吸收式热泵在火电厂余热供暖中的应用分析

刘世宏 梁磊,2 张建良 赵阳

(1.上海电力学院能源与机械工程学院,上海 200090;2.上海热交换系统节能工程技术研究中心,上海 200090)

吸收式热泵在火电厂余热供暖中的应用分析

刘世宏1梁磊1,2张建良1赵阳1

(1.上海电力学院能源与机械工程学院,上海 200090;2.上海热交换系统节能工程技术研究中心,上海 200090)

简述了溴化锂吸收式热泵的工作原理及性能评价指标,分析了吸收式热泵在火电厂余热供暖中的应用。通过实际案例说明吸收式热泵在火电厂循环水余热供暖方面具有很好的经济效益、社会和环境效益。并对热泵在火电厂余热供暖方面的进一步开发、应用与推广提出几点建议。

吸收式热泵 火电厂余热 供暖 应用分析

“十二五”规划纲要明确提出“单位GDP能耗降低16%，单位GDPCO2排放降低17%，主要污染物排放显著减少”的节能降耗目标，其中热电联产与锅炉改造已列为重点工程之一，近五年预计形成7500万吨标准煤的节能能力，这势必加快火电厂集中供暖改造，提高节能降耗水平。电厂热量损失主要是汽轮机冷端损失、排烟余热、锅炉排污及除氧器排气余热损失。锅炉排烟温度高达150℃，易于回收利用，因而一直是人们关注的重点。从热经济性分析可知，50%的热量是通过汽轮机冷端凝汽器散失掉的，火电厂各项能量损失见表1。电厂循环水的温度一般仅高于环境温度10℃左右，属于低品位能，很难得到直接利用，一直以来被人们所忽视。以1000MW火电机组为例循环水流量约为30～45m3/s，排水温升约为8℃～13℃，蕴含热量约1.2×106～1.9×106kJ/s;以年运行5000h计，其热量折合标准煤70～114万t/a[1]。火电厂在排出热污染的同时也消耗了大量水资源，释放大量温室气体、氮硫化合物等造成环境污染。

我国北方城市季节性明显，采暖期约4～6个月，供热的需求较大，且集中供暖面积每年以17%的速度增长[3]。随着近年城镇化建设的飞速发展，北方地区热源明显不足。近两年，气候异常，南方供暖的呼声愈加高涨，国内城市普遍存在集中供热热源不足的状况[4]。

鉴于此，在节能降耗和供暖需求加剧的双重压力下，基于吸收式热泵的火电厂循环水余热供暖技术能够有效地实现能量的梯级利用、缓解供暖紧张的局面，本文就此技术及应用进行详细分析。

1 吸收式热泵的基本原理及性能评价

吸收式热泵按制热目的可分为2类[5]：第1类吸收式热泵(AHP)，该类热泵将蒸汽、燃气及工业废热水等作为驱动热源，把余热提升到中高品位，达到能源梯级利用的目的;第二类吸收式热泵又称吸收式热变换器(AHT)，主要利用中温废热和低温热源的热势差，制取温度高于中间废热的热媒，从而提高废热品质。本文仅针对第1类热泵进行分析。

溴化锂吸收式热泵工作原理如图1所示，发生器的驱动热源为蒸汽或燃料，吸收器和冷凝器构成供热回路对热网水等热媒进行加热。蒸发器通过余热回路从低品位热源吸收热量，产生冷剂蒸汽。运行时溴化锂稀溶液从溶液泵排出经溶液热交换器升温后进入吸收器，喷淋在传热管表面，吸收驱动热源热量产生水蒸气。发生器中浓溶液通过溶液热交换器换热后进入吸收器，浓度稀释放热，从而完成溴化锂溶液循环。而从发生器蒸发的水蒸气流经冷凝器加热热媒后流入蒸发器吸收低温余热进而回到吸收器稀释溴化锂溶液，从而完成水循环。热网水等热媒进入吸收器，利用溴化锂稀释放热完成第一次升温过程，在冷凝器内，高温蒸汽的凝结潜热，对热媒进行再次加热，最终达到设计温度。

根据吸收式热泵机组结构可列出系统的热平衡式：

式中：QE蒸发器中低温余热加入的热量，kJ;

QG发生器中高温驱动热源加入的热量，kJ;

QA吸收器中热媒吸收的热量，kJ;

QC冷凝器中热媒吸收的冷凝热，kJ;

根据热力定义，由上式可得热泵的热力性能系数(COP)ζ为：

表1 火电厂各项能量损失参考值[2](%)

表2 基于吸收式热泵的火电厂余热供暖技术应用案例(部分)

2 吸收式热泵在火电厂中的应用

2.1 系统结构分析

目前，我国北方区域供暖主要采用热电联产方式，热电联产相比热电分产节约1/3能耗，且电厂汽轮机抽汽供热最为广泛。火电厂热电联产汽轮机抽汽供热系统流程如图2所示。

汽轮机抽汽供热解决了区域供暖问题，但是以牺牲电厂发电总量为代价，并没有从根本上提高电厂的热效率。然而汽轮机冷端余热通过冷却塔释放到环境中并未得到充分利用。基于吸收式热泵的火电厂供暖系统流程如图3所示，吸收式热泵的火电厂循环水余热供暖技术则主要是采用汽轮机低压抽汽作为驱动热源，利用电厂循环冷却水作为热泵低温热源，将仅高于环境10℃左右的低品位余热大量利用。比较图2与图3可知，基于吸收式热泵的火电厂循环水余热供暖技术并不同于传统的热电联产，前者充分利用了循环水余热。此技术可减少汽轮机抽汽量，增加机组的发电量，同时可减少电站冷端损失，提高发电机组热效率，具有更佳的节能效果。从汽轮机抽汽作为高温驱动热源，在热泵蒸发器中吸收循环水余热，经过热泵吸收器和冷凝器两次加热最终得到中温热网水供水，一般为85℃左右。当远距离供热时，可通过热网加热器再次加热得到100℃～130℃的二次网水。

2.2 实际应用分析

以某火电厂为例，采用吸收式热泵和热网加热器的联合供暖模式。以超临界660MW的9、10号机组的0.98MPa，355℃部分抽汽减压至0.80MPa，355℃的蒸汽作为驱动热源，利用溴化锂吸收式热泵机组提取9、10号机组循环水余热。进、出热泵蒸发器的循环水温度分别为36℃和27℃。热网回水先经过热泵吸收器和冷凝器由60℃两次加热到90℃，在冬季寒冷期，再通过热网加热器利用抽汽0.98MPa，355℃的蒸汽加热，将热水温度提高到约120℃，给较远距离热用户供暖。实际工程投入运行时热泵机组性能系数COP达到设计值约1.7，整个采暖季回收电厂循环水余热为1.86×106GJ，节约标煤约7.00万吨，减少CO2排放19.42万吨，减少SO2排放0.17万吨，工程投资回收期约4年。

吸收式热泵是回收利用工业余热的有效装置，具有节约能源、保护环境的双重作用。截止2014年初，推向市场的吸收式热泵项目已达60多个，总容量近2500MW。其中热电行业接近半数，不少大型热电厂如赤峰热电[6]、锦州大唐国际、沧州华润热电、山西武乡热电等，具体见表2;石油行业的大港油田采油六厂、冀东油田等;钢铁行业的唐山钢铁、承德钢铁等;纺织、印染、石化、机械制造等领域均有涉及。

图1 吸收式热泵工作原理

图2 火电厂热电联产汽轮机抽汽供暖系统流程

图3 基于吸收式热泵的火电厂供暖系统流程

2.3 吸收式热泵应用的几点建议

锅炉排烟热损失占锅炉总热损失的80%以上，是电厂锅炉热损失中最大一项，一般占电厂总燃料热量的5%～8%，排烟余热的再利用对电厂节能减排具有显著意义。

锅炉连续排污量一般为锅炉蒸发量的1%～5%，且排污压力和温度很高，电厂一般会设置连续排污扩容器对锅炉排污热量与工质进行回收。但在实际应用中，由于技术和运行方面的原因，连续排污扩容中蒸汽压力和液位波动很大且不易控制，难以将排污水闪蒸出的蒸汽可靠回收至热力系统[7]。如果利用排污水闪蒸出的蒸汽来驱动热泵以回收锅炉排污热量，同时可以回收循环冷却水中的热量，可以一举两得达到显著的节能效果。

固然对已建电厂项目进行节能改造是必要的，但如果在新建或扩建项目的设计阶段就把吸收式热泵的应用一并考虑，在系统和布置上统筹规划，可减少后期的改造难度和工程量、施工干扰以及可能带来的系统和布置的不合理性，更有利于热泵的长期安全有效运行。

3 结语

随着我国电力工业企业改革的迅速推进，节能减排的力度加大，各区域冬季供暖的迫切需求，基于吸收式热泵的火电厂余热供暖技术得到普遍的关注。与传统的热电联产模式不同，吸收式热泵技术能够更加高效的利用电厂巨大的冷端余热，具有技术相对成熟、运行可靠、节能潜力巨大，已经在部分电厂得到示范，已取得良好的经济、社会和环境效益，具有很大的规模化推广价值。

[1]贺益英,赵懿珺.电厂循环冷却水余热高校利用的关键问题[J].能源与环境,2007,6：27-29.

[2]任泽霈.热工手册[M].北京：机械工业出版社,2002.

[3]Sun F T,Fu L,Zhang S G,et al.New wasteheat district heating system with combined heat and power based on absorption heat exchange cycle in China[J].Applied Thermal Engineering,2012(37)：136-144.

[4]热泵在火电厂余热回收中的应用——热泵技术调研报告[R].广州智光节能有限公司,2011,6.

[5]Demir H,Mobedi M,Ulku S.A review on adsorption heat pump：Problems and solutions[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2008(12)：2381-2403.

[6]张世钢,付林,李世一,等.赤峰市基于吸收式换热的热电联产集中供热示范工程[J].暖通空调,2010,40(11)：71-75.

[7]康艳兵,张建国,张扬.我国热电联产集中供热的发展现状、问题与建议[J].中国能源,2008,30(10)：8-13.

Lithium bromide absorption heat pump working principle and performance evaluation have been briefly introduced.And applications of absorption heat pumps on heat supply in thermal power plant have been analyzed.Through the application example,it is illustrated that absorption heat pump technology can bring economic,social and environmental benefits. And then some suggestions are given on further applications of absorption heat pump technology in power plants.

absorption heat pump thermal power plant waste heat heat supply application

上海市科委资助项目(13160501000),山西省科技厅资助项目(20130321016-03)。

刘世宏(1989—),男,河南洛阳人,在读硕士,主要从事电厂余热利用及换热器管材研究。