电厂余热利用的分析与探讨

王东鹏，任 兵

（1.山西大学工程学院，山西 太原 030013；2.华北电力大学，河北 保定 071003）

电厂余热利用的分析与探讨

王东鹏1，任 兵2

（1.山西大学工程学院，山西 太原 030013；2.华北电力大学，河北 保定 071003）

文章通过分析国内外大型火电厂水冷机组循环水的余热利用情况，提出由水源热泵提高温度后的循环水为农业日光大棚供热。目前，由于在冬季北方日光大棚的农业生产效益受到环境气候条件的限制，其生产效率比较低，影响了市场的农产品供应。通过这种方式，既能减少对供热系统的投资，又可以减少供热系统的热量损失。

循环水余热利用；热泵技术；农业日光大棚

能源生产和能源消费所引起的环境问题已经成为制约我国可持续发展的重要问题之一。在未来20年我国经济翻两番和全面实现小康社会，能源和能源消费所带来的问题同过去20年相比将会更加突出、更加严峻。目前国内大型火电厂的大量余热很多情况下没有得到有效地利用，造成了能源的浪费，因此电厂的余热利用成为如今节能的一条重要途径。利用热泵技术回收循环冷却水余热不仅能挖掘低品位热能，收到显著的节能效果，还能节约煤炭资源，减少燃煤的负面环境效应，有利于环保。但是利用水源热泵技术提高温度后的循环水的利用存在不少问题。利用这种循环水可以为居民楼集中供热，但是电厂离市区一般都比较远，供热系统的管道比较长，投资比较大，且还得依靠水泵将热水输送到市区的居民用户，增加系统的能耗，且远距离输送热量损失比较大。将这部分余热利用到农业中的日光温室大棚既可以减少供热系统的投资，也可以减少输送过程热量的损失。利用循环水余热供热的日光温室大棚，由于棚内温度稳定，农作物的正常生长得到了保证，提高了农业生产效率，为北方冬季农产品供应提供了有利的条件。

1 目前电厂循环水余热利用现状

对于大型水冷机组，由于每天循环水带走大量的热量，造成热量的巨大损失，并且损失了大量的水资源，同时也造成大气温度升高，所以电厂循环水的余热利用具有十分重要的意义。由于正常情况下循环水的温度比较低(一般冬季20～35℃)，达不到直接供热的要求，要用其供热，必须想办法适当提高温度。中小型凝汽式汽轮机可以通过降低排汽缸真空从而提高循环水温度(60～80℃)的方法进行供热，即低真空运行循环水供热[1]，该技术在理论上可以实现很高的能源利用效率，国内外都有很多研究和成功运行的实例，技术已很成熟，特别在我国一些北方城市得到了广泛的应用与推广[2]。但是这种供热方式也存在一些问题，如发电功率受用户热负荷的制约，不能分别地独立进行调节，使其应用受到限制。目前，利用电厂循环水余热为市区居民用户供热存在一些不足。由于电厂离市区比较远，该供热系统的投资比较大，由此产生的热损失也比较大。

2 冬季电厂余热用于北方地区农业生产的可行性分析

2.1 电厂循环水余热的性质及其可利用情况

热能是能量的一种，它会在某种介质中被吸收、转移、扩散，水是一种最常见的介质媒体。用水带走的热能，其本身是一种清洁能源，当热量扩散后，可继续循环利用。然而，为了循环水再利用，必须散发掉其中的热量，因此在水源充足的地方，人们用抽水库的水来做冷却循环水，水库成了二级水源循环冷却系统。用在水源不充足的地方，人们建造了循环冷却塔，用水和空气来冷却。但是用作冷却系统的水库被加热后，生活在水库里的生物受到了严重的影响。在这些作循环冷却水的水库，出现了水草、藻类植物过量生长，引起水体缺氧，水质下降，影响鱼类生长，严重时大量死亡，即为电厂的热污染，所以，合理利用这部分热量才能避免上述问题的发生。对于一般大型火电厂大部分建在郊区或乡镇，离市区（或县城）较远而其周围一般有农田，所以利用电厂循环水余热为居民住宅供热投资相比为农业供热要大。对于电厂湿冷机组循环冷却水的温度在冬季一般为20～35℃，在夏季为25～45℃[3]，且电厂每天的循环水量大，所以该循环水的余热利用潜能巨大。

2.2 目前我国北方地区农业生产的局限性

在我国的华北、东北、西北地区，农业生产无霜期短，每年从10月份到第二年的5月份不宜进行种植生产，时间长达半年之久。为了延长生产时间，人们建造了日光温室大棚进行种植、养殖。日光温室大棚种植、养殖给人们的生活带来了极大的变化。但是,大棚在北方高寒地区受气温影响很大，棚内温度低，存在温差过大，生产并不尽如人意，特别在寒冷冬季，大棚里就得生火加温，由于热源不稳定，常造成植物生长期长、产量低、品质差，甚至出现农作物被冻死的现象。由此造成了北方地区冬季的蔬菜、水果等农业产品价格较高，影响人们生活水平的提高。

3 水源热泵工作原理及其系统组成

热泵是以冷凝汽器放出的热量来供热的制冷机，它是通过消耗外界能量将低品位热源提升为高品位的热源。热泵循环一般以环境介质作为低温热源从中吸热，向温度较高的热源（温度为Th的供热系统）放热。驱动热泵所消耗的有用能(或功)E全部被转换成热,这部分热量E和从低温体吸取的热量Q2一起输向高温体,即Q1=Q2+E，Q1为向高温体输送的热量。为说明这种能量转换的优劣,热泵工作效率可用性能系数COP(Coefficient of Performance)或供热系数来衡量。

COP=Q1/E，则 COP=Q1/E=Q2/E+1=ε+1，ε=Q2/E，称为制冷系数[4]。水源热源泵的工作原理与一般的空气-空气热泵相同。制热工况时，利用制冷剂蒸发吸收循环水的热量，然后通过冷凝器将热量释放到空调房间，即以循环水作为低位热源的热泵装置。

水源热泵系统主要由3部分组成：①热泵的驱动能源(电能）和驱动装置(电机、发动机等)；②热泵的工作机；③低位热源(低温水)。

4 循环水余热用于农业日光温室大棚的可行性分析

一般蔬菜的适宜生长温度在18～35℃。对于北方地区，在冬季日光大棚不能满足植物的生长温度，并且大棚内的温度不稳定，一天的温差过大，严重影响农业生产效益。所以在冬季为日光温室大棚供热可以为北方的农业生产带来许多有利因素。例如可以稳定大棚内的温度，使农作物可以正常生长，避免用一些对人体有害的药物促使植物生长。其次，提高温度后，农药的自然降解加快，使农作物上的残留农药减少，易于清洗。我国的煤矿大部分分布在北方，电厂分布除了几个大城市如上海、天津、广州和广东、江苏、浙江几个发展较快的省份电厂较多外，基本上和煤矿地理分布一致。近年来北方产煤区为了减少煤矸石和煤堆放产生环境污染，建有数量不少的中小电厂，会产生大量的电厂余热。由此北方冬季为日光大棚供热的条件是具备的。由热泵提高温度后的循环水温一般为60℃左右，能使日光大棚的温度相对稳定，可以提高大棚的农业生产效率，有利于农民增收。

5 利用电厂循环水余热供热的日光温室大棚系统组成、工作原理及其系统示意图

该供热系统主要包括：冷却塔、节流阀、变频循环泵、水源热泵装置、日光大棚、管道等。其工作原理为：由汽轮机排气装置排出的湿蒸汽一部分由一支管道引入水源热泵装置，将其温度提高后，再将该水供给日光大棚，特殊情况时走旁路，剩余的循环水在冷却塔中冷却。当日光大棚的数量增加或减少时可以调节水源热泵管路的循环水流量。供热后的这部分循环水再并入主循环水回水管路，由循环泵送入凝汽器。

图1为供热系统示意图。

图1 供热系统示意图

6 将某300 MW机组循环水用于温室大棚供热的分析与估算

以国内某300 MW水冷机组为例，其循环水量平均为每小时3.5万t，在冬季循环水的平均温度为27℃，经热泵提高温度后可以达到60℃。设循环水的回水温度为10℃，则该循环水每小时可以被利用的热量为：

以黄瓜的种植为例，其根系的适宜温度为18～22℃。在我国河北地区，冬季晚上室外温度一般在零下10℃左右，白天假设为0℃，则其一天的平均温度为零下5℃。将空气视为理想气体，则定压比热容为1.4 kJ/(kg·K)。取空气的密度为：1.25 kg/m3，则为保证黄瓜的适宜生长温度，每立方米空间需要提供的热量为：

设温室大棚的高度为2 m，则在单位时间内利用循环水余热可以供热的面积为：

7 结论

通过对目前电厂循环水余热利用现状的分析，得出利用电厂循环水集中为居民住宅供热存在投资和热量损失比较大的缺点。将循环水余热为农业日光大棚供热不仅可以减少供热投资和热损，而且还可以提高日光大棚的农业生产效率，为北方地区冬季的农产品供应提供了有利条件。

[1] 陈军，谢冬梅，李心刚.电厂余热资源的有效利用[J].节能与环保，2004，6.

[2] 吴星，付林，胡鹏.电厂循环水供热技术的研究与应用[J].区域供热，2008，4.

[3] 冯永华，徐文忠，孙始财.火电厂循环冷却水废热回收利用问题研究[J].节能，2007，3.

The Analysis and Discussion of Utilization of Waste Heat in Power Plant

Wang Dong Peng，Ren Bing

By analyzing the utilizing conditions of waste heat of circulating water in the domestic large-scale thermal power plant which is cooled by circulating water，the text suggests the solution that solar greenhouses in agriculture are heated by circulating water which is temperatured in the heat pump.At present，as the production efficiency of solar greenhouses in agriculture affected by environmental and climatic conditions is relatively low，it affects the supply of agriculture products market.In this wa，it will reduce the investment and heat loss in the system.

the waste heat utilization of circulating water；heat pump technology；solar greenhouses in agriculture

TK09

A

1000-8136(2010)35-0003-02