热电联产的新型热泵使用介绍

陈 杨

(黑龙江省林业设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 地热能利用的发展现状

地热能被处理后用来做温泉已经有几个世纪的历史了，它可以用作居民生活热水和取暖，并因此减少了温室气体的排放，提高了能源供应的多样化，是取之不尽的可再生能源。目前已经开发的一个项目，现有的钻孔提供了低焓地热水，其出口温度约为95℃，有高含量的可燃气体，特别是甲烷。为了整合区域内的地热资源，完善供暖系统的多样化，建议将热泵集成到现有的集中供热系统，同时通过以下方法回收可燃气体的热量在热水锅炉中直接燃烧，或在微型燃气轮机热电联产机组中燃烧，以达到充分利用地热水中的能量的目的。

2 玉泉县地热能利用的应用实例分析

2.1 玉泉县地热能调研与供热条件确定

根据分析地热水在三个调试钻孔时的报告，其最大可用体积流量约为50.4L/s，相当于有效热势为13.2MW。利用这一潜力最简单的解决方案是在实际的燃油燃烧过程中，将气体直接投入燃烧水的锅炉中，完全取代液体燃料，考虑到热水锅炉效率约为90%，可利用的热势约为3.2MW。但是有可能现有的供暖系统没有使用液体燃料，只有固体燃料。因此，最好的解决方案是将可燃气体投入微型燃气轮机热电联产机组使用，这样不仅可以向居民供暖，还可以产生一部分电能，用于供给当地的电力公司的电网。

目前玉泉县地热资源主要被用于附近的一系列酒店和水疗中心，最大体积流量提供的地热在92～95℃的温度下为180L/s的水，玉泉县约有85000名常住居民居住在与集中供暖相连的公寓系统内，玉泉县的热需求是40000KW，其中取暖35000KW，生活热水5000KW，这个城镇的暖气系统是使用三种典型的热能设计的，提供地热集中供热系统供暖站四季不间断，完全覆盖生活热水制备的热需求和寒冷季节下的供暖工作。当暖气系统打开时，因为温度从供热系统返回到热流体系统，大约是45℃，并以这种温度流入河流[1]。这样，地热的热潜能水并没有完全被利用。之前提出回收可用热能的解决方案，与之前的情况相比系统效率的提高约为83%。当加热系统产生的总热能仅使用液体燃料时，从排入河水中使用水-水蒸气压缩热泵，将热泵加入地热站运行方案，这个热泵只在寒冷季节工作。当集中供热系统所需的电力超过了现有板式换热器的热功率时，地热站在热泵蒸发器中地热水被冷却到大约30℃，然后流入附近河流。冷凝器与板式换热器平行运行，地热水热交换器进入加热系统的热流体流，从而实现系统供给的热量增加。此系统可供给地区大约2/3热量需求，剩余的热能和峰值热能可使用燃油热水锅炉或使用从可燃气体中回收的热能供应相对应的范围。热泵必须在蒸发的情况下运行温度约为25℃，冷凝温度为超过90℃，从目前的制冷剂来说，制冷剂使用R123和R245fc，以及一些碳氢化合物可以达到要求。最好的选择是高温制冷剂R123，其具有很高的稳定性，且具有防火性和非爆炸性，它还有着便于安装和压缩比小的优点。选择高温制冷剂R123，还可以降低对自然环境影响，其具有消耗臭氧层的潜力(ODP)接近零(ODP=0.02)和全球变暖电位(GWP)值很小(GWP=120)。对于一级热泵的热力循环，R123循环效率也优于其它制冷剂。蒸发器内的温度变化地热水被认为是50℃/30℃，制备的热流体的变化冷凝器45℃/85℃，最大可用容积地热水流量为100L/s，热能为蒸发器为8400KW，冷凝器的热功率为10600KW，耗电量为压缩机功率为2300KW。这些结果是通过以R123为制冷剂的热泵运行模拟[2]。

2.2 微型燃气轮机热电联产机组供热方案研究

通过采用这种解决方案，地热站的供暖系统覆盖了约占72%区域所需的热能。但是考虑到它产生的同时，当用于加热的热能只用液体燃料时，产生了二氧化碳和其他污染气体，这些影响也非常重要。在这种情况下，如果热泵所需的电力由可再生能源(如微水力发电)产生，那么系统可以在几乎整个寒冷季节只使用“绿色”能量供暖，液体燃料热水锅炉只有在最终的高峰或紧急情况使用[3]。微型燃气轮机热电联产机组的应用能完全利用气体的燃烧潜能，小型燃气轮机热电联产机组，使用气体或液体燃料，已经大约在2000年商业化并投入使用电力生产效率约为28%～30%，而且电能和热能的联合生产是约75%～78%(排气温度为90℃)，其优点是无需化学处理的低污染排放或加速燃烧，可使用多种液体和气体燃料，包括含有高含量硫化氢(H2S)的气体。此外，还可以提到以下优点：优化全负荷永久运行；能够跟踪用户的负载变化；无人值守工作自动化；噪音低；对空间的要求小；维护间隔较长(大约8000h)和保证运行80000h以上等等。主要缺点为：微型燃气轮机热电联产机组的使用电力效率较低，而且价格仍然很高。MT250型汽轮发电机组压缩比率约为6，内部效率值压缩机约为80%～85%，温度为大约250℃的压缩空气。燃烧室运行时空气过量系数约为5～6，排气含氧量约为15%，涡轮压缩机组的转速非常高：65000～70000r/min，废气温度为大约500℃，在内部涡轮效率值大约是85%～90%热回收换热器之后，废气的温度大约是280℃。热水锅炉已开启电子控制的旁通阀的气体侧热负荷，这个微型燃气轮机热电联产的综合效率单位约为电和热的分开生产的45%。它被认为是经济收益比率12%；计划投资回收期7年；热力循环内部热回收率-0.63；预期寿命15年。良好微型燃气轮机机组的条件投资者的满意度非常高，实际上，因为燃料成本几乎为零，财务指标有更好的数值，燃料为天然气从地热水中回收,这些结果表明这样的解决方案是完全可行的[4]。

3 结语

地下热水的热势分布区域的可燃气体是重要的能源储备。高级的地热能开发方案，使用热泵的相关技术使利用这种资源的可能性成为可行，它可以提供冬季所需最高热量的70%以上。其余的高峰(对于极端天气条件)还可以在液体燃料热水锅炉中生产或使用从可燃气体中回收的能量进行补给。利用可燃物的微型燃气轮机机组地热水中含有的可燃气体能得到很好的利用。热电联产的优势是非常值得注意的，其解决供暖问题的方案具有极大的可操作性和灵活性。可以有选择地使用热泵，在夏天降低热泵热负荷运行部分，在这种情况下，地热水流显著收缩，从而有助于地热资源微型燃气轮机的长期使用，热电联产机组带来了一个巨大的整体供热系统效率和自主操作回报时间大约7年的低维护成本和高可靠性，使得这个解决方案对于潜在的投资者更加的有吸引力。设备也可以为设计模块化功能(更多小容量单元)根据变量允许动态响应城市消费者的需求。因此，在地热能源使用方面，该方案可以确保资源节约与区域可持续发展的要求，以及该地区的发展迫切愿望。