火电厂节能中热泵技术的应用



火电厂节能中热泵技术的应用

何璇a, 杨俊保b

(上海电力学院 a.能源与机械工程学院,b.经济与管理学院, 上海200090)

摘要:阐述了热泵技术的工作原理、热泵系统的分类和热泵性能评价指标.介绍了热泵技术在火电厂节能中的具体应用,包括回收火电厂循环水余热、锅炉排污能量以及除氧器排汽能量.

关键词：火力发电厂; 热泵技术; 能源利用效率; 节能

我国“十二五”规划中明确指出:坚持把建设节约型、环境友好型社会作为加快转变经济发展方式的重要着力点.我国在维持经济快速发展的同时必须考虑环境保护和可持续发展的问题.在“十二五”及其后更长的一段时间内,节能和环境保护将是我国政府工作的重点之一.

我国能源储量中原煤占能源探明总储量的88%,占能源剩余可采总储量约60%.因此,我国以煤炭消费为主,煤电消费在能源消费结构中占四分之三以上,我国发电机组主要是以燃煤为主的火力发电机组.火电厂作为消耗能源的大户对节约能源有着不可推卸的责任,火力发电厂作为降低能源消耗的首要对象受到政府有关部门越来越多的关注.为了更好地实现“十一五”政策,电力行业应控制能源消耗与污染物的排放总量,积极鼓励高参数、大容量的抽气凝气式机组的应用.一般来说,在沿海地区的电厂大多采用江河水对冷凝热进行降温,在其他地区的电厂则采用自然冷却塔对冷却水进行降温.但不管采用何种降温方式都是将数量巨大的低温余热排放到环境中,这些大量的低温余热,占到机组额定功率的38%以上.热泵技术是回收和利用低品位热能的有效手段之一.为了更好地提高电厂综合能源利用效率,减少向环境排放的热量,实现余热利用和节能减排的双重效果,在火力发电厂中推广应用热泵技术十分必要.热泵技术作为余热利用最有效的手段,在1854年被提出后,逐渐进入高速发展阶段.在能源匮乏的日本,热泵技术一直处于领先地位.例如日本建立的AHP装置,多数用于回收石油化工厂中蒸馏塔顶有机蒸气的余热.此外,美国已经将热泵技术和超导技术、电动汽车技术一同列入该国可持续发展战略的“未来终端能源技术”的领域.在国内,热泵技术也广泛应用于工业生产、污水处理、供暖以及火电厂的余热利用.[1-4]

1热泵技术

1.1　热泵技术及其工作原理

热泵技术就是以消耗一部分高品位能量(如电能、机械能或高温热能)为代价,通过制冷机进行热力循环,把低温余热的热量加以利用转化为高温热能的技术,其工作过程如图1所示.

图1　热泵的工作过程

在此基础上热泵技术的工作原理则是通过热泵装置的有效运行促进能量的有效转化和利用,因此这一技术在火电厂中的应用能够起到良好的节能效果,同时对于提高火力发电设备的效率、减少环境污染具有非常重要的现实意义.[5]

1.2　热泵系统的分类

(1) 地源热泵系统地源热泵以土壤、地下水作为低温热源,比较适合在我国北方地区使用,因为这一地区地下水、土壤的温度受气候的影响很小.

(2) 空气源热泵系统空气源热泵以室外空气为低温热源.按获得热量的介质不同,又可将空气源热泵分为风冷式热泵和水冷式热泵.风冷式热泵凝汽器中释放的热量用于生产热风,用其进行干燥或者调节房间气温;水冷式热泵机组冷凝器中释放的热量用于生产热水.

(3) 水源热泵系统水源热泵是将地下水、河流、湖泊等地表水源或浅层水源等作为热泵系统的低温热源,使低温位热能转移高温位热能的一种装置.[6]因为地表水源的温度易受气候的影响,所以热泵机组在冬天的性能系数较低.

(4) 水环热泵空调系统水环热泵空调系统通过设置闭合的水环路,将多台小型水-空气热泵机组并联在其水环路上,是一种可回收的大型建筑物内区余热的空调系统.

(5) 太阳能/空气双源热泵系统该热泵系统的低温热源是太阳辐射和室外空气,以太阳能为辅助能源,将太阳能热水系统和热泵节能技术完美地结合在一起,既弥补了后者单独工作时的不足,又能提高热泵的性能系数(COP).

1.3　热泵性能评价指标

制热系数(εh)是评价热泵性能的指标,它表示的是热泵的供热量(Q2)还有其消耗的高位能量(W)二者在数量上的比值.即:

热泵的简化能源流动如图2所示.热泵的制热系数永远大于1,用户获得的热能总是大于所消耗的电能或燃烧量.

图2　热泵的简化能源流动

热泵的性能系数通常情况下与两个热源的温度、工质的种类、过热度、过冷度等因素有关.通常,水源热泵机组的供水温度为 9~20 ℃时,制热系数为3.6~4.1;在供水温度为15~30 ℃时,制热系数为4.3~5.5.[7]此外,制热量、耗功量、制冷系数也是热泵技术较为重要的评价指标.

2热泵技术在火电厂中的应用

2.1　回收火电厂循环水余热

近年来,利用热泵技术回收电厂循环水余热开始得到重视.一般来说,火电厂循环冷却水的温度在50 ℃以下,能量品位较低,也就是说,能源的直接利用范围比较狭窄,但是通过热泵技术加强循环冷却水的温度使这部分低品位能量得到更广泛的应用.循环冷却水温度一般仅比环境温度高10 ℃左右,温度和流量较为稳定,适合作为热泵系统的低温热源.利用热泵装置对循环冷却水进行回收,使这部分余热返回热力系统用于加热凝结水,使其相对应的低压加热器的抽汽消耗量减少,从而提高电厂的发电量,降低电厂的发电煤耗值.[8]以300 MW供热机组为例,其额定抽气量为480 t/h,循环水系统通过环水换热交换出的凝结水热量约占燃料燃烧总发热量的20%,相当于供热量的50%.如果能将这部分能量用于供热,既可以提高电厂的能源综合利用效率,又可以同时减少当地污染物排放量.

2.2　回收锅炉排污能量

在火电厂中锅炉的连续排污量一般是锅炉蒸发量的3%~7%,同时锅炉在运行过程中其压力和温度都会保持较高的状态,因此利用热泵技术可以有效回收锅炉的排污量并将这些能量进行合理的循环再利用.但需要注意的是,由于运行和技术的原因,其稳定性波动较大并且不容易控制,因此热泵技术在回收锅炉排污量的应用中,应降低风险,提升应用效率.

2.3　回收除氧器排汽能量

由于火电厂运行过程中存在大量的除氧器排汽造成的能量损失,如果将这一部分能量加以利用,能有效提高节能效率.在除氧器排汽系统中加装蒸汽喷射式热泵系统,使除氧器废汽回收和自动除氧系统相结合,既能减少投资,又可以提高设备运行的安全性.[9]

3结语

火力发电是我国资源消耗大户,提高电力生成效率、降低水和煤资源的消耗,对我国能源的节约和优化配置具有非常重大的意义.热泵技术可以把电厂中的低温余热转化为高温热能,既能提升电厂的能源利用效率,同时减少了火力发电厂对环境的热污染.

参考文献：

[1]ZENNAR Djallel,KHERRIS Sahraoui,ZEBBAR Souhila.Thermodynamic optimization of an absorption heat transformer[J].International journal of refrigeration,2012(35):1 393-1 401.

[2]杨灵艳,徐伟,朱清宇,等.国际热泵技术发展趋势分析[J].暖通空调,2012,42(8):1-8.

[3]刘秋福.热泵技术在25 MW供热机组循环水余热利用中的研究[D].北京:华北电力大学,2014.

[4]KIM Jiyoung,PARK Secong Ryong,BAIK Young Jin.Experimental study of operating characteristics of compresion/absorption high-temperature hybrid heat pump using waste heat[J].Renewable Energy,2013(54):13-19.

[5]乔宇.火电厂节能中热泵技术的应用探析[J].应用技术,2014(11):182-183.

[6]黄志坚,袁周.热泵工业节能应用[M].北京:北京化学工业出版社,2014:6-7.

[7]吴建中,李宝林.水源热泵在电厂中的应用分析[J].建筑热能通风空调,2005,24(1):61-63.

[8]王东雷.热泵技术及其在火电厂节能中的应用[J].建筑热能通风空调,2012(3):70-74.

[9]王泳涛,陈炜.热泵技术在火电厂除氧器废汽回收上的应用[J].节能与环保,2007(2):31-34.

(编辑桂金星)

Application of Heat Pump Technology in Energy Saving of Thermal Power PlantHE Xuana, YANG Junbaob

(a.SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,b.SchoolofEconomicsandManagement,

ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Abstract:The working principle of heat pumps,the classification of heat pump systems and the evaluation index of heat pumps are expounded.The specific application of heat pump technology in coal-fired power plants,including recycling coal-fired power plants cycling water heat,the ability of the boiler to release pollutants and the ability of the de-aerator to exhaust,is illustrated.

Key words:coal-fired power plant; heat pump technology; energy efficiency; energy saving

中图分类号：TM621;TK115

文献标志码：A

文章编号：1006-4729(2015)06-0589-03

通讯作者简介：何璇(1991-),女,在读硕士,河北石家庄人.主要研究方向为热泵技术在火电厂节能中的应用.E-mail:hexuan0130@126.com.

收稿日期：2015-03-23

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.06.019