(jìn)入熱端換熱器，將熱量qH傳遞給被加熱對(duì)象；然后工質(zhì)通過(guò)節(jié)流閥，進(jìn)行膨脹降壓；最后再次進(jìn)入冷端換熱器，開(kāi)始新的循環(huán)。

可得熱泵循環(huán)的熱平衡方程：

工程上普遍以COP（熱泵工作性能系數(shù)）來(lái)表征熱泵的效率：

式（2）表明，熱泵效率COP恒大于1，它通過(guò)向系統(tǒng)投入少量的高質(zhì)能wnet，將大量的低質(zhì)能qL送給被加熱對(duì)象。而其他加熱方式，比如電加熱、燃燒加熱，其加熱效率必然小于等于1。由此可見(jiàn)，熱泵比其他加熱方式更高效。

2 海水熱泵的應(yīng)用

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

熱泵根據(jù)冷源的不同分為地源熱泵、水源熱泵、空氣源熱泵。海水熱泵是水源熱泵的一種，海洋所儲(chǔ)存的能量巨大，不易枯竭且清潔環(huán)保，由于水的熱能密度非常大，所以相較于其他種類的熱泵，海水熱泵具備出力大、效率高的特點(diǎn)，非常適合在沿海地區(qū)使用。

目前，世界上海水熱泵的研究與應(yīng)用主要集中在中歐、北歐各地區(qū)，如瑞典、挪威、瑞士、奧地利、丹麥等國(guó)家[1]，特別是瑞典，其在利用海水熱泵集中供熱供冷方面已有先進(jìn)而成熟的經(jīng)驗(yàn)。例如，始建于20世紀(jì)80年代的，位于瑞典斯德哥爾摩市的海水熱泵集中供熱供冷系統(tǒng)是目前世界上最大的集中供熱供冷系統(tǒng)，其制熱制冷能力為1 000 MW[2]。

海水熱泵的能源替代作用和環(huán)境友好特性正得到越來(lái)越多的關(guān)注，各國(guó)都對(duì)此十分重視。我國(guó)海水熱泵的開(kāi)發(fā)利用起步相對(duì)較晚，當(dāng)前國(guó)內(nèi)的海水熱泵研究已獲得較多的成果，但以海水熱泵為能源核心進(jìn)行區(qū)域供熱的課題仍處于探索和分析階段。目前，國(guó)內(nèi)僅有大連、青島等少數(shù)城市進(jìn)行了海水熱泵區(qū)域供熱的小范圍試點(diǎn)工程[3]。

2.2 應(yīng)用推廣的實(shí)際困難和問(wèn)題

海水熱泵在理論上清潔高效，但在實(shí)際工程應(yīng)用中還存在很多制約其推廣應(yīng)用的問(wèn)題。

2.2.1 海水溫度的影響

海水熱泵的效能COP取決于冷端換熱量qL，其對(duì)流傳熱方程為：

式中：h為換熱器的換熱系數(shù)；th為熱流體（低溫?zé)嵩戳黧w，即海水）平均溫度；tc為冷流體（熱泵工質(zhì)）平均溫度。

從式（3）可以看出，冷端換熱量和換熱器溫差成正比，即海水溫度越高，海水熱泵出力越高，效率越高。

然而海水溫度的季節(jié)性變化非常明顯，特別是冬季，海水溫度在10℃以下，如圖2所示。當(dāng)冷源溫度低于15℃，海水熱泵制熱能力相對(duì)較差，同時(shí)冬季又是熱負(fù)荷較高的季節(jié)，所以，若無(wú)法提升海水溫度，為滿足熱負(fù)荷需要，就必須在初期建設(shè)時(shí)增大熱泵機(jī)組容量，并且在冬季較多地投入高質(zhì)能。如此便增大了初期投資成本和運(yùn)行成本，海水熱泵的經(jīng)濟(jì)性變差，很難起到能源替代的作用[4]。

圖2 2017年度東南沿海某市海水原水和機(jī)組排水的溫度變化

2.2.2 投資及施工難度的影響

取/排水口的選址必須要考慮海水高低潮位的影響。以華東某沿海城市為例，如圖3所示，每日高低潮位最大差值達(dá)6 m，要求取水口必須低位布置，在低潮位時(shí)不得露出水面，否則無(wú)法取水。另外應(yīng)詳細(xì)考察取水口布置地點(diǎn)的水文資料，避免取水口設(shè)置在易吸入泥沙的位置。此外，取/排水口的設(shè)置必須考慮到當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、濱海養(yǎng)殖業(yè)、船舶通行?？康纫蛩豙5]。

由于取水位置較低，相應(yīng)的管道應(yīng)布置在地下較深位置。設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)充分考慮地質(zhì)沉降對(duì)取/排水管道的影響。管道容量應(yīng)考慮到未來(lái)熱泵機(jī)組擴(kuò)建的情況。為防止腐蝕，管道內(nèi)部應(yīng)襯膠，并加裝陰極保護(hù)裝置。取水用的水泵，應(yīng)選用耐腐蝕型的水泵。

可見(jiàn)，建設(shè)海水熱泵機(jī)組應(yīng)配套的管道和取排水口，所涉及的影響因素較多，其工程難度大、初期投資高。

2.2.3 海洋生物的影響

圖3 2018年5月15日東南沿海某市海水潮位變化

取水口在吸入海水的過(guò)程中，會(huì)同時(shí)吸入大量海洋生物，如貝殼、藻類等。這些生物會(huì)附著在管道、取水泵葉輪、冷端換熱器等處，并在其內(nèi)繁殖，這會(huì)導(dǎo)致管道通流面積降低，換熱器換熱效果變差，取水泵卡死，金屬構(gòu)件腐蝕，管道泄漏等問(wèn)題[6]。

因此，海水熱泵必須配套加裝滅殺海洋生物的裝置，從而進(jìn)一步增加了成本。

2.2.4 海洋垃圾的影響

目前，海洋還存在比較嚴(yán)重的污染，特別是近海海洋垃圾較多，如塑料瓶、動(dòng)物尸體等。如果此類垃圾被吸入并堆積在管道或熱泵某處，將對(duì)整個(gè)海水熱泵機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。

2.3 發(fā)電廠應(yīng)用海水熱泵的優(yōu)勢(shì)

以我國(guó)東南沿海某發(fā)電企業(yè)為例，分析火力發(fā)電廠應(yīng)用海水熱泵的優(yōu)勢(shì)和條件。

2.3.1 設(shè)備概況

該發(fā)電廠配置一期2臺(tái)超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，二期2臺(tái)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。全廠4臺(tái)機(jī)組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用擴(kuò)大單元制直流供水系統(tǒng)，用于發(fā)電熱力循環(huán)的冷端冷卻，水源取自海水，經(jīng)凝汽器、閉冷器、真空泵冷卻器后排至大海。系統(tǒng)構(gòu)成為一機(jī)二泵一管一溝制，其工藝流程為：取水口-引水隧道-進(jìn)水前池-檢修鋼閘門-攔污柵-旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)-循環(huán)水泵-出口液控蝶閥-循環(huán)水進(jìn)水管-二次濾網(wǎng)-凝汽器循環(huán)水排水管-虹吸井-循環(huán)水排水箱式涵管-排水連接井-排水隧道-排水口。

一、二期機(jī)組共布置8臺(tái)循環(huán)水泵，用于提供海水循環(huán)的動(dòng)力，其參數(shù)見(jiàn)表1。每臺(tái)循泵配有1臺(tái)具有沖洗功能的旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)。一、二期機(jī)組共布置4套60 kg/h和2套4 kg/h次氯酸鈉電解發(fā)生器，用于殺滅吸入循環(huán)水系統(tǒng)的海洋生物。

2.3.2 發(fā)電廠應(yīng)用熱泵的優(yōu)勢(shì)

（1）海水排出溫度較高

海水在發(fā)電機(jī)組中的主要用途是作為發(fā)電熱力循環(huán)的冷源。大量海水通入各機(jī)組凝汽器，帶走汽輪機(jī)排氣凝結(jié)所釋放出的汽化潛熱，使蒸汽充分凝結(jié)建立真空。在海水通過(guò)凝汽器后，溫度有較大幅度的上升。全年各月份海水原水和排水溫度變化對(duì)比如圖2所示。

海水原水溫度隨季節(jié)變化明顯，在夏季溫度略高，但在冬季溫度較低僅有10℃左右。然而海水經(jīng)過(guò)凝汽器獲得熱量后，其溫度明顯高于海水原水溫度，即使在冬季也能保持在20℃以上，其溫度在夏季甚至能達(dá)到40℃。

由此可見(jiàn)，海水熱泵如果使用火力發(fā)電機(jī)組的海水排水作為冷源，其冷端換熱量將明顯大于直接取用海水原水作為低溫?zé)嵩吹暮Ｋ疅岜茫蠢脵C(jī)組排水將使海水熱泵的效能大幅度提升，其經(jīng)濟(jì)性將顯著優(yōu)于使用原水的海水熱泵。

（2）取水管道和設(shè)備可直接使用，可大幅減少建設(shè)成本

以該發(fā)電廠為例，夏季工況運(yùn)行方式為一期4臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行，二期3臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行；冬季工況為一期2臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行，二期2臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行。計(jì)算可得該發(fā)電廠夏季循環(huán)水總量為261 024 m3/h，冬季循環(huán)水總量為185 112 m3/h，能夠充分滿足多臺(tái)大型熱泵的需要。

另外，在發(fā)電廠設(shè)計(jì)建設(shè)海水管道時(shí)，就已考慮到取/排水口位置對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境、船舶通行、養(yǎng)殖業(yè)的影響，同時(shí)，地質(zhì)沉降、海水腐蝕等問(wèn)題也有相應(yīng)的解決措施。

在發(fā)電廠內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用熱泵可利用其已有的海水取/排水管道和設(shè)備，能夠充分滿足海水熱泵的相關(guān)技術(shù)要求，不必另行設(shè)計(jì)、施工取/排水口和管道，從而能夠大幅度降低建設(shè)成本，提升海水熱泵應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。

（3）可有效避免海洋生物及垃圾進(jìn)入熱泵

該發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)配有4套60 kg/h和2套4 kg/h次氯酸鈉電解發(fā)生器，以海水為原料，電解制取次氯酸鈉，并在取水前池連續(xù)投放，定期進(jìn)行沖擊投放，可有效殺滅吸入的海洋生物。

每臺(tái)循環(huán)水泵入口設(shè)有旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，可過(guò)濾掉大部分海洋垃圾。旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)定期進(jìn)行反沖洗工作，保證濾網(wǎng)的過(guò)濾效果。少數(shù)未被過(guò)濾掉的垃圾隨海水進(jìn)入凝汽器，凝汽器循環(huán)管路由密集的細(xì)鈦管列組成，絕大多數(shù)垃圾無(wú)法通過(guò)鈦管，而在凝汽器進(jìn)水室內(nèi)沉積下來(lái)，在凝汽器定期清洗工作時(shí)被清除。

經(jīng)過(guò)加藥滅活、濾網(wǎng)過(guò)濾、凝汽器鈦管后，凝汽器循環(huán)水的出水已經(jīng)是相對(duì)清潔的海水，已去除大部分海洋生物和垃圾，此時(shí)作為熱泵的冷源水即可避免海洋生物和垃圾引起的各類問(wèn)題。

（4）能源投入的優(yōu)勢(shì)

海水熱泵的運(yùn)行本身需要投入一部分高質(zhì)能，主要是壓縮機(jī)的能耗，發(fā)電廠在這方面具有天然優(yōu)勢(shì)，壓縮機(jī)的用電耗能可直接計(jì)入廠用電，這比在電網(wǎng)取用電能要經(jīng)濟(jì)很多，甚至可以引用全廠輔汽沖動(dòng)小汽輪機(jī)作為壓縮機(jī)的動(dòng)力，這將有更高的經(jīng)濟(jì)性。

表1 循環(huán)水泵技術(shù)參數(shù)

2.3.3 應(yīng)用海水熱泵對(duì)發(fā)電廠自身的益處

（1）對(duì)于凝汽式發(fā)電機(jī)組，其綜合效率一般在35%～45%，主要能量損失為凝汽器冷源損失，大量低質(zhì)量熱量被循環(huán)水帶走，轉(zhuǎn)換為循環(huán)水的熱能，并最終排放掉。如果以這種攜帶有大量低質(zhì)熱能的海水作為海水熱泵的冷源水，可在一定程度上回收發(fā)電熱力循環(huán)的冷源損失能量，從而提升全廠的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）目前我國(guó)正大力發(fā)展清潔新能源以逐步替代傳統(tǒng)的化石能源，光伏、風(fēng)電、核電、地?zé)?、潮汐等能源的開(kāi)發(fā)都有了長(zhǎng)足進(jìn)步，政府對(duì)新能源項(xiàng)目提供高額的補(bǔ)貼和政策優(yōu)惠。海水熱泵的應(yīng)用是對(duì)海洋能資源的開(kāi)發(fā)，屬于新能源的范疇，發(fā)電廠發(fā)展應(yīng)用海水熱泵無(wú)論對(duì)社會(huì)還是企業(yè)自身都是有益處的。

（3）化石燃料短缺，國(guó)內(nèi)、國(guó)際煤價(jià)日益升高，發(fā)電企業(yè)的運(yùn)營(yíng)受到空前壓力，眾多火力發(fā)電企業(yè)面臨低利潤(rùn)甚至虧損的窘境。企業(yè)要突破困境和發(fā)展，就必須轉(zhuǎn)型升級(jí)、多維發(fā)展。應(yīng)用海水熱泵，擴(kuò)展區(qū)域供熱業(yè)務(wù)，是轉(zhuǎn)型的道路之一。況且，發(fā)電廠應(yīng)用海水熱泵本身具有極高的優(yōu)勢(shì)，其更加高效，成本更低。

3 發(fā)電廠應(yīng)用海水熱泵的總體設(shè)計(jì)

3.1 供熱需求分析

當(dāng)前，我國(guó)建筑能耗占全國(guó)能源消費(fèi)總量20%左右[7]，2015年中國(guó)建筑能源消費(fèi)總量達(dá)到8.57億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)家城市化進(jìn)程的推進(jìn)，這個(gè)數(shù)值將不斷增大。我國(guó)沿海區(qū)域是經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)集中區(qū)域，發(fā)達(dá)城市數(shù)量多、規(guī)模大，因此，沿海區(qū)域也是建筑能耗消費(fèi)的集中區(qū)域。建筑能耗主要是建筑物的空調(diào)制熱和制冷的供熱需求量巨大。另一方面，由于沿海區(qū)域有著交通運(yùn)輸便利、經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度高等優(yōu)勢(shì)，大量工業(yè)區(qū)建設(shè)在沿海區(qū)域，有著巨大的工業(yè)用熱需求。這些都為沿海地區(qū)使用海水熱泵供熱提供了先決條件。

以該發(fā)電廠為例，其距離所在地級(jí)市的市區(qū)40 km，距離所在縣級(jí)市的市區(qū)20 km，而且在20 km半徑范圍內(nèi)包含臨港工業(yè)區(qū)和大量電器、電子企業(yè)，有極大的供熱需求量。

3.2 熱泵選型分析

目前工業(yè)上大型熱泵主要有以溴化鋰熱泵為代表的吸收式熱泵和以CO2（二氧化碳）熱泵為代表的壓縮式熱泵，這2類熱泵各有優(yōu)缺點(diǎn)。現(xiàn)根據(jù)其各自特點(diǎn)和供熱實(shí)際需求進(jìn)行分析。

3.2.1 溴化鋰吸收式熱泵

溴化鋰熱泵是典型的吸收式熱泵，以高溫蒸汽為動(dòng)力，溴化鋰濃溶液為吸收劑，水作為工質(zhì)，利用水在低壓真空狀態(tài)下低沸點(diǎn)的特性，吸收低溫?zé)嵩吹臒崃?，通過(guò)溴化鋰濃溶液回收熱量并制取熱水。溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組一般是由取熱器、濃縮器、一次加熱器、二次加熱器及高低溫?zé)峤粨Q器所組成。運(yùn)行原理如圖4所示[8]。

圖4 溴化鋰壓縮式熱泵原理

3.2.2 CO2壓縮式熱泵

CO2熱泵是典型的壓縮式熱泵，其基本原理是以CO2為循環(huán)工質(zhì)，低溫氣態(tài)CO2在壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮，其溫度和壓力升高，轉(zhuǎn)換成超臨界CO2流體，然后進(jìn)入冷卻器放熱，將熱量傳遞給水。再經(jīng)節(jié)流閥降壓，變成低溫低壓液態(tài)CO2，并進(jìn)入蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器內(nèi)，液態(tài)低壓CO2吸收低溫?zé)嵩吹臒崃坎⒄舭l(fā)形成氣態(tài)CO2，然后再次進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮[9]。通過(guò)上述循環(huán)，將低溫?zé)嵩吹臒崃總鬟f至高溫水。其熱力循環(huán)如圖5所示，設(shè)備組成如圖6所示。

3.2.3 2類熱泵特性對(duì)比分析

2類熱泵的實(shí)際情況對(duì)比如表2所示，現(xiàn)就能耗效率、出水溫度、運(yùn)行成本3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）能耗對(duì)比

圖5 CO2熱力循環(huán)壓力-熱量圖

圖6 CO2熱泵結(jié)構(gòu)

實(shí)際運(yùn)行中，使用CO2壓縮式和溴化鋰吸收式熱泵均需要投入一定的能量。溴化鋰吸收式熱泵需要投入一定量的高溫蒸汽用于吸收劑的濃縮。CO2壓縮式熱泵需要投入一定量的能量用于提供壓縮機(jī)的動(dòng)力，通常使用電機(jī)或小型蒸汽輪機(jī)，在發(fā)電廠中，使用蒸汽驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)更具經(jīng)濟(jì)性。效率方面，溴化鋰吸收式熱泵COP＜1.8，而CO2跨臨界熱泵COP＞4.5，這是由于在熱力循環(huán)原理上，壓縮式熱泵效率優(yōu)于吸收式熱泵。另一方面，CO2的臨界溫度只有31℃，容易實(shí)現(xiàn)跨臨界[11]。同時(shí)CO2有較高的單位容積制冷量；較低的壓縮比；傳熱性和流動(dòng)性能也較好，這使得CO2跨臨界壓縮式熱泵優(yōu)于其他工質(zhì)的壓縮式熱泵。

（2）出水溫度的比較

根據(jù)其工作原理，溴化鋰吸收式熱泵出水溫度最高80℃。但實(shí)際應(yīng)用中，由于低溫?zé)嵩礈囟炔环€(wěn)定等原因，如海水溫度的季節(jié)性變化等，溴化鋰熱泵的實(shí)際出水溫度一般在60～70℃，而且在冬季工況，溴化鋰熱泵效率將大幅降低。

CO2跨臨界壓縮式熱泵，極限供水溫度能達(dá)到105℃以上，在一般情況下也能維持在90℃以上。完全可以達(dá)到城市和工業(yè)供熱的需要，比較適合用于海水熱泵供熱。

（3）成本的對(duì)比

溴化鋰吸收式熱泵運(yùn)行時(shí)需嚴(yán)格控制溴化鋰溶液的濃度，如果溴化鋰結(jié)晶，將導(dǎo)致熱泵的性能下降甚至無(wú)法正常運(yùn)行。同時(shí)，必須嚴(yán)格防止溴化鋰系統(tǒng)內(nèi)漏入空氣，否則溴化鋰溶液將嚴(yán)重腐蝕熱泵內(nèi)的金屬。運(yùn)行中需要向溴化鋰溶液添加緩釋劑，用于延緩溴化鋰結(jié)晶和對(duì)金屬的腐蝕。另外溴化鋰的價(jià)格相對(duì)較高，設(shè)備造價(jià)高。綜上，溴化鋰吸收式熱泵的綜合成本相對(duì)較高。

CO2性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)腐蝕管道，且運(yùn)行壓力高于大氣壓，不存在空氣漏入、污染工質(zhì)的可能性，運(yùn)行中只需定期補(bǔ)充CO2即可，其價(jià)格也相對(duì)便宜。因此，CO2熱泵的成本更低，運(yùn)行壽命更長(zhǎng)[12]。

綜上所述，CO2跨臨界壓縮式熱泵因其高效、高出水溫度、低成本的特點(diǎn)，更適合在應(yīng)于發(fā)電廠海水熱泵供熱的工程中。

3.3 總體設(shè)計(jì)

以該發(fā)電廠為例，在排水連接井處建立由數(shù)臺(tái)大型CO2跨臨界壓縮式海水熱泵組成的熱泵站，總體流程如圖7所示，直接利用該發(fā)電廠已有海水取水系統(tǒng)的設(shè)備和管道，在排水連接井處取熱海水（夏季40℃、冬季20℃）作為熱泵的低溫?zé)嵩础Ｔ跓岜锰崛崃亢?，將海水排回至排水連接井，排入大海。

表2 溴化鋰吸收式和CO2熱泵機(jī)組特性比較[8]

圖7 火力發(fā)電廠應(yīng)用CO2跨臨界海水熱泵供熱總體流程

熱泵系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷卻器、節(jié)流減壓裝置、蒸發(fā)器，以及回?zé)嵫b置、氣液分離器等附屬設(shè)備組成。熱泵循環(huán)所需要的壓縮機(jī)采用蒸汽動(dòng)力。從該廠的全廠輔汽母管（壓力0.8 MPa）引出1路用于驅(qū)動(dòng)小型汽輪機(jī)，以拖動(dòng)熱泵壓縮機(jī)。

以城市自來(lái)水或該發(fā)電廠海水淡化出水為補(bǔ)水，進(jìn)入熱泵內(nèi)加熱至90～110℃，一方面可向發(fā)電機(jī)組提供高溫補(bǔ)充水，另一方面向周邊城市、工業(yè)區(qū)、企業(yè)供熱。供熱后回水沿管路回至熱泵站，并再次加熱用于供熱。

4 海水熱泵的應(yīng)用前景

4.1 調(diào)整能源結(jié)構(gòu)

2015年，全國(guó)建筑能源消費(fèi)總量為8.57億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的19.93%[13]。建筑物能耗是國(guó)家能耗的重要組成部分，是節(jié)能減排的重要研究方向，而建筑物能耗主要由制冷和制熱組成。海水熱泵的效率非常高，利用海水熱泵為建筑制熱提供所需的能量，可以取代鍋爐蒸汽制熱、空調(diào)制熱、電制熱等制熱方式。另外，海水熱泵提供的熱水也可廣泛應(yīng)用于紡織、印染、化工等領(lǐng)域。要節(jié)能減排必須持續(xù)提高清潔能源比例[14]，海水熱泵供熱作為一種清潔能源，對(duì)化石燃料和電力有一定的替代作用，這對(duì)于國(guó)家減少化石燃料的使用具有重要意義，可以有效地改善國(guó)內(nèi)能源結(jié)構(gòu)。

4.2 降低污染物及碳排放，抑制熱污染

對(duì)化石燃料和電能的替代作用同時(shí)也可以有效降低燃燒和發(fā)電產(chǎn)生的污染物和碳排放。另外，在火力發(fā)電廠應(yīng)用海水熱泵還可降低冷卻水排水溫度，抑制局部熱污染。

4.3 充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，效率高

如上文所述，火力發(fā)電廠因其獨(dú)特的排水溫度優(yōu)勢(shì)和建設(shè)基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)，非常適合應(yīng)用海水熱泵。相較于直接在沿海地區(qū)應(yīng)用海水熱泵，火力發(fā)電廠應(yīng)用海水熱泵具有效率更高、投資更低的特點(diǎn)。

4.4 可推廣范圍大

我國(guó)有1.8萬(wàn)km的海岸線，沿海區(qū)域正是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的集中區(qū)域同時(shí)也是能源消耗的集中區(qū)域[15]，我國(guó)沿海建設(shè)有數(shù)十座大型火力發(fā)電廠，在此應(yīng)用大型海水熱泵，對(duì)沿海城市供熱具有非常大的推廣空間。

5 結(jié)語(yǔ)

海水熱泵通過(guò)少量的高品位能量換取海水中的大量低品位能量，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。海水熱泵的應(yīng)用可以補(bǔ)充甚至替代我國(guó)當(dāng)前的部分化石能源，改善國(guó)家能源結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代大型火力發(fā)電廠應(yīng)用海水熱泵具有多方面的優(yōu)勢(shì)。CO2跨臨界熱泵具有高效、高出水溫度、低成本的特點(diǎn)。在現(xiàn)代大型火力發(fā)電廠，建立大型CO2海水熱泵站提取發(fā)電機(jī)組循環(huán)海水回水的熱能用于城市、工業(yè)區(qū)、企業(yè)的供熱，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保價(jià)值，值得發(fā)展和推廣。