王海超，劉哲毅，李驥，Esa Teppo，Katja Granlund，Illka Haavisto，余力

(1.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.Aalto大學(xué)科學(xué)學(xué)院，艾斯堡 芬蘭 11100；3.永州市城市管理和綜合執(zhí)法局，湖南 永州 425000；4.中國建筑科學(xué)研究院建筑環(huán)境與能源研究院，北京 100037；5.芬蘭Planora公司，PL 43，Voudintie 6，奧盧 芬蘭 90401；6.芬蘭Condens公司，Puhelinkatu 12，海門林納 芬蘭 13110)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化速度不斷加快，2015年建筑能耗已經(jīng)占到能源消費(fèi)總量的20%，而北方城鎮(zhèn)冬季供暖能耗占建筑能耗的22%，該地區(qū)的建筑大部分采用集中供熱方式供暖，基本以高效的熱電廠或者區(qū)域鍋爐房作為熱源[1].我國近幾年煤炭消費(fèi)比重逐年下降，但在能源總消費(fèi)中仍占主要地位.因此，在面臨著能源緊缺、環(huán)境污染等問題上，充分發(fā)掘燃煤煙氣的節(jié)能潛力以及提高熱源供熱效率，已成為我國節(jié)能工作的重點(diǎn)任務(wù)之一.

而針對(duì)余熱回收問題，國內(nèi)外學(xué)者也做了不少研究.美國 Battele Columber Labs于1976年提出了利用吸收式熱泵回收余熱[2]，并預(yù)測(cè)了市場(chǎng)，確信此技術(shù)具有實(shí)用價(jià)值.日本是世界上第一個(gè)利用余熱發(fā)電的國家，他們建立了一套發(fā)電系統(tǒng)，可以利用煙氣作為低溫?zé)嵩此a(chǎn)生的蒸汽進(jìn)行發(fā)電[3].蘇聯(lián)某熱電廠在鍋爐對(duì)流豎井的底部安裝低溫省煤器，回收煙氣余熱用于加熱熱網(wǎng)回水[4].德國的Schwarze Pumpe電廠在脫硫塔和靜電除塵器之間的煙道引出煙氣，安裝煙氣冷卻裝置回收煙氣余熱并用來加熱鍋爐的冷凝水[5].李永毅等[6]改造燃煤熱電廠空氣預(yù)熱器來回收煙氣的余熱，但新系統(tǒng)的?冮效率較常規(guī)余熱系統(tǒng)僅提高0.13%.陳康等[7]在研究低溫排煙利用潛力中，比平均出口煙溫低6 ℃～12 ℃的進(jìn)口水溫將煙氣溫度成功降至30 ℃～39 ℃.但煙氣露點(diǎn)溫度一般低于城市熱網(wǎng)供水溫度(50 ℃)，煙氣中水蒸氣汽化潛熱無法得到利用.為解決冷源不足的問題，清華大學(xué)付林等[8-10]提出使用吸收式熱泵制取低溫水作為冷源用來回收煙氣余熱量，燃?xì)忮仩t排煙溫度被20 ℃冷凍水降至30 ℃，成功將該技術(shù)應(yīng)用在包括燃煤鍋爐等多個(gè)實(shí)際工程中.田貫三等[11]提出三級(jí)熱泵結(jié)合換熱器的方法回收煙氣余熱，得出了煙氣排放溫度和天然氣熱利用率之間的關(guān)系.魏亦強(qiáng)等[12]對(duì)北京某供熱鍋爐房進(jìn)行改造，利用煙氣冷凝熱回收裝置和吸收式熱泵進(jìn)行供熱，大大提高了鍋爐效率和減少了污染物的排放.孫方田等[13]提出了基于吸收式換熱的燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收技術(shù)方案，并從熱力學(xué)等角度對(duì)比分析了不同的燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)，結(jié)果表明該技術(shù)方案可將提高一次熱網(wǎng)輸送能力約47%，系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益.王鵬等[14]通過跟蹤實(shí)測(cè)改造后的工程，結(jié)果顯示采用吸收式熱泵和煙氣熱回收裝置聯(lián)合運(yùn)行比采用煙氣熱回收裝置加熱外網(wǎng)回水模式具有更高的節(jié)能率、冷凝水回收率.李鋒等[15]介紹了基于吸收式換熱的熱電聯(lián)產(chǎn)煙氣余熱回收工藝流程，對(duì)某200 MW級(jí)新系統(tǒng)年回收余熱量可達(dá)82萬GJ，相比原系統(tǒng)可增加年運(yùn)行收益4428萬元.綜上，目前國內(nèi)對(duì)燃?xì)忮仩t的煙氣余熱回收做了較多的研究，但對(duì)于燃煤鍋爐的余熱回收研究較少，但我國北方以燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)和燃煤鍋爐房供熱為主，因此有必要對(duì)燃煤煙氣余熱回收技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究.此外，燃煤煙氣余熱回收的熱量用于集中供熱的系統(tǒng)集成方式及影響參數(shù)也需要進(jìn)行系統(tǒng)的分析.因此，本文從煙氣余熱梯級(jí)回收利用的思路出發(fā)，在結(jié)合吸收式熱泵與直接接觸式換熱技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建煙氣余熱回收利用系統(tǒng)，并針對(duì)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，分析了影響系統(tǒng)初投資的關(guān)鍵參數(shù)、熱網(wǎng)回水溫度對(duì)系統(tǒng)能效的影響及排煙溫度對(duì)系統(tǒng)供熱能力的影響.

1 熱電廠燃煤煙氣余熱回收塔

本文研究的燃煤直接接觸式煙氣余熱回收塔及其連接如圖1所示.煙氣余熱回收塔由殼體、噴淋組件、填料、除霧器、風(fēng)機(jī)、煙氣管道、底部水池等組成.煙氣和循環(huán)噴淋水在塔內(nèi)進(jìn)行直接接觸的傳熱傳質(zhì)，雖然較空塔回收增大了煙氣阻力，但增大了換熱面積，具有深度回收煙氣中顯熱和潛熱的能力即實(shí)現(xiàn)真正的全熱回收；煙氣流動(dòng)方向自下往上，水流從上往下，且余熱回收塔的高徑比可以根據(jù)處理煙氣量進(jìn)行最優(yōu)化處理，最大限度提高換熱系數(shù)，并使化學(xué)反應(yīng)充分進(jìn)行，使煙氣排放溫度降至露點(diǎn)溫度以下，煙氣中水蒸氣凝結(jié)放熱，達(dá)到全熱回收目的.如有進(jìn)一步脫硫需求，則該過程中煙氣中的SO2將溶解在回收塔循環(huán)水中與堿液發(fā)生反應(yīng)從而達(dá)到脫硫的目的.如圖1所示，該技術(shù)也需要通過熱泵(以吸收式熱泵為例)降低進(jìn)入余熱回收塔內(nèi)的循環(huán)水溫度，從而提高余熱回收塔的工作效率，實(shí)現(xiàn)高效的深度余熱回收和冷凝水回收.熱網(wǎng)回水經(jīng)過換熱器加熱后進(jìn)入熱電廠的熱網(wǎng)加熱器進(jìn)一步加熱，達(dá)到運(yùn)行要求后送至熱網(wǎng).將煙氣余熱回收塔與吸收式熱泵相結(jié)合，解決了金屬腐蝕以及低溫冷源的問題.同時(shí)噴淋換熱的煙氣與噴淋循環(huán)水之間的換熱端溫差可達(dá)2 ℃左右，比傳統(tǒng)的換熱溫差(5 ℃)降低60%，大幅減少換熱體積、降低換熱成本.

圖1 基于吸收式熱泵的直接接觸換熱余熱回收、脫硫、冷凝水回收一體化流程

上述煙氣余熱回收系統(tǒng)回收率與燃料種類、煙氣含濕量、煙氣含氧量有很大關(guān)系.燃料中氫元素含量越高，煙氣含濕量越大，含氧量越低則煙氣余熱回收率就越高，反之越低.燃料含濕量低則鍋爐效率高，進(jìn)入煙氣中的熱損失減少，需要回收的余熱也相應(yīng)減少.過量空氣系數(shù)在滿足充分燃燒的前提下應(yīng)當(dāng)盡可能取較低值，含氧量大相當(dāng)于煙氣被稀釋，在余熱量一定的情況下，需要處理的煙氣量增加，增大了系統(tǒng)容量和運(yùn)行費(fèi)用.另外，空氣中水蒸氣分壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煙氣中的水蒸氣分壓，因而含氧量的增大導(dǎo)致煙氣中水蒸氣分壓的降低，從而降低了煙氣的水露點(diǎn)溫度.而露點(diǎn)溫度的降低會(huì)使直接接觸換熱過程中水可被加熱到的最高溫度降低.

2 煙氣余熱回收集中供熱系統(tǒng)的集成分析

該部分從煙氣余熱梯級(jí)回收利用的思路出發(fā)，在結(jié)合吸收式熱泵與直接接觸式換熱技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建煙氣余熱回收利用系統(tǒng)，并針對(duì)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，分析了影響系統(tǒng)初投資的關(guān)鍵參數(shù)、熱網(wǎng)回水溫度對(duì)系統(tǒng)能效的影響及排煙溫度對(duì)系統(tǒng)供熱能力的影響.

2.1 煙氣余熱回收系統(tǒng)的構(gòu)建

為解決間壁式換熱器腐蝕性和低溫冷源的問題，付林等[16]提出利用直接接觸式換熱器(噴淋塔)結(jié)合吸收式熱泵的系統(tǒng)來回收煙氣余熱，本文在借鑒此思路的情況下，基于梯級(jí)利用煙氣余熱的角度構(gòu)建如圖2所示的煙氣余熱回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)水和熱電廠煙氣余熱的能級(jí)匹配.

1-余熱回收塔 2-熱網(wǎng)加熱器 3-吸收式熱泵 4-板式換熱器 5-煙氣余熱回收機(jī)組圖2 煙氣余熱回收用于集中供熱的系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)梯級(jí)回收利用煙氣余熱.本系統(tǒng)利用直接接觸式余熱回收塔來提取煙氣的余熱，可解決煙氣帶來的露點(diǎn)腐蝕性問題.在逆流式余熱回收塔1中，煙氣與熱泵蒸發(fā)器出口處的噴淋循環(huán)水直接接觸換熱，根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化匹配，溫度ts3可控制在20 ℃～30 ℃，噴淋循環(huán)水被加熱至ts1(根據(jù)脫硫方式和燃煤種類在40 ℃～60 ℃之間)后，先由板式換熱器4降溫至ts2、再由熱泵蒸發(fā)器降溫至ts3，煙氣溫度由余熱回收塔1的入口溫度ty2降至出口溫度tp，該溫度比ts2略高.

(2)熱網(wǎng)水在熱電廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)梯級(jí)加熱.以熱電廠煙氣余熱和汽輪機(jī)的抽汽為熱源，熱網(wǎng)回水流過板式換熱器4、吸收式熱泵3、熱網(wǎng)加熱器2被加熱到溫度tg.

(3)通過溫度匹配、梯級(jí)加熱方式提高熱網(wǎng)輸送能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)煙氣余熱回收、節(jié)能減排的一體化.

2.2 熱網(wǎng)水梯級(jí)加熱數(shù)學(xué)模型

熱網(wǎng)水梯級(jí)加熱系統(tǒng)由余熱回收塔1、熱網(wǎng)加熱器2、吸收式熱泵3和板式換熱器4組成.下面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型.

設(shè)噴淋循環(huán)水質(zhì)量流量G1，熱網(wǎng)水質(zhì)量流量G2，煙氣體積流量Gg.流過板式換熱器、吸收式熱泵和熱網(wǎng)加熱器后熱網(wǎng)水分別吸收熱量Q1、Q2、Q3，余熱回收塔回收煙氣余熱量Q4，供熱總量為Q.可由能量守恒方程求得各環(huán)節(jié)的換熱量.

(1)計(jì)算熱網(wǎng)水梯級(jí)加熱流程的傳熱量如下所示.

Q=Q1+Q2+Q3，

(1)

Q=G2×cp2×(tg-th)/3600，

(2)

公式中：這里給出上述變量的名稱和單位；tg為熱網(wǎng)供水溫度， ℃；th為熱網(wǎng)回水溫度， ℃；cp2為熱網(wǎng)水比熱容，kJ/(kg· ℃).

(2)計(jì)算板式換熱器的傳熱量如下所示.

噴淋循環(huán)水側(cè)換熱量：

Q1=cp1×G1×(ts1-ts2)/3600，

(3)

熱網(wǎng)側(cè)換熱量：

Q1=cp2×G2×(t1-th)/3600，

(4)

公式中：ts1為噴淋循環(huán)水進(jìn)入換熱器溫度， ℃；ts2為噴淋循環(huán)水進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器溫度， ℃；cp1為噴淋循環(huán)水比熱容，kJ/(kg· ℃)；t1為熱網(wǎng)水側(cè)熱泵進(jìn)口溫度， ℃.

(3)計(jì)算吸收式熱泵的傳熱量如下式所示.

以汽輪機(jī)抽汽Qs1作為驅(qū)動(dòng)力的吸收式熱泵從噴淋循環(huán)水中提取余熱量Qe，將熱量Q2傳給低溫?zé)峋W(wǎng)水：

Q2=Qe+Qs1，

(5)

蒸發(fā)器吸熱：

Qe=cp1×G1×(ts2-ts3)/3600，

(6)

發(fā)生器耗熱：

Qg=Qs1=Q2/(COPh-1)，

(7)

吸收器和冷凝器放熱：

Qc+Qa=Qe+Qs1=G2×cp2×(t2-t1)/3600，

(8)

公式中：ts3為噴淋循環(huán)水進(jìn)入余熱回收塔的溫度， ℃；COPh為吸收式熱泵的制熱系數(shù)；t2為熱網(wǎng)水側(cè)熱泵出口溫度， ℃.

(4)計(jì)算熱網(wǎng)加熱器的傳熱量如下式所示.

假設(shè)熱電廠總抽汽量為Qs(MW)，由熱網(wǎng)水側(cè)熱平衡得：

Q3=Qs-Qs1=cp2×G2×(tg-t2)/3600，

(9)

(5)計(jì)算余熱回收塔的傳熱量如下式所示.

煙氣側(cè)換熱量：

Q4=Gg×(h2-h3)/1000，

(10)

噴淋循環(huán)水側(cè)換熱量：

Q4=cp1×G1×(ts1-ts3)/3600，

(11)

2.3 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)分析

通過對(duì)影響煙氣深度回收系統(tǒng)性能的系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)篩選，分析影響單位回收余熱量投資費(fèi)用的參數(shù)，并探究一次網(wǎng)回水溫度對(duì)系統(tǒng)能效的影響、排煙溫度對(duì)系統(tǒng)供熱能力的影響.

2.3.1 分析模型的建立

煙氣余熱回收用于集中供熱系統(tǒng)有煙氣余熱和熱電廠供暖抽汽的供熱量?jī)煞N熱源.定義系統(tǒng)回收余熱能力X為：煙氣余熱量Qw與熱電廠供暖蒸汽的供熱量Qs之比，即

(12)

公式中：Qw為余熱回收塔內(nèi)單位時(shí)間從煙氣中回收的余熱量.其表達(dá)式為：Qw=cp1G1(ts1-ts3).

由熱網(wǎng)水梯級(jí)加熱計(jì)算公式(1)～公式(11)，可推導(dǎo)出公式(13)及公式(14)：

(13)

(14)

由式(14)分析影響系統(tǒng)回收余熱能力X的關(guān)鍵參數(shù)：

(1)吸收式熱泵制熱系數(shù)COPh.對(duì)于給定的驅(qū)動(dòng)熱源參數(shù)，熱網(wǎng)水側(cè)熱泵出口溫度t2與噴淋循環(huán)水進(jìn)入余熱回收塔的溫度ts3決定了COPh的大小，t2越高或ts3越低，則COPh越小.若排煙溫度不變，對(duì)于某一給定設(shè)計(jì)的余熱回收塔，噴淋水溫度ts3為定值(煙氣排煙溫度與噴淋水溫差一般為3～5 ℃)，因此COPh取決于熱泵熱網(wǎng)水出口溫度t2.

(2)板式換熱器熱網(wǎng)水側(cè)溫升Δth=(t1-th).(t1-th)越大，則通過板式換熱器回收的煙氣余熱量越大，從而可降低吸收式熱泵的投資.對(duì)于既定的供熱一次管網(wǎng)，假設(shè)th波動(dòng)范圍不大，此時(shí)影響板式換熱器熱網(wǎng)水側(cè)溫升(t1-th)的主要參數(shù)是熱網(wǎng)水側(cè)熱泵進(jìn)口溫度t1.

綜上可知，若排煙溫度tp一定時(shí)，對(duì)于給定的熱網(wǎng)回水溫度th和煙氣余熱回收量，t2和COPh均由t1決定，因此影響系統(tǒng)回收余熱能力X關(guān)鍵參數(shù)是熱網(wǎng)水側(cè)熱泵進(jìn)口溫度t1，需對(duì)其進(jìn)行分析.

分析計(jì)算熱網(wǎng)水側(cè)熱泵進(jìn)口溫度t1，可得：

t1=Q1×3600/cp2/G2+th，

(15)

Q1=cp1×G1×(ts1-ts2)/3600，

(16)

ts2=th+Δtc，

(17)

(18)

公式中：Δtc為板式換熱器的冷端溫差(噴淋循環(huán)水離開板式換熱器與熱網(wǎng)回水進(jìn)入板式換熱器的溫差)， ℃.

在給定煙氣進(jìn)口溫度時(shí)，ts1取決于余熱回收塔中煙氣與水的熱質(zhì)交換效率E，本文取ts1=45 ℃，熱網(wǎng)供水溫度tg=130 ℃，回水溫度th=25 ℃(熱力站設(shè)大溫差換熱機(jī)組).Δtc影響板式換熱器和吸收式熱泵設(shè)備的選型.因此，板式換熱器冷端溫差Δtc影響t1的大小，Δtc越小，t1越高.

同時(shí)余熱回收塔入口煙氣溫度ty2影響余熱回收塔塔體的配置，當(dāng)余熱回收塔處煙氣排放溫度tp一定時(shí)，Δtc和ty2是影響系統(tǒng)設(shè)備投資費(fèi)用的主要參數(shù)；排煙溫度tp越高，回收煙氣余熱量越小，在熱電廠供暖抽汽量一定情況下X越小，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)備投資費(fèi)用越低，因此煙氣排放溫度tp影響整個(gè)熱網(wǎng)水梯級(jí)加熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及供熱能力.

2.3.2 單位回收余熱量的投資費(fèi)用

研究整個(gè)熱網(wǎng)水梯級(jí)加熱系統(tǒng)單位回收余熱量投資費(fèi)用P(元/(GJ·年))，關(guān)鍵在于確定板式換熱器的冷端溫差Δtc和余熱回收塔入口煙氣溫度ty2，現(xiàn)以排煙溫度tp為33 ℃為例進(jìn)行相關(guān)計(jì)算.

以某熱電廠2臺(tái)30 MW高溫高壓背壓式汽輪機(jī)配3臺(tái)135 t/h循環(huán)流化床鍋爐為例設(shè)計(jì)新系統(tǒng).采用直接接觸式換熱與吸收式熱泵的煙氣余熱回收新系統(tǒng)總初投資M主要包括：(1)余熱回收塔初投資成本M1，以每回收1 MW余熱量需28萬元來計(jì)算[17]；(2)吸收式熱泵初投資成本M2，以每回收1 MW余熱量需80萬元來計(jì)算[18]；(3)水-水板式換熱器初投資成本M3，以每平方米換熱面積需500元來計(jì)算[19]；(4)建筑安裝工程費(fèi)成本M4，以每回收1 MW余熱量需30萬元來計(jì)算[17].

供暖季按照172天計(jì)算，設(shè)備的折舊年限Y取20年，整個(gè)系統(tǒng)每供暖季可回收煙氣的余熱量Qw為27萬GJ，單位回收余熱量需要的投資成本P：

(19)

(1)余熱回收塔初投資成本

余熱回收塔初投資成本M1主要受回收的煙氣余熱量影響.如圖3所示，可看出在相同排煙溫度時(shí)，余熱回收塔入口煙氣溫度越低，初投資成本越少，可回收的余熱量也越少.入口溫度從50 ℃提高到89 ℃時(shí)，余熱回收塔初投資成本M1增加31%.

圖3 余熱回收塔初投資成本M1圖4 吸收式熱泵初投資M2

(2)吸收式熱泵初投資成本

吸收式熱泵初投資M2隨板式換熱器的冷端溫差Δtc和余熱回收塔入口煙氣溫度ty2的變化規(guī)律如圖4所示.當(dāng)余熱回收塔入口煙氣溫度ty2一定時(shí)，隨著Δtc升高，噴淋循環(huán)水進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器溫度ts2升高，熱泵回收的余熱量增加，從而導(dǎo)致吸收式熱泵初投資M2變大.當(dāng)煙氣入口溫度為80 ℃時(shí)，Δtc從2 ℃提高至5 ℃，吸收式熱泵初投資M2增加43%.板式換熱器的冷端溫差Δtc不變時(shí)，隨著余熱回收塔煙氣入口溫度的升高吸收式熱泵回收的余熱量越多，從而加大吸收式熱泵初投資M2.

(3)板式換熱器初投資成本

水-水板式換熱器采用合金鋼板逆流式，選型號(hào)為BR1.02，單片換熱的面積為1.02 m2，流道截面積為4.361*10-3m2，板片厚0.8 mm，板間距4.9 mm.換熱器有效換熱面積F計(jì)算如下式所示：

(20)

(21)

公式中：K為板式換熱器的傳熱系數(shù)，W/(m2? K)；Δtm為換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差， ℃.本文取K=4 490 W/(m2? K).

圖5 板式換熱器初投資M3圖6 單位回收余熱量投資費(fèi)用P

板式換熱器初投資成本M3隨冷端溫差Δtc和余熱回收塔入口煙氣溫度ty2的變化情況，如圖5所示.當(dāng)余熱回收塔入口煙氣溫度ty2一定時(shí)，隨著板式換熱器的冷端溫差Δtc的升高，換熱器的換熱量Q1減少，熱網(wǎng)水側(cè)熱泵進(jìn)口溫度t1降低，對(duì)數(shù)平均溫差Δtm增大，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器的換熱面積減少，板式換熱器初投資成本M3減少.當(dāng)煙氣入口溫度為80 ℃時(shí)，Δtc從2 ℃提高至5 ℃，板式換熱器初投資成本M3降低61%.

板式換熱器的冷端溫差Δtc不變時(shí)，隨著余熱回收塔煙氣入口溫度的升高，噴淋循環(huán)水質(zhì)量流量G1增加，Δtm降低，從而增加換熱器的有效換熱面積，提高板式換熱器初投資成本M3.

(4)單位回收余熱量投資費(fèi)用

不同余熱回收塔入口煙氣溫度ty2和板式換熱器的冷端溫差Δtc下的單位回收余熱量投資費(fèi)用P如圖6所示.當(dāng)余熱回收塔入口煙氣溫度ty2一定時(shí)，若增大換熱器的冷端溫差Δtc，單位回收余熱量投資費(fèi)用P升高，這主要是因?yàn)槲帐綗岜贸跬顿YM2增加的程度大于此時(shí)板式換熱器降低的初投資成本，吸收式熱泵初投資影響總初投資的程度最大.當(dāng)煙氣入口溫度為80 ℃時(shí)，Δtc從5 ℃降低至2 ℃，單位回收余熱量投資費(fèi)用P降低13%.因此，適當(dāng)降低板式換熱器的冷端溫差Δtc可節(jié)省系統(tǒng)的初投資費(fèi)用.

2.3.3 熱網(wǎng)回水溫度對(duì)系統(tǒng)能效的影響

熱電廠余熱回收應(yīng)從熱源、熱網(wǎng)結(jié)合一體化考慮，改造熱網(wǎng)末端、降低回水溫度是實(shí)現(xiàn)余熱高效回收的重要前提.當(dāng)熱網(wǎng)回水溫度從36 ℃降低到25 ℃，煙氣余熱回收量和蒸汽供熱量的變化情況如圖7所示.

圖7 熱網(wǎng)回水溫度變化對(duì)煙氣余熱回收量Qw和蒸汽供熱量Qs的影響圖8 熱網(wǎng)回水溫度對(duì)抽汽供熱減少的發(fā)電量ΔW的影響

由圖7可以看出，當(dāng)熱網(wǎng)回水溫度從36 ℃降至25 ℃，此時(shí)煙氣余熱回收量Qw由5.2 MW升高至9.84 MW，提高率為89%.對(duì)應(yīng)的蒸汽供熱量從52.23 MW降至47.59 MW.

抽汽供熱減少的發(fā)電量ΔW計(jì)算公式：

(22)

公式中：η為汽輪機(jī)發(fā)電效率，取0.9；hv為蒸汽的比焓，kJ/kg，0.4 MPa、190 ℃時(shí)，hv=2 860 kJ/kg；hz為蒸汽發(fā)電后的比焓，hz=2 244 kJ/kg；hc為凝結(jié)水比焓，0.4 MPa、80 ℃時(shí)，hc=335 kJ/kg.

抽汽供熱減少的發(fā)電量ΔW隨熱網(wǎng)回水溫度變化情況如圖8所示.當(dāng)總供熱量不變時(shí)，隨著熱網(wǎng)回水溫度由36 ℃降低至25 ℃，由于回收的煙氣余熱量的增加，抽汽供熱量減少，ΔW由4 743萬kWh降至4 322萬kWh.

現(xiàn)以電量為統(tǒng)一性基準(zhǔn)，引入能效評(píng)價(jià)指標(biāo)供熱等效電W[20]，其定義為每供應(yīng)1 GJ的熱量而減少的發(fā)電量.在熱電工況相同的情況下，其值越小說明余熱回收率和系統(tǒng)能效越高.其表達(dá)式為：

(23)

該系統(tǒng)的供熱等效電W隨著不同熱網(wǎng)回水溫度的變化情況如圖9所示.由圖9可知，熱網(wǎng)回水溫度越低，回收能力越高，抽汽供熱越少，供熱等效電越高.隨著熱網(wǎng)回水溫度由36 ℃降低到25 ℃，供熱等效電W由55.6 kWh/GJ降至50.6 kWh/GJ，即提高了系統(tǒng)的能效.

圖9 熱網(wǎng)回水溫度對(duì)系統(tǒng)供熱等效電W的影響圖10 排煙溫度對(duì)系統(tǒng)供熱能力的影響

2.3.4 排煙溫度對(duì)系統(tǒng)供熱能力的影響

以入口煙氣溫度為80 ℃，排煙溫度為20 ℃～50 ℃時(shí)計(jì)算系統(tǒng)供熱能力的變化情況，排煙溫度對(duì)系統(tǒng)供熱能力的影響如圖10所示.由圖10可見隨著排煙溫度 的升高，隨著煙氣比焓的增大，系統(tǒng)煙氣余熱可回收量越少，從而導(dǎo)致系統(tǒng)回收余熱能力X顯著降低.當(dāng)排煙溫度從50 ℃降低至20 ℃，系統(tǒng)余熱回收能力提高80%.

3 結(jié) 論

本文提出了一種采用直接接觸式余熱回收塔與吸收式熱泵相結(jié)合的系統(tǒng)回收煙氣余熱用于集中供熱的方法.構(gòu)建了煙氣余熱回收集中供熱系統(tǒng)，并建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，為方便分析，本文定義系統(tǒng)余熱回收能力為煙氣余熱量Qw與熱電廠供暖蒸汽的供熱量Qs之比，利用供熱等效電W概念，其定義為每供應(yīng)1GJ的熱量而使抽汽供熱減少的發(fā)電量，其值越小說明換熱首站系統(tǒng)能效更高，最后以某熱電廠為例對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析.研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)排煙溫度一定時(shí)，對(duì)于給定的熱網(wǎng)回水溫度和煙氣余熱回收量，影響系統(tǒng)回收余熱能力X關(guān)鍵參數(shù)是熱網(wǎng)水側(cè)熱泵進(jìn)口溫度.以某熱電廠為例設(shè)計(jì)新系統(tǒng)，經(jīng)過計(jì)算分析，適當(dāng)減少板式換熱器的冷端溫差Δtc可節(jié)省該系統(tǒng)的初投資費(fèi)用；降低一次網(wǎng)回水溫度可提高系統(tǒng)的能效；適當(dāng)降低排煙溫度可提升系統(tǒng)回收余熱能力.當(dāng)煙氣入口溫度為80 ℃時(shí)，Δtc從5 ℃降低至2 ℃，單位回收余熱量投資費(fèi)用P降低13%.當(dāng)排煙溫度從50 ℃降低至20 ℃，系統(tǒng)余熱回收能力提高80%.在熱電工況相同的情況下，隨著熱網(wǎng)回水溫度的降低，供熱等效電W由55.6 kWh/GJ降至50.6 kWh/GJ，其值越小說明余熱回收能力越高，抽汽供熱越少，供熱等效電越高.該余熱回收系統(tǒng)的余熱回收效率高、節(jié)能潛力巨大，經(jīng)濟(jì)性較好，同時(shí)具有巨大的節(jié)能減排潛力，因此基于直接接觸式余熱回收塔與吸收式熱泵相結(jié)合的回收煙氣余熱用于集中供熱技術(shù)具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值.本文在建模過程中假定吸收式熱泵的COP在所研究溫度范圍內(nèi)保持恒定不變，后續(xù)研究可對(duì)模型進(jìn)行修正，以便開展動(dòng)態(tài)性能分析.

附錄：符號(hào)列表