发电厂海水循环水源热泵应用

王阳

摘要：“海水循环水源热泵”是以发电厂内海水循环水作为热源的水源热泵系统，此系统夏季利用进凝汽器前低温水，冬季利用凝汽器后的温排水，不仅克服了海水源热泵取排水费用高的弊端，更可将冬季凝汽器温排水中的低品质废热提取出来用于空调系统，实现了对凝汽器温排水能量的再利用。文章介绍了“海水循环水源热泵”的系统设置，对比了发电厂常用空调系统冷（热）源方案，对“海水循环水源热泵”系统的优势以及存在问题进行了分析。

关键词：发电厂；空调系统冷（热）源；海水循环；水源热泵系统；方案设计 文献标识码：A

中图分类号：TU991 文章编号：1009-2374（2015）05-0055-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0360

1 概述

“海水循环水源热泵”是本文根据热泵系统所采用的热源形式而命名的。顾名思义，“海水循环水源热泵”是以发电厂内海水循环水作为热源的水源热泵系统，此系统利用了发电厂海水循环水系统的现有设备及取水条件，夏季利用进凝汽器前低温水，冬季利用凝汽器后的温排水，不仅克服了海水源热泵取排水费用高的弊端，将此种高效、节能、环保的能源利用方案引入电厂空调系统，更可将冬季凝汽器温排水中的低品质废热提取出来用于空调系统，实现了对凝汽器温排水能量的再利用。本文对以“海水循环水源热泵”作为发电厂中空调冷（热）源的应用进行一些分析和探讨。

2 系统介绍

为方便直观表述，本文引用了国内东北部沿海某厂址的实际条件，对“海水循环水源热泵”进行了方案拟定，并进行相关分析。

2.1 厂址条件

2.1.1 厂址气象条件：

冬季空气调节室外计算温度为-9℃

夏季空气调节室外计算温度30.7℃

日平均温度≤+5℃的天数112天

2.1.2 厂址海水条件：

历年（1991～2007年）最高水温27.3℃

历年（1991～2007年）月平均最高水温23.8℃

夏季制冷工况热源侧月平均水温在18.73℃～22.96℃间

历年（1991～2007年）最低水温0.35℃

历年（1991～2007年）月平均最低水温2.02℃

冬季制热工况热源侧月平均水温在2.61℃～7.87℃间

2.2 系统方案

“海水循环水源热泵”系统为本厂址工程厂前区行政办公楼、多功能中心、职工餐厅、招待所、值班宿舍及厂区集控楼、生产办公楼、精密仪器库、继电通讯楼的空调设备提供冷冻水（t=7/12℃）及热水（t=45/40℃）。

“海水循环水源热泵”系统的用户侧采用一次泵变流量方案，系统流量随用户负荷改变，系统变流量依据为末端空调用户压差。系统采用变频调速（自动恒压）装置补水定压，补水接自除盐水管。用户侧设备由：2台海水源热泵机组，单台名义制冷量1002kW、输入功率162kW，制热量1190kW、输入功率225kW；3台变频循环水泵，两用一备，单台设计工作点流量172m3/h，设计工作点扬程55m，输入功率30kW；1套变频调速（自动恒压）装置；1个补充水箱组成。

“海水循环水源热泵”系统热源侧用水接自电厂循环水系统，夏季取进凝汽器前低温水，冬季则取经凝汽器后的温排水。由于利用厂内已有的取排水构筑物及循环水系统的相关设备（如取排水渠、厂用循环水泵、过滤设施、沉淀及灭藻等设施等）已可满足运行要求，热源侧仅需在冬季运行工况时针对虹吸井液位较低的情况增加2台海水提升泵（一用一备，单台设计工作点流量400m3/h，设计工作点扬程15m，输入功率20kW）即可。

2.3 方案可行性

海水源热泵机组在夏季制冷工况下，热源侧出水温度一般不能高于40℃，按5℃温升考虑，进水温度一般不应超过35℃；本厂址自然条件下，夏季海水历年最高水温为27.3℃，可以满足海水源热泵机组正常运行。

海水源热泵机组在冬季制热工况下，热源侧出水温度一般不能低于3℃，按5℃温降考虑，进水温度一般不应低于8℃；本厂址冬季海水历年最低水温及月平均最低水温分别为0.35℃、2.02℃，月平均水温在2.61℃～7.87℃间，在自然条件下无法直接满足海水源热泵机组正常运行，需考虑海水预加热或增大水量等防冻措施；而本工程冬季热源侧海水自凝汽器后取水，海水经凝汽器后温升不小于8℃，相当于对海水进行了预热，因此也可满足海水源热泵机组正常运行。

2.4 能效比分析

2.4.1 制冷工况：制冷工况下系统名义制冷量2004kW，热泵机组输入功率324kW，热泵机组COP值约6.18；考虑使用侧循环水泵输入功率60kW，热源侧循环水功耗20kW（由于厂用循环水泵效率一般高于小型水泵，因此制冷工况热源侧循环水功耗理论上是低于制热工况所配提升泵的，因此此处取提升泵功耗作为包络），名义工况下系统综合能效比约4.96。

根据厂址热源侧海水温度，按热泵机组厂家提供的制冷变工况计算表进行计算修正，详见表1：

表1 制冷工况能效比修正

月

份 逐年月平均水温 热泵机组

修正制冷量 热泵机组

修正功耗 热泵机组修正能效比 系统修正综合能效比

（℃） kW kW

7 18.73 2095 302 6.9 5.5

8 22.41 2050 312 6.6 5.2

9 22.96 2040 315 6.5 5.2

2.4.2 制热工况：制热工况下系统名义制热量2380kW，热泵机组输入功率450kW，热泵机组COP值约5.29；考虑使用侧循环水泵输入功率60kW，热源侧提升泵输入功率20kW，名义工况下系统综合能效比约4.49。

根据厂址热源侧海水温度，按热泵机组厂家提供的制热变工况计算表进行计算修正，详见表2：

表2 制热工况能效比修正

月

份 逐年月平均水温+凝汽器后温升 热泵机组

修正制热量 热泵机组

修正功耗 热泵机组修正能效比 系统修正综合能效比

（℃） kW kW

12 7.87+8=15.87 2630 460 5.7 4.9

1 3.83+8=11.83 2512 455 5.5 4.7

2 2.61+8=10.61 2423 453 5.3 4.5

3 4.2+8=12.2 2538 456 5.6 4.7

3 方案优势

由上述方案可以看出，“海水循环水源热泵”系统实际上是一种利用了发电厂既有条件的水源热泵系统，此种结合形式利用发电厂的循环水系统，帮助海水源热泵系统克服了取排水投资大、水温低时需要大流量运行或预加热设备的弊端，有效地简化了系统，将海水源热泵节能高效环保的优势充分，使发电厂空调的冷（热）源系统在制冷、制热工况均具有了较高的能效比。本章我们将通过方案比较的方式论述“海水循环水源热泵”具有的优势。

3.1 方案比较

本节我们将发电厂中常用到的空调冷（热）源方案与“海水循环水源热泵”方案进行对比和分析。方案对比如下：

3.1.1 水冷冷水机组方案+换热机组（方案一）：

（1）方案初投资：

制冷量2004kW，水冷螺杆机组2台 188万元（938元/kW）

使用侧循环水系统（含循环泵、补水及管道） 52万元

（260元/kW）

冷却水系统 125万元（624元/kW）

变配电系统（相对方案二增加冷却塔电耗） 38万元（190元/kW）

换热量2380kW，板式换热机组2套 30万元

（126元/kW）

变配电系统（相对方案二增加冷却塔电耗） 5万元

（20元/kW）

机房300m2（制冷制热两套设备）30万元（150元/kW）

合计 468万元（2335元/kW）

（2）年运行综合费用

设备折旧费用（设备寿命n=25，年利率取i=7%） 40万元

制冷年运行能耗费用 16万元

制热年运行能耗费用 33万元

年运行水耗费用-使用侧补水 1.4万元

年运行水耗费用-热源侧补水 1.6万元

年运行管理人工费（3人，年人工10万/人） 30万元

设备维修管理费

（每年设备维修管理费按设备折旧费的10%计） 4万元

合计 126万元

3.1.2 海水循环水源热泵方案（方案二）：

（1）方案初投资：

制冷量2004kW，制热量2380kW，海水循环水源热泵机组2台

188万元（938元/kW）

使用侧循环水系统（含循环泵、补水及管道） 52万元（260元/kW）

热源侧水系统 45万元（225元/kW）

变配电系统 40万元（168元/kW）

机房200m2 20万元（100元/kW）

合计 407万元（2030元/kW）

（2）年运行综合费用：

设备折旧费用（设备寿命n=19，年利率取i=7%） 39万元

制冷年运行能耗费用 14万元

制热年运行能耗费用 21万元

年运行水耗费用-使用侧补水 1.4万元

年运行管理人工费（3人，年人工10万/人） 30万元

设备维修管理费

（每年设备维修管理费按设备折旧费的10%计） 3.9万元

合计 109万元

3.1.3 超低温多联机方案（方案三）：

（1）方案初投资：

室外机57台，室内机238台，制冷量2280KW，制热量2558kW 450万元（不考虑末端） （1974元/kW）

变配电系统 54万元（211元/kW）

合计 504万元（2232元/kW）

（2）年运行综合费用：

设备折旧费用（设备寿命n=15，年利率取i=7%） 55万元

制冷年运行能耗费用 21万元

制热年运行能耗费用 28万元

年运行管理人工费（3人，年人工10万/人） 20万元

设备维修管理费（每年设备维修管理费按设备折旧费的10%计）

5.5万元

合计 129万元

3.2 比较结果

经过对比后，海水循环水源热泵方案无论在初投资、年运行综合费用还是在节能降耗方面均优于其余两种方案。

3.3 其他优势

水源热泵系统具有运行稳定、舒适性高的优点，而“海水循环水源热泵”作为一种水源热泵在发电厂中的结合应用，同样继承了这些优点。

海水作为热源冬季温度更高、夏季温度更低，相对于空气温度的变化约有1个月的滞后而且变化平缓，这对于热泵机组的稳定运行来说是非常有利的，并从一定程度上避免了热泵机组高负荷需求的情况下，输出功率及能效比反而降低的弊端。

4 存在问题

“海水循环水源热泵”是利用了海水循环水系统，才得以将水源热泵这种节能高效的冷（热）源形式引入发电厂空调系统的，但也由于与发电厂循环水系统联系密切，“海水循环水源热泵”的应用也存在了一些问题：

4.1 依赖性较高

“海水循环水源热泵”系统的运行与发电厂循环水系统密不可分。因此，如果使用方需在发电厂投运前运行空调系统，则需增加另外的临时措施。并且对于仅设置单台机组的发电厂，“海水循环水源热泵”也无法满足其空调系统在停机大修时的使用。

4.2 设计配合工作量大

相对于其他冷热（源）形式，“海水循环水源热泵”系统设计的配合工作量较大。

4.3 布置受限

海水管道、海水提升泵造价较高，且厂用循环水泵一般压头较低，因此海水源热泵机组不宜远离循环水系统布置。

5 结语

通过本文以上分析比较可见，“海水循环水源热泵”是一种经济、节能、环保而且舒适的空调冷（热）源形式。虽然其应用存在一定的依赖性，但在对节能降耗有更高要求或不要求空调系统提前投运的厂址以及扩建工程、改造工程中均会有很好的推广前景和应用潜力。

（责任编辑：秦逊玉）