利用热泵技术回收热电厂余热的可行性与经济性分析

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利用热泵技术回收热电厂余热的可行性与经济性分析
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利用热泵技术回收热电厂余热的可行性与经济性分析

利用热泵技术回收热电厂余热的可行性与经济性分析
吴佐莲，刘小春，王　萌，刘　慧
(山东农业大学水利土木工程学院，山东　泰安　271000)
　摘要：热电厂的循环冷却水存在大量的低温热能，热泵具有将低温热能提升为高温热能的能力。本文提出利用热泵技术回收电厂余热，并进行了可行性、经济性分析与计算，认为利用热泵回收电厂余热具有节能、环保的双重效应，有广阔的发展前景。
关键词：水源热泵；循环冷却水；低温余热；节能；环保
中图分类号：TK 472.+5　　文献标识码：A　　文章编号：1000－2324（2008）01－0062－07
收稿日期：2007-03-17
作者简介：吴佐莲（1966-），女，高级工程师，从事火电运行及空调节能等方面的教学与研究工作.

THE FEASIBILITY AND ECONOMY ANALYSIS OF THE USAGE OF THE HEAT PUMP TECHNIQUE TO RECLAIM WASTE HEAT IN HEAT POWER PLANT
WU Zuo-lian, LIU Xiao-chun,Wang Meng,Liu Hui
(Water Conservancy and Civil Engineering College of Shandong Agricultural University , Taian 271018,China)

Abstract:There is a lot of low temperature heat wast in circulating cooling water of thermoelectric power plant .The heat pump has the ability to elevate energy from low-grade to high-grade. The paper analyses the feasibility and economy for utilizing waste-heat recovery by thermoelectric pump technology in heat power plant. It has the double effect in energy saving and environmental protection that will enjoy broad prospects.
Key words：Water-source heat pump; circulating cooling water; low temperature heat wast; energy saving; environmental protection

1　基本概念
1.1　热电循环
　　热电循环是在朗肯循环的基础上发展起来的蒸汽动力循环。它包括锅炉、汽轮机、凝汽器和给水泵四部分主要设备。水经过给水泵加压后送到锅炉，在锅炉内被定压加热成高温高压的蒸汽，进入汽轮机膨胀作功最后排入凝汽器定压冷凝成凝结水，再由给水泵重新送入锅炉开始新的循环。
　　现代蒸汽动力循环即使采用了超高蒸汽参数、回热、再热等措施，其热效率仍不超过40%，其中通过凝汽器冷却水带走而排放到大气中的能量约占总能量的50%以上，除此之外，锅炉的排污热损失也是不可忽视的一部分，这部分排污水的量约为锅炉蒸发量的2~4%，且具有较高的温度、压力；另外排烟热损失、冷渣（灰）热损失等也不在少量，由此可见，热电厂现在存有大量的余热，因此无论从经济角度还是从节约能源和环保的角度来讲，对余热进行回收利用都是非常有必要的。
　　目前的热电循环有两种：背压式热电循环和抽凝式热电循环。其中，抽凝式机组是目前热电厂常用机组，本文以抽凝式机组为研究对象。它指蒸汽在汽轮机中膨胀到一定压力时，抽出一部分对外供热，其余的继续在汽轮机内膨胀作功，乏汽进入凝汽器，在凝汽器内定压放热后成为凝结水，重新进入锅炉。可以在供电、供热之间进行适当的运行调整，但从能源利用的角度仍存在以下缺点：一是被抽出的蒸汽对外供热降低了发电量，二是进入凝汽器的排汽放出的热能以低位能的形式释放到周围环境中去，造成热能损失和热污染双重效应。
1.2　热泵循环
　　热泵是一种能量采掘装置。热泵循环与制冷循环一样同属于逆循环，它的工作原理是消耗一部分高质能如电能，从（冷源）周围环境中（如自然水源、大气、土壤等）吸取热量，并把这两部分能量一起输送到需要较高温度的物体中去。 
　　热泵根据冷源介质的不同分为水源热泵和空气源热泵及地源热泵，按动力形式不同分为蒸气压缩式热泵、吸收式热泵和蒸汽喷射式热泵。
　　本文主要研究蒸气压缩式水源热泵。
　　压缩式热泵：它包括蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分。在蒸发器中制冷剂蒸发吸取环境中的热能，经压缩后的制冷剂在冷凝器中放出热量使制冷剂凝结成液体，节流阀节流降压后进入蒸发器，制冷剂在蒸发器内吸热气化,进入压缩机从新开始新的循环。
1.3　热电—热泵联合循环
　　热电—热泵联合循环是指利用热泵装置中的蒸发器吸收前端热电装置中循环冷却水的余热，并加以提高，然后通过冷凝器供给到需要用能的场所，即将热电正循环和热泵逆循环联合起来，如图1、2。

图1　热电—热泵联合循环示意图

Fig.1　Heat-power—heat-pump combined cycle sketch map

A-冷却塔（cooling stack）	[align=left]G-锅炉（boiler）
B-蒸发器（evaporator）	H-过滤器（filter）
C-压缩机（compressor）	I-汽轮发电机组（steam turbine unit）
D-冷凝器（condenser）	J-凝汽器（steam condenser）
E-膨胀阀（expansion valve）	K-给水泵（feed pump）
F-散热管（heater pipe）	L-外供热用户（heat consumer）
N-供暖循环水泵（heat circulating pump）	M-冷却水循环水泵（cooling water circulating pump）

[/align]

图2　水蒸汽（制冷剂）T-S图

Fig.2　Steam(refrigerant)T-S

2　热电—热泵联合循环的可行性分析
2.1　联合运行的可行性
　　以热电厂常见的中温中压参数的热电机组C12——35/10型汽轮机为例见表1。

表1　汽轮发电机组的设计参数指标
Table 1　The design parameters of turbine generator

[align=center]额定功率kw The Rated Power

进汽量t/h

Intake steam rate

主汽门前蒸汽参数(绝对大气压)

Steam Parameters in the front of main steam valve(absolute atmosphere press)

冷却水温度℃

Cooling water temperature

调整抽汽参数

Adjustive sucking steam Parameters

抽汽量t/h

Sucking steam rate

排汽压力 MPa Exhaust press

汽耗(kg/kw.h)

Steam consumption

额定进汽量 The Rated intake steam flux

最大进汽量 The most intake steam flux

设计 The designed press

最高 The most press

最低 The least press

设计 The designed temperature

最高 The most temperature

抽汽压力(绝对大气压) Sucking steam press （absolute）

抽汽温度℃ sucking steam temperature

额定 The Rated steam flux

最大 The most steam flux

额定抽汽汽耗 The Rated sucking steam consumption

纯冷凝汽耗 Pure condensation steam consumption

12000

102.1

128.05

305

-0.095

8.676

4.812

[/align]
　　在实际运行中，运行参数很难达到额定状态，主汽温度额定值在445±5℃,以山东泰安某热电公司运行机组为例，见表2。

表2　冬季实际运行各参数指标

Table 2　the realistic operational parameters in winter

[align=center]额定功率kw

Rated Power

进汽量 t/h

Intake steam flux

冷却水温度℃

Cooling water temperature

调整抽汽参数

Adjustive sucking steam Parameters

抽汽量 t/h

Sucking steam flux

排汽压力 MPa

Exhaust press

汽耗(kg/kw·.h)

Steam consumption

入口

Intake

出口

Export

抽汽压力Pa

Sucking steam press

抽汽温度℃

Sucking steam temperature

12000

120

14.6

25.6

0.88

303

-0.086

[/align]
　　C12—35/10型汽轮机的额定状态下排汽参数为33 ℃、-0.095 MPa,相应循环冷却水的设计温度为20 ℃,最高33 ℃,即便在实际运行状况下，循环冷却水的温度也在25.6 ℃,该温度高于环境温度。由此可见，对水源热泵而言，循环冷却水完全可以充当热泵循环中的低温热源。
热泵装置可以提供温度较高的热水.冬季供暖时如果末端设备采用地板辐射供暖或风机盘管,其要求的进水温度较低，一般在30～50 ℃，而热泵装置提供的热水温度恰好在地板辐射供暖进水温度所要求的范围内,因此是其理想的热媒,另外该温度也是生活用热的理想温度。
　　综合所述，可见热电循环与热泵循环联合运行是完全可行的。
2.2　热电—热泵联合循环装置系统连接方式
　　根据蒸发器和冷却塔的相对位置可以有下列3种连接方式：
2.2.1　蒸发器前置与冷却塔串联。即蒸发器水侧入口接在凝汽器循环水的出口，水侧出口接在冷却塔的入口，实现蒸发器与冷却塔串联。这种方式可以在满足蒸发器需要的前提下，冷却塔进一步降温，以满足凝汽器经济真空的需要，可以降低冷却塔的冷却负荷，但运行中只能就总量进行调整，不能对蒸发器或冷却塔进行局部调整。此种连接方式是以末端热泵循环确定前端热电循环。
2.2.2　蒸发器后置与冷却塔串联。为了保证热电循环的经济真空，蒸发器只回收部分余热，可以随着季节的不同采取不同的运行方式；同样运行中只能就总量进行调整，不能对蒸发器或冷却塔进行局部调整。此种连接方式是以前端热电循环确定末端热泵循环。
2.2.3　冷却塔与蒸发器在凝汽器内并联。原有冷却塔一路的循环水系统不变，凝汽器同时承担了热泵循环中蒸发器的作用。这种方式便于根据需要调整每一个循环的运行，运行调整灵活，如果合理配置，能够达到联合循环经济效益的最大化。但所需凝汽器体积较大,需要对原有的凝汽器进行改造。
　　此为充分回收热能，热泵循环的蒸发器可以采用多台串联或并联的形式。串联式冷冻水系统适用于定流量质调节，以及冷冻水供回水温差较大的系统；并联式则适用于质调节，即改变冷冻水供水温度以适应用户的负荷变化。
　　对于末端系统，建议用户端采用低温地板辐射供暖或风机盘管系统，供回水温度可以是45 ℃/35 ℃。
　　本文主要对蒸发器前置与冷却塔串联的连接方式加以研究分析。
3　热电—热泵联合循环工作的经济评价分析
3.1　经济指标
3.1.1　热泵的供热系数　热泵循环的经济性以消耗单位功量（或其他能量）所得到的供热量来衡量，称为供热系数，即ε＝q1

／w0

,式中ε为供热系数，又称COP,q1

为热泵的供热量，w0

为热泵消耗的功量或其它能量，从能量守衡的角度可以看出，COP是恒大于1的，这也是热泵的发展前景所在。
　　通常机械压缩式热泵的供热系数为3～4,也就是说热泵系统能够将自身所耗能量（电能或热能）的3～4倍的能量从低温环境传送到高温环境。
　　理想状态下

，当用循环冷却水充当低温水源时，由于冬季环境温度低于热电循环水的温度，因此热泵循环的供热系数必然提高，即在供热量不变的前提下，降低了压缩机的电耗。
　　从制冷剂的T-S图上可以看出，面积6677即为压缩机少消耗的电能。
3.1.2　热能利用率　联合循环能源利用率的确定：以热电循环为主要研究对象，热泵被动运行，即热电定热泵。

　　抽汽式机组的热能利用率:

　　式中：w0

------发电机的净作功;
　　　　　q2

------抽汽供热量;
　　　　　q１

------从热源吸收的热量。
　　取热电循环中的汽轮机、凝汽器、供热用户及循环水泵和冷却塔与热泵循环中的蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀为热力系统。如图所示。设汽轮机的进汽量为M，抽汽量为MC

。
　　则系统的总的吸热量：Q=M（h1

-h4

）
　　抽汽外供热量：QC

=MC

(h1′

-h4′

)=MC(h1′

-h4

)
　　汽轮机所作净功（即供电量）：N=M(h1

-h1′

+(M-MC

)(h1′

-h2

)-W0

，式中W0

—循环水泵等耗电量。
　　设热泵循环制冷剂的流量为m ,冷凝器的放热量为QR

，热泵装置的性能比为ε（或COP），压缩机耗电量为P，则

　　整个系统的热能利用率：

　　将上述表达式带入该式得：

　　显然，由于利用热泵回收循环冷却水的余热，联合循环与热电循环相比，能源利用率有了提高，即提高了

，其提高量的大小取决于回收余热的多少及热泵的能效比。
3.2　联合循环的应用
　　以山东泰安某热电厂为例。该厂为配置为六炉三机，锅炉分别为5台35 t/h链条炉和1台75 t/h循环流化床，三机分别为3000 kw背压机组1台、6000 kw和12000 kw抽凝机组2台。
　　以汽轮发电机功率12000 kw机组为研究对象。该机组配备循环水泵两台，型号为20SH-19，扬程：17 m，流量：2016 m3

/h，电机功率185 kw，轴功率147 kw。
　　数据取自冬季运行记录。汽轮机进汽量120 t/h，调整抽汽量78 t/h，非调整抽汽3 t/h，则汽轮机排汽量为39 t/h，真空为-0.086 Mpa，排汽温度为56 ℃，循环冷却水的温度为14.6 ℃,25.6 ℃,流量为1912t/h。
　　如上图所示，对应1、1‘

、2、3（4）的焓值分别为h１

=3320 kj/kg, h１

’=3051 kj/kg, h2

=2595 kj/kg, h4

=219 kj/kg
　　热泵的蒸发器与冷却塔采用串联的连接方式；热泵装置采用蒸气压缩式热泵，其末端采用地板辐射供暖系统，供回水温度分别为45 ℃、35 ℃。
　　下面分别从环保节能两个角度分析。
3.2.1　热泵装置的参数指标分析　25.6 ℃循环冷却水流经蒸发器，温度约降低4~6 ℃，取冷冻水的出口温度为20 ℃，因蒸发温度比冷冻水的出口温度要低2~4 ℃，则制冷剂的蒸发温度在17 ℃左右。
　　通常冬季该地区地下水温度在10 ℃，水流经蒸发器，取冷冻水的出口温度为6 ℃，因蒸发温度比冷冻水的出口温度要低2~4 ℃，则制冷剂的蒸发温度在4 ℃左右。
　　因末端散热设备用地板辐射散热管，其供回水温度分别取为45/35 ℃，则制冷剂的冷凝温度在45+5=50 ℃。
　　性能系数：COP=55.33Δt-0.7633

　　式中Δt---制冷剂冷凝温度与蒸发温度的温差。
　　故在冬季以地下水为热源时：COP=55.33Δt-0.7633

=55.33*(50-6)-0.7633

=3.07
　　采用电厂循环冷却水为低温热源时：COP=55.33Δt-0.7633

=55.33*(50-17)-0.7633

=3.84
　　由此可见热泵装置由于电厂循环冷却水替代自然水源其供热系数提高了0.87。
　　压缩机功率：循环水可利用水量为1912 t/h，则在蒸发器内，制冷剂可吸收热量Q1

=1912*4.18*103

*（25.6-20）/3600=12432 KW。假定热泵装置蒸发器的吸热量一定均为Q1

=12432 KW，则相应的压缩机功率为：

　　所以耗电量：

　　代入求解得地下水作热源和循环冷却水为热源时压缩机的耗电，通过热泵的冷凝器放热量也可求得，分别为5659 kw和4377 kw。
热泵装置的节电效益分析：
　　热泵以地下水源作为低温热源与以电厂循环水作水源工质的参数、经济指标对比见表3。
　　由此可见，热泵装置当末端热负荷一定时，采用地下水作热源和采用电厂循环水作热源压缩机的耗电量差异较大，节电率达22.7%,经济效益非常显著。

表3　两种不同水源的热泵参数指标对照表

Table 3　Parameters comparison of heat pump with two water source

[align=center]水源种类　Water source type	地下水 Groundwater	循环冷却水 Circle cooling wate
冷冻水入口温度℃　Temperature of the freeze water intake	10	25.6
冷冻水出口温度℃　Temperature of the freeze water export	6	20
制冷剂蒸发温度℃　Evaporation temperature of refrigerant	4	17
制冷剂冷凝温度℃　The condensation temperature of refrigerant	50	50
性能系数COP(ε)　Coefficient of Performance	2.97	3.84
冷冻水流量 t/h　Flux of the freeze water	2400	1912
蒸发器吸热量kw　Evaporator’s absorbed heat	11148	12432
冷凝器放热量kw　Condenser’s release heat	16807	16807
压缩机功率kw　Power of compressor	5659	4377
节电率%　Saving eletricity rate	22.7

[/align]
3.2.2　热电厂经济分析　热能利用率。过去热电厂汽轮发电机组的一次能源利用率即热能利用率较低，采用热泵回收余热后提高了一部分。

，将QR

=16807 KW，ε=3.84,M=120 t/h,及焓值代入，⊿K=12%,即由于采用热泵回收余热,从能源利用的角度提高了12%。
　　供暖收益。目前，建筑节能热指标在20~32 w/m2

，采用热泵回收余热以后，热电厂可新增采暖面积52.5万m2

，以目前泰安地区供暖价格23元/ m2

.采暖季，工业用电价格0.78元/kwh计价，每一个采暖季可实现新增净收入224万余元,对热电厂而言经济效益非常可观。
　　通过热泵回收热电厂余热减少了热电厂向环境排放余热，仅一个采暖季（120 d）就可实现减排5.2*109

kcal，环境效益非常显著。
4　联合循环运行控制
4.1　改变了汽轮机的最佳经济真空的内涵。
　　热电循环是动力循环，提高其循环的热效率可以通过降低排汽参数，提高凝汽器的真空来实现。汽轮机的运行效率主要反映在汽轮机凝汽器的真空度。当进入凝汽器的蒸汽量、冷却水的入口温度一定时，要提高凝汽器的真空度只有增加冷却水量。但当冷却水流量的增加使其真空度提高的同时，循环水泵的投资及电耗将大幅度增加。为了提高机组运行的经济性，真空度提高，汽轮机的功率增加ΔN1

应大于为增加循环水量水泵所消耗的功率ΔN2

，显然汽轮机的最有利真空应位于净增功率ΔN=ΔN1

—ΔN2

的最大值处，此时汽轮机工作状态为经济运行状态。
　　采用联合循环以后，汽轮机最佳经济真空的确定要同时考虑热泵机组，整个系统的产品有原来的抽出的蒸汽（高质的热能）和电（高质能），扩大成三种产品，即：蒸汽、电能和低温热水（低质热能）。在投入上增加了压缩机消耗的电能，原来热电机组的最佳经济真空变为热电-热泵联合循环的最佳的最佳经济真空，因此运行中最佳经济真空的确定可以通过理论计算运行测算相结合的方法。
4.2　运行控制参数发生变化
　　在实际运行中，如不实行热电热泵联合循环，热电循环的运行模式主要是以热定电。如果采用联合循环，则运行模式可以实行以电定热。即：保证发电机组一定的发电负荷，通过调整冷却水的温度和流量以及制冷剂的流量来合理调整热泵循环，使汽轮机在最佳经济状态下运行（尽可能使其维持在额定状态）。最终以综合经济效益为目的，充分考虑电价、电量、热价、供热面积、建筑热指标及环境温度等进行核算，确定热电热泵联合循环时汽轮机的最佳经济真空。
5　结论
　　通过以上分析可以得到以下结论：
　　应用热泵回收电厂余热后可以根据其参数的大小合理使用，较好实现能源的梯级利用，提高一次能源利用率，具有明显的节能效果。
　　回收后降低向环境排放废热。
　　运行费用较低。
　　但也存在一定问题，如供暖距离受到制约，设备初投资较大等。尽管如此热泵回收电厂余热仍具有较为广泛的发展前途。
　　利用热泵回收电厂余热非常适用于老热电厂在不扩大设备的情况下扩大供热能力，有利于缓解城市供热压力，方便易行。

参考文献
[1]西安电力学校.汽轮机设备及运行［M］．北京：水利电力出版社，1985.175-257
[2]廉乐明.工程热力学［M］．北京：建筑工业出版社,2004.180-209
[3]袁秀玲.制冷与空调装置［M］．西安：西安交大出版社，2003.167-234
[4]胡学毅等.钢铁工业冷却水水源热泵的技术应用分析［J］．暖通空调，2006，36（06）：97-99
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