热泵技术回收火电厂循环水余热的研究

 0  引 言

 

  国家十二五能源规划除了通过加快推进新能

 

  源研发外, 还在节能增效等“减量” 上下功夫,节能增效包括节约能源和提高能源效率两大方面,做好节能增效即是一个能源富矿的开发。当前,火力发电厂是主要的能源消耗者和环境污染源,其输入燃料总热量的60 % 以上能量通过锅炉排烟和凝汽器循环水散失到环境中[ 1] , 同时带来环境污染。以石家庄某电厂1 台300MW 机组为例,其可资利用的循环水热量接近100MW , 所以火电厂在节能降耗方面尚有很大的空间, 特别是有效回收利用循环水余热。如果将循环水余热作为低位热源, 通过热泵技术吸取这部分能量用于建筑供暖或生活供热乃至预热电厂凝结水, 不仅节能, 更能提高能源利用率, 这将是火电厂节能增效的有效途径。

 

  目前, 国内电厂利用热泵技术回收循环水余热

 

  供热的研究方兴未艾, 清华大学基于吸收式热泵回收循环水余热的供热技术[ 2] 先后在内蒙古赤峰及山西大同等电厂实施, 大大提高了其供热能力;北京、山西等地的多家电厂采用吸收式热泵机组吸取循环水余热用于供热的实践工程已经取得了良好的企业效益和社会效益, 在节能与环保方面率先垂范, 如大同某电厂的余热利用项目年节水效益331.2 万元, 年节约标煤6.8 万t , 年二氧化碳减排17 万t 。但热泵技术回收电厂循环水余热的研究还处于初始阶段, 电厂试点值得进一步推广, 很多问题还有待于继续研究, 本文综合阐述了利用热泵技术回收火电厂排汽潜热及循环水余热的5 种方式, 同时针对热泵系统的冷凝器取代部分低压加热器的循环方式, 以3 个不同电厂3 台额定负荷分别为200MW 、300MW 、600MW 机组为例, 进行了节能分析及比较。

 

  1  热泵原理

 

  所谓热泵, 即是利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的制热系统, 其中低位热源包括大气环境、工业排放废气、地下水、海水、生活污水、大地土壤等各式各样所蕴藏的能量, 而高位能包括电能、高品位蒸汽、热水等, 依此可将热泵分为压缩式热泵和吸收式热泵。

 

  压缩式热泵的热力循环过程如图1 所示, 低温低压的制冷剂(常用氟利昂类等工质)通过蒸发器从低位冷源吸热蒸发升温后进入压缩机, 被绝热压缩成高温高压蒸汽, 然后进入冷凝器向高位热源放热冷凝后, 经过节流膨胀阀绝热节流降温降压成低干度的湿蒸汽, 再通过蒸发器从冷源吸热蒸发, 如此循环[ 3] 。吸收式热泵是采用工质对的溶液循环实现压缩机的功能, 其他热力循环过程与压缩式热泵一样。

 

  根据热泵系统供热温度的不同又将热泵分为低温热泵和高温热泵, 低温热泵是当前市场的主导,指供热温度在55 ℃以下的, 而高温热泵则要使供热温度在80 ℃以上, 虽然只有十几度温升空间,但高温热泵却面临很大的技术难题, 目前主要集中于工质研究[ 4-6] 。

 

  热泵系统的性能由供热系数评价, 一方面取决于供热温度, 另一方面则是由低位热源的温度与性质决定的, 目前压缩式热泵系统的供热系数在3 ～5 之间[ 7] 。

 

  2  热泵技术回收余热的方式

 

  2.1  开式循环方式

 

  火电厂循环冷却水在冬季一般为20 ℃～ 35 ℃,这个温度高于当时环境的空气温度及土地温度, 因此循环水是品质较高的低位热源。水源热泵技术较成熟, 它不同于传统的中央空调, 其运行耗能约为中央空调系统的50 %～ 60 %[ 8] 。开式循环的方式适用于火电厂周边有丰富的水资源, 如江河水, 在这样环境中的火电厂本身也不需要建设冷却塔, 而是直接取自江河水, 经过循环水泵进入循环系统冷却排汽, 换热完成后又直接排入江河, 完成一次循环。这种方式回收循环水余热的流程如图2 所示。

 

  在这样的条件下利用热泵回收循环水余热, 其余热空间受限于入口江河水的温度, 而这个温度随季节改变而变化, 在使用热泵供热的冬季, 其江河水的温度恰好很低, 在机组负荷及其他换热条件一定的前提下, 换热完成后循环水出口温度也随之降低,从这样的低温热源中吸热而将生活用水加热至80 ℃以上的热水则需要借助于高温热泵技术, 而这种技术的研究也是当前热泵研究的焦点与难点, 如清华大学刘希南等人研制的H TR01 高温工质可将热水提高到85 ℃以上[ 9] , 东南大学徐卫荣等人研究自复叠热泵系统实现供热温度的提升[ 10] ;此外,开式循环对水质的要求也很高, 实际运用中除沙除垢的成本很高, 所以这种方式仅停留于研究阶段,得以应用还有待进一步深入发展。

 

  2.2  闭式循环方式

 

  闭式循环方式适用于火电厂采用冷却塔进行循环水冷却的情形, 这种情况下循环水水质好, 温度稳定, 是很好的低位热源, 目前在国内已有工程应用的先例, 其回收循环水余热的方式包括部分循环水去热泵和完全取代冷却塔两种方式。

 

  2.2.1  部分循环水去热泵循环方式

 

  出于当地供热负荷以及热泵系统性能的限制,从凝汽器出来的大容量出口循环水只有一部分进入热泵系统并在蒸发器中被制冷剂吸热, 降温后进入循环水池继续参与循环水系统的循环过程, 而另外一部分未进热泵系统的循环水则仍然进入冷却塔,完成换热后与经过热泵循环后的循环水在循环水池中混合, 然后一同进入凝汽器参与新一轮的循环,其循环过程如图3 所示。这种方式可调性强, 对热泵机型的容量选择余地大, 也有助于电厂根据工况进行灵活调节裕量, 是值得推广的一种循环方式,如北京某电厂当前的余热利用方式就是这种形式,从循环水母管中分出一支用于热泵冷源, 其他循环水仍然通过冷却塔进行冷却。

 

  2.2.2  取代冷却塔循环方式

 

  随着热泵技术的深入发展, 如图4 所示, 利用热泵系统完全取走从凝汽器出来的循环水余热并用于其他供热, 同时将循环水冷却降温后继续进入凝汽器参与新一轮的循环过程。这种方式用热泵机组取代了冷却塔, 对热泵系统的性能要求较高, 却是未来火电厂冷却循环水技术与热泵技术的发展趋势, 特别适用于北方缺水的地区, 如新疆乌鲁木齐等地, 能使原来通过冷却塔散失的水降低至零, 大大节省用水量。以国产引进型600MW 机组为例,一年需要1 000 万t 的循环水量, 以热泵系统节约90 %水量计算, 每年可节省900 万t 的水, 这个数目是相当可观的。这种方式无疑是今后几十年热泵机组应用于电厂余热回收的技术方向, 取代冷却塔全部回收循环水余热所带来的能源和环保效益是显著的, 不过投资成本及维护费用也随之上升, 需要大力发展相关技术以期更广泛地应用。

 

  2.3  取代凝汽器循环方式

 

  循环水的余热归根溯源主要来源于低压缸排汽的热量, 如果考虑用气源热泵代替水源热泵而直接从排汽中吸取热量, 将节省用循环水吸收排汽热量的环节, 从而提高热交换效率, 且回收的余热既可用于冬季的生活供热, 也可常年用于加热凝结水,参与火电厂的热力循环, 其流程如图5 所示。

 

  由图5 所示, 低压缸的排汽进入热泵系统的发器被制冷剂吸取汽化潜热并液化成水, 低热量的水通过水泵加压进入热泵系统的冷凝器吸取通过压缩机压缩形成的高温制冷剂热量, 成为具有一定温度的凝结水进入下一个加热器, 参与火电厂的热力循环。这种循环方式利用火电厂本身的排汽能量参与热力循环, 不仅省去了凝汽器和冷却塔的投资,更能在运行当中节省煤耗和水量, 是一种环保节能型的运行方式。据相关文献报道[ 11] , 一台600MW机组每年可节煤40 055t , 以750 元/t 煤计算, 每年可节约3 000 万人民币。这种方式较之前几种循环方式更节能, 更具有前瞻性, 这种技术利用热泵机组直接回收乏汽余热, 其潜热能量巨大, 而且省去了将余热传递给循环水的过程, 减少了传热损失, 大大提高余热利用率, 将是未来新建火电厂的一种技术参考, 不过这种方式对机组和系统的影响大, 有待于进一步研究和试验。

 

  2.4  取代低压加热器循环方式

 

  如果火电厂当地的供热负荷有限或者当地四季温差不大没有供热需求, 那么利用循环水余热常年加热火电厂凝结水, 即取代部分低压加热器的循环方式将是热泵应用的新途径, 也是火电厂余热利用的新方式, 其流程图如图6 所示。从凝汽器出来的循环水一部分进入冷却塔冷却, 另一部分则进入热泵机组蒸发器被制冷剂吸取热量后重新进入凝汽器参与循环, 而热泵机组将从循环水中吸取的这部分热量经过压缩机压缩做功, 在冷凝器中加热凝结水。实质上, 热泵机组冷凝器就充当了轴封加热器以及部分低压加热器或全部低压加热器, 至于取代多少低压加热器, 则视机组大小及热泵性能的情况而定, 如Bi Qingsheng 等人对这种方式的最优组合进行了模拟计算。这种方式能够简化电厂加热系统, 是系统优化和节能的有效途径, 不过目前也仅停留在理论研究阶段, 其对机组和系统的影响将是今后研究的方向和重点。