火电厂建筑物采用热泵供暖的选型与方案研究

纪万里

西北电力设计院

大型抽凝式燃煤发电机组，发电后低品位的冷凝热，约占发电过程中燃料热量的50%～60%以上，一般通过空气或冷却水排放掉，造成能源很大浪费，众所周知，采用热泵技术可以有效和充分利用凝汽器循环水中的冷凝热量用于供热，而不影响机组的发电能力，从而提高热机综合效率、降低电厂煤耗[1-2]。对采用间接空冷系统的火电厂，结合间冷循环水工况以及不同的供暖工况，选择何种型式的热泵及其供暖方案的优化分析，将是本文研究的内容。

1 计算分析依据

1.1 原始数据

本文以新疆哈密地区的1000 MW 级间接空冷发电机组项目为依托工程进行研究。根据间冷循环水温工况列表，冬季时进、出冷却塔的间冷循环水温按35～25 ℃考虑。该地区供暖原始数据如下：室内计算温度18 ℃，供暖室外计算温度-19 ℃，供暖期室外平均温度-5 ℃，供暖天数158 天，供暖期供暖小时数3792 h，供暖平均小时数2357 h[3]。

1.2 相关数据的计算依据

节能效益计算中把年消耗蒸汽量或年节省的蒸汽量均换算为电量，称为当量电量，节能率以年耗电量为基数计算。因各方案的水泵配置基本一致，故效益比较中只计入主机用电量，电价按0.25 元/kWh 计算。

电厂内常规供暖系统的加热热源通常采用0.5 MPa 的饱和蒸汽，加热设备为汽水换热器，为便于比较，吸收式热泵的驱动热源也采用0.5 MPa 的饱和蒸汽，并根据此参数折算电量。

相关数据的计算式如下：

1）常规系统年蒸汽耗量（t/a）=设计工况的蒸汽耗量（t/h）×供暖平均小时数（h）；

2）吸收热泵年蒸汽耗量（t/a）=热泵设计工况蒸汽耗量（t/h）×供暖平均小时数（h）；

3）电动热泵年用电量（kWh）=设计工况电功率（kW）×供暖平均小时数（h）；

4）吸收热泵年用电量（kWh）=设计工况电功率（kW）×供暖期供暖小时数（h）；

5）节能率=与基准方案用电量之差或年节约电量/基准方案用电量。

2 热泵供暖选型分析

2.1 热泵供暖工况确定

考虑电厂建筑物及其生活区的供暖需求，取对外供暖面积20 万m2，按综合热指标70 W/m2计算，供热量14000 kW。

因热泵适合制取温度较低的热水，根据冬季电厂间冷循环水温，热泵出水温度在65 ℃及以下时，电动热泵制造商的技术和制造水平都能达到此要求，故选取电动热泵和吸收式热泵都适用的三种出（供）水温度[4]，见表1：

表1 热泵供水温度工况

其中工况一比较适合常规散热器供暖，工况二和工况三适宜地面辐射供暖系统以及空调热水系统[5]。

2.2 热泵型式选择

三种供水温度工况下，采用电动压缩式热泵、吸收式热泵与常规供暖系统的节能效益比较见表2：

表2 各水温工况节能效益比较

将电动热泵，吸收式热泵的节能率和设备投资回收期随出水温度的变化关系分别回归整理在图1 和图2 中：

图1 热泵节能率与出水温度关系图

图2 热泵投资回收期与出水温度关系图

从表2 和图1、2 中可看出，随着出水温度升高，电动热泵的节能率显著下降，吸收式热泵的节能率则变化平缓、稍有上升。出水温度在60 ℃附近时，二者节能率相同，约为49%，但低温时电动热泵的节能率大幅度高于吸收式热泵，如出水温度45 ℃时电动热泵的节能率是吸收式热泵的1.4 倍。

电动热泵和吸收式热泵的设备投资回收期都随着出水温度增大而增加，但电动热泵的增加幅度更大，出水温度在50 ℃附近时二者的投资回收期相同，约为2.6 年。如果以设备投资回收期作为节能效益的比较标准，出水温度在50 ℃以下时，电动热泵的节能效益优于吸收式热泵，说明电动热泵更适宜低温水供暖（如地板辐射供暖）和制取冬季空调热水，而出水温度在50℃以上时，吸收式热泵的节能效益优于电动热泵，吸收式热泵更适合水温较高的散热器供暖系统。

3 热泵供暖方案研究

3.1 各温度工况节能性分析

由于火电厂大部分建筑物使用高温水供暖，从分析计算可知，电厂建筑物供暖更适合采用吸收式热泵。以哈密地区2×1000 MW 火电厂为例，建筑物供暖总热负荷12000 kW，其中主厂房热负荷8000 kW，供回水温度110 ℃/70 ℃，辅助建筑物热负荷4000 kW，供回水温度110 ℃/70 ℃或者采用85 ℃/60 ℃水温[6]。

采用吸收式热泵将回水从70 ℃提升至80 ℃或90 ℃，或者从60 ℃提升至85 ℃，那么相比常规供暖系统，三种温度工况下的热泵供暖节能效益比较具体见表3：

表3 各温度工况节能效益比较

从表3 可得出，供水和回水温度对吸收式热泵的节能效益都有影响，随着回水温度和热泵制取的供水温度提高，即热泵运行条件恶化，其节能率降低、投资回收期增加，从表3 可看出工况一（供回水温85/60 ℃）的投资回收期最少，节能效益较优。

3.2 供暖方案比较

针对电厂建筑物使用高温水供暖的情况，其供暖热源采用吸收式热泵和常规蒸汽加热系统联合运行的方式，可组合成以下四种供暖方案，见表4：

表4 供暖方案表

热泵方案中所用蒸汽参数与常规方案相同，因各方案水泵等设施配置基本一致，不进行比较，设备用电量中仅计入热泵的电量。常规方案和热泵方案中的方案一、方案三的系统图分别见图3、图4 和图5：

图3 常规方案系统图

图4 热泵方案一系统图

图5 热泵方案三系统图

各方案的节能效益比较见表5，表中年节能经济效益为年节约运行电费与热泵年运行电费之差。

表5 各方案节能效益比较

从表5 可得出，热泵的节能率及其产生的经济效益都随着热泵在总供热量中承担份额的增加而提高，且年节能经济效益随着节能率的提高而增加，因设备投资回收期涉及热泵投资，所以回收期时间长短并不与节能率或经济效益存在直接比例关系。如果以投资回收期作为经济效益指标来判断，方案一最优，其次为方案三和方案二，方案四次之。

4 结论

通过热泵技术利用火电厂间冷循环水余热，应用于电厂建筑物供暖和冬季空调系统，在本研究范围内得出以下结论：

1）采用热泵提取间冷循环水余热，制取低温供暖热水或冬季空调热水，当供水温度不超过65 ℃时，不论采取何种型式热泵，都可获得44%以上的节能率。

2）如果以设备静态投资回收期为判别依据，当供水温度在50 ℃以下时，电动热泵的节能效益较优，而供水温度在50 ℃以上时，则吸收式热泵的节能效益较优。电动式热泵更适宜地板辐射供暖等低温水系统和空调热水，而吸收式热泵更适合热水温度较高的散热器供暖系统。

3）随着供暖回水温度和吸收式热泵制取供水温度的升高，热泵节能率下降、投资回收期增加。利用热泵加热的供回水温为85/60 ℃时，节能效益最优、80/70 ℃的工况次之、90/70 ℃的工况再次之。

4）采用吸收式热泵和蒸汽加热联合运行的供暖方案中，相对常规供暖系统，热泵的节能率及其产生的经济效益都随着热泵在总供热量中承担份额的增加而提高，但设备投资回收期并不与节能率或节能经济效益有直接比例关系。

5）以设备投资回收期作为节能效益判别标准，在本研究的四个联合供暖方案中，当辅助建筑物用供回水温85/60 ℃供暖、主厂房供暖的热泵和蒸汽加热温度段分别为70 ℃-80 ℃及80 ℃-110 ℃时，该方案最优。当全厂建筑物供暖供回水温统一为110/70 ℃、热泵和蒸汽加热温度段分别为70 ℃-80 ℃及80 ℃-110 ℃时，该方案次之。