蒸汽热泵在云南省电能替代中应用的可行性分析

梁俊宇，王周君，陶庆，袁兴宇，赵明

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2.云南电网有限责任公司研究生工作站，昆明 650217；3.曲靖阳光配售电有限公司，曲靖 655000；4.华北电力大学，北京 102206）

0 前言

为了解决日趋严重的环境问题，我国制定和推行了多项政策、法规和国家级的战略，其中最重要的内容之一是推行“两个替代”，既在能源生产侧，采用可再生能源替代传统化石能源；在用能消费侧，大力推进电能替代，减少终端能源消费中非必需的化石燃料消耗。目前，我国主要依靠锅炉直接加热水的方式获取蒸汽和热水，不仅能源利用效率低，还造成了环境的污染。因此，如何利用清洁能源供热技术替代传统锅炉，并实现工业节能、能源综合利用和提高能源利用效率将成为未来一段时间内的研究热点。在这其中，高温热泵被认为是最有前景的替代技术[1-2]。

热泵一般采用电力作为驱动，将一些低品位的热源，如空气，水、工业余热和废热转化为高品位的热量，作为生产和生活供应。根据主流学术的观点[1]，出口温度低于80℃，工作热源低于40℃是普通热泵。经过多年的发展，目前该类产品已经非常成熟，主要用来供应生活和部分生产用热水。在美国、德国、瑞典、挪威和日本等国家广泛应用医院、酒店和大型商业综合体等建筑的供热/冷中。出口温度低于100℃，工作热源低于60℃是高温热泵，目前国内外均有部分投入到市场的产品。总体来说，由于高温热泵的应用场景需要面对水的沸腾问题，为了避免结垢，对水质的要求较高。为此，国外的产品一般会对水做增压处理，提高水的沸点。而国内厂家为了控制成本，选择将供热温度控制在沸点以下，目前还未见到供热温度高于100℃的产品。蒸汽热泵则是在高温热泵的基础上，增加汽化和增压设备，可供应120℃以上的饱和/过热蒸汽。目前蒸汽热泵基本处于实验室研究阶段，鲜有成熟的商业化产品。蒸汽热泵的出现，极大地拓宽了热泵的应用范围，是未来替代传统蒸汽锅炉，并实现工业余热和废热高效回收、光热储能高效利用的理想方案。

1 高温热泵技术现状

按照工作原理划分，热泵一般可以分为压缩式热泵、吸收/吸附式热泵和化学热泵三大类[3]，其中压缩式热泵目前技术较成熟，其优点是可以提供较高的供热温度，但单机供热功率很难达到1MW以上。吸收式热泵的优点是工作热源温度范围较宽，可以轻松地将单机功率做到兆瓦级别。但目前由于吸收/吸附式热泵系统设计困难，换热效率偏低等问题，在工程中鲜有应用的实例。化学热泵是集合了储能与热泵为一体的新型热泵，具有温度适应范围宽、温升大、储能密度高、储能时间长等优点，可与压缩式热泵和吸收式热泵形成互补，实现低品位工业余热的深度利用。另外，在需要储能配合的场景，如光热辅助储能，谷电储能等化学热泵具有较好的应用前景。化学热泵主要的应用难点是系统稳定性低、反应速率低和系统效率不高等问题。考虑到技术成熟度的因素，下文中所涉及的高温热泵应用分析只针对压缩式高温热泵。

2010年以后，高温热泵的相关研究出现了井喷式的增长，研究方向主要集中于供热温度高于100℃的应用领域。图1列出了当前各国比较有代表性的研究计划[4]。近几年，以日本、德国和挪威为代表的很多国家在热泵工质，高压比压缩机，热泵系统等方面取得了突破性的进展。

图1 全球范围内具有代表性的高温热泵研究计划

Helminger等人[5]，采用R1336mmz工质，并引入了中间换热器(ΙHX) 研究了单级HTHP。成功将出口温度提高到了160℃。为了达到高温的需求，对现有的关键部件进行了改进。实验结果显示，该系统的COP在109℃的热源温度和156℃的出口温度下，达到了2.7。同时ΙHX提高了约4%的COP。

Fleckl等人[6]也开展了类似的工作，实验结果显示，在出口温度150℃下，温升为35K和70K时系统COP分别达到了5.8和2.4。为了避免压缩过程中R1336mmz工质进入气液两相区，在温升分别为35K和70K时，需要预留10K和20K左右的过热度。在另外一项由奥克斯纳(Ochsner)公司主导的研究中，Wilk[7]等人通过改良工质，将出口温度提高到了130℃，输出的热功率达到400kW。在温升为70K时，系统的COP达到2.3（60℃热源）。

在德国，Noack[8]在实验室中建立起的热泵系统的出口温度高达140℃，工作热源的温度为60～90℃之间，COP在出口温度120℃时达到了最高值4.5。该系统系统采用了更加环保的工质HT125，没有采用任何特殊部件。在法国[9-10]，江森自控（Johnson Control Ιnc.）和法国电力公司（Electricite de France）合作主导了高温热泵的开发。为了覆盖工业生产中的用热需求，两家公司合作开发了双螺杆和离心压缩机，并测试了采用R245fa作为工质的系统效率。结果显示，在热源温度为60℃，出口温度为100℃的情况下，供应热水的最高COP达到了6。

挪威的 HeatUp项目以将出口温度提高至200℃以上为目标，其中Bamigbetan等人[11]研究并开发了由R290和R600制冷剂组成的梯级系统，可在热源温度为30℃时，稳定地将出口温度提升至120 ℃。

国内目前在开展高温热泵研究的机构主要是上海交通大学、清华大学、天津大学等高校，其中王怀信等[11]的实验研究结果表明，与纯质 HFC245fa 相比，MB85 和 HFC245fa 的二元混合工质在冷凝温度 70℃ ～ 100℃工况范围内，综合性能优于 HFC245fa；在出口温度为100℃，循环温升为 45℃时，COP 达到3.83，热水输出温度达到97.2℃。上海交通大学的李廷贤等人[13]利用混合工质将冷凝水从 70 ℃ 加热到 90 ℃，同时结合太阳能发电技术，开展了一系列研究。西安交通大学的王凯等人[14]通过将压缩机喷油冷却技术引入到余热回收高温热泵系统测试平台，实现了对螺杆压缩机在高温工况下的排气温度的有效控制，出水温度可达 85 ℃ 。

SGH120可在热源温度为25-65℃时，提供约流量不低于0.52t/h，温度不低于120℃的饱和蒸汽。在此基础上，神户制钢通过自主研发的高压比双螺杆压缩机，将120℃的饱和蒸汽进行压缩，产出流量不低于0.89t/h，温度不低于165℃的饱和蒸汽，并研发出SGH165。维京热机的HeatBoosterS4采用R133mzz工质和活塞式压缩机，能够提供高达150℃的出口温度，但目前该产品还处于改进阶段，系统的整体的稳定性不如SGH165。奥克斯纳的产品采用单螺杆压缩机，最高供热温度为130℃。虽然供热温度低于前两者，但其单机供热功率是目前所有100℃以上压缩式热泵中最高的。混合能源作为挪威另外一家高温热泵的制造商，采用了吸收式与压缩式热泵混合运行的技术，其优势是具有较大的工作范围，其次是可以进一步扩大单机热功率。从表中可以看出，目前采用R717作为工质的Hybrid Heat Pump在满足120℃供热温度的同时，最大单机功率已达到2.5 MW。日本的前川制作所(Mayekawa)则主要专注于CO2工质和相关压缩机产品的研发。由于CO2具有其他人造工质无法比拟的优势，所以被认为是未来最有应用前景的制冷剂。但由于CO2的临界压力较高（7.37 MPa），压缩机的材料和零部件需要具有较好的承压能力，研制难度极大。

图2 云南省工业领域各行业用热需求

2 电能替代实例分析

云南省70%的终端能源消费来自于工业，其中可替代潜力最大的环节主要是130℃以下的饱和蒸汽的烘干，保温，加热、蒸馏等过程。大力推进云南省的燃煤锅炉电能替代，对于提高本地电力消费途径和节能减排方面具有重要意义。云南省各行业的用热需求和替代等级分类详见图2。从图中可以看出，目前替代潜力最大的是食品与饮料加工行业，其次是造纸和化工业。为此，本节将以云南省典型的食品加工业，石屏县豆制品工业园区为例，针对电能替代实际需求，给出初步的替代方案，并分析采用蒸汽热泵替代传统燃煤锅炉的技术经济可行性。

2.1 替代方案简述

本技术方案针对该生产工艺中用热(蒸汽)温度低于150℃的特点，采用蒸汽热泵系统对原燃煤锅炉进行替代的技术路线，实现生产工艺中蒸汽、热水的点对点供应，最大限度减少热力管网损耗，提升系统的整体运行效率和用能环节的能效；实现生产过程中空气污染物零排放。经过前期的计算和仿真分析，采用本技术路线对原0.5 t/h燃煤锅炉替代后，完全能够满足豆腐加工企业的用能需求。

为了提高生产过程的整体能效及热泵系统的整体COP，鲜豆腐生产替代拟采用如下路线：

1)为了减少煮浆过程的蒸汽耗量，减小传热温差，采用直热式热泵机组，将常温豆浆加热至60℃后再送入到蒸煮容器内。

2)为了提升热泵蒸汽机组的能效，采用热水热泵机组将水从常温加热至60℃左右。后期可根据需要，加装光热+蓄热装置，进一步减少这个环节热泵所消耗的电能。

3)高温热泵蒸汽机组的以60℃的热水作为热源，将水加热至115℃的过热水。过热水通过蒸汽闪蒸发生器变为蒸汽，并通过压缩环节和电辅热环节，最终变为0.4 Mp，140℃左右的饱和蒸汽。将蒸汽引至煮浆的容器，加热豆浆至110℃左右，并持续加热15分钟。

豆腐皮生产拟采用如下技术路线：

1)为了减少煮浆过程的蒸汽耗量，减小传热温差，采用直热式热泵机组，将常温豆浆加热至60℃后再送入到蒸煮容器内。

2)为了提升热泵蒸汽机组的能效，采用热水热泵机组将水从常温加热至60℃左右。后期可根据需要，加装光热+蓄热装置，进一步减少这个环节热泵所消耗的电能。

3)高温热泵蒸汽机组的以60℃的热水作为热源，将水加热至115℃的过热水。过热水通过蒸汽闪蒸发生器变为蒸汽，并通过压缩环节和电辅热环节，最终变为0.4 Mp，140℃左右的饱和蒸汽。将蒸汽引至煮浆的容器，加热豆浆至110℃左右，并持续加热15分钟。

4)对揭皮生产线的揭皮锅和管道进行全面的保温改造，减少热力管网的热损失，提高能源利用效率。

5)将0.4 Mp，140℃左右的饱和蒸汽引至揭皮生产线，提供不小于1.4 t/h的连续蒸汽供应能力。

2.2 能量平衡计算

能量平衡计算的目的是确定在满足最大生产用能需求情况下的热泵系统功率以及每户加工企业所需要配置的变压器容量。根据现场调研和对用能点参数的初步测量结果。

鲜豆腐和豆腐皮加工对蒸汽参数的需求，考虑到蒸汽压力的差别对于蒸汽焓值的影响不大。在后续热力平衡计算时，统一选取143.62℃，0.4 Mp的蒸汽焓值2 738.5 kJ/kg。

鲜豆腐企业和豆腐皮企业每条生产线分别配有一台0.5t/h和4t/h的燃煤锅炉，根据对调研数据的分析，每户鲜豆腐生产企业的燃煤费用约为1.5～2万元/月，按照每户370元/t计算，月最小和最大燃煤消耗约40吨和54吨左右，折合1.35～1.8t/天。按照最大需求选取燃煤消耗量为1.8吨/天计算所需的热泵功率。豆腐皮生产企业日燃煤消耗约12～13t/天。按照最大需求选取燃煤消耗量为13吨/天计算所需的热泵功率。

由于鲜豆腐和豆腐皮生产用蒸汽均为间歇性用汽，通过推算分别取连续耗能系数为0.5和0.6，以此参数反映在生产间断过程中，为了维持燃煤锅炉燃烧所损失的热量。

通过测算，原锅炉系统整体效率分别为0.51和0.43。当热泵系统整体效率取2时，满足鲜豆腐生产用能需求的热泵功率应不低于133.12kW。满足豆腐皮生产用能需求的热泵功率应不低于684.63kW。

鲜豆腐企业共有豆腐生产线2条(对应2台0.5t/h锅炉)，豆腐皮生产线6条(对应6台4t/h锅炉)，目前只有一户配置专门的用户变(两条豆腐皮生产线，专变容量160 kVA)，其余的用户的供电均由附近三台400 k的公用变引出。采用热泵系统替代燃煤锅炉后，单条鲜豆腐生产线所需热泵负荷约140 kW。扣除原锅炉辅机约10.8 kW的负荷，新增负荷约130 kW。考虑到原有用户负荷约40 kW，则满足单户鲜豆腐生产的总负荷应不低170 kW，变压器容量应不低于200 kVA。

松村工业园区内的豆腐皮企业的用户专变容量为120 kVA～160 kVA不等。其中生产过程的负荷(不包括燃煤锅炉辅机)约80 kW。单条豆腐皮生产线所需热泵负荷约694 kW，扣除原锅炉辅机约37.2 kW的负荷，新增负荷约656 kW。考虑到原有用户负荷约80 kW，则满足单户鲜豆腐生产的总负荷应不低于736 kW，变压器容量应不低于1 000 kVA。

3 替代经济分析

运行经济性对比按照一户企业配备一条生产线为测算基准，测算过程中的总体原则如下：

1) 蒸汽焓值统一采用738.5 KJ/kg。

2) 鲜豆腐企业蒸汽耗量0.35 t/h，豆腐皮企业蒸汽耗量1.8 t/h。

3) 鲜豆腐企业日平均干豆消耗量0.8 t/天，豆腐皮企业日平均干豆消耗量5 t/天。

4) 单位能源价格按照电0.54元/kWh、煤炭0.39元/kg、天然气3.2元/m3、生物质燃料1元/kg计算。

5) 煤炭热值取3 000 kcal、天然气热值取7 000 kcal、生物质燃料取4 000 kcal。

6) 热泵COP取2、燃煤锅炉效率0.51(豆腐生产线)和0.43(豆腐皮生产线)、天然气锅炉0.6、电锅炉0.95、生物质锅炉效率0.45(豆腐生产线)和0.43(豆腐皮生产线)。

7) 考虑到豆腐加工过程为间歇性的生产用能，系统的连续耗能系数统一取0.5。

通过初步测算，原有燃煤方案的单位原材料能源成本约0.88元，与实际调研得到的价格区间(0.7～1.1元)基本相符。采用热泵方案的单位原料生产成本比天然气便宜约1.54元/户，比生物质便宜约0.83元/户。

对于豆腐皮企业来说，原有燃煤方案的单位原材料能源成本约1.03元，与实际调研得到的价格区间(0.7～1.1元)基本相符。采用热泵方案的单位原料生产成本比天然气便宜约1.32元/户，比生物质便宜约0.9元/户。

采用热泵方案的年运行费用仅比燃煤锅炉增加约6.53万元左右。而热泵方案相比天然气、生物质和电锅炉每年可分别节约运行资金约30万元/户、21万元/户和23万元/户。

采用热泵方案的年运行费用仅比燃煤锅炉增加约21万元左右。而热泵方案相比天然气、生物质和电锅炉每年可分别节约运行资金约184万元/户、137万元/户和175万元/户。

4 结束语

随着能源短缺、大气污染和全球变暖等一系列问题的日趋严重，热泵技术，特别是高温热泵的研究成为了近几年的国际上的研究热点。从发展趋势来看，热泵工质、输出温度、容量、能效、可靠性与温度适应性是研究的主流方向。供热温度85℃的热泵产品较为丰富，技术较为成熟；85℃-100℃的产品正在逐步推广并形成了一些工程化应用的示范；100℃-130℃已形成了部分工程样机，预计未来2年之内会逐步实现工程应用；130℃以上的高温热泵鲜有成熟的产品，基本还停留在试验样机阶段。

热泵技术可利用光热、地热、工业余热、废热等低品位的热源来获取高温热流体。高温热泵(包括蒸汽热泵)的研发、推广和应用对于云南省淘汰和替代燃煤锅炉，提升电气化水平，充分利用可再生能源、减少有害气体排放、提高大气环境质量、提高用户终端能源利用效率具有重要的意义，同时也是云南省未来能源结构调整的重要手段。

本文在总结了现有压缩式高温热泵技术的基础上，以典型的石屏豆制品行业为对象，按照其用能需求开展了电能替代方案的初步设计。从经济性分析的结果可知，采用全电气化的蒸汽热泵方案后，全年运行成本约比原燃煤锅炉高21万元，但显著低于生物质燃料和天燃气，具有良好的替代经济性。