利用热泵技术回收热电厂乏汽余热综述

利用热泵技术回收热电厂乏汽余热综述
高杏存;赵海谦;刘晓燕
【摘要】为总结热泵在热电厂乏汽余热回收中的应用现状,促进热电厂乏汽余热回收技术进步,论文综述了利用热泵技术回收热电厂乏汽余热的技术特点和研究现状,对各种热泵回收热电厂乏汽余热技术进行分类,并对比分析了热电厂乏汽余热直接回收和间接回收的区别.建议应根据热电厂实际情况合理的选择热电厂乏汽余热的回收方式.本综述可望为同类技术的发展与应用提供参考.
【期刊名称】《节能技术》
【年(卷),期】2017(035)001
【总页数】4页(P94-96,封3)
【关键词】热泵;热电联产;热电厂乏汽;余热回收;直接回收;间接回收
【作者】高杏存;赵海谦;刘晓燕
【作者单位】东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318
【正文语种】中文
【中图分类】TH133;TP183
2015年12月7日，北京市发布了全国首个空气污染红色预警，雾霾是造成这次空气污染的罪魁祸首，日益加重的雾霾天气已成为制约中国经济发展的重要瓶颈。

根据中国环境监测站的统计数据可知冬季是雾霾天气的频发时期，而供热消耗的大
量化石燃料是颗粒污染物的主要来源之一。

我国2013年建筑商品总能耗为7.56亿tce，其中北方城镇供暖商品总能耗达
1.81亿tce，占全国建筑总能耗的24%。

目前我国北方城镇建筑面积已达120亿
m2，单位建筑能供热耗达15 kgce/m2。

预计到2030年，我国北方城镇建筑面
积将会增加到150亿m2，如果按照目前的采暖能耗强度水平计算，北方城镇的
供暖商品总能耗将达2.5亿tce[1]。

采取有效措施降低采暖能耗，对降低建筑能耗，改善空气质量具有重要意义。

分析2013年全国集中供热热源构成可知，我国北方地区的热电联产占总供热面积的42%。

热电联产机组装机总容量达到22 075万kW，占全国火力发电总容量约20%[2]。

热电联产的单位供暖煤耗远低于燃煤锅炉和燃气锅炉，是目前公认的能
源转换效率最高的热源形式。

尽管如此，热电厂产生的大量低压缸排气余热目前基本上没有得到有效利用，一般通过冷却塔直接排放到环境中。

这些低品位乏汽余热的能量十分巨大，以北京市为例，6个主力热电厂的总供热能力约为4 128 MW，排放的循环水余热量约为1 240 MW，如能将这部分余热回收用于供热，现有的
电厂供热能力能够提高30%[3]。

然而这部分热量主要蕴含于乏汽之中，乏汽属于低品位热源，难以直接利用。

热泵是利用高品位的能源作为驱动力把热量从低温向高温输送的设备，这样就可以把乏汽的低品位余热变为直接可利用的中温热源[4]。

根据驱动能源的不同把热泵
分为以热能为驱动能源的吸收式热泵和以电能(或机械能)为驱动能源的压缩式热泵。

因此利用热泵技术来提升乏汽余热品位的手段以高效节能和具有显著经济效益而广受关注[5]。

近年，出现了热泵在电厂余热回收方面的研究。

本文对相关技术的原
理及特点进行了全面总结，并在对比乏汽余热直接吸收与间接吸收技术基础上，给出了乏汽余热回收方式的建议。

1.1 压缩式热泵
1.1.1 电驱动压缩式热泵
电驱动压缩式热泵以电能直接驱动压缩机做功，吸收热电厂乏汽余热。

该系统原理图如图1所示。

热电厂的乏汽余热经凝汽器先被循环冷却水带走，然后压缩式热泵在蒸发器从循环冷却水中吸收热量，再通过冷凝器放出热量加热热网水。

由于压缩式热泵对热网回水的升温有限[6]，所以还需要尖峰加热器进行调峰。

该系统与原来直接从汽轮机抽汽通过汽水换热器对热网进行加热相比，如果热电厂的抽汽参数合适，即抽汽与供热介质之间具有适度的传热温差，并且管网热损失不大，那么热电厂的直接抽汽供热方式比以循环水为低位热源的热泵供热方式节能，因为前者是直接的热-热转换，而后者先经过了电厂的热-电转换，再经过热泵的电-热转换，每次转换之间都存在不可逆损失。

因此，单从能源利用效率方面看，如果热电厂尚有剩余供热能力，那么采用热电厂的低压抽汽供热要更节能[7]。

但利用电驱动压缩式热泵回收循环水余热供热方案的提出是由于目前热电厂大量的乏汽余热被浪费，而其现有供热能力又不能满足城市飞速发展的供热需求。

利用电驱动压缩式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，有效增加了热电厂的供热能力，而且电驱动压缩式热泵较其他热泵回收热电厂乏汽余热相比有占地小、设置灵活、操作简单等优势。

1.1.2 蒸汽驱动压缩式热泵
蒸汽驱动压缩式热泵以蒸汽驱动背压汽轮机，再通过连轴器驱动压缩式热泵的压缩机。

压缩式热泵从循环水中提取热电厂的乏汽余热传递给城市热网供热。

具体方案如图2所示。

从机组汽轮机抽出的过热蒸汽，直接进入小汽轮机，经小汽轮机绝热膨胀做功后，乏汽再进入汽水换热器，对热网进行进一步加热。

小汽轮机同轴连接压缩式热泵，小汽轮机发出的轴功率，作为高温能源直接驱动压缩式热泵来提取热电厂的乏汽余热加热热网回水[8]。

应用小汽轮机驱动压缩式热泵，不仅能充分利用高品质蒸汽，而且没有电的转换环
节，实现了能量的梯级利用，因此比电驱动压缩式热泵的节能效果更加明显[9]。

但此系统需要较高的蒸汽压力，小汽轮机需要设置单独的机房，初投资费用会相应增加。

1.2 吸收式热泵
1.2.1 传统吸收式热泵技术
压缩式热泵是利用机械功(压缩机)驱动工质在热泵中循环流动。

吸收式热泵则是利用热能(蒸汽、热水、燃料等)驱动工质在循环中流动。

热电厂利用汽轮机抽出的蒸汽驱动热泵从乏汽中吸收热量，把热量输送给城市热网。

吸收式热泵的供热量为从乏汽中吸取的热量和驱动热量之和[10]。

某湿冷电厂利用吸收式热泵回收乏汽余热项目系统流程图如图3所示，与传统的热电联产改造前相比，仅用吸收式热泵替代汽水换热器的低温加热部分，未改变系统供暖方式和参数，系统改造简单。

具体方案为：采用吸收式热泵回收汽轮机排汽冷凝热，将一次网热水从60℃加热到90℃，热水90℃到120℃仍然使用汽轮机抽汽来加热；汽轮机排汽在冷凝器中冷凝，热量排到冷却水中。

40℃的冷却水进入吸收式热泵的蒸发器，在其中释放热量，冷却到30℃后流出热泵，再进入汽轮机凝汽器吸热升温，如此循环不已。

吸收式热泵同时还需要使用0.5 MPa的过热蒸汽作为驱动热源[11]。

此类改造虽然利用了乏汽余热但在实际运行过程中，运行效果并不理想，存在着很多问题[12]：
(1)抽汽参数的限制
为了输出90℃的热水，该系统需要的蒸汽压力达到0.6 MPa(对应的饱和温度为159℃)以上。

600 MW的供热机组和由纯凝改供热的300 MW机组采暖抽汽压力通常在0.6 MPa以上，但对于200 MW及以下等级的供热机组抽汽压力通常在0.3 MPa以下。

抽汽压力低，造成吸收式热泵回收余热困难，升温幅度有限。

(2)循环水温度的影响
正常情况下，电厂循环水在冬季实际运行温度20℃左右，最低时仅有10℃左右，而该系统需要将电厂通过提高背压的方式将循环水的温度提高到40℃才能使用，这会减少发电量。

而且吸收式热泵回收的乏汽余热占总余热量的比例仍然很小，乏汽余热回收一般低于50%，绝大部分余热得不到回收。

导致高参数的乏汽余热排放，反而使供热能耗增加。

(3)一次网回水温度的影响
该系统的一次网回水温度通常在60℃左右，温度比较高，受热泵加热温度上限的制约，如果热网水温度高，则热泵回收余热能力下降[13]。

1.2.2 基于吸收式换热新技术
针对上述传统吸收式热泵回收余热的问题，清华大学认为降低一次管网的回水温度是解决问题的关键，因此提出基于吸收式换热的集中供热的新技术[14]，系统的流程图如图4所示。

在热电厂里，来自换热站的一次管网25℃的低温回水首先采用混水的方式回收凝汽器余热，温度提高到40℃后分成两路：一路进入到吸收式热泵机组的蒸发器，放热冷却至35℃左右，再分别与一次网回水和凝汽器出口热水混合成40℃热水，如此循环不已；另一路进入吸收式热泵机组的吸收器和冷凝器最后进入到汽水换热器，逐级被加热升温至130℃后通过一次网供水管线送到热力站。

吸收式热泵机组和汽水换热器的加热热源均为汽轮机组的0.5 MPa的抽汽[15]。

在热力站中用吸收式换热机组代替常规的水-水换热器，在不改变二次管网供、回水温度的前提下，利用一、二次热网之间较大的传热温差形成的能作为驱动力，驱动吸收式换热机组大幅度降低一次网回水温度至25℃左右[16]。

把进到凝汽器中的乏汽余热全部用来供热，大大提高了抽凝机组的能源利用效率，使其相当于背压机的节能效果，乏汽余热的回收率达到了100%。

传统热电联产集中供热系统的一次网供回水温度为130℃/70℃，供回水温差为60℃，该系统一次网供回水温度为130℃/25℃，供回水温差为105℃。

利用相同的管路和水流量，其供热能力提高了75%，单位热量的输送能耗相当于系统的57%[17]。

由于回水温度降低到25℃左右，可以更加容易回收电厂凝汽器余热，
也大大改善了吸收式热泵的运行条件。

乏汽余热的直接回收是指直接把乏汽引入到吸收式热泵的蒸发器中，间接回收是指乏汽先被循环水进行冷却，然后热泵从循环水中提取热量。

在冬季，对于湿冷机组，背压4～6 kPa，乏汽温度为30～40℃，循环水温度为22～32℃[18]。

两者比较而言，间接回收首先将乏汽余热转移到冷却水中，再由冷却水送入吸收式热泵进行余热回收，这将带来如下不利影响：循环冷却水要比乏汽的温度低10℃
左右，蒸发温度降低将导致热泵性能下降，并且直接从乏汽中吸热，乏汽冷凝成液态属于相变传热，与从循环水中吸热相比传热系数增大。

吸收同样的乏汽量所需要的主机台数大为增加，初投资大幅增加，节能效益大幅下降，许多实际热电厂热电联产系统的改造方案设计实践证明，这两种方式的乏汽回收量及其节能效益可相差2倍以上[19]。

因此，在可能的情况下应优先选用乏汽直接进入吸收式热泵进行余热回收的方式，特别是采用空冷岛进行乏汽冷凝的汽轮机循环系统只能选择乏汽直接回收的方式。

目前中国绝大部分采用的是湿冷机组，而湿冷机组的汽轮机低压缸与凝汽器连接紧凑，乏汽不能直接引出，系统改造十分困难，因此水冷机组采用间接回收的方式，采用从循环水中提取热量的方式比较普遍。

由于循环水温度低等一系列的问题，清华大学提出了“基于吸收式循环的热电联产集中供热”的新技术，从一定程度上解决了此类问题。

但要深入推广此技术还需在吸收式热泵机组和吸收式换热机组等关键设备研发和系统集成配置和运行调节等方面的研究做进一步的探索。

(1)热电厂乏汽余热的回收不仅能提高电厂热效率而且扩大了热源的供热能力对我
国节能减排有重要意义。

(2)本文对不同形式的热泵在热电厂乏汽余热回收中的应用技术进行了总结和分类，为同类技术的发展与应用提供了参考。

(3)本文在对乏汽余热的直接回收和间接回收进行了对比分析的基础上,建议湿冷机组乏汽余热宜采用间接回收，干冷机组宜采用直接回收。

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