电厂循环冷却水的低位废热回收利用

电厂循环冷却水的低位废热回收利用
1电厂循环冷却水分析
当前，电厂的汽轮发电机组绝大多数是凝汽式。

汽轮机利用高温高压蒸汽做功，它的热力循环中必须存在冷端，即蒸汽动力循环中汽温最低的点位。

对凝汽式机组来说，蒸汽经汽轮机全部叶轮做功后，成为乏汽，排至排汽缸，进入汽机冷端——凝汽器，乏汽温度25~45℃。

在凝汽器这个非接触式冷却器中，乏汽经管壁传热至循环冷却水，释放凝结潜热，变成凝结水后被重返锅炉。

凝汽式机组的主要热损失是冷端损失，所失掉的热量超过了汽机用于做功的热能。

因排汽凝结所造成的单位蒸汽流量的热损失(一般为2303kJ/kg。

如：对600MW机组，蒸汽量2000t/h，凝汽失热约4·6×109kJ/h，折合标准煤157t/h)对热机生产过程是不可避免的。

保证汽机冷端功效的是流经凝汽器吸收乏汽凝结潜热的循环冷却水。

冷却水有两个来源：一是取至自然水域；二是来自电厂的冷却塔。

吸收乏汽余热的冷却水排放至江、河、湖、海等自然水域，经与环境水体的掺混和对大气的散热，将大量的余热弃置水域(排水问题)，自身得以冷却；发电厂再自水域中尽可能少受该余热影响的水区抽取新的、低温循环冷却水(取水问题)，以保障凝汽器的冷却效果，这即是所谓的“水面冷却”，或称“一次循环冷却”问题。

如电厂所处地域水源匮乏，则必须采用冷却塔来冷却循环水，冷却水携带的余热经冷却塔释放到大气，冷却后的循环水再送入凝汽器冷却乏汽，这是所谓的“冷却塔冷却”，或称“二次循环冷却”问题。

发电机组不停止运行，循环冷却水则一刻不停地将大量余热弃置于环境，造成了能源的浪费和明显的环境热影响。

火电厂的燃料燃烧总发热量中只有35%左右转变为电能，而60%以上的热能主要通过锅炉烟囱和汽轮机凝汽器的循环冷却水失散到环境中。

相比之下，循环冷却水携带走的废热量又占其中绝大部分。

而由于循环冷却水的温度低(冬季20~35℃，夏季25~45℃)，属于50℃以下的低品位热源，采用常规手段对其回收利用的效率较低，所以长期以来对这部分能量的回收利用没有引起足够重视。

由此不仅造成了大量的能量浪费，而且加剧了环境污染。

因此，采用先进的技术手段，对这部分能量加以回收利用，是非常必要的。

2低热回收方案可行性分析
2.1低热回收技术
2.1.1回收方法及其优势
由于电厂循环冷却水所携带的废热是一种低品位能源，因而直接利用的范围及效率都非常低。

而热泵技术可以提高低品位能量的品位，从而扩大其应用范围，提高其利用效率。

目前，热泵技术日趋成熟，科技工作者已开发出多种类型的热泵，如：地源热泵、城市污水源热泵、空气源热泵、海水源热泵、太阳能热泵以及工业余热热泵等。

而由于各种低位热源的自身特点，使得以上各种热泵的应用在不同程度上存在一些技术问题，如空气源热泵蒸发器冬季结霜问题、污水源热泵的污水处理及设备防腐问题、地源热泵的取水及回灌和对地温影响问题、海水源热泵的水处理及设备防腐问题以及太阳能热泵的非持续供热问题等。

吸收了汽轮机乏汽潜热的电厂循环水，由于其水质优良、有相对稳定的流量和温度，作为热泵的低位热源，其优越性是以上其他热源所不能比拟的，主要表现在以下几个方面：
1）位于地面上，不需要为安置管路和换热器打很深的竖井，节省了初投资；
2）由于循环水具有非常好的流动性和较好的换热性能，不需要像土壤源热泵那样长的启动过程；
3）由于循环水的温度和流量都稳定，蒸发器不会出现结霜现象；
4）由于循环水比较清洁，无腐蚀问题，不易导致传热效果的恶化；
5）能降低凝汽器循环水进水温度，提高汽轮机凝汽器的真空度，增加机组的通流量和发电功率。

因此，电厂循环冷却水可以作为热泵理想的低位热源。

而以发电厂循环冷却水为热源的热泵具有以下特点：
1）环保效益显著。

水源热泵是利用了发电厂循环冷却水作为热源，进行能量转换的供暖系统。

供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排烟污染。

不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，使环境更优美；
2）高效节能。

水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12~22℃，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。

据美国环保
署EPA估计，设计安装良好的水源热泵，平均来说系统运行费用可以节约30～40％；
3）运行稳定可靠。

水体的温度相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，是很好的热泵热源。

水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。

不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。

4）自动运行。

水源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，使用寿命长可达到15年以上。

2.1.2回收热的利用
但由于目前热泵的出水温度普遍较低(一般为60℃左右，超高温热泵出水温度为85℃)，热泵的应用范围受到许多技术、经济因素的限制，从而阻碍了循环冷却水废热的回收利用。

目前，部分专家学者提出了“利用热泵将这部分低位能加以回收，作为大规模集中供热系统热源”的构想。

但我们认为，由于热泵供热温度较低，不能满足目前大规模集中供热系统所需要的热媒参数的要求(大规模的集中供热系统多采用多级换热系统，首级换热热媒的设计温度为130℃/90℃或110℃/90℃)，这将导致供热系统的投资费用及运行费用大幅度增加。

因而，从系统的经济性上考虑，这种供热方式是不合理的。

况且，应用于集中供热系统，这部分能量在非供暖季节仍然得不到有效利用。

鉴于此，我们结合火电厂的生产特点，提出“利用热泵技术回收电厂循环冷却水携带的低位热量，将其应用于凝汽器冷凝水——锅炉进水的预热过程”的思路。

由此可实现循环冷却水废热的连续回收及有效利用。

2.2工作原理
热泵是一种把热量从低温环境输送至高温环境的能量提升装置。

利用热泵技术回收电厂循环冷却水废热的工作原理是：热泵以消耗一定的高位能(高温蒸汽或电能)为代价，从循环冷却水中吸收其所携带的低位废热，将这两部分热量一起，通过热泵工质的热力循环，输送到高温环境中去。

热泵机组的工作性能可用其供热系数来评价。

目前，电动压缩式热泵的供热系数一般为3.0~5.0。

说明热泵消耗少量的高位能可获得数倍的中位热能。

因此，热泵是一种
有效的低位热能回收利用装置。

2.3方案流程图
电厂循环水废热热泵回收过程系统流程如图1所示：
汽轮发电机组的常规循环冷却水系统由循环水泵、凝汽器、冷却塔、积水池等构成。

循环冷却水废热的热泵回收系统由压缩机、换热器1、节流阀、换热器2等组成。

对于热泵而言，换热器1是实现吸热功能的蒸发器，换热器2相当于冷凝器。

循环水直接引至换热器1，经过换热器1冷却后进入积水池或凝汽器循环水的进水管。

自凝结水泵流出的凝结水首先经热泵冷凝器加热，然后流回电厂锅炉房。

图1循环水废热热泵回收过程系统流程图
3效益分析
以国产引进型300MW机组为例，对循环冷却水废热热泵回收系统的节能情况及环境效益进行分析。

该类机组的主要技术参数及分析计算中用到的部分参数见表1。

表1300MW汽轮发电机组主要技术参数
3.1节能效益分析
(1)分析依据。

假定回收系统按照7000h/年计算；电动压缩式热泵的性能系数ε2=3.5；凝结水量按主蒸汽流量的80%计算，凝结水由30℃(h1=125.6kJ/kg)升至85℃(h2=355.9kJ/kg)；锅炉效率为厂发电效率按照40%，煤的发热量为5500kcal/kg。

(2)冷凝器放热量(凝结水得热量)。

(3)节煤量计算。

电厂冷凝水吸收热泵供热量后,可节省煤:
热泵电动机消耗功率:
这些电量消耗煤:
则采用热泵回收后,每年可节煤:
3.2环境效益分析
据有关资料，减少1t标准煤的燃烧，便可少排放CO2440kg、SO220kg、烟尘15kg、灰渣260kg。

则根据300MW火力发电厂每年的节煤情况，可减少废气、废渣的排放量如下：
由以上计算可以看出，利用热泵回收循环冷却水的废热，将之用于电厂冷凝水的预热，其节能效益和环境效益都非常显著。

4结论及有待解决的问题
利用热泵回收火力发电厂循环冷却水携带的低位热量，并将其应用于凝汽器冷凝水——锅炉进水的预热，是循环冷却水废热回收再利用的一个新思路。

经分析研究表明，此举可以提高煤炭资源利用率，减少煤炭资源消耗，具有显著的环境效益和社会效益。

目前，利用热泵回收利用循环冷却水废热技术中，最关键的问题是热泵出水温度过低、供热系数较小。

出水温度过低，一方面大大限制了循环冷却水废热回收技术的应用范围，另一方面大大限制了废热回收利用率。

热泵的供热系数过小，使得循环冷却水废热回收利用技术的各种效益不能得到充分发挥。

因此，加大科技投入，促进高温热泵技术的发展，是提高电厂循环冷凝水废热回收利用率的关键所在。