基于吸收式循环热电联产集中供热技术的应用

李利新

基于吸收式循环热电联产集中供热技术的应用

李利新

介绍了清华大学提出的“基于吸收式循环热电联产集中供热技术”在大同煤矿集团公司“两区”供热中的应用，通过一个采暖期的运行数据与测试分析表明，该系统运行稳定可靠，热能利用效率高，热力站的吸收式换热机组能够将一次网回水温度降到25℃左右，同时电厂的余热回收热泵机组可回收电厂循环水余热，两者结合运用，节能与经济效果显著。

热电联产；集中供热；吸收式换热

1 概述

大同煤矿集团公司采煤沉陷区综合治理和棚户区改造工程 (简称“两区”改造工程)，是党中央、国务院、省、市关心广大煤矿员工群众的一项民心工程、德政工程和安居工程。该工程的建成，可使近10万户30万员工家属的居住条件得到彻底改善。工程分三期建设，目前一、二期工程已建成600多万m2，安置住户6万余户。根据同煤集团“两区”的建设发展思路，要不断完善矿区职工家属的居住条件，完善水、电、气、热等各项基础设施。二期工程竣工后，将华电大同第一热电厂作为集中供热的主要热源为“两区”供热。

1.1 热源情况

华电大同第一热电厂是日本侵华时期为掠夺大同煤炭于1939年建成的。解放后，电厂经过多次扩建，机组容量不断扩大，对大同市的供电及供热做出了贡献。随着机组的老化和超期服役，1#～7#机组相继关停，目前电厂利用2007年投产建设的2×135 MW空冷供热机组，掺烧附近采煤区的煤矸石，同时为大同城区供热和供电。两台CKZ135-13.24/535/535/0.245型汽轮机组，冬季最大抽汽工况下的主要热力参数见表1，采暖抽汽量为2×200=400 t/h，蒸汽参数P=0.245 MPa，T=237℃，折合供热总量约为268 MW。

1.2 热网及用户情况

连接华电大同第一热电厂与同煤“两区”各热力站的一次热力管网是由同煤集团投资建设的，一次网使用DN1 200的管线从大同一电厂输出，到达“两区”首站后分支变为 DN1 000，DN900，DN800，DN700，DN600，DN500，DN400，DN300，DN250，DN200的管线分别传输到各小区热交换站，热交换站通过换热机组吸收热量后经二次网输送到住户家中供热。一次网设计供回水温度为120℃/65℃；循环水泵单台流量1 800 t/h，扬程140 m，功率1 120 kW，3开1备。二次网设计供回水温度为70℃/50℃（挂暖）、60℃/40℃（地暖），供回水压力为0.5 MPa/0.3 MPa。

表1 大同第一热电厂汽轮机最大抽汽工况下的主要热力参数

2009年采暖季，华电大同第一热电厂为同煤“两区”供热约为260万m2。根据2009年采暖季的实际运行数据，“两区”集中供热系统的一次网供水温度在75℃～95℃之间，回水温度为45℃～55℃，温差仅为25℃～40℃左右，一次网处于“大流量、小温差”的不节能运行状态（见表2）。同煤“两区”的二次网用户80%采用地暖，2009年采暖季的实际运行供回水温度约为45℃/40℃；其余20%的二次网用户采用挂暖，2009年采暖季的实际运行供回水温度约为50℃/40℃。其中沉陷区有热力站14座，2009年采暖季仅有7座运行，二次网用户全部采用地暖，实际运行供回水温度约为45℃/35℃。

1.3 热负荷

1.3.1 采暖综合热指标

建筑采暖综合热指标是由所在地区气象条件及建筑物的围护结构特征所决定的。通过对2009年采暖季的实际运行能耗数据及供热面积的分析统计，推算同煤集团“两区”供热系统的采暖综合热指标约为60 W/m2。

表2 2009年～2010年采暖期一次网运行参数

1.3.2 供热面积统计

2009年采暖季，同煤集团“两区”供热的面积为260万m2，2010年新增供热面积370万m2，现供热总面积为630万m2。由此，根据“两区”的采暖综合热指标，得出2010年采暖季同煤“两区”总热负荷需求约为378 MW。

1.3.3 热源能力和热负荷平衡

同煤集团“两区”的热源能力和热负荷供需平衡见表3。从表3中数据可以看出，同煤集团“两区”的供热系统将面临着严重的热源能力不足的问题，2010年采暖季将会出现约200万m2的缺口，由于大气环境治理的要求，还要严格控制城区燃煤锅炉及燃煤电厂的建设。作为城市基础设施的一项重要组成部分，如果同煤集团“两区”的居民采暖问题不能解决，将严重限制该区域居民的生活水平，影响该区域的和谐稳定发展。

表3 同煤集团“两区”供热系统供需平衡

2 供热系统改造

目前，由于同煤集团“两区”改造工程的逐步建设完善，供热面积在不断加大，然而大同一电厂的热源有限，新建热电厂或大型燃煤锅炉房又会带来环境问题，为各地环保部门所严格控制；另外，管网输送能力的不足，不能满足城市建筑对采暖日益增加的需求，重新扩大主干管管径不仅投资巨大，而且对于管线密布的地下现状和交通繁杂、建筑密集的地上现状，热网的改造、重建会非常繁琐。鉴于此情况，采用清华大学提出的“基于吸收式循环的热电联产集中供热技术”，对电厂和热力站进行集中供热改造，可有效地解决这一问题。

2.1 吸收式换热

2007年清华大学首次提出了“吸收式换热”的概念和“基于吸收式循环热电联产集中供热技术”（简称“基于吸收式循环”）并与北京环能瑞通科技发展有限公司合作，相继开发出“吸收式换热机组”和“余热回收专用热泵机组”等一系列产品。

2.2 技术流程

清华大学提出的基于吸收式循环的热电联产集中供热技术流程见第13页图1。

图1 基于吸收式循环的新型热电联产集中供热技术流程

（1）热力站处安装吸收式换热机组，用于替代常规的水-水换热器，在不改变二次网供回水温度的前提下，降低一次网回水温度至20℃左右，热网供回水温度由原来的120℃/60℃变为120℃/20℃，输出温差拉大了近1倍，由此大幅度地降低了热网投资和运行费用。

（2）在电厂热网加热首站安装吸收式热泵机组，以汽轮机的采暖蒸汽驱动回收汽轮机排汽余热，用于梯级加热一次网热水。由于热网低温回水实现了与汽轮机排汽的能级匹配，使得热泵处于极佳的制热温度和更大的升温幅度，从而使热电联产集中供热系统的能耗大幅度降低。

通过新型热泵机组开发和构建新型的集中供热系统，一方面利用电厂汽轮机乏汽余热供热，可提高电厂现有供热机组的供热能力30%以上，降低系统供热能耗40%以上；另一方面实现了管网的大温差输送，可提高热网的输送能力80%左右，降低新建管网的投资和输送能耗30%以上。

2.3 改造方案

2.3.1 大同一电厂

大同一电厂2台2×135 MW机组配套安装2台余热回收热泵机组。回收汽轮机排汽余热，梯级加热热网回水，能把尾部余热回收利用并提高供热温度，额定工况下，可回收电厂余热140 MW。

2.3.2 同煤“两区”热力站

（1） 同煤“两区”有热力站48座，其中地上热力站10座，地下热力站38座。在10个地上热力站和有条件的4个地下热力站安装吸收式换热机组18台。末端是挂暖的供热系统（137万m2），使一次网回水降低至31℃；末端是地暖的供热系统（136万m2），使一次网回水降低至20℃。在不具备安装吸收式换热机组的34个地下热力站采用增加板式换热片的方式，提高板式换热器的换热面积，使一次网回水降低至43℃。通过上述改造，一次网返回热电厂的综合回水温度可降低到37℃左右。

（2）在各热力站安装一次水流量自动控制阀57个，增加了远程检测调节系统，以解决水力失调，供热不均衡等问题。

2.3.3 热源与用户供需平衡

改造后的供热系统热源与用户供需平衡见第14页表4。根据设计工况下热量数据可以看出，改造后，由于热源能力的提高，完全可以满足同煤集团“两区”600万m2的供热需求。

3 运行效果

3.1 大同一电厂吸收式热泵运行效果

从2010年10月开始，大同一电厂为同煤“两区”供热420万m2，其余的由同煤大唐电厂供热。2010年12月30日，改造工程全部完成，2011年1月5日，大同一电厂2台吸收式热泵机组和同煤“两区”的8台吸收式换热机组同时投入运行。根据“两区”的供热记录统计，供热改造系统运行前后各项数据如下。

表4 同煤集团两区供热系统改造后的热源与用户供需平衡

3.1.1 供热改造系统投运前

大同一电厂提供的一次网流量为3 000 t/h左右，平均供水温度为85℃左右，回水温度40℃左右；同煤“两区”热交换站二次网的平均供水温度为40℃左右，个别站二次网供水温度甚至低于35℃，回水温度为35℃左右。各物业站上报的小区居民测温结果显示，30%的居民室温低于18℃。

3.1.2 供热改造系统投运后

大同一电厂提供的一次网流量为3 500 t/h～3 800 t/h，供水温度升为100℃以上，回水温度在45℃左右；同煤“两区”热交换站二次网的供水温度全部达到48℃左右，回水温度为40℃左右。各小区住户的测温结果显示，除有个别靠山墙及顶层住户室温低于18℃，其余住户都在18℃以上。

3.2 同煤“两区”吸收式换热机组运行效果

2011年2月23 日，同煤“两区”将同煤大唐电厂的热源全部退出，至此，“两区”的48个热交换站，共计600万m2的供热面积全部由大同一电厂提供热源，热交换站的18台大温差换热机组也全部投入运行。运行结果如下：

（1） 一电厂的一次网流量为3 800 t/h左右，平均供水温度为100℃左右，平均回水温度为38℃左右。热交换站二次网平均供水温度在48℃左右，平均回水温度在40℃左右。

（2）同煤“两区”热交换站的18台“吸收式换热机组”一次网供水温度在100℃左右，回水温度都在25℃左右，吸收热能温差在75℃左右。机组的低温回水在综合了其他站板式换热器的回水后，给电厂的回水温度也只有38℃左右，有效地吸收了热能。现列举其中的一个热交换站做比较（见表5）。表5中所示C区热交换站原由同煤大唐电厂采用水-水管式换热器供热。

表5 同煤集团两区C区热交换站供热系统数据分析

以上数据显示，两种供热方式，在一次网供水温度相差5℃左右，流量相差60 t/h的情况下，吸收式换热机组吸收的热能温差仍能达72℃，二次网的供水温度完全能够保证，而且降低了能耗。

（3）各小区住户室内温度抽查测量结果显示，住户室温基本都保持在18℃～23℃之间。

4 结论

根据以上数据结果分析，同煤“两区”的供热改造工程，采用清华大学的“基于吸收式循环热电联产集中供热技术”取得了显著的效果，不仅有效地利用了大同一电厂的热能，而且大幅度地增加了供热面积。热交换站的吸收式换热机组，有效吸收了电厂一次网的热能，降低了一次热网返厂回水温度，为大同第一热电厂汽轮机乏汽余热回收创造有利条件，可大幅提高该电厂的供热能力和能源利用效率；同时，供热改造工程通过完善集中热网监控系统，有效解决水力失调、供热不均等问题，提高供热质量，节约供热能耗，实现能源的绿色高效利用。

[1]付林，江亿，张世钢.基于Co-ah循环的热电联产集中供热方法[J].清华大学学报 (自然科学版)，2008（09）：1 377-1 412.

Application of District Heating System Based on Co-ah Cycles in Combined Heating and Power System

Li Lixin

This paper introduces the application of district heating system based on co-ah cycles,proposed by Qinghua University,in combined heating and power systems in Datong Coal Mine Group.Analysis on running data of a whole running season showed that the system ran stably and increased energy efficiency significantly.In the heating substations,the temperature of return water is reduced to 25℃by absorption-exchangers.In the cogeneration plant,circulating water is heated by extraction steam of steam turbines and exhausted heat in absorption pumps.This system achieves a high energy saving effect and economic benefit,so it is proper to apply this system in large-scale.

cogeneration;district heating;absorption heat exchanger

TU995

A

1000-4866（2011）03-0011-04

李利新，男，1972年出生，现在大同煤矿集团鹏程公司工作，工程师。

2011-07-08

2011-07-27