电厂循环水水源热泵供热系统可行性研究

张 强

（大连市热电集团有限公司供热公司，辽宁大连 116000）

1 电厂循环水水源热泵供热系统

受技术的限制，我国火电厂一般实际热效率可以达到35%～45%，除了少部分必须散热出的热量，其他大多都转化为热能。在热泵的散热中，锅炉排烟，器材散热都只带走少部分热量，大部分热量由凝汽器循环冷却水带走，不仅造成能源的浪费，还会污染环境，不符合循环经济和绿色经济的发展方向。

当前我国主要采用热泵技术吸收循环冷却水中的热能进行二次利用，利用冷却水的流量和温度产生一定的机械能，实现热泵的正常使用，同时解决能量浪费和环境污染的问题，实现互利共赢的效果。

热泵供热系统主要利用低温地板辐射式进行供热，这种形式改变了传统的供热方式，对供热温度的要求大幅降低。一般情况下，45℃左右的热水就能满足生活需求，这样不仅造成了能源供应的普遍性，也大大节约了能源，减少了能源的浪费。另一方面，新形式的功能具有供暖室内温度分布均匀，间接性供热温度变化较小，人体舒适度明显上升。

2 电厂循环水水源热泵供热系统效益分析

（1）节能分析。当电厂循环水预热的水源利用热泵进行供热时，不仅不会增加火电厂的压力，而且减少废气的排放，以50 MW的供热发电机组为例，在冬季供暖期间，如果总运行时间以5040 h计算，供暖量相当于6800 t煤炭的供暖量，大大节约了不可再生能源的消耗，同时推动循环经济的发展。

（2）环境效益。当前我国的供暖普遍都是在消耗不可再生能源的基础上进行的，虽然随着技术不断发展，供热效率大大增加，但是如果使用循环水热水进行供暖，不仅会节约不可再生能源的消耗量，而且还会减少污染气体的排放量，当前，我国煤燃烧1 t煤炭会产生二氧化碳440 kg，二氧化硫20 kg，烟尘15 kg，灰渣260 kg。采用循环水热泵会大大降低废弃物和废气的排放量，而且对于减小煤炭的消耗、减少煤炭燃烧放出的废气也会起到重要作用。

3 电厂循环水水源热泵供热系统技术性分析

3.1 系统工作原理

低温水是热泵循环冷却水的主要热源，吸热过程主要是在凝汽器中完成，这些热量经过汽轮机排气凝结放出大量的热，导致温度持续升高。这些释放热量的循环冷却水一部分从凝汽器出口经过输水管道直达蒸发器，在蒸发器中释放热量然后回到循环水池。另一部分则经过冷却塔，冷却后回到循环水池。热泵则是在蒸发其中吸收循环冷却水的热量，然后经过压缩机进行升温和升压，在冷凝器中将热量放给供暖热水，然后经节流阀降温降压，回到蒸发器中继续吸热，完成下次一循环。供暖热水在冷凝器中吸收热泵工质放出的热量，温度升高后进入用户端的散热器散热，然后回到冷凝器中继续循环。

3.2 热泵的设计计算

（1）数学模型。目前我国的热泵大多是蒸汽压缩式，发热循环主要分为3个层次，第一层是卡诺循环，第二层为理论循环，第三层为实际循环。在卡诺循环中，低温热源和高温热源是主要影响因素，与工质和部件的特性无关。但目前我国热泵追求的主要是和循环冷却水和供热热水的温度有关系，这是热泵循环的最佳表现，同时也是热泵循环追求的最高表现，在现实中几乎无法实现。理论循环的影响因素不仅包括热源、热水还包括工质特性，但是和部件的选择无关。第二层次的制热系数明显比第一层次低很多，这个层次是当前我国热泵分析中最常使用的例子，实际使用最普遍。第二层次制热系数小于第一层次制热系统，其中主要影响因素是蒸发器中热泵的循环工质蒸发温度要低于低温热源的温度，两者之间存在巨大的传热端差。而冷凝器的冷凝温度远高于高温热水的温度，两者之间同时也存在传热端差。影响实际循环的因素不仅包括热源热水工质甚至还包括部件等，都是影响实际循环的重要原因，由于这些因素都是不可逆因素，相应的其制热系数相对于第一层次和第二层次又大大减小，尤其是压缩过程中的热量损失，其损失量大大减小。

由于凝汽器的温度对热泵蒸发的温度具有重要影响，在凝汽器温度的影响下，成正比关系，如果凝汽器的温度较低，凝汽器的温度也会随之降低，且下降幅度也会随着温度的降低而大幅度降低，这种情况主要是由于热泵自身的工质决定的，是一种不可逆的因素。由于制热系数不断降低，导致单位内的供热量所消耗的电能越来越大，经济效益大打折扣。由此可见，当凝汽器的温度下降到一定值时，利用热泵节能性质的供热与其他传统的供热方式相比，优势不明显。但在冬季室温温差较大的地区，热泵蒸发器循环冷却水的温度将不断上升，其供热温度也就随之不断降低，这样不仅大大提高了热泵的制热系数，而且也会不断提高当地的环境质量。

（2）经济性分析。利用热电厂热泵供热，热能随着技术的不断发展利用率不断提高，且污染不断变小，是目前我国城镇热用户较集中地区的主要供热方式。目前我国用于供热的汽轮机，主要有2种，背压式和抽气式汽轮机。由于背压式汽轮机热负荷之间牵制性较强，因此，为了提高经济效益，很多热电厂都选择使用抽气式汽轮机。

没有凝汽器是背压式汽轮机和凝式汽轮机的最大区别，利用背压式汽轮机能将火电厂循环水的热能排除，并供给用户，工作原理都是高温高压的蒸汽通过汽轮机组做功进行发电。凝汽器机组，主要是利用进入机组中的蒸汽，在汽轮机中做功，然后进入凝汽器凝结成水，再重新进入活路进行下一次循环，一般情况下，排气的压力和温度普遍较低。没有装置凝汽器的汽轮机由于排汽直接供热，没有凝汽器中的冷却损失。它是纯粹的热电联合生产的汽轮机，这种汽轮机的特点是以热定电，没有热负荷就不能运行，热负荷低时则电负荷也低。

3 电厂循环水水源热泵供热系统的不足

（1）供热距离的限制。目前我国电厂循环水再利用技术还不成熟，由于水的比热容较大，因此，供热热水的供、回水温差比较小，因此长距离输送，其热能就会大打折扣。如果供热目的地离电厂的距离较远，远距离的输送势必会造成电泵的能耗过多，经济性大大降低，因此，对于这种方式的推广应该局限在电厂周围，以（3～5）km 的范围最佳。

（2）热能的需求。我国循环水的供热集中为居民的生活供暖，因此如果要达到供暖的经济效果，首先要保证电厂附近有热负荷的要求，只有这样才需要循环水的供暖。当前我国循环水的供暖主要用于生活供暖和采暖等，其热负荷较小，因此电厂周围出现热负荷的现象比较小。

（3）热泵限制。热泵机组主要有吸收式和压缩式2种，这2种热泵都要求其出水温度达到45℃左右，只有这样才能提高经济效益，但这个温度如果采用老式的暖气片进行供暖达不到预期效果，需要采用新式散热器，如现在最新采用地板辐射供暖或者是风机盘管等，这些新技术供暖效果较好。

4 结语

火电厂循环水中存在着巨大的能量，必要的开发是缓解当前不可再生能源消耗量大，能源供应跟不上经济发展要求的重大突破，当前热泵以低投入、高收益的优越性在我国新能源的开发和节能技术发展等方面具有重要的作用。火电厂循环水的使用技术发展迅速，不仅具有强大的技术支持，而且还具有政策支持，对促进绿色经济的持续发展具有重要作用，推动我国循环经济和节约型经济的不断发展。