水源热泵利用火电厂循环水余热方式及经济性分析

2018-11-02朱锴锴任建兴李芳芹

上海电力大学学报 2018年5期

朱锴锴, 任建兴, 李芳芹

(上海电力学院能源与机械工程学院, 上海 200090)

截止到2016年末,我国火电装机容量已达1 053 880 MW[1],然而大型火电站实际能源利用率仅有38%左右,输入能量的50%被排放到大气中[2-4]。随着城市的发展,我国燃煤电厂的规模越来越大,汽轮机的冷端余热也不断增加,但大多通过冷却塔将其排放到大气中。这样不但严重浪费了循环水的热量,而且在冷却过程中浪费了大量循环水,约为全厂补水的60%以上[5]。因此,对循环水余热加以回收利用是提高发电厂能源利用效率的重要手段。国内外众多学者研究了利用吸收式热泵或压缩式热泵回收循环水余热加热供暖回水的方法[6-7]。

目前,大量文献只研究了冬季循环水和热泵的耦合方式,及其对电厂能源利用率和供暖效益的影响[8],但是对过渡季节和夏季电厂循环水余热的利用方式却鲜有报道。这是因为夏季热泵以制冷模式运行,循环水作为冷却水,其温度反而升高,与其温度越低对机组越有利的事实相悖[9]。因此,大部分热泵在过渡季和夏季都处于闲置状态,严重浪费了资源。提高夏季循环水余热利用率,降低循环水的温度,已成为提高电厂效率和能源利用率的重要方法。本文分析了夏季利用热泵加热生活用水的可行性,比较了夏季不同供热方式下单位供应热水的能耗、对环境影响,以及热泵初投资的回收年限。

1 热泵与循环水的耦合方式

热泵是利用高品位能源作为驱动力,使热量从低位热源流向高位热源的装置。压缩式热泵的性能系数(Coeffcient of Performance,COP)约为4.5,将其与循环水结合使用,能够大量回收循环水余热,降低进入凝汽器循环水的温度,提高汽轮机的热效率。

热泵与循环水的耦合方式分为串联耦合式系统和并联直流式系统两种[10],如图1所示。

注:1—冷凝器;2—循环水泵;3—冷却塔;4—蓄水池;5—蒸发器;6—压缩机;7—节流阀;8—冷凝器;9—循环泵;10—风机盘管。

图1热泵与循环水系统的耦合方式

2 电厂循环水特性分析

图2反映了不同参数下汽轮机的损失情况[11-12]。由图2可以看出,汽轮机冷端损失占电厂损失的80%以上。随着锅炉参数的增大,各项损失逐渐降低,电厂效率不断提高,而冷端损失所占的比例却越来越大。为了提高机组效率,需要对循环水余热进行回收。

图2 不同参数下汽轮机的冷端损失

以某电厂600 MW机组为例,分析不同季节中一天内凝汽器出口循环水温度的变化情况,结果如图3所示。由图3可以看出,循环水的温度明显高于当时的环境温度,且在过渡季和夏季循环水余热基本没有被利用,这严重削弱了一次能源的利用率。因此,利用水源热泵回收这部分余热,能够改善电厂能源利用率偏低的问题。

图3 不同季节中一天内的循环水温度

3 水源热泵回收循环水余热试验

3.1 试验系统

图4为带有蓄热装置的水源热泵余热利用试验系统,利用循环水余热直接加热冷水,以制取生活热水。

该系统由循环水箱、水源热泵机组、蓄热水箱和给水泵组成。循环水箱的容积为2 m3,外部由保温材料包覆,内部装有一组5 000 W的不锈钢加热器,加热循环水箱中的水即可模拟不同温度的循环水。外部由保温层包覆的蓄热水箱容积为0.1 m3。水源热泵机组的参数如表1所示。

图4 水源热泵余热利用试验系统表1 水源热泵机组的特性参数

型号制冷剂最大排气压力最大吸气压力MPaMRS-J036R222.80.75名义制冷量名义制热量制冷输入功率制热输入功率kW108.32.12.8

3.2 热泵加热生活用水试验分析

本次试验选用的是循环水-热泵串联耦合系统,试验期间的室外温度为33 ℃,室内温度为25 ℃。将蓄热水箱内的水温从20 ℃加热至50 ℃时,热泵机组的能耗和性能系数如图5所示。

图5 不同蓄热水箱水温下热泵机组的能耗和性能系数

由图5(a)可以看出,当蓄热水箱的水温从20 ℃上升至36 ℃时,热泵机组的能耗从1.31 kW缓慢增加到2.1 kW,然而当水温从40 ℃上升至50 ℃时,热泵机组的能耗急剧增大,从2.29 kW增大到3.08 kW。这是因为在试验初期,进出冷凝器的水温较低,冷凝压力较小,压缩机的能耗也较小;随着蓄热水箱中水温的不断升高,冷凝器出口的水温也在升高,压缩机压比不断增大,即压缩机的能耗不断增大。由图5(b)可以看出,将冷水从20 ℃加热至50 ℃的过程中,热泵的性能系数从初始状态的6.0逐渐降低到3.08,热泵的平均性能系数为4.21。

4 经济性分析

4.1 能耗分析

现代小区基本实行集中式供暖,但是生活热水都是由各家各户直接制取,其中燃气加热和电热水器是最常用的方式。电厂附近某小区有居民6 300人,每人每天的生活热水用量标准是0.1 m3[13],小区每天需要热水630 m3。若采用热泵加热生活用水,每天能够回收循环水余热Q1=16 812.47 kWh,热泵的总供热量为22 050 kWh,热泵机组消耗的电能W=5 237.53 kWh。

Q=Q1T

(1)

式中:Q——供暖周期总的回收余热量,kJ/kg;

T——机组供热运行时间。

(2)

式中:M——供暖周期内可节约标准煤量,kg;

Qer——标准煤的发热量,为29 200 kJ/kg。

C=PM

(3)

式中:C——节约煤炭的费用,元;

P——煤的价格,550元/t[14]。

热泵机组除了冬季供暖以外,在春夏秋3个季节给用户供应热水,机组供热运行共275天。由式(1)可知,用热泵为用户供应生活热水期间能够回收余热4 623 429.25 kWh,折合标准煤570.01 t,可节省313.51万元。

以某小区的生活热水供应情况为例,3种加热方式的能耗如表2所示。由表2可以看出,热泵供热水的单位燃料成本最低,小区每天需要630 m3的热水,与燃气热水器和电热水器相比,利用热泵回收电厂循环水余热加热生活用水每加热1吨水的燃料成本降低了5.82元和16.29元,每年能够分别节约100.74万元和282.24万元。

表2 3种加热方式的能耗

4.2 环境效益分析

国家规定的污染物排放标准中的相关数据如表3所示[15]。

表3 我国污染物排放标准相关数据

由表2可知,单独家用燃气热水器、电热水器和集中热泵供热水3种方式为小区提供生活热水,年能耗分别为681 511.66 m3的天然气、6 382 894.74 kWh和1 756 488.62 kWh的热能,相当于分别消耗标准煤0.83 t,786.93 t,216.55 t。按照表3可以初步计算出3种供热方式每年所产生的污染物排放量如表4所示。

表4 3种供加热方式产生的污染物排放量 t

由表4可以看出,热泵的环境效益明显优于电热水器。虽然燃气热水器的环境效益又明显高于热泵和电热水器,但是由表2可知,燃气热水器加热每吨水的燃料成本约是热泵的2倍。因此,相比于燃气热水器和电热水器,使用热泵加热生活热水能够回收余热4 623 429.25 kWh。不仅每年能够减少使用标准煤570.01 t,减少排放17.100 3 t SO2,2.280 04 t NOx,1 567.527 5 t CO2,11.400 2 t 粉尘,而且降低了循环水的温度,增大了凝汽器的真空,提高了机组的热效率,减少了化石能源的使用量,有利于资源的可持续使用。同时,对缓解日益紧缺的能源问题和日益严重的城市污染问题均具有积极的意义。

4.3 成本回收年限

通过上述分析可知,对小区进行集中式供应生活热水不仅可以回收电厂循环水余热,提高电厂热效率,而且还能够提高一次能源的利用率,减少污染物的排放量。因此,某电厂决定利用热泵为附近小区集中提供生活热水,价格为20元/t,电厂每年可以受益346.5万元。压缩式热泵设备的初投资为608万元,其他年运行费用如下:耗电费用为107.15万元;人工费为52万元;维修及其他费用为6.93万元,总计166.08万元。

系统动态投资回收期是反映项目在财务上投资回收能力的重要技术经济指标。本系统方案的现金流量表如表5所示。根据动态回收期投资的计算公式[16]可知,该热泵系统的投资回收期为4.4年。