电厂循环水为低位热源的城市供热技术研究与应用

唐涛

摘 要：我国工业分布广，工业余热资源丰富，作为其中一员的电厂循环水也有着相当多的利用条件。以电厂循环水作为低位热源，利用热泵技术供热可以在不增加电厂容量和排放的情况下增加供热能力，同时对水余热的处理也能起到节约资源的效果。基于此，本文以电厂循环水与空气源对比的办法讨论了用电厂循环水作为低位热源的特点，并重点研究了以电厂循环水为热源的供热技术，说明了不同供热技术的供热效果。

关键词：电厂循环水；低位热源；热泵供热技术

中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）22-0090-02

1 电厂循环水为低位热源的特点

低位热源的能源品味较低，无法被直接利用，需要依靠热泵将其转化为高位能进行利用。目前我国的低位热源有很多种形式，如空气源热泵、地表水源热泵、地下水源热泵、土壤源热泵及太阳能热泵等，电厂循环水目前也被用作城市供热的一种低位热源。综合比较下，我国目前运用最广的低位热源是空气源，但与空气源相比，电厂循环水的优势更加明显。

空气源热泵的优点很多，如前文提到的使用条件易满足以及节能、环保、维修简便等。但在寒冷地区，空气源热泵就会出现几种问题：（1）当室外温度低于建筑热负荷的平衡点温度时，热泵就需要增加辅助热源以维持供热，从而增加了能耗。如果将平衡点温度设计得特别低，热泵机组的负荷就会过大，导致供热效率降低。（2）一些室外湿度相对较大的地区，在低温时会使热泵换热器出现结霜，结霜长期积累可造成空气通道的严重堵塞，使传热受阻。（3）当室外环境温度变低时，热泵的压缩机压缩比会增大，使机组排气温度升高。当排气温度过高时，润滑油的粘度就降低使得润滑效果减弱，同时可能引起系统频繁启停，影响正常工作。（4）减少蒸发，熱泵对循环水的冷却功能，可以起到减小冷却塔的负荷作用。通过运用空气源热泵，每年供电厂能够减少循环水的蒸发损失，约1000万吨左右，保证了循环水在利用过程中最大化的发挥功效，产生供热能力。因此，空气源热泵能够起到非常显著的效益。

与空气源相比，以电厂循环水为热源具有更显著的优点，如：（1）电厂循环水蕴含的热量更大，能够在长时间流动的过程中仍旧保持一定温度，非常适合作为热源。（2）电厂循环水的温度和流量相对于空气源都比较稳定，因为循环水是不断流动的，所以比较不容易出现结霜的现象。（3）循环水的水质一般都比较清洁，循环水不是再生水，而是将水资源多次利用，具有非常清洁的特性，不会腐蚀换热器，同时可以减少水污染。（4）电厂水循环的余热如果合理加以利用，会减少冷却水蒸发，从而能够更多的利用水蒸气进行城市供热，达到节约资源的目的。（5）电厂循环水作为低位热源，可以使凝汽器循环水的进水温度降低，真空程度提高，发电功率增加。

2 电厂循环水作为低位热源供热的技术方案

2.1 循环水热泵供热技术

电厂循环水温度用于供热主要是利用热泵技术进行供热。热泵和蒸汽压缩式制冷的原理一样，其理论循环都是以逆卡诺循环的两个传热相区为基础进行改造，使冷凝器和蒸发器的压力相等，实现冷凝放热和汽化吸热。在冬季，冷凝温度保持在一定范围内，想要保持供热系数就需要对蒸发器控制。在蒸气压缩式热泵中，低位热源的温度可以影响蒸汽蒸发的温度，也直接决定了热泵的供热系数。如果冷凝温度一定，循环水的温度将会提高5～10℃，热泵的效率也会随之提高。在夏季，蒸发温度保持在一定范围内，冷凝温度就控制了热泵的制冷效果。所以以电厂循环水作为城市供热的热源更有经济性。例如，以某城市为例，在2016年期间，整个供暖季节采暖所用能源比例占整体能源的17%。随着城市建筑的不断增多，在未来几年，城市冬季供暖所消耗的能源将持续增长。如此大的能源消耗所消耗的财政也是非常巨大，以煤炭供暖为例，同年的煤炭价格是一吨400-848元，整个城市供暖所耗费煤炭为2000万吨，所需要花费的资金为800亿-16961亿元，而且预计到2020年，冬季建筑采暖需求所消耗的标准煤为2700万吨，占整个城市的能源消耗总量的23%。目前，该城市的所有电热厂和热力工厂的供热能力都达到极限负荷运载，只用通过改变供暖方式，使用循环水供暖方法，才能满足建筑采暖需求。

在热泵循环中，供热系数是衡量循环性能的重要标准，热泵的制热性能系数h=，其中为热泵吸收周围环境的热量，W为热泵的功率，为热泵的制热量。观察公式可以发现热泵的制热系数恒大于1。

具体在利用循环水作为热源选择热泵时，如果用燃气或燃油作为驱动能源，则采用吸收式热泵，如果用电作为驱动能源，则采用压缩式热泵。吸收式热泵和压缩式热泵的系统制热分别是耗电量的1.7-2.3和4-7倍。在计算电厂循环水的供热能力时，循环水带走的热量为，为循环水设计流量，和分别是凝汽器循环水出水和进水的水焓值。

2.2 汽轮机低真空运行循环水供热技术

除了热泵技术，还可以采用汽轮机低真空运行循环水供热技术。因为在正常条件下，循环水的温度一般20-35℃之间，所以这样低的温度无法直接应用于工人冬季供热系统，如果想要用低温循环水进行供热，就必须提高循环水的温度。运用中小型的汽轮机可以做到，主要的工作原理是汽轮机使排汽缸达到真空转状态，循环水的温度能够进行加热，可以将循环水的温度生至到60～80°C，从而达到供热要求。这项技术已很成熟，能够实现非常高的资源利用率，在国内外有非常多的成功案例和研究，特别在我国北方城市得到有效的应用推广。例如，以我国北方某城市为例，某北方城市冬季供暖，供暖设备中有40%热泵运用电动压缩式，剩下的60%热泵则运用吸收式，通过计算循环水热量可得：在整个冬季，某城市的实现采暖供热1821万GJ，循环水供热约为903万GJ，电能共消耗28925万度，蒸汽的消耗占循环水的比重0.35，共计316.05万吨，通过运用了这种循环水供热和同等规模的锅炉房相比较，通过折合成煤炭每吨所产热量显示出两者之间比较，相对于燃煤、燃气来说，如果循环水余热的供热方式完全发挥功效的话，每年大约可以节约30万吨的煤或者2.5亿立方米的天燃气。同时，考虑循环水余热的利用情况，一个供暖季节能够回收利用循环水200万吨，相当于可以减少循环水蒸发1000-1200万吨，从而有效降低浪费。

在传统低真空运行机组中，受蒸汽量影响的用户热负荷控制机组发电功率，电与热无法分开调节，所以一旦用户的热负荷出现稳定情况，机组的供电就会收到强烈的影响。另外，因大型机组和一部分中型机组不允许施工人员改造结构，所以只有少数允许被改造的中小型机组才能进行低真空运行。一些大型热电联产系统具有中间再热式汽轮机组，机组的末级出口会因为凝气压力而出现蒸汽的温度高、容积流量小，容易造成机组振动，长时间会影响机组的寿命，设备还产生危害运行的安全隐患。一般非常大型的汽轮机组，在进行循环水冷却的过程中，水的温度要求不能超过33℃，而相对的，出口的温度也要在40℃左右，才能保证机组的运行安全。因此，工作人员在安装低真空运行机组时，要注意对低真空运行参数的选择及机组的热负荷调节。

在城市供热时，都会追求供热水温，如果供热水温过高，汽轮机排汽温度就会过高从而导致机组发电功率降低、凝汽器铜管变形及排气缸后轴承温度过高。凝汽管铜管变形严重时会产生泄漏，排气缸后轴承温度过高会导致机组剧烈振动。在调节热负荷时，可以采用质调节、量调节、质量并调等方式，调节人员应根据实际机组运行情况选择合适的调节方式。以质调节为例，在改造机组时要考虑机组的运行与供热质量，利用加热器和除盐水降温调节热负荷。

3 结语

综上所述，低位热源的形式多种多样，将电厂循环水作为低位热源不仅环保，而且供热效果明显。由分析可知，电厂循环水作为低位热源比目前运用最广泛的空气源更稳定、清洁，蕴藏热量更大，供热人员利用循环水热泵和汽轮机低真空运行循环水两种供热技术充分提高了电厂循环水的供热系数，使我国电厂能源得到充分利用。相关研究人员应尽快研发相关技术并合理推广，争取早日普及以电厂循环水为热源进行城市供热。