热泵回收余热技术在火力发电厂的应用

王馨雨 林智成 王翔 张莉 许昱鸣

摘 要：火力发电厂运行过程中会产生大量热量，如何利用这些余热正越来越受到关注，本文将热泵技术用于火力发电厂的余热回收工作，旨在达到节能环保的目的。介绍了热泵技术，给出了凝汽式汽轮机发电厂运用热泵余热回收技术的案例，研究了火力发电厂热泵锅炉余热回收工艺的经济效益。最后，给出了热泵技术在火力发电厂推广时的难点及解决途径。

关键词：凝汽器;热泵技术;余热

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.168

1 概述

随着生产力和科学技术的不断提高，生产与生活用电量与日俱增，火力发电厂正发挥着倍增器的作用。火力发电厂余热的合理回收及利用既提高了发电机组热经济性，又加强了环境保护作用，因此越来越受到关注。实际生产过程中，火力发电厂余热存在严重损失，其中汽轮机冷源损失成为其主要部分，占发电总量比重高达六成，是减少火力发电厂热循环效率的主因。在凝汽式火力发电厂，源自汽轮机的乏气进入凝汽机后冷却凝结为水，其部分热量被传递给冷却水，剩余热能则经水塔向环境释放，汽轮机的冷源损失由此形成。表1展示了目前火力发电厂的主要损失参数。分析表1能够发现，汽轮机排汽热损失（即冷端损失）的总量十分惊人。

在普通火力电厂发电过程中，为了减少汽轮机排气热损失，汽轮机经历了以下4个阶段的改进：（1）回热抽汽;（2）背压式汽轮机或调整抽汽式汽轮机;（3）汽轮机低真空供热;（4）热泵技术应用。其中，利用热泵技术将电厂排气冷却水作为低温热水源，汲取以往被当做工业废热排放的凝汽热量，提升回热凝结水及以及热网水温度，此种做法不但有助于火电厂建立起封闭的冷却水循环系统，减少水的蒸发量，又能提高整体发电效率降低煤耗率。

目前，能源日益紧张且环境污染日趋严重，在国家大力推行节能减排能源的政策的大背景下，火力发电厂丰富的余热资源正引起人们越来越多的关注。火力发电厂输入燃料总热量的35%左右转变为电能，而60%以上的热能则通过锅炉排烟和汽轮机凝汽器的循环水散失到环境中。锅炉所排出的烟气问题偏高，因此余热回收使用的难度较低，长期是火电厂技术人员以及科研人员研究与分析的热点之一。而凝汽器循环水水温和空气温度的差值约为10℃，品味较低，所以其利用率长期偏低，大多未经处理便释放到空气中，引发热污染及能源短缺等问题。

针对上述问题，本文利用热泵技术对火力发电厂余热进行回收，以期达到节能和环保双重效果。

2 热泵技术

自上世纪七十年代起，热泵步入了高速发展阶段，逐渐成为了众多学者分析与探讨的热点，全球能源组织与欧盟共同体也明确了大型热泵的建设方案。伴随着各种新兴热泵技术的不断涌现，热泵的运用范围越发广泛，功能越发丰富，现已在空调等工业产业中获得了大范围的推广，对于能源环保事业做出了突出的贡献。相较于欧美发达国家，国内关于热泵的学术研究要滞后二三十年。自建国起，伴随着工业化建设步伐的加快，我国才开始启用热泵技术。到了新世纪，因为我国沿海地区城市化水平的大幅提升，人均GPD一路上行，再加上2008年北京奥运会和2010年上海世博会的成功举办，均有力推动了我国空调行业的发展，加速了热泵技术的更新与创新速度。

在中国，热泵技术诞生于2001年，而后历经数年的不断发展，我国热泵市场慢慢自起步阶段过渡到快速发展阶段，现已颇具规模。全球能源问题的日渐加剧突出了热泵良好的节能环保特性，同时社会各界的积极参与也加速了热泵技术的改良与创新。

近年来，热泵技术已成为备受关注的新能源技术。泵是一种提升位能的装置，诸如水泵主要用以提升水的高度。但是热泵却能够提取环境中空气、土壤或水中的低品位能量，通過电能做功的方式，输出可供使用的高品位热量。热泵系统中的低温热源多为平时比较常见的介质，诸如地表水、消防水、河水、空气、城市污水或生产设备释放的物质，工质和周边介质的温度差较小。热泵系统与压缩制冷系统两者的运行机理相同，对于小型制冷设备而言，为了全面发挥其作用，实现夏季制冷或冬季制热功能，均选用的同一设备实现。在夏日需制冷的条件下，启用制冷模式，压源自压缩机的高压蒸汽流过换向阀（又名四通阀）流入冷凝器，制冷蒸汽凝结为冷冻水，经过节流后流入蒸发器，蒸发吸热使户内气温降低，蒸发所得的制冷剂气体，流过换向阀或进入压缩机，由此不断循环，形成制冷循环系统。在冬日需要制热时，则首先将换向阀切换到热泵模式，压缩机对制冷剂加压，流经换向阀进入户内蒸发器中（兼任冷凝器功能）利用制冷器气体的凝结潜热，增加户内温度，实现户内制热的效果。冷凝所得的液态制冷剂，逆向流经节流设备后流入泠凝器（兼任蒸发器），吸热后蒸发，所得的蒸汽流经换向阀流入压缩机，由此实现循环制热。以上向户内转移户外空气或循环水热能的系统，即为热泵系统。

若以火力发电厂循环水作为热源，通过热泵回收余热技术，便能够大幅降低能源消耗量。火力发电厂的冷却水余热作为低温热源具有以下6方面优势：

（1）水量充沛，且蕴含的余热资源丰富。

（2）水质不含腐蚀性盐类，比城市污水更清洁，因此对水质的处理也相对简单。

（3）流量与温度都比较平稳，换热系统的结构比较简单，因为水温偏高，避免了冬天制热时蒸发器结霜的问题，热循环系数可保持在较高水平。

（4）热泵设备的启动速度快且流动性佳。

（5）热容量高，仅需不多的水便能够传输较高的热能，由此能够进一步缩小换热系统的外形规格。

（6）搜集与运用火电厂冷却循环水余热，既能够降低冷却塔向大气释放的热量，同时能够减少循环水的蒸发量，节省水资源，在火电厂循环水系统中引入热泵余热回收技术，兼具节能与环保的两重优点，且机组负荷越大相应的节能效果越显著。

3 实例分析

为了分析本文技术的效益，下文以300MW凝汽式汽轮机发电厂利用热泵回收余热为例进行说明。传统汽轮机排气方式采用冷却塔将循环水冷却至30℃，随后通过凝汽器加热到40℃。

选用第一类吸收型热泵，低温热源选用40℃循环水，驱动热源选用250℃、0.5-0.8MPa抽气，制备85℃的取暖水，将冷却水冷却到30℃后送入凝汽器中反复使用，由此降低电厂冷却塔中的能量损失。相较于改造前，系统的供热量多出了70.5MW，缓解了电厂的供热缺口。另一方面，利用凝汽余热为民众供暖，在全年采暖期节省了三万吨的标准煤，二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和灰渣的减排量分别为89880t/a、289t/a、251.6t/a和9880t/a。并且，因为此种热泵设备中的冷却水能够对汽机凝汽进行冷却，因此采暖期能够降低冷却水21000吨的损失量。

3.1 仿真计算

首先计算凝汽器出口水温。

热平衡方程式：

Q：凝汽器热负荷;

：汽轮机排气量;

：汽轮机排气焓;

：凝汽器压力下的饱和水焓。

冷却水温升及冷却水出口温度。

在低温条件下，蒸汽的焓值约为对应水温的4.1816倍。

冷却水温升可由凝汽器热平衡方程式求得：

由凝汽器压力=0.0054M 计算得饱和水焓=143.52KJ/kg;

=

冷却水出口温度：

=5+9.204=14.204

计算所得凝汽器出口的温度为14.204，此温度基本合理。

3.2 对比分析

以下主要针对热泵计算过程以及加热和未加热时2种工况下的经济性进行对比。该计算过程中的样本取自东北地区用户。假设每栋楼有12户居民，按照东北地区冬季居民用户习惯，每户居民日用热水量按照500L/d计算，故本文设日用热水量为600L/d，并采用以下2种方案：（1）直接使用普通管道中的冷却水进行热泵加热，送入用户端，冬季冷水温度为5℃;（2）使用经凝汽器换热加熱后的冷却水，将其送入热泵进行加热后送入用户端，经计算，冷却水水温为14.204℃。

具体计算过程：

;

方案一：

冷水温度：5。

热泵机组平均秒供热量：

T=16h。

方案二：

热泵机组平均秒供热量：

3.3 结果分析

经计算，可以得到，在采用本文所提出的新方案后，热泵在相同时间达到同样用户采暖供热要求是每秒减少了约5kW的耗工。平均每栋住户每秒可减少5kW的耗工，将其扩大至现代大型社区，可在理想情况下相对减少热泵的使用，减少其台数，从而达到减少成本的经济目的。

4 难点及解决途径

热泵技术虽然较成熟，但是要在传统火力发电厂对余热回收应用中的推广有其难点，具体包括以下2个方面：

（1）由于循环冷却水需往返于凝汽器与冷却塔之间，在整个循环流动过程中不可避免会与外界接触导致循环水中掺杂微生物或沉积污垢等，如果将循环水直接投入热泵系统中则会对管道内部造成结垢或腐蚀管道，一定程度上降低了管道寿命，同时降低了换热效果。此外，管道中循环水流动阻力增大也将导致水流速度和流量产生变化，降低了系统自动化程度和换热效果，严重影响了整个系统的经济性。为了解决该问题，本文采用循环水与热泵系统循环水经换热器换热，使热泵系统的水与火力发电厂循环水区分开来，定期对热泵系统中的管道进行清洗，并通过对水进行加药处理达到少结垢的目的。

（2）我国东北地区冬夏季节温度变化明显，温差较大，冬季热泵管路外表可能会结霜而夏季可能会液化空气凝结水滴，因此会对管路造成一定的腐蚀，影响管道寿命。鉴于此，对所有管道（地上或地下）进行外表隔热层包裹，以减少管道表面腐蚀及与外界环境的换热，提高机组效率。

5 结束语

火力发电厂运行过程中的冷凝器冷却循环水可产生大量热量，为了节能和环保，本文利用热泵技术对其余热进行回收利用。由于冷凝器产生的热量具备热量大且产生集中的特点，因此在我国北方地区的冬季可利用这些热量进行居民日常供暖。供暖时需注意，应尽量使火力发电厂及其附近设备优先对供暖热量进行消化，以便降低需消耗的额外能量。如果发电厂以及附近设施无法完全消化时，再对较远设备进行热量输送，但在远距离热量输送过程中，应注意添加热网技术，这也是后续研究方向。