热泵在热电联产集中供热系统中的应用及分析*
2017-03-08李亚军谭荣帅梁文豪
李亚军 谭荣帅 梁文豪
(华南理工大学 化学与化工学院∥传热强化与过程节能教育部重点实验室, 广东 广州 510640)
随着人们对室内居住环境要求的日益提高,集中供暖作为改善室内居住环境的重要一环得到了广泛应用.我国的集中供热面积从1996年的7亿m2增长至2014年的61亿m2,增长至8倍多[1].然而随着供热面积的不断增长,我国很多地方都出现了供热能力不足的问题,现有的供热能力难以满足用户的供热需求[2].新建供热热源可以解决该问题,且改造方案较为简单,但是会带来环境问题,因此受到各地环保部门的严格限制[3],为此有学者开始研究利用热泵对已有的集中供热系统进行改造,提升其供热能力.
沈晓懿等[4]通过研究发现,热电厂中使用吸收式热泵既可以减少电厂日常的维修费用,又可以解决冬天供热不足的问题.Wang等[5]结合工程实例研究了热泵设计负荷的变化对使用吸收式热泵回收汽轮机凝汽的热回收系统的收益、投资等经济指标的影响.Sun等[6]通过研究发现利用吸收式热泵的热电联产系统与传统的热电联产系统相比,供热能力更强且损失更低,并且其经济收益随年供热天数的增加越来越好.张学镭等[7]在供热系统中利用热泵回收循环水余热,提高了供热机组的效率和功率.Zhang等[8]利用吸收式热泵对传统的热电联产系统进行改造,回收透平废气的热量,有效提高了供热能力和效率.Li等[9]通过吸收式热泵对某市的热电厂进行改造,大幅度提升了热电厂的供热能力,成功解决了供热能力不足的问题.付林等[10]提出了一种基于吸收式换热的新型热电联产集中供热技术,大幅度提高了集中供热系统的管网供热能力,是一种较有前途的新型集中供热方式.
以上学者的研究对象多为采用热泵改造方案的集中供热系统,而针对目前工程领域中常采用的新增热源方案的研究较少,也缺乏新增热源方案与热泵系统改造方案的对比.文中针对一现有热电联产集中供热系统供热能力不足的问题,分别设计新增锅炉热源和利用热泵系统两种方案提升其供热能力,并从能量、和经济性3方面对两种方案进行分析对比,以期为缓解供热缺口的方案选择提供依据.
1 集中供热系统模型
某市现有的集中供热方式是从热电联产的中压缸中抽出0.4 MPa的蒸汽通过蒸汽-水换热器,加热60 ℃的一次回水至110 ℃,再通过5 km的一次水管道输送至热力站,在热力站处通过水-水换热器加热45 ℃的二次回水至69 ℃,如图1所示.中压缸的最大抽汽能力为300 t/h,最大供热能力约为178.78 MW.随着该市集中供热区域的供热负荷日益增大,目前已产生了约56 MW的供热缺口,亟需提升供热系统的供热能力以满足供热负荷需求.针对该现状,文中分别设计了新增锅炉热源和利用热泵系统两种方案提升其供热能力.
图1 现有集中供热系统流程图Fig.1 Flow chart of existing central heating system
集中供热系统主要包含3部分:热源(热电厂、锅炉)、供热管网和热力站.热电厂的驱动能源为0.4 MPa的蒸汽,根据某市的气象情况,供热期间环境温度为T0=279.15 K,环境压力为p0=0.101 325 MPa.为了简化集中供热系统模型,做出以下假设:热电厂换热器、热力站中各设备和连接管道的保温性能良好,可以忽略热电厂和热力站处的热损失;忽略各设备进出口物流的位差和流速;各设备中的过程均为等压,进出口物流为饱和状态;锅炉的热效率为95%.
对集中供热系统进行分析需选择适合的评价方法,目前常用的评价方法有能量分析和经济分析.其中能量分析仅能得出能量的转换效率,没有考虑能量转换过程中产生的不可逆损失.而基于热力学第二定律的分析通过揭示能量转换过程的本质,可以评价系统有用能的利用程度,能更为深刻地揭示系统的能量利用情况.因此文中将从能量分析、分析和经济分析3方面对供热系统进行评价.
1.1 新增热源方案模型
目前常用的供热和生活热水热源为燃气热水锅炉.新增热源方案简单,对出口温度要求不高,可以有效提升集中供热系统的供热能力,适合附近有天然气资源的区域,但会带来环境问题,且利用燃料燃烧提供热量会产生较大的能源品质浪费.新增热源方案需在热电厂处增设一台燃气热水锅炉,改造后的集中供热系统流程如图2所示.一次回水分成两股,一股与0.4 MPa蒸汽换热升温,另一股通过燃气热水锅炉加热升温,升温后的两股热水合流后输送至热力站加热二次回水.
图2 新增热源方案的集中供热系统流程图
Fig.2 Flow chart of central heating system adding new heating source
新增热源方案的输入能源为驱动蒸汽和燃气,由于热电厂换热器及热力站中各设备和连接管道的保温性能良好,进行就地换热,可以忽略热电厂和热力站处的热损失;而供热管道由于输送距离长,存在热损失以及燃气锅炉热效率不为1,故认为燃气锅炉和供热管道处发生热损失.同时,各设备的能量转换过程中均存在不同程度的不可逆损失.因此,热电厂和热力站处只有损失,而燃气锅炉和供热管道处同时有热损失和损失.
(1)能量平衡方程
Qi,s+Qi,b=Qo+Ql,b+Ql,t
(1)
式中,Qi,s为驱动蒸汽输入热量,Qi,b为锅炉输入热量(燃气的LHV(低热值)为53 184.57 kJ/kg),Qo为二次水输出热量,Ql,b为锅炉损失热量,Ql,t为供热管网损失热量,单位均为kW.其中Ql,t包含两部分——供水管道热损失和回水管道热损失[11].供、回水管道热损失与土壤热阻、保温材料热阻、附加热阻、供水温度、回水温度以及中心线自然地温等有关,相应的计算参数如表1所示.
表1 供、回水管道热损失的计算参数Table 1 Calculating parameters of heat loss in water pipes
通过能量平衡方程,可以得出集中供热系统的COP(制热能效比),如下式所示:
(2)
Ei,s+Ei,b=Eo+El,s+El,b+El,t+El,e
(3)
式中,Ei,s为驱动蒸汽输入,Ei,b为锅炉输入,Eo为二次水输出,El,s为热电厂损失,El,b为锅炉损失,El,t为供热管网损失,El,e为热力站损失,单位均为kW.在锅炉进口燃料和空气的温度均为环境温度的条件下,1 kg燃料提供给锅炉的即为1 kg燃料燃烧的化学,数值基本与燃料低位发热量相等[12].
E1,i+E2,i=E1,o+E2,o+El
(4)
式中,E1,i和E2,i分别为进口物流的值,E1,o和E2,o分别为出口物流的值,进出口物流的值之差即为El(也就是单个单元或设备产生的损失),单位均为kW.进出口物流的值可以通过式(5)的物流公式计算获得:
Es=H-H0-T0(S-S0)
(5)
式中:H为物流的焓值,kJ/kg;S为物流的熵值,kJ/(kg·K);H0为环境状态下物流的焓值,kJ/kg;S0为环境状态下物流的熵值,kJ/(kg·K);T0为环境温度,K.
图3 单个单元或设备的分析模型Fig.3 Exergy analysis model of one unit
(6)
(3)经济性
考察方案经济性的指标为动态回收期.在驱动蒸汽量基本不变的情况下,新增热源方案需要增加的主要投资为锅炉部分的固定投资、能源投资费用和相应的维修费用,增加的收入则由供热能力提升的部分带来,公式如下[13]:
(7)
式中,Pt为动态回收期,Y为供热能力提升增加的收入,Ie为能源投资费用,Ir为维修费用,Ic为固定投资费用,单位均为元.年均维修费用为固定投资费用的1%,i为年贷款利率6.55%.
1.2 热泵方案模型
热泵技术能够回收低品位热能中的热量,通过热力循环提高其品位加以利用.通过热泵回收热电厂汽轮机凝水的热量,提升品位后向用户供热,一方面回收了汽轮机凝水余热,提高供热系统的供热量;另一方面利用低温汽轮机凝水供热,系统中的不可逆损失减少,可以使能量得到更有效的利用[14].
热泵方案需在热电厂处增设一台蒸汽驱动型吸收式热泵回收凝水余热,热力站处增设一台吸收式热泵增大一次供回水温差,改造后的集中供热系统如图4所示.若只采用一个热泵,虽然其投资和改造范围小,但是当供热需求上升时,在保证一次回水温度的情况下需要提高一次供水温度,而原有管网不一定能承受更高的温度和更大的流量.而采用两个热泵的改造方案能够大幅提升一次管网的供热能力,且管网的供热能力还可以继续提升,因此可以满足未来更高的供热需求.此外,该方案中一次供水的热量得到了充分利用,降低了一次回水的温度,提升了热力站处的效率.改造方案的大致流程为0.4 MPa的中压缸抽汽分成两股,一股用于驱动蒸汽驱动型吸收式热泵,回收35 ℃的汽轮机凝水中的低温热量,提升一次回水的温度;另一股则用于将吸收式热泵出口处的一次水进一步升温至110 ℃.110 ℃的一次供水通过供热管网输送至热力站,先作为吸收式换热器的驱动热源提升部分二次回水的温度,再通过水-水换热器加热剩余的二次回水,最后作为低温热源向吸收式换热器提供低温热量,温度降低至35 ℃后通过供热管网送回热电厂.45 ℃的二次回水分为两股在热力站处被加热,两股二次水合流之后温度达到69 ℃,作为二次供水输送至用户处.
图4 热泵改造方案流程图Fig.4 Flow chart of modification plan using heat pump
热泵方案的输入能源为驱动蒸汽和汽轮机凝水,供热管道处同时有热损失和损失,而热电厂和热力站处只有损失.
(1)能量平衡方程
Qi,s+Qi,w=Qo+Ql,t
(8)
式中,Qi,w为汽轮机凝水输入热量,单位为kW.COP可通过式(9)计算获得.
(9)
Ei,s+Ei,w=Eo+El,s+El,t+El,e
(10)
式中,Ei,w为汽轮机凝水输入,单位为kW.效率η的计算如式(11)所示:
(11)
(3)经济性
热泵方案需要增加的主要投资为热泵部分的固定投资和相应的维修费用,增加的收入则由供热能力提升的部分带来,公式如下:
(12)
为了比较两种方案的可行性,下面将对现有供热系统及分别采用两种方案的供热系统进行比较,考察不同方案对集中供热系统热力效率和经济性的影响.
2 集中供热系统分析
根据设计参数和集中供热系统分析模型,可以分别计算得到各状态点的焓、熵、等值,进而可以计算出系统的输入/输出热量,输入/输出及各部分损失等,进而可以获得系统的COP和效率,最后可以结合热价、供热能力增加值等计算各方案的动态回收期.
2.1 现有供热系统
表2为现有供热系统各状态点的参数,其中焓、熵值通过Aspen plus模拟软件模拟得出,物流值通过式(5)计算得到.根据表2和相应的公式可知,现有供热系统的Qi,s=178.78 MW、Ei,s=59.01 MW、El,s=19.83 MW、Ql,t=1.02 MW、El,t=0.31 MW、Qo=177.76 MW、Eo=27.53 MW、El,e=11.34 MW.根据以上数据可知,现有供热系统的COP=0.99,效率为46.66%,供热系统的流如图5所示.
表2 现有供热系统各状态点的参数Table 2 Parameters of existing central heating system
图5 现有集中供热系统流图Fig.5 Exergy flow chart of existing central heating system
2.2 新增热源方案
根据表3和相应的公式可知,新增热源方案的Qi,s=178.78 MW、Ei,s=59.03 MW、El,s=16.61 MW、Qi,b=60.5 MW、Ql,b=3.5 MW、Ei,b=68.98 MW、El,b=55.71 MW、Ql,t=1.12 MW、El,t=0.30 MW、Qo=234.66 MW、Eo=36.35 MW、El,e=19.04 MW.
根据以上数据可知,采用新增热源方案的供热系统的供热能力为234.66 MW,基本能够满足目前供热需求.改造后系统的COP=0.98;效率为28.39%,相比于改造前下降39.15%,下降较为明显.新增热源的系统流如图6所示.
表3 新增热源方案各状态点的参数Table 3 Parameters of central heating system adding new heating source
图6 新增热源方案的集中供热系统流图
Fig.6 Exergy flow chart of central heating system adding heating source
新增热源方案比现有供热系统多供热56.9 MW,该市供暖季居民用平均热价为62元/GJ,供热时长为2 520 h,燃气热水锅炉造价取200元/kW,天然气价格为1.85元/Nm3.根据新增能源的收入和支出情况(Y=3 200.16万元,Ie=2 990.22万元,Ir=12万元,Ic=1 200万元)和相应的公式可知,本方案动态回收期Pt=7.98年,高于行业平均回收期(6年).此外,该方案每年还将排放31 348.2 t的CO2,CO2捕集封存系统的成本为263元/t,因此每年还需投资824.46万元对其进行处理[15].
2.3 热泵改造方案
根据表4和相应的公式可知,热泵方案的Qi,s=176.14 MW、Ei,s=58.14 MW、Qi,w=60.3 MW、Ei,w=4.86 MW、El,s=17.3 MW、Ql,t=1.09 MW、El,t=0.45 MW、Qo=235.35 MW、Eo=36.45 MW、El,e=8.80 MW.
根据以上数据可知,采用热泵方案的供热系统的供热能力为235.35 MW,基本能够满足目前供热需求.改造后系统的COP=1.34,相较于现有系统提升了35.4%;效率为62.69%,提升了34.36%.热泵方案的系统流如图7所示.
由图7可知,因为利用热泵回收汽轮机凝水热量并拉大一次供回水温差,热电厂和热力站部分的效率均有所上升,二次水输出占总输入的比例明显升高.损失中占总输入最大的部分为热电厂,为27.47%;其次为热力站,占13.96%;供热管道损失仅占0.71%.
图7 热泵方案的集中供热系统流图
Fig.7 Exergy flow chart of central heating system using heat pump
热泵方案可多供热57.59 MW,热泵的造价取600元/kW,根据热泵改造方案的收入和支出情况(Y=3 238.97万元,Ir=144万元,Ic=14 400万元)和相应的公式可知,此条件下热泵方案的动态回收期Pt=5.73年,与行业平均回收期基本持平.
表4 热泵改造方案各状态点的参数Table 4 Parameters of modification plan using heat pump
3 两种方案的比较
由于用户对集中供热的需求会逐渐增加,且热价可能会做一定的调整,因此为了进一步考察供热需求增加值和热价对热泵方案动态回收期的影响,文中选择热价在60~65元/GJ,供热需求增加值在60~80 MW之间变化的情况进行分析,热泵按80 MW供热需求增加值下的情况进行计算和设计,结果如图8所示.
从图8可以看出,供热需求增加值大于75 MW时,动态回收期基本小于6年.供热需求增加值为80 MW、热价为65元/GJ时,动态回收期为5.13年.
图8 动态回收期与供热需求增加值及热价的关系
Fig.8 Dynamic payback period under different heating demand increase and heat price
经济分析的结果表明热泵方案对热价和供热需求的变化有一定的适应性.
4 结论
文中针对新增热源和热泵系统两种集中供热系统改造方案,建立了相应的模型,并从能量、和经济性3方面进行分析比较,得到以下主要结论:
(1)现有供热系统的供热能力Qo=177.76 MW,COP=0.99,效率为46.66%.在驱动蒸汽量基本不变的情况下,两种方案均能够较好满足新增的集中供热负荷.
(2)新增热源方案的供热能力Qo=234.66 MW,COP=0.98,效率为28.39%,效率较现有系统下降明显.现有条件下该方案的动态回收期为7.98年,高于行业平均回收期.此外,每年还需要投入824.46万元处理锅炉产生的CO2.
(3)热泵方案的供热能力Qo=235.35 MW,COP=1.34,效率为62.69%,COP和效率均得到了明显提升.现有条件下该方案的回收期为5.73年,与行业平均回收期持平,且对热价和供热需求的变化有一定的经济适应性.
(4)文中研究结果表明,对该市的集中供热系统采用热泵方案进行改造,不仅可以提升系统的供热能力,还可以提高其COP和效率,且具有良好的经济性,是一种较为理想的改造方案.文中的研究方法和结果可为集中供热系统改造提供一定的理论依据和工程指导.
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