基于喷射式换热的水热型地热集中供热系统效益分析
2020-12-11孙方田郝宝如陈旭张世钢
孙方田,郝宝如,陈旭,张世钢
(1.北京建筑大学北京市建筑能源高效综合利用工程技术研究中心,北京100044;2.丹麦技术大学土木工程学院,林比市2800;3.北京热科能源技术研究有限公司,北京100083)
0 引言
为打赢“污染防治攻坚战”,京津冀大气污染传输通道城市(以下简称“2+26”城市)正积极推进清洁供暖工程[1]。水热型地热因其温度高、能量密度高等特点被视为理想的清洁热源[2]。开发水热型地热用于城镇采暖将有助于实现供热领域节能减排的目标,在“2+26”城市区域具有较好的发展前景。
目前,常规的水热型地热供热模式因其一次热网供/回水温差小而导致其经济供热半径短、供热规模较小、资源开发利用率低[3-5]。水热型地热资源因复杂的地质构造与构造运动而形成极不均匀的资源分布,且部分可开发的大型水热型地热田远离供热负荷的中心[6-7]。
大温差输热可增大供热半径,有望解决水热型地热田与供热负荷区空间分布不匹配的问题[8]。增效型喷射式换热机组因其系统简单、结构紧凑,可在热力站替代传统的水-水换热机组,以实现大温差输热[9]。鉴于此,本文提出了一种基于喷射式换热的水热型地热集中供热新模式。
1 基于喷射式换热的水热型地热集中供热系统
1.1 系统构成
基于喷射式换热的水热型地热集中供热系统(以下简称新型供热系统)主要由热源站、一次热网、热力站和二次热网构成,其流程如图1所示。
图1 新型供热系统流程示意Fig.1 Flow chart of the new central heating system
热源站主要由地热井、潜水泵、烟气余热回收器、水-水换热器、基础锅炉和调峰锅炉组成。热力站主要由增效型喷射式换热机组构成。增效型喷射式换热机组主要由增效型喷射制冷机和水-水换热器组成,其流程示意如图2所示。
图2 增效型喷射式换热机组系统流程示意Fig.2 Flow chart of the enhanced ejector heat exchanger
1.2 系统运行原理
在热源站,来自开采井的地热水作为热源进入水-水换热器用于加热一次回水,放热降温后返至回灌井。一次回水首先分为2路,分别进入水-水换热器和烟气余热回收器;然后,2 路一次热网循环水汇合,依次进入基础锅炉和调峰锅炉被逐级加热升温,最后经由一次热网被输配至各个热力站。
在热力站,一次供水首先作为驱动热源进入增效型喷射制冷机的发生器,以驱动制冷机工作的方式放热降温;随后,作为加热热源进入水-水换热器,通过加热二次回水继续放热降温;然后,作为低温热源进入增效型喷射制冷机的蒸发器进一步放热降温;最后返回热源站,如此循环。二次回水分为2路,一路进入增效型喷射制冷机的冷凝器,被气态工质加热升温,另一路进入水-水换热器被一次热网循环水加热升温;升温后的2 路二次热网循环水汇合,作为二次供水被输配至各个热用户,如此循环。制冷工质在冷凝器中被冷凝为液态工质后被分为2路,一路经工质泵进入发生器,并被高温一次热网循环水加热,变成高压制冷工质蒸气,并作为工作流体进入喷射器,另一路经节流装置进入蒸发器,并被低温一次热网循环水加热,变成低压制冷工质蒸气,并作为引射流体进入喷射器;然后,2股流体在喷射器中混合后进入增压机增压;最后,制冷工质进入冷凝器被低温二次热网回水冷却凝结,如此循环。
2 评价指标
(1)化石能源利用效率(EEFF)是指总供热量(Φout)与所消耗的化石能源输入之比[9],其中化石能源包括天然气和电能所折算的煤。
式中:qV为天然气体积流量,m3/s;Qlhv为天然气低位发热量,kJ/m3;ηtpg为火力发电效率;P 为供热系统电功率,W。
(2)产品㶲效率(PEE)是产品输出㶲流与输入㶲流之比[10],
式中:Expro为产品㶲流,kJ;Exin为输入㶲流,kJ。
(3)供热成本由能源成本和非能源成本组成。其中,能源成本包括天然气费用和电费;非能源成本包括固定资产折旧费(D)和维修费及其他。
式中:i 为年利率,%;T 为固定投资,万元;n 为设备使用年数。
(4)投资回收期
式中:I 为项目年总收入,万元;A 为项目年总费用,万元。
3 案例分析
以北方某供热工程为案例,二次热网供/回水温度为45/35 ℃,供热负荷为50 MW,地热水出口温度为85 ℃,天然气价格为2.36 元/m3,电价为0.779 5元/(kW·h)。为便于分析新型供热系统特性,以常规燃气锅炉集中供热系统为基准,分析作如下设定:(1)增效型喷射式换热机组的工作流体和引射流体均处于饱和状态,制冷剂节流过程被视为绝热过程;(2)喷射器的喷嘴效率(ηn)、混合效率(ηm)和扩散效率(ηd)分别为0.92,0.89,0.88[11-12];(3)喷射器内制冷工质保持一维稳定流动;(4)增压机和工质泵的效率均为0.85;(5)忽略热网以及机组的热损失和水泄漏;(6)一次热网和二次热网是2个独立的循环系统,均采用质调节;(7)㶲计算的基准温度和压力分别为0 ℃和101.325 kPa;(8)一次热网的输热距离若无特殊说明,均为10 km;(9)地热水质较好,未考虑水质处理及维护费。另外,因常规和新型集中供热系统的二次热网相同,不在以下环节进行讨论。
3.1 热力参数
供热系统主要热力参数见表1。由表1可知,相对于常规供热系统,新型供热系统的燃气锅炉(基础锅炉+调峰锅炉)容量降低了约51.8%。这是由于新型供热系统利用水热型地热能承担部分供热负荷,降低了燃气消耗量。较低的一次回水温度有利于增大一次热网输热温差,高效利用水热型地热能和低温烟气余热。新型供热系统可将一次热网回水温度降低至25 ℃,将一次热网供/回水温差提高了约23.5%,从而降低一次热网循环水流量及其循环泵电耗。新型供热系统将地热水回灌温度降至30 ℃,提高了地热利用率。
表1 2种供热系统主要热力参数Tab.1 Main thermodynamic parameters of the two heating systems
3.2 热力学性能
供热系统热力学性能参数见表2。由表2可知,2 种供热系统的不可逆损失主要集中在热源站和热力站,其中热源站子系统的不可逆损失较大。
新型供热系统热源站、一次热网和热力站的产品㶲效率分别较常规供热系统提高约14.6,2.1 和4.0 百分点。与常规供热系统相比,新型供热系统的系统产品㶲效率提高约9.7 百分点,化石能源利用效率提高约86.0 百分点。从热力学性能角度来看,新型供热系统的能量转换、传递与利用工艺较为先进。
表2 2种供热系统热力学性能参数Tab.2 Thermal performance parameters of the two heating systems
3.3 节能环保效益
2种供热系统的年能耗结构如图3所示。
图3 2种供热系统年能耗结构Fig.3 Energy consumption of the two heating systems
由图3 可知,2 种供热系统的年供热量相同,但是其系统能耗结构分布不同。常规供热系统供热量均由燃气锅炉提供,而新型供热系统通过利用水热型地热和回收部分低温烟气余热大幅降低了燃气锅炉的供热负荷,其燃气供热量仅占总供热量的30.1%。由此可见,新型供热系统具有较好的节能效益。
2种供热系统大气污染物排放量见表3。由表3可知,新型供热系统的天然气年消耗量较常规供热系统减少了约70%,单位供热面积每年可节省天然气约7 m3。相较于常规供热系统,新型供热系统每年可降低烟气、CO2以及NOx排放量,分别为9 892.36 万m3,16 189.61 t 和5.94 t。由此可见,新型供热系统具有较好的节能环保效益。
表3 2种供热系统大气污染物排放量Tab.3 Atmospheric pollutants of the two heating systems
3.4 经济效益
供热系统的设备投资按照市场平均价格计算,其他费用按照《市政工程投资估算指标》[13]进行计算,2种供热系统的初投资见表4。
表4 2种供热系统初投资Tab.4 Investment of the two heating systems 万元
由表4 可知,新型供热系统的初投资约是常规供热系统的2.24 倍。这是由于基于喷射式换热的水热型地热集中供热系统需要在热源站增加了地热井、潜水泵等投资,并在热力站采用高成本的增效型喷射式换热机组替代低成本的常规水-水换热机组。
图4 2种供热系统供热成本分布Fig.4 Heating costs of the two heating systems
2 种供热系统的供热成本分布如图4 所示。由图4可知,与常规供热系统相比,新型供热系统能源成本在其供热成本中的占比相对较低,但其非能源成本较高。相对于常规供热系统,新型供热系统的供热成本可降低32.47 元/GJ。
3.5 地热输送距离对系统经济效益影响
供热系统地热输送距离与供热成本的关系如图5 所示。由图5 可知,2 种供热系统的供热成本均随地热输送距离增加而增大。常规供热系统的一次热网投资较大、运行能耗较高,导致其供热成本增长较快。对于相同的地热输送距离,新型供热系统的供热成本远低于常规供热系统的。
图5 地热输送距离与供热成本关系Fig.5 Relationship between the transportation distance and the cost of heat supply
供热系统的投资回收期与地热输送距离关系如图6 所示。由图6 分析可知,2 种供热系统的投资回收期均随着地热输送距离的增加而增大。常规供热系统因其供热成本较高、利润较小而导致其投资回收期增幅较大。当地热输送距离小于6 km 时,常规供热系统的投资回收期较低;当地热输送距离大于6 km 时,新型供热系统的投资回收期较低。当地热输送距离为10 km 时,新型供热系统的投资回收期约为5.0 年,而常规供热系统的约为5.6 年。此时,新型供热系统的供热成本和投资回收期均低于常规供热系统。
图6 地热输送距离与投资回收期关系Fig.6 Relationship between the transportation distance and the payback period
若以10年作为行业基准投资回收期,新型供热系统的地热经济输送距离长达55.2 km,较常规供热系统的增加了约33.0 km。在此条件下,新型供热系统供热成本约61.69 元/GJ,比常规供热系统降低41.19 元/GJ。因此,新型供热系统可有效解决水热型地热田与供热负荷区空间分布不匹配的问题,适用于地热长距离输送的供热项目。
4 结论
本文对基于喷射式换热的水热型地热集中供热新模式的节能、环保及经济效益进行了分析,得出以下主要结论。
(1)增效型喷射式换热机组可减少热力站换热过程中不可逆损失,将一次回水温度降至25 ℃,增大一次热网供/回水温差,增加地热经济输送距离。
(2)较低的一次回水温度有利于热源站水-水换热器、烟气余热回收器对水热型地热能的高效利用,并降低热源站子系统的不可逆损失,提高供热系统热力学性能。
(3)新型集中供热系统的化石能源利用效率约179.0%,产品㶲效率约21.9%,较常规供热系统分别提高了86%,9.7%。
(4)新型集中供热系统的单位供热面积每年可节省天然气约7 m3,大气污染物排放量降低约70%,节能环保效益显著。
(5)新型集中供热系统的地热经济输送距离长达55.2 km,可有效解决水热型地热田与城镇供热负荷区空间分布不匹配的问题。