鄭明輝 ，劉蕊菁 ，王雪 ，趙晗 ，胡鋆 ，王翔 ,?

（1.華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院, 河北 保定 071003；2.河北師范大學(xué) 中燃工學(xué)院, 河北 石家莊 050024；3.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所, 北京 102209）

0 引言

溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球變暖問題增加了碳減排的緊迫性，深化碳減排的階段性指標(biāo)已成為國際社會的共識。為實現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)，中國政府提出了“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，力爭使CO2排放于2030年前達(dá)到峰值，在2060年前實現(xiàn)碳中和[1]。為推進(jìn)和落實這一目標(biāo)的實現(xiàn)，出臺的《碳排放權(quán)交易管理條例》已將碳排放總量控制納入國家應(yīng)對氣候變化立法體系。國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》文件指出，中國將大力發(fā)展可再生能源發(fā)電，加快向低碳化社會轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。

當(dāng)前，雖然我國已有部分核電機(jī)組，但是火電燃煤機(jī)組仍占領(lǐng)電力的大部分市場。其中燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組由于其具有能量高效利用的特點(diǎn)而被我國電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。然而，可再生能源的不確定性和波動性對現(xiàn)有燃煤機(jī)組的靈活性提出了更高的要求。近年來，我國北方部分地區(qū)供暖季供熱需求不斷增加，加劇了燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱負(fù)荷需求。但是，“以熱定電”的生成模式大大降低了系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力。另一方面，隨著我國北方地區(qū)冬季供熱需求的不斷增加，增加了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱負(fù)荷，但傳統(tǒng)的“以熱定電”運(yùn)行模式大大降低了系統(tǒng)發(fā)電靈活性[2]。我國以煤電為主的火電機(jī)組靈活性不足，在調(diào)峰深度、爬坡速度、快速啟停等方面有很大提升空間?，F(xiàn)有提高燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)靈活性的技術(shù)主要包括大型儲熱技術(shù)、汽輪機(jī)改造技術(shù)、鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行技術(shù)、余熱回收技術(shù)和一次調(diào)頻技術(shù)[3]等。其中，余熱回收技術(shù)主要是通過燃煤機(jī)組冷端余能供熱改造，打破原有的熱電耦合比例，達(dá)到降低電負(fù)荷，提高熱負(fù)荷的雙重應(yīng)用價值。冷端余能供熱方式包括高背壓汽輪機(jī)、熱泵余熱回收、低壓缸“零出力”3種供熱改造方式[4]。王力等[5]針對某300 MW供熱機(jī)組的汽輪機(jī)特性及其所在熱電廠的供熱背景，分析了高背壓改造存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了汽輪機(jī)本體及主要輔機(jī)的改造方案；汪可等[6]以350 MW超臨界供熱機(jī)組為模型，設(shè)計并計算了低壓缸“零出力”運(yùn)行前后的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低壓缸“零出力”可以使得電負(fù)荷降低8%，熱負(fù)荷提升27%，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益；研究發(fā)現(xiàn)，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，儲熱利用裝置和電驅(qū)動壓縮式熱泵的引入都可增加對風(fēng)電的消納，但是電驅(qū)動壓縮式熱泵引入后余熱回收利用的效果更好，利用現(xiàn)有的區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)最佳的風(fēng)電集成[7]。

為此，本文將對余熱利用技術(shù)的分類、參數(shù)及評價，以及其未來發(fā)展前景和相關(guān)建議幾個方面進(jìn)行歸納整理，期望為耦合先進(jìn)余能利用的燃煤發(fā)電機(jī)組開發(fā)提供參考。

1 余熱利用技術(shù)分類

現(xiàn)有的余熱利用技術(shù)主要包括煙氣余熱回收、循環(huán)水余熱回收、空氣源余熱回收。各個余熱利用技術(shù)的余熱來源與余熱源溫度如表1所示。

表1 余熱回收技術(shù)對比Tab.1 Comparison of waste heat recovery technologies

煙氣余熱回收的熱源為鍋爐尾部排放的120～150 ℃左右的煙氣，通過換熱器加熱冷流體從而達(dá)到余熱回收的目的。通過煙氣余熱回收技術(shù)理論上可以使得鍋爐熱效率在原有基礎(chǔ)上提升15%左右[12]，但由于煙氣的腐蝕性，需要定期對換熱設(shè)備進(jìn)行防腐處理。

循環(huán)水余熱回收利用的是循環(huán)冷卻水的熱量，通過熱泵加熱熱網(wǎng)系統(tǒng)的回水，然后通過熱網(wǎng)加熱器供給熱用戶，循環(huán)水余熱回收技術(shù)回收了需要通過冷卻塔散失的熱量，這表明采用余熱回收后循環(huán)水不需要冷卻塔的冷卻，減少了循環(huán)水的蒸發(fā)損失。同時，若采用棄風(fēng)電為熱泵供電則可節(jié)水3.64 t/MWh，提升全廠的能源利用效率[13]。

空氣源余熱回收技術(shù)的主要熱源為0～60 ℃的煙氣，通過空壓機(jī)將煙氣中的熱量提取出來用于預(yù)熱鍋爐的循環(huán)水，達(dá)到余熱回收的目的[14]。

余熱鍋爐本質(zhì)上是一個氣-水/蒸汽的換熱器，利用高溫?zé)煔庥酂?、化學(xué)反應(yīng)余熱、可燃?xì)怏w余熱及高溫產(chǎn)品余熱等，生產(chǎn)蒸汽或熱水，用于工藝流程或進(jìn)入管網(wǎng)供熱[15]。

吸收式制冷技術(shù)遵循“發(fā)生（解析）—冷凝—蒸發(fā)—吸收（吸附）”的循環(huán)過程，以溴化鋰水溶液為工質(zhì)的吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，該技術(shù)采用低品位熱能為驅(qū)動力，但是實際應(yīng)用時其性能系數(shù)COP遠(yuǎn)低于壓縮式制冷系統(tǒng)。并且，如果制冷系統(tǒng)的工質(zhì)采用的天然制冷劑是具有顯著的環(huán)保效益的。

對于工業(yè)中大量廢棄的200 ℃，甚至300 ℃以下的低溫余熱，目前無法利用蒸汽/熱水閃蒸系統(tǒng)進(jìn)行有效回收，更適宜采用經(jīng)濟(jì)可行的有機(jī)朗肯循環(huán)余熱發(fā)電技術(shù)。這是因為工質(zhì)溫度與低溫?zé)嵩磽Q熱平均溫差大，則不可逆損失較大。為了減小換熱不可逆損失，提出了改進(jìn)的方法，如Kalina循環(huán)等。Kalina循環(huán)是以氨水混合物為工質(zhì)的循環(huán)系統(tǒng)，最簡單的熱力循環(huán)是一級蒸餾循環(huán)，一定濃度的氨水溶液經(jīng)過水泵加壓、預(yù)熱器升溫之后，進(jìn)入余熱鍋爐蒸發(fā)，形成過熱氨水蒸汽進(jìn)入透平膨脹做功，然后利用復(fù)雜的蒸餾冷卻子系統(tǒng)解決氨水混合物冷凝問題，使透平乏汽重新形成一定濃度的工質(zhì)溶液，再到達(dá)給水泵，完成一個循環(huán)。

簡化的余熱回收系統(tǒng)示意圖如圖1所示，一個基礎(chǔ)的余熱系統(tǒng)一般由凝汽器、熱泵、蒸發(fā)器和換熱器組成[15]，余熱回收系統(tǒng)回收煙氣、循環(huán)水或其他熱源的余熱并與換熱工質(zhì)進(jìn)行熱交換，并將重新加熱的工質(zhì)送入爐膛或熱網(wǎng)水中，無法再利用的廢熱則排出至環(huán)境中。

圖1 余熱回收系統(tǒng)圖Fig.1 Waste heat recovery system diagram

2 余熱回收技術(shù)的評價參數(shù)

目前對余熱回收技術(shù)評價參數(shù)主要包括性能評價、經(jīng)濟(jì)性評價以及系統(tǒng)參數(shù)關(guān)聯(lián)評價。其中性能評價包括除塵效率、除濕效率、排煙溫度、煙氣中氧含量、煙氣中液氣比、煙氣中硫含量等；經(jīng)濟(jì)性評價包括鍋爐效率、熱耗、發(fā)電煤耗等；系統(tǒng)參數(shù)關(guān)聯(lián)價包括熱效率、?效率、能級等。評價參數(shù)與余熱回收技術(shù)對應(yīng)情況如表2所示。

表2 余熱回收技術(shù)種類及其評價參數(shù)Tab.2 Waste heat recovery technology types and their evaluation parameters

例如，張翼等[10]以單位裝機(jī)容量為1 MW的風(fēng)電功率為最小計算單元，觀察抽凝機(jī)組每分鐘為數(shù)據(jù)點(diǎn)的變化特性，采用風(fēng)電特性進(jìn)行評價時，可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電功率的特點(diǎn)為其變化范圍可從幾乎為零開始到全功率運(yùn)行。因此可以證明，為進(jìn)一步降低抽凝機(jī)組的能量消耗更多地需考慮對風(fēng)電的消納能力。李美軍等[21]采用脫硫技術(shù)和低氧燃燒技術(shù)對煙氣余熱回收系統(tǒng)中的余熱源進(jìn)行余熱回收，通過煙氣中硫含量和氧含量為評價參數(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)降低硫含量和氧含量后，設(shè)備上提高金屬璧溫降低液態(tài)水析出，將煙氣低溫露點(diǎn)腐蝕破壞程度降到最低，對于余熱回收有很大的幫助。

3 耦合儲熱型余熱回收利用系統(tǒng)

目前關(guān)于余熱回收利用系統(tǒng)的一個研究熱點(diǎn)是如何進(jìn)一步的提高余熱回收效率。傳統(tǒng)余熱回收技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，如何進(jìn)一步挖掘回收潛力是亟待解決的問題。通過將余熱回收系統(tǒng)與儲熱裝置進(jìn)行耦合可以加大對余熱的利用，尤其是低溫余熱的回收，因此，耦合余熱裝置的余熱系統(tǒng)的研究已成為一個新的研究熱點(diǎn)[22]。

煙氣余熱回收系統(tǒng)如圖2所示。能源設(shè)備中，很大部分是由燃燒燃料來獲取能量。煙氣排放是主要的熱損失之一。排放溫度越高，熱損失就越大。考慮熱損失時，一般都以燃料的低位發(fā)熱量來計算熱損失。在排煙熱損失中，它不僅與排煙溫度有關(guān)，而且還與排煙處的過量空氣系數(shù)有關(guān)，過量空氣系數(shù)越大，則熱損失越大。低溫?zé)煔鉄崃炕厥站褪且獙⑴艧煖囟冉抵磷罴褷顟B(tài)，使投資成本與回收成本（包括回收的經(jīng)濟(jì)效益與排放效益）達(dá)到最優(yōu)性價比。在回收煙氣中的熱量時，盡量能回收煙氣中的汽化潛熱，減少煙氣的熱損失和二氧化碳排放量。甄浩然等[23]就工程實踐中熱泵與鍋爐容量不匹配的問題提出了儲熱技術(shù)耦合熱泵系統(tǒng)的方案，通過運(yùn)行數(shù)據(jù)對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)增加儲熱系統(tǒng)后，排煙溫度下降至22.31 ℃，熱泵運(yùn)行時間增加了20%。Ouyang Tiancheng等[24]通過研究船用發(fā)動機(jī)的余熱利用過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用蓄熱裝置可以很好的節(jié)約燃料，降低燃料成本。郭璞維等[25]對多種儲能技術(shù)與煙氣余熱回收系統(tǒng)的耦合的可行性進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)煙氣余熱回收系統(tǒng)耦合壓縮空氣儲能應(yīng)用前景廣闊，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖2 煙氣余熱回收系統(tǒng)圖Fig.2 Flue gas waste heat recovery system diagram

4 發(fā)展方向與相關(guān)建議

目前對耦合余熱回收技術(shù)的研究目的主要是余熱回收利用率的提高，研究關(guān)注的要點(diǎn)主要包括熱泵系統(tǒng)、朗肯循環(huán)等方向。

1)采用新型熱泵系統(tǒng)

熱泵系統(tǒng)作為最主要的制熱設(shè)備，提高其制熱效率對發(fā)電機(jī)組的余熱回收利用具有重要意義。例如，劉媛媛等[26]對我國北方某200 MW燃煤火電廠典型熱泵供暖系統(tǒng)的節(jié)能潛力進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，二次換熱器的損失占系統(tǒng)總損失的48.6%，熱泵制熱容量僅占系統(tǒng)總制熱容量的63.9%。為此，提出了一種由兩級一級溴化鋰吸收式熱泵串聯(lián)并聯(lián)組成的新型系統(tǒng)。劉海云等[27]采用層次分析法對唐山某礦區(qū)的多種余熱資源進(jìn)行了模擬優(yōu)化，得出采用多源耦合熱泵系統(tǒng)代替鍋爐房供暖，既能滿足礦區(qū)供熱需求，又可以達(dá)到綠色環(huán)保、節(jié)能減排目的的重要結(jié)論。

2)朗肯循環(huán)的優(yōu)化

通過采用有機(jī)朗肯循環(huán)或?qū)⒗士涎h(huán)與ECCS系統(tǒng)耦合都可以使得機(jī)組有效的提高余熱回收率。楊燦等[28]在基于GT-SUITE的重型柴油機(jī)—有機(jī)朗肯循環(huán)—冷卻系統(tǒng)的仿真平臺上，討論了朗肯循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的功率與冷卻系統(tǒng)散熱功率的損益關(guān)系，并提出了改進(jìn)的方向，并且從宏觀趨勢上預(yù)測了提高系統(tǒng)凈功率輸出的可能性和潛力。Liang Youcai等[29]提出了一種基于蒸汽朗肯循環(huán)和吸收式制冷系統(tǒng)耦合的ECCS系統(tǒng)，用于回收船用發(fā)動機(jī)的余熱。通過發(fā)電量、制冷量、等效發(fā)電量、效率和等效熱效率來評估ECCS的性能。模擬結(jié)果表明，恢復(fù)吸收式制冷循環(huán)的膨脹功是以降低制冷量為代價提高發(fā)電量的有效途徑。WHR系統(tǒng)的等效電輸出為5.223 MW，占船用發(fā)動機(jī)額定功率輸出的7.61%。

3)多種余熱回收技術(shù)方案應(yīng)用

學(xué)者們從燃燒方式、排煙溫度等角度出發(fā)，展開研究，為燃煤機(jī)組耦合先進(jìn)余熱回收技術(shù)提高機(jī)組的余熱回收率提出了多種技術(shù)路線和解決方案。Timothy J[30]研究發(fā)現(xiàn)，通常導(dǎo)致發(fā)動機(jī)效率提高的發(fā)動機(jī)基本參數(shù)（即壓縮比的增加、燃油空氣等效比的降低和尾氣再循環(huán)水平的增加）會導(dǎo)致尾氣(?)的減少，從而降低廢熱回收系統(tǒng)的效率和最大功率容量；而新的燃燒模式(如LTC)的應(yīng)用可以提高廢熱回收。又如齊震等[31]以某660 MW二次再熱機(jī)組為例，分析了3種余熱利用方案下系統(tǒng)機(jī)組的關(guān)鍵參數(shù)特性及節(jié)能收益，結(jié)果表明：將排煙溫度降低至90 ℃，相比于案例機(jī)組，機(jī)爐深度耦合余熱利用方案的發(fā)電煤耗能降低2.76 g/kWh，節(jié)能效果顯著；而低溫省煤器和旁路煙道余熱利用方案的節(jié)能效果分別為1.08 g/kWh、2.00 g/kWh；同時，應(yīng)用圖像?分析法(EUD)對各余熱利用方案的節(jié)能原理進(jìn)行分析，在相同的煙氣放熱條件下，機(jī)爐深度耦合方案的火用效率達(dá)89.29%，高出低溫省煤器方案和旁路煙道方案7.77%和2.32%，因而節(jié)能效果最為顯著。AnkitMoldgy等[32]提出應(yīng)用相變材料作為余熱回收系統(tǒng)中的蓄熱材料，并通過實驗發(fā)現(xiàn)采用相變材料可以極大的提高傳熱效率，縮短余熱回收系統(tǒng)的反應(yīng)時間。王軍御等[33]使用離子液體作為余熱回收系統(tǒng)中的換熱材料，通過實驗發(fā)現(xiàn)，采用離子液體可以將系統(tǒng)換熱率提高至41.37%，并且離子液體還具有良好的熱穩(wěn)定性。吳彥麗等[34]針對供熱回水溫度高于煙氣露點(diǎn)溫度和傳統(tǒng)煙氣余熱回收技術(shù)的煙氣余熱回收能力有限的問題，提出利用煙氣源/水源CO2熱泵回收燃?xì)忮仩t的煙氣余熱的方案，并對系統(tǒng)效率和天然氣消耗以及CO2熱泵供熱系數(shù)對系統(tǒng)效率和燃料儲蓄率的影響規(guī)律進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，廢熱回收煙氣CO2源熱泵的供暖系統(tǒng)方案可以提高系統(tǒng)效率超過12.54%，高出0.50%的廢熱回收方案水源CO2熱泵，以及每年天然氣的消耗量可以節(jié)省13.87%～17.88%；當(dāng)CO2熱泵的制熱系數(shù)較小時，有利于提高燃油的節(jié)氣。

綜上所述，耦合余熱回收利用技術(shù)目前主要應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)，未來通過對熱泵系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，余熱回收利用-率有望提升。而冷端余熱供熱的另一大改造方式 低壓缸供熱改造，通過切除低壓缸進(jìn)汽可大量回收中壓缸排汽余熱且汽輪機(jī)本體基本不需要改造，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，投資少，供熱經(jīng)濟(jì)性好，運(yùn)行方式靈活。但其仍處于試探性研究階段，沒有長期運(yùn)行的經(jīng)驗，因而對低壓缸供熱改造也是未來研究發(fā)展的一大熱點(diǎn)。燃煤發(fā)電機(jī)組耦合現(xiàn)先進(jìn)余熱回收技術(shù)發(fā)展歷程如圖3所示。

圖3 燃煤發(fā)電機(jī)組耦合現(xiàn)先進(jìn)余熱回收技術(shù)發(fā)展歷程Fig.3 Development history of advanced waste heat recovery technology for coal-fired power generating unit

5 結(jié)論

先進(jìn)的余熱回收技術(shù)在煙氣回收等方面已取得較大的進(jìn)展，但是在深度調(diào)峰、能源利用率等方面仍需要進(jìn)一步改進(jìn)。本文首先綜述了余熱利用技術(shù)的分類：煙氣余熱回收、循環(huán)水余熱回收、空氣源余熱回收。工業(yè)余熱回收技術(shù)主要包括熱交換技術(shù)、熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)、余熱制冷制熱技術(shù)?？偨Y(jié)了余熱回收技術(shù)的評價參數(shù)，目前對余熱回收技術(shù)評價參數(shù)主要包括性能評價、經(jīng)濟(jì)性評價以及系統(tǒng)參數(shù)關(guān)聯(lián)評價。其中性能評價參數(shù)主要有：除塵效率、除濕效率、排煙溫度、煙氣中硫含量、煙氣中氧含量、煙氣中液氣比等；經(jīng)濟(jì)性評價參數(shù)主要有鍋爐效率、熱耗、發(fā)電煤耗等；系統(tǒng)參考關(guān)聯(lián)評價主要有熱效率、?效率、能級等。最后介紹了耦合余熱回收技術(shù)的發(fā)展方向及相關(guān)建議。期望本研究能夠為燃煤發(fā)電機(jī)組耦合先進(jìn)余熱利用技術(shù)的發(fā)展提供有用的價值。