热泵回收电厂循环水余热利用问题研究

李光强

摘 要：电厂的循环水存在大量低温热能，热泵具有将低温热能提升为高温热能的能力。笔者对利用热泵回收电厂循环水余热的技术进行了可行性分析，并与常规热电厂供热进行对比，认为利用热泵回收电厂余热具有节能、环保的双重效应；然后以某电厂周边小区应用循环水热泵系统进行冬季供暖以及夏季制冷为实例，进行技术经济性分析，虽然水源热泵系统的初期投资较高，但运行费用较低，5 年可收回投资成本。

关键词：水源热泵；循环水；低温余热；节能；技术经济

在国家大力推行节能减排能源政策的大背景下，火电厂丰富的余热资源正引起人们越来越多的关注。火电厂输入燃料总热量的35%左右转变为电能，而60%以上的热能主要通过锅炉排烟和汽轮机凝汽器的循环水散失到环境中。由于锅炉的排烟温度较高，利用起来相对容易，因此它一直是电厂和节能工作者关注的焦点。但由于凝汽器循环水的温度一般只比环境温度高 1O℃左右，热品位不高，所以人们对它的利用远远不够，往往直接排放到大气中，造成能源的浪费以及对环境的热污染。若以电厂循环水为热源，利用热泵技术回收其余热，就能够达到显著的节能效果。

1 循环水一热泵系统性能分析及其设计方案

1.1 水源热泵的工作原理

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。

热泵按照驱动力的不同分为压缩式热泵和吸收式热泵。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，被绝热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。

1.2 水源热泵系统的性能分析

水源热泵系统是否具有明显的节能效果，其最重要的评价指标是热泵的性能系数C0P（C oeffi—cient of P erform ance），即制热系数COP和制冷系数COQ0 为热泵从低温热源吸收的热量在理想状态下，水源热泵的性能系数主要取决于两热源之间的温度差，即冷凝温度与蒸发温度的差值。根据美国制冷学会ARI320标准，水源热泵系统对水温的要求在 5～38℃之间，在水温0～22℃时系统能够较经济地运行。一般的水源热泵机组，在供水温度9～20℃时，制热系数C0P可达3.6～4.1；在供水温度为15～30℃条件下，制冷系数达到5.5～4.3。因此，只要电厂所在区域温度的季节性波动较小，使得循环水温度在热泵的经济运行温度区间内，那么循环水一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。

1.3 循环水一热泵供热系统的设计方案

利用电厂循环水供热，由于其供回水温差较小（为10～15℃左右），在相同的供热负荷下，较城市热网需要更大的管网投资和水泵电耗，因此循环水供热的适用范围为电厂周边半径3～5km以内。循环水一热泵供热系统根据热泵设置位置的不同，可分为分布式和集中式热泵供热方式。分布式热泵供热方式就是热泵分散设置在用户处的各个热力站内，将电厂循环水从电厂引出到各个热力站；集中式热泵供热方式就是将热泵在电厂内部集中设置，提取电厂循环水余热产生热水送出电厂。但从减少管网输送热损失和热泵规格的角度考虑，应尽量采取分布式热泵供热方式。

将循环水通过一次循环水管网输送到设立在各个用户处的热力站，热力站内分别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加热二次侧热媒，通过二次管网输送到用户处的采暖末端设备。

热力站具体采用哪种形式的热泵，需要结合电厂周边用户地区的能源供应状况而定。吸收式热泵主要是采用高温热水 （120℃～130℃）、蒸汽 （6bar）或天然气驱动，对于电厂周边热水网采暖的用户以及具备燃气或蒸汽条件的用户可以将循环水通过管道引到热力站，并在热力站增设吸收式热泵，从而实现相应地区周边的高效供热，节约用能一倍以上。蒸汽或天然气没有到达同时电力容量不受限制的电厂周边地区，可采用电动压缩式热泵技术回收电厂循环水热量。压缩式热泵系统综合能源利用率略低于吸收式热泵，但是压缩式热泵的一个优势就是占地小、设置灵活，可以设置在热力站甚至是设置在住户家中，实现设备冬夏两用，降低设备初投资。

2 循环水一热泵系统的适用范围

由于循环水余热量较大、热能品位较低，因此大规模利用这部分热量仍然受到3个方面的制约：

首先是供热距离的限制。由于循环水供热热水的供、回水温差较小，因此其输送距离就会受到限制，如果热用户离电厂较远，长距离输送会造成较大的输送水泵电耗。因此该种推广方式只能局限在电厂周边3～5km范围内的地区。

其次是热量的需求。要大规模利用循环水余热，就要求在电厂附近有相应的热负荷需求。循环水热量利用的主要途径包括：冬季居民小区的生活热水和采暖，以及一些特殊热量需求，如游泳池、农业等。生活热水的热负荷相对较小，而并不是每个电厂周围都有特殊的热量需求。

最后是热泵C0P的限制。常用的热泵机组包括吸收式和压缩式两种，无论哪一种热泵，都在出水温度为40～50℃运行的条件下较为经济。此温度适用于一些新的低温采暖技术如风机盘管或者地板辐射采暖，而不适宜较老的暖气片方式进行采暖。

3 取代凝汽器循环方式

循环水的余热归根溯源主要来源于低压缸排汽的热量，如果考虑用气源热泵代替水源热泵而直接从排汽中吸取热量，将节省用循环水吸收排汽热量的环节，从而提高热交换效率，且回收的余热既可用于冬季的生活供热，也可常年用于加热凝结水，参与火电厂的热力循环。

低压缸的排汽进入热泵系统的蒸发器被制冷剂吸取汽化潜热并液化成水，低热量的水通过水泵加压进入热泵系统的冷凝器吸取通过压缩机压缩形成的高温制冷剂热量，成为具有一定温度的凝结水进入下一个加热器，参与火电厂的热力循环。这种循环方式利用火电厂本身的排汽能量参与热力循环，不仅省去了凝汽器和冷却塔的投资，更能在运行当中节省煤耗和水量，是一种环保节能型的运行方式。这种方式较之前几种循环方式更节能，更具有前瞻性，这种技术利用热泵机组直接回收乏汽余热，其潜热能量巨大，而且省去了将余热传递给循环水的过程，减少了传热损失，大大提高余热利用率，将是未来新建火电厂的一种技术参考，不过这种方式对机组和系统的影响大，有待于进一步研究和试验。

4 结束语

利用水源热泵回收电厂循环水的热量，可减少循环水的蒸发损失以及对环境造成的热污染，能较好地实现能源的梯级利用，不仅技术上可行，而且在温度条件适宜的地区，系统可实现冬、夏两季的空调负荷调节，其运行费用较低、经济上合理，适合作为电厂及其周边小区的集中供热制冷系统，整个系统稳定可靠、舒适性较高，充分体现 了系统的经济性、节能性、环保性的优点，应在有条件的地区大力推广。