火力发电厂应用海水热泵进行区域供热的分析与设计

焦伟航

（浙江浙能乐清发电有限责任公司，浙江 温州 325600）

0 引言

随着国民经济的飞速发展，我国能源需求日益增大，目前国内能源供应主要是以煤炭为代表的化石能源，然而，大量消费化石能源所造成的能源紧张和环境污染已成为全球性的问题。因此，开发可再生、清洁环保的新能源来逐渐替代传统能源，降低我国当前能源结构中化石能源的比例，势在必行。

热泵技术是当前新兴的能源技术，以高效、环保等特点著称，其主要是通过投入少量高品质能量，从低温介质中获得大量的低品质热能，海水热泵便是其中一种。海洋中蕴含巨大的能量，是难以枯竭的，海水每日所吸收的太阳能绝大部分以低品质热能的形式储存在海水内，而海水热泵可以挖掘和利用海水中的低品质热能。我国有1.8万km的大陆海岸线，沿海区域正是能源消耗的集中区域，海水热泵对于沿海城市的发展有很大价值。

然而，目前海水热泵的实际应用有着很多问题和困难，如海水四季温度变化大，海水取/排水管道布设难度大、投资高，海水清洁度差，提取热量品质较低难以满足实际需要等。鉴于以上问题，海水热泵在全球的应用普及率较低。

中国沿海地区的多座大型现代化火力发电厂普遍以海水作为发电机组的循环冷却用水，其排水温度、海水质量、现有管道等均能满足海水热泵的要求，因此在沿海火力发电厂应用海水热泵具有天然优势和便利条件。

1 热泵基本原理

热泵是通过投入少量高品质能，将热量从低温物系向加热对象输送的装置。其热力循环方向与正常的动力循环方向相反，与制冷热力循环类似。以压缩式热泵为例，其基本组成和工作流程如图1所示。

图1 压缩式热泵原理

热泵系统主要由压缩机、热端换热器、节流阀、冷端换热器组成。工作介质（制冷剂R22，CO2等）依次通过各组成部分，首先在冷端换热器内吸收低温物系的热量qL；接着进入压缩机被压缩，压缩机对工质做功wnet；然后工质进入热端换热器，将热量qH传递给被加热对象；然后工质通过节流阀，进行膨胀降压；最后再次进入冷端换热器，开始新的循环。

可得热泵循环的热平衡方程：

工程上普遍以COP（热泵工作性能系数）来表征热泵的效率：

式（2）表明，热泵效率COP恒大于1，它通过向系统投入少量的高质能wnet，将大量的低质能qL送给被加热对象。而其他加热方式，比如电加热、燃烧加热，其加热效率必然小于等于1。由此可见，热泵比其他加热方式更高效。

2 海水热泵的应用

2.1 发展现状

热泵根据冷源的不同分为地源热泵、水源热泵、空气源热泵。海水热泵是水源热泵的一种，海洋所储存的能量巨大，不易枯竭且清洁环保，由于水的热能密度非常大，所以相较于其他种类的热泵，海水热泵具备出力大、效率高的特点，非常适合在沿海地区使用。

目前，世界上海水热泵的研究与应用主要集中在中欧、北欧各地区，如瑞典、挪威、瑞士、奥地利、丹麦等国家[1]，特别是瑞典，其在利用海水热泵集中供热供冷方面已有先进而成熟的经验。例如，始建于20世纪80年代的，位于瑞典斯德哥尔摩市的海水热泵集中供热供冷系统是目前世界上最大的集中供热供冷系统，其制热制冷能力为1 000 MW[2]。

海水热泵的能源替代作用和环境友好特性正得到越来越多的关注，各国都对此十分重视。我国海水热泵的开发利用起步相对较晚，当前国内的海水热泵研究已获得较多的成果，但以海水热泵为能源核心进行区域供热的课题仍处于探索和分析阶段。目前，国内仅有大连、青岛等少数城市进行了海水热泵区域供热的小范围试点工程[3]。

2.2 应用推广的实际困难和问题

海水热泵在理论上清洁高效，但在实际工程应用中还存在很多制约其推广应用的问题。

2.2.1 海水温度的影响

海水热泵的效能COP取决于冷端换热量qL，其对流传热方程为：

式中：h为换热器的换热系数；th为热流体（低温热源流体，即海水）平均温度；tc为冷流体（热泵工质）平均温度。

从式（3）可以看出，冷端换热量和换热器温差成正比，即海水温度越高，海水热泵出力越高，效率越高。

然而海水温度的季节性变化非常明显，特别是冬季，海水温度在10℃以下，如图2所示。当冷源温度低于15℃，海水热泵制热能力相对较差，同时冬季又是热负荷较高的季节，所以，若无法提升海水温度，为满足热负荷需要，就必须在初期建设时增大热泵机组容量，并且在冬季较多地投入高质能。如此便增大了初期投资成本和运行成本，海水热泵的经济性变差，很难起到能源替代的作用[4]。

图2 2017年度东南沿海某市海水原水和机组排水的温度变化

2.2.2 投资及施工难度的影响

取/排水口的选址必须要考虑海水高低潮位的影响。以华东某沿海城市为例，如图3所示，每日高低潮位最大差值达6 m，要求取水口必须低位布置，在低潮位时不得露出水面，否则无法取水。另外应详细考察取水口布置地点的水文资料，避免取水口设置在易吸入泥沙的位置。此外，取/排水口的设置必须考虑到当地的生态环境、滨海养殖业、船舶通行停靠等因素[5]。

由于取水位置较低，相应的管道应布置在地下较深位置。设计施工时应充分考虑地质沉降对取/排水管道的影响。管道容量应考虑到未来热泵机组扩建的情况。为防止腐蚀，管道内部应衬胶，并加装阴极保护装置。取水用的水泵，应选用耐腐蚀型的水泵。

可见，建设海水热泵机组应配套的管道和取排水口，所涉及的影响因素较多，其工程难度大、初期投资高。

2.2.3 海洋生物的影响

图3 2018年5月15日东南沿海某市海水潮位变化

取水口在吸入海水的过程中，会同时吸入大量海洋生物，如贝壳、藻类等。这些生物会附着在管道、取水泵叶轮、冷端换热器等处，并在其内繁殖，这会导致管道通流面积降低，换热器换热效果变差，取水泵卡死，金属构件腐蚀，管道泄漏等问题[6]。

因此，海水热泵必须配套加装灭杀海洋生物的装置，从而进一步增加了成本。

2.2.4 海洋垃圾的影响

目前，海洋还存在比较严重的污染，特别是近海海洋垃圾较多，如塑料瓶、动物尸体等。如果此类垃圾被吸入并堆积在管道或热泵某处，将对整个海水热泵机组的运行产生较大影响。

2.3 发电厂应用海水热泵的优势

以我国东南沿海某发电企业为例，分析火力发电厂应用海水热泵的优势和条件。

2.3.1 设备概况

该发电厂配置一期2台超临界燃煤发电机组，二期2台超超临界燃煤发电机组。全厂4台机组循环冷却水系统采用扩大单元制直流供水系统，用于发电热力循环的冷端冷却，水源取自海水，经凝汽器、闭冷器、真空泵冷却器后排至大海。系统构成为一机二泵一管一沟制，其工艺流程为：取水口-引水隧道-进水前池-检修钢闸门-拦污栅-旋转滤网-循环水泵-出口液控蝶阀-循环水进水管-二次滤网-凝汽器循环水排水管-虹吸井-循环水排水箱式涵管-排水连接井-排水隧道-排水口。

一、二期机组共布置8台循环水泵，用于提供海水循环的动力，其参数见表1。每台循泵配有1台具有冲洗功能的旋转滤网。一、二期机组共布置4套60 kg/h和2套4 kg/h次氯酸钠电解发生器，用于杀灭吸入循环水系统的海洋生物。

2.3.2 发电厂应用热泵的优势

（1）海水排出温度较高

海水在发电机组中的主要用途是作为发电热力循环的冷源。大量海水通入各机组凝汽器，带走汽轮机排气凝结所释放出的汽化潜热，使蒸汽充分凝结建立真空。在海水通过凝汽器后，温度有较大幅度的上升。全年各月份海水原水和排水温度变化对比如图2所示。

海水原水温度随季节变化明显，在夏季温度略高，但在冬季温度较低仅有10℃左右。然而海水经过凝汽器获得热量后，其温度明显高于海水原水温度，即使在冬季也能保持在20℃以上，其温度在夏季甚至能达到40℃。

由此可见，海水热泵如果使用火力发电机组的海水排水作为冷源，其冷端换热量将明显大于直接取用海水原水作为低温热源的海水热泵，即利用机组排水将使海水热泵的效能大幅度提升，其经济性将显著优于使用原水的海水热泵。

（2）取水管道和设备可直接使用，可大幅减少建设成本

以该发电厂为例，夏季工况运行方式为一期4台循环水泵运行，二期3台循环水泵运行；冬季工况为一期2台循环水泵运行，二期2台循环水泵运行。计算可得该发电厂夏季循环水总量为261 024 m3/h，冬季循环水总量为185 112 m3/h，能够充分满足多台大型热泵的需要。

另外，在发电厂设计建设海水管道时，就已考虑到取/排水口位置对周围生态环境、船舶通行、养殖业的影响，同时，地质沉降、海水腐蚀等问题也有相应的解决措施。

在发电厂内大规模应用热泵可利用其已有的海水取/排水管道和设备，能够充分满足海水热泵的相关技术要求，不必另行设计、施工取/排水口和管道，从而能够大幅度降低建设成本，提升海水热泵应用的经济性。

（3）可有效避免海洋生物及垃圾进入热泵

该发电厂循环水系统配有4套60 kg/h和2套4 kg/h次氯酸钠电解发生器，以海水为原料，电解制取次氯酸钠，并在取水前池连续投放，定期进行冲击投放，可有效杀灭吸入的海洋生物。

每台循环水泵入口设有旋转滤网，可过滤掉大部分海洋垃圾。旋转滤网定期进行反冲洗工作，保证滤网的过滤效果。少数未被过滤掉的垃圾随海水进入凝汽器，凝汽器循环管路由密集的细钛管列组成，绝大多数垃圾无法通过钛管，而在凝汽器进水室内沉积下来，在凝汽器定期清洗工作时被清除。

经过加药灭活、滤网过滤、凝汽器钛管后，凝汽器循环水的出水已经是相对清洁的海水，已去除大部分海洋生物和垃圾，此时作为热泵的冷源水即可避免海洋生物和垃圾引起的各类问题。

（4）能源投入的优势

海水热泵的运行本身需要投入一部分高质能，主要是压缩机的能耗，发电厂在这方面具有天然优势，压缩机的用电耗能可直接计入厂用电，这比在电网取用电能要经济很多，甚至可以引用全厂辅汽冲动小汽轮机作为压缩机的动力，这将有更高的经济性。

表1 循环水泵技术参数

2.3.3 应用海水热泵对发电厂自身的益处

（1）对于凝汽式发电机组，其综合效率一般在35%～45%，主要能量损失为凝汽器冷源损失，大量低质量热量被循环水带走，转换为循环水的热能，并最终排放掉。如果以这种携带有大量低质热能的海水作为海水热泵的冷源水，可在一定程度上回收发电热力循环的冷源损失能量，从而提升全厂的经济效益。

（2）目前我国正大力发展清洁新能源以逐步替代传统的化石能源，光伏、风电、核电、地热、潮汐等能源的开发都有了长足进步，政府对新能源项目提供高额的补贴和政策优惠。海水热泵的应用是对海洋能资源的开发，属于新能源的范畴，发电厂发展应用海水热泵无论对社会还是企业自身都是有益处的。

（3）化石燃料短缺，国内、国际煤价日益升高，发电企业的运营受到空前压力，众多火力发电企业面临低利润甚至亏损的窘境。企业要突破困境和发展，就必须转型升级、多维发展。应用海水热泵，扩展区域供热业务，是转型的道路之一。况且，发电厂应用海水热泵本身具有极高的优势，其更加高效，成本更低。

3 发电厂应用海水热泵的总体设计

3.1 供热需求分析

当前，我国建筑能耗占全国能源消费总量20%左右[7]，2015年中国建筑能源消费总量达到8.57亿吨标准煤。随着经济的发展和国家城市化进程的推进，这个数值将不断增大。我国沿海区域是经济发展相对集中区域，发达城市数量多、规模大，因此，沿海区域也是建筑能耗消费的集中区域。建筑能耗主要是建筑物的空调制热和制冷的供热需求量巨大。另一方面，由于沿海区域有着交通运输便利、经济发展程度高等优势，大量工业区建设在沿海区域，有着巨大的工业用热需求。这些都为沿海地区使用海水热泵供热提供了先决条件。

以该发电厂为例，其距离所在地级市的市区40 km，距离所在县级市的市区20 km，而且在20 km半径范围内包含临港工业区和大量电器、电子企业，有极大的供热需求量。

3.2 热泵选型分析

目前工业上大型热泵主要有以溴化锂热泵为代表的吸收式热泵和以CO2（二氧化碳）热泵为代表的压缩式热泵，这2类热泵各有优缺点。现根据其各自特点和供热实际需求进行分析。

3.2.1 溴化锂吸收式热泵

溴化锂热泵是典型的吸收式热泵，以高温蒸汽为动力，溴化锂浓溶液为吸收剂，水作为工质，利用水在低压真空状态下低沸点的特性，吸收低温热源的热量，通过溴化锂浓溶液回收热量并制取热水。溴化锂吸收式热泵机组一般是由取热器、浓缩器、一次加热器、二次加热器及高低温热交换器所组成。运行原理如图4所示[8]。

图4 溴化锂压缩式热泵原理

3.2.2 CO2压缩式热泵

CO2热泵是典型的压缩式热泵，其基本原理是以CO2为循环工质，低温气态CO2在压缩机内被压缩，其温度和压力升高，转换成超临界CO2流体，然后进入冷却器放热，将热量传递给水。再经节流阀降压，变成低温低压液态CO2，并进入蒸发器。在蒸发器内，液态低压CO2吸收低温热源的热量并蒸发形成气态CO2，然后再次进入压缩机被压缩[9]。通过上述循环，将低温热源的热量传递至高温水。其热力循环如图5所示，设备组成如图6所示。

3.2.3 2类热泵特性对比分析

2类热泵的实际情况对比如表2所示，现就能耗效率、出水温度、运行成本3个方面进行对比分析。

（1）能耗对比

图5 CO2热力循环压力-热量图

图6 CO2热泵结构

实际运行中，使用CO2压缩式和溴化锂吸收式热泵均需要投入一定的能量。溴化锂吸收式热泵需要投入一定量的高温蒸汽用于吸收剂的浓缩。CO2压缩式热泵需要投入一定量的能量用于提供压缩机的动力，通常使用电机或小型蒸汽轮机，在发电厂中，使用蒸汽驱动压缩机更具经济性。效率方面，溴化锂吸收式热泵COP＜1.8，而CO2跨临界热泵COP＞4.5，这是由于在热力循环原理上，压缩式热泵效率优于吸收式热泵。另一方面，CO2的临界温度只有31℃，容易实现跨临界[11]。同时CO2有较高的单位容积制冷量；较低的压缩比；传热性和流动性能也较好，这使得CO2跨临界压缩式热泵优于其他工质的压缩式热泵。

（2）出水温度的比较

根据其工作原理，溴化锂吸收式热泵出水温度最高80℃。但实际应用中，由于低温热源温度不稳定等原因，如海水温度的季节性变化等，溴化锂热泵的实际出水温度一般在60～70℃，而且在冬季工况，溴化锂热泵效率将大幅降低。

CO2跨临界压缩式热泵，极限供水温度能达到105℃以上，在一般情况下也能维持在90℃以上。完全可以达到城市和工业供热的需要，比较适合用于海水热泵供热。

（3）成本的对比

溴化锂吸收式热泵运行时需严格控制溴化锂溶液的浓度，如果溴化锂结晶，将导致热泵的性能下降甚至无法正常运行。同时，必须严格防止溴化锂系统内漏入空气，否则溴化锂溶液将严重腐蚀热泵内的金属。运行中需要向溴化锂溶液添加缓释剂，用于延缓溴化锂结晶和对金属的腐蚀。另外溴化锂的价格相对较高，设备造价高。综上，溴化锂吸收式热泵的综合成本相对较高。

CO2性质稳定，不会腐蚀管道，且运行压力高于大气压，不存在空气漏入、污染工质的可能性，运行中只需定期补充CO2即可，其价格也相对便宜。因此，CO2热泵的成本更低，运行寿命更长[12]。

综上所述，CO2跨临界压缩式热泵因其高效、高出水温度、低成本的特点，更适合在应于发电厂海水热泵供热的工程中。

3.3 总体设计

以该发电厂为例，在排水连接井处建立由数台大型CO2跨临界压缩式海水热泵组成的热泵站，总体流程如图7所示，直接利用该发电厂已有海水取水系统的设备和管道，在排水连接井处取热海水（夏季40℃、冬季20℃）作为热泵的低温热源。在热泵提取热量后，将海水排回至排水连接井，排入大海。

表2 溴化锂吸收式和CO2热泵机组特性比较[8]

图7 火力发电厂应用CO2跨临界海水热泵供热总体流程

热泵系统由压缩机、冷却器、节流减压装置、蒸发器，以及回热装置、气液分离器等附属设备组成。热泵循环所需要的压缩机采用蒸汽动力。从该厂的全厂辅汽母管（压力0.8 MPa）引出1路用于驱动小型汽轮机，以拖动热泵压缩机。

以城市自来水或该发电厂海水淡化出水为补水，进入热泵内加热至90～110℃，一方面可向发电机组提供高温补充水，另一方面向周边城市、工业区、企业供热。供热后回水沿管路回至热泵站，并再次加热用于供热。

4 海水热泵的应用前景

4.1 调整能源结构

2015年，全国建筑能源消费总量为8.57亿吨标准煤，占全国能源消费总量的19.93%[13]。建筑物能耗是国家能耗的重要组成部分，是节能减排的重要研究方向，而建筑物能耗主要由制冷和制热组成。海水热泵的效率非常高，利用海水热泵为建筑制热提供所需的能量，可以取代锅炉蒸汽制热、空调制热、电制热等制热方式。另外，海水热泵提供的热水也可广泛应用于纺织、印染、化工等领域。要节能减排必须持续提高清洁能源比例[14]，海水热泵供热作为一种清洁能源，对化石燃料和电力有一定的替代作用，这对于国家减少化石燃料的使用具有重要意义，可以有效地改善国内能源结构。

4.2 降低污染物及碳排放，抑制热污染

对化石燃料和电能的替代作用同时也可以有效降低燃烧和发电产生的污染物和碳排放。另外，在火力发电厂应用海水热泵还可降低冷却水排水温度，抑制局部热污染。

4.3 充分发挥优势，效率高

如上文所述，火力发电厂因其独特的排水温度优势和建设基础优势，非常适合应用海水热泵。相较于直接在沿海地区应用海水热泵，火力发电厂应用海水热泵具有效率更高、投资更低的特点。

4.4 可推广范围大

我国有1.8万km的海岸线，沿海区域正是我国经济发展的集中区域同时也是能源消耗的集中区域[15]，我国沿海建设有数十座大型火力发电厂，在此应用大型海水热泵，对沿海城市供热具有非常大的推广空间。

5 结语

海水热泵通过少量的高品位能量换取海水中的大量低品位能量，具有很高的应用价值。海水热泵的应用可以补充甚至替代我国当前的部分化石能源，改善国家能源结构。在现代大型火力发电厂应用海水热泵具有多方面的优势。CO2跨临界热泵具有高效、高出水温度、低成本的特点。在现代大型火力发电厂，建立大型CO2海水热泵站提取发电机组循环海水回水的热能用于城市、工业区、企业的供热，具有极高的经济价值和环保价值，值得发展和推广。