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循环水源!热泵回收电厂余热供暖的节能技术

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王静(新汶矿业集团泰兴物业有限责任公司,山东 新泰 271219)

摘 要:文章在传统的热电联产基础上,利用热泵回收冷却塔散失的热量,对循环水余热回收供暖进行了可行性分析,阐述了循环水余热回收供暖的节能措施以及节能效果.

关键词:热泵;循环水;余热回收;热电联产;热泵供热技术;制冷系数

中图分类号:TM621 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2011)31-0145-03

随着全球工业化的发展,“节能”和“环保”日益成为人类发展所关注的焦点.如何提高我国中小型热电企业的综合能源利用效率并降低环境污染,已成为当前热电行业急需解决的主要问题之一.对于电厂来讲,通常使循环冷却水经过冷却塔(凉水池)冷却降温后循环使用,冷却塔释放了大量的热被直接排放到大气中,造成能源的浪费以及对环境的热污染,这是电厂综合利用热效率低的主要原因之一,也是电厂和节能工作者关注的焦点.

一、热电联产存在的问题

热电联产是指发电厂既生产电能,又利用汽轮发电机产生的蒸汽对用户供热的生产方式,是同时生产电能和热能的工艺过程,比分别生产电和热能要节约很多燃料.由于热电联产的能源利用效率相对较高,因此已成为我国北方城镇采暖的主要热源形式.

(一)传统的热电联产换热方式

新矿集团中心区集中供热系统于2003年11月建成投产,包括3.6km蒸汽管道,7.5km一次高温水管道,和中心站等三个汽-水换热站、五个水-水换热站.该系统承担着约110万m2的供暖服务工作.

供暖形式主要采用传统的热电联产换热方式(如图1),由顶峰热电厂供给的过热蒸汽,在中心换热站先经汽-水换热器换热成为70℃~105℃的高温水,由一次高温水热网系统将高温水输送至各水-水换热站,进行二次换热,交换成中温水后经二次网输送到各热用户.这种供暖方式,从能量的转移和利用角度而言是不经济的.随着南山新建宿舍小区与学城的建立,三年内预计新增面积50万m2,原有的供暖管道已经满负荷运行,如果勉强供暖,将会影响原供暖住户的供暖质量.

(二)热电联产遭遇瓶颈

热电联产是由发电厂将一部分热能通过供热管线输送到千家万户用于取暖.热电联产的蒸汽没有冷源损失,所以热效率较高.但是,随着供暖事业的不断提高,热电厂普遍面临着热源供应不足、管网输送能力有限等瓶颈,限制了集中供热的发展.然而,热电厂在生产中产生了大量的低温循环冷却水,这部分低位热能含量巨大,但是却只高于环境温度10℃左右,在实际生产中很难直接再利用,往往直接排放到环境中,不仅造成环境的热污染,而且浪费能源.如果能将这部分低温热能回收利用,不仅解决了热源供应不足的问题,而且有巨大的经济效益.

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二、与热电联产相结合的热泵供热技术

(一)热泵的基本工作原理

热泵是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置.水源热泵是利用低温水为热源,达到向建筑物供冷和供热的目的,实质上是一种以消耗一部分高质能(机械能、电能或高温热能等)作为补偿,通过热力循环,把环境介质中贮存的低品位能量加以发掘、利用的装置,因此它可以充分利用低质能量而节约高位能量.特别是对于同时需要供冷和供热的场合,采用热泵装置就更加合理.

冬季在制热工况下,低温低压的制冷剂(常用氟利昂类工质)流经蒸发器,从冷源吸热升温蒸发后进入压缩机,压缩成高温高压蒸汽,然后进入冷凝器向热源放热冷凝后,经膨胀阀绝热节流,降温降压成低干度的湿蒸汽,低温低压的制冷剂再流经蒸发器从热源吸热蒸发,开始新的循环.夏季,水源热泵的蒸发器变为冷凝器,冷凝器变为蒸发器,则循环按反方向进行.

在热泵循环中,从低温热源取得Q 0kcal/h的热量,消耗了机械功AL kcal/h,而向高温热源供应了QKcal/h的热量,这些热量之间的关系是符合热力学第一定律的,即QK等于Q0十AL kcal/h.

热泵在工作时,它本身消耗一部分能量,把环境介质中贮存的能量加以挖掘,通过传热工质循环系统提高温度进行利用,而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分,因此,采用热泵技术可以节约大量高品位能源.

(二)热泵的性能分析

热泵的性能一般用制冷系数(COP)来评价.制冷系数的定义为由低温物体传到高温物体的热量与所需的动力之比.通常热泵的制冷系数为3~4左右,也就是说,热泵能够将自身所需能量的3~4倍的热能从低温物体传送到高温物体.因此,只要电厂所在区域温度的季节性波动较小,那么循环水—热泵系统就可以实现冬季供热和夏季制冷两种需求,从而获得较高的能效比.

现在欧美日都在竞相开发新型的热泵.据报导新型热泵的制冷系数可达到6~8.如果这一数值能够得到普及的话,这意味着能源将得到更有效的利用,热泵的普及率也将得到惊人的提高.

(三)热泵系统的可行性

利用热电厂循环冷却水作为热泵水源用以供暖,这部分热量的应用要受到以下几个方面的制约:首先,水源水量是影响水源热泵系统的重要因素,其水量的多少与建筑物负荷大小及空调设计方案等有关,在确定方案之前,考察现有水源状况,工业冷却水水量巨大,满足系统所需水量要求.

其次,水源的温度也是影响水源热泵的重要因素,同样的机组,由于水温不同,其提供的冷量和热量也不同.一般来讲,水源热泵对水源温度要求的范围是:制冷工况下,进蒸发器水温为10℃~22℃,制热工况下,进冷凝器的水温为18℃~40℃,本文的循环水水温很适合热泵系统运行.

最后,水源热泵机组对水源的水质有一定的要求,如果水质达不到要求,会对阀门、主机及其附件构成危害,从而影响系统的运行,但通常可以采取一些处理手段:如设置除污器,电子除垢仪,从而满足机组对水质的要求.本文的水源为电厂循环冷却水,在进锅炉前已经经过水处理设备,水质完全符合要求.

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(四)热泵系统的技术方案与优点

中心区集中供热系统自2003年实行热电联产后,在节能降耗方面收到很大的效果,减少了锅炉排烟对环境的污染,提高了热效率.但是,对于顶峰热电厂来讲,由凝汽器出来的循环水温度只比环境温度高10℃左右,循环冷却水经过冷却塔冷却降温后循环使用,冷却塔释放了大量的热被直接排放到大气中,造成能源的浪费以及对环境的热污染,据测算,若能对此热源加以回收利用,在电厂外供抽汽量不变、不增加电厂总的燃煤量和不减少发电量的情况下,足以满足南山新建宿舍小区与新建学城的供暖需求,并有足够的扩展能力,大大提高电厂热源的供热能力,节能效果显著.

方案:如图3所示,将热电厂的循环冷却水,通过新建管网作为一次循环水管网输送到设立在用户处的热力站,热力站内安装有吸收式热泵机组或者电动压缩式热泵机组.电厂循环水在相应的热泵机组中放热降温后,返回电厂凝汽器吸热升温后再输送到热力站.如此循环往复地将电厂凝汽器余热输送到用户热力站,热泵机组从循环水吸热并根据不同的用户采暖末端设备的要求加热二次侧热水至不同的温度范围.例如,在针对地板低温辐射采暖的热用户,热泵机组出口水温达到40℃~50℃;而针对采用暖气片的热用户,则要求热泵机组出口水温达到55℃~65℃,另外,也可满足家庭用热水等需求.夏季,则可使用同一套系统实现夏季供冷.

优点:(1)把生产生活中弃之不用的低温热能利用起来;(2)它是目前最节省一次能源的供热系统;(3)在一定条件下,可以逆向使用,既可供热,也可制冷,而不必搞两套设备的投资;(4)利用循环水-热泵供热相当于在不增加热电厂容量、不增加当地排放的情况下,有效增加了电厂的供热能力.

三、热泵的先进性

与锅炉(电、燃料)和空气源热泵的供热系统相比,水源热泵具有明显的优势.锅炉供热只能将90%~98%的电能或70%~90%的燃料内能转化为热量,供用户使用;由于水源热泵的热源温度全年较为稳定,其制冷、制热系数可达3~4.5,与传统的空气源热泵相比,要高出40%左右,其运行费用为普通中央空调的50%~60%.因此,近几年来,水源热泵市场日趋活跃,使该项技术得到了广泛的应用,成为一种有效的供热和供冷空调技术.

四、结语

在能源日益紧张的今天,在大力推广热电联产集中供热技术的基础上,利用热电厂的现有机组,增设水源热泵回收电厂循环水废热,能提高电厂供热能力30%以上,使集中供热能耗降低40%,同时可减少循环水的蒸发而对环境造成的热污染,在温度条件适宜的地区,系统还能实现冬、夏两季的空气调节,其运行费用较低、经济合理,适合作为电厂及其周边小区的集中供热制冷系统,系统稳定可靠、舒适性高,充分体现了系统的经济性、节能性和环保性.

参考文献

[1]郭小丹,胡三高,杨昆,等.热泵回收电厂循环水余热利用问题研究[J] .现代电力,2010,27(2).

[2]胡鹏,付林,肖常磊,等.电厂循环水源热泵区域供热系统研究[A].全国暖通空调制冷2008 年学术年会论文集,2008.

[3]吕太,刘玲玲.热泵技术回收电厂冷凝热供热方案研究[J].东北电力大学学报,2011,31(1).

(责任编辑:叶小坚)

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