水源热泵回收电厂循环水余热的节能分析

马 闯 任建兴 李芳芹 侯 鑫 冯海军 章晓彤

上海电力学院能源与机械工程学院

0 引言

目前，我国供热机组在冬季处于抽气运行工况的机组约占火电厂装机总量的30%。从现状看，传统抽气供热的方法，尚存在不足。供热汽轮机抽气量增大后，机组一次调频能力下降，需要充分考虑电网自平衡能力，减小电网安全隐患[1]。研究发现利用热泵供热替代传统抽气供热，总热效率将增加。与此同时，节煤量也增加，在额定抽气工况下热泵供热性能优于抽气供热工况[2，3]。因此，有必要对传统供热的方法进行分析，对供热的节能性加以重视。

电厂中蕴含着丰富的余热资源，燃料燃烧的热量，60%的热能通过锅炉尾部烟气和被流过凝汽器的循环水带走，在环境中散失，大量的余热资源被浪费。通常电厂循环水的温度比环境温度高10℃左右，无论是夏季还是冬季都能满足水源热泵的运行要求。若通过水源热泵回收电厂循环水余热用于供热，与常规直接抽气供热进行分析比较，具有很大的节能潜力。

1 传统直接抽气供热系统

热电厂以热电联产为基础的供热式汽轮机对外供热和供电。供热式汽轮机主要有背压式汽轮机和抽气式汽轮机。对于背压式供热形式，按照“以热定电”，电能和热能不能单独运行，为了克服背压式汽轮机供热的缺点，普通的热电厂多采用抽气式汽轮机供热，可同时满足热负荷和电负荷随时变化的需要。抽气式汽轮机组的供热原理如图1所示。

图1 抽气式汽轮机组的供热原理

从锅炉出来的高参数工质蒸汽，经汽轮机高压缸作功后分成两部分，一部分供给热用户，另一部分通过调速气门进入汽轮机低压缸继续作功，排出的乏汽进入凝汽器，乏汽经过循环水冷却后变为凝结水，通过水泵又将水送回锅炉，完成循环。

随着国家节能减排政策的推进，我国能源行业开始走向节能环保之路。传统抽气供热利用蒸汽热源，直接对用户供热，热损失是导致供热系统高能耗的主要原因[4]。

2 水源热泵系统分析

相对于空气源热泵而言，水源热泵机组可利用江河湖泊、地下水以及电厂循环冷却水等作为热泵的热源，提高低品位热能的利用率。水源热泵利用不同的热源，具有不同的使用效果。表1列出了水源热泵利用不同热源要注意的问题。针对江河湖水源热泵，根据《中华人民共和国水法》和各地方的《城市用水管理条例》，均要求用水审批和用水收费，使水源热泵在水源取水问题上增加了阻力[5]。对电厂而言，循环水不可缺少，其作用是用来吸收汽轮机乏汽的汽化潜热。以600MW机组为例，机组在冬季运行时，某一天，当循环水平均流量达到1 372．4t/h[6]，为水源热泵提供了充足的水源。水源热泵将电厂循环水作为水源热泵的热源，回收余热，优越性主要表现在以下几个方面[7]：

（1）循环水的温度和流量都较稳定。

（2）循环水的水质好。与海水、城市污水相比，循环水比较清洁，具有较好是传热效果。

（3）利用循环水蕴含的巨量余热，可减少排入大气的热量，降低热污染。

（4）降低进入凝汽器入口的循环水温度，提高了凝汽器的真空度，增加了机组的发电功率。

（5）减少汽轮机抽气供热，避免高品质能量的浪费。

表1 利用不同热源时需注意的问题

2.1 水源热泵的工作原理

水源热泵通过利用温度较低的水，实现对建筑空间供热和制冷的目的是以消耗一部分高品位电能作为条件，依靠循环，把蕴含在环境介质中的低品位热量挖掘出来，达到利用的装置。通常热泵每消耗1份电量，可以提供2～3倍甚至更多的热量[8]。因此可以利用低品位能量而节约高品位能量。

压缩式热泵循环流程如图2所示。其基本工作原理：在冬季制热工况下，低温低压的制冷剂从蒸发器经过，吸收来自低品位冷源（如电厂循环水）的热量后温度上升，流入压缩机，被压缩成高温高压的蒸汽，然后流入冷凝器向热源放热，通过膨胀阀降温降压处理后，低温低压的制冷剂又流入到蒸发器，反复循环。在夏季，水源热泵的冷凝器与蒸发器的功能互相切换[9-10]。

2.2 水源热泵系统的节能特点

水源热泵通过消耗小部分的高品位电能来挖掘、回收低品位热能，获得更多的高质量热能用以供热或制冷。研究热泵技术用在火力发电厂循环水的余热回收，可使电厂节能率达到32．8%[11]。冬季供热时，将电厂循环水作为水源热泵的低品位热源，不仅降低了凝汽器入口循环水的温度、提高凝汽器真空度，且可节约电厂的耗煤量。目前，我国每消耗1t标准煤，将排放约400kg二氧化碳、20kg二氧化硫、15kg烟尘和260kg灰渣[12-13]。对水源热泵系统而言，水源侧为电厂循环水，通过回收余热，用来供热或加热生活用水，实现节能减排的目的。电厂循环冷却水的温度一年四季的波动不大，一般冬季在20℃～35℃之间，夏季在25℃～45℃之间，虽然不同机组、不同地区存在一定差异，但仍可保证水源热泵在其经济运行区间内，有很好的节能价值。

由图2所示，水源热泵通过输入小部分的高品位电能，利用热泵技术提取电厂低温循环水的余热供给用户侧。衡量水源热泵的制热性能好坏的参数是制热性能系数COP，定义式为：

当COP的值越大，说明水源热泵的节能效果越好。

图2 水源热泵系统流程图

假设水源热泵所用的工质进行的循环是理想的逆卡诺循环，如图3所示。在T-S图上，面积3-1-Sa-Sb表示制热量，面积1-2-3-4表示耗电量。制热性能系数又可以表达为[14]：

可以看出，求导后的公式（3）始终大于零，说明随着蒸发温度的增加，即水源侧进水温度越高，制热性能系数越大。电厂循环水的温度高于周围环境10℃左右，因此，当水源热泵利用的低温热源是电厂循环水而不是江河湖泊等自然地表水的时候，制热性能系数有一定升高，单位供热量消耗的电能也就越少。选择水源侧的温度不同，将影响水源热泵的节能效果。

图3 逆卡诺循环在T-S图上的表示

2.3 水源热泵系统的供热方案

随着小型机组的减少，大型热电厂的兴起，电厂的节能工作越来越被重视。采用水源热泵提取电厂循环水的低品位余热越来越得到关注。冬季通过水源热泵利用循环水供热，不但可以降低进入凝汽器的循环水的入口温度，还可以提高凝汽器的真空度。文献[15]指出凝汽器真空度每提高1kPa，可以降低2．5g/kWh的煤耗值。在实现利用低品位热量供热同时，还可节约一次能源的消耗。由此可见，利用循环水供热具有很好的经济效益及很好的节能潜力。水源热泵回收电厂循环水供热运行的原理见图4。

图4 水源热泵回收电厂循环水供热运行原理图

低温的电厂循环水作为热泵的热源，在吸收汽轮机1排气凝结放出的热量后温度升高，一部分直接进入冷却塔2进行冷却，回到循环水池，另一部分从凝汽器3出口分出，流到蒸发器4，在蒸发器放出热量降温后，回到循环水池。热泵中的工质在蒸发器中吸收来自循环水的热量，经过压缩机5升温升压后，在冷凝器6中将热量传给供暖热水，然后经过膨胀阀7降温降压又回到蒸发器吸热，完成一次循环。供暖热水温度升高，进入用户端的散热器8散热，回到冷凝器中继续循环。

3 常规热电厂供热与水源热泵供热比较

对供热集中的区域，常规热电厂通常采用抽气式汽轮机用于供热。其原因是在现有条件下，使用背压汽轮机供热，热电负荷会相互制约，对负荷的变化适应性较差。当采用抽气式汽轮机用于供热，用户可以得到的热量为：

如果上述抽气不用于供热，而是继续发电，则可以多产生电能：

再利用多发出的电能作为水源热泵的动力，则可以向用户提供的热量（不计损失）：

某发电厂1 000MW机组假设两种供热方法的主要参数如表2所示。

表2 两种供热方式的主要参数

当直接抽气供给用户的热量与其驱动水源热泵所能产生的热量相等时，则有下面的关系式：

定义:

∇表示热电厂通过直接抽气对外的供热量与通过水源热泵向用户提供的热量之比。当∇＞，则表示采用直接抽气供热更节能，∇＜，则表示利用水源热泵系统更节能。

4 结语

水源热泵将电厂循环水作为热源，回收电厂循环水中蕴含着的丰富余热，并不需要考虑江河湖泊等热源要注意的问题。从热力学第二定律可知，水源热泵借助电能为动力，实现能量从低品位到高品位的转换，不仅回收热量，还实现供热。传统机组供热的设计参数要求达到200℃以上，通过计算分析说明，如果抽气温度达到188℃以上，利用水源热泵供热优于直接抽气供热，体现了节能的优点。

金山区垃圾分类“绿色账户”进小区

4月23日，金山区枫泾镇对枫阳等4个居委开展绿色账户培训活动，并委托第三方机构人员对相关人员、居民等进行“绿色账户”实务操作专题培训。

此次培训涉及四项内容：（1）讲解“绿色账户”的重要性、功能、开卡流程以及实际操作方式等；（2）开展居民模拟投递演练，指出错误示范，规范使用过程；（3）发放分类卡；（4）对刷卡员进行绿账管理应用的常见问题解答。

通过培训，居民群众对垃圾分类绿色账户认识更全面深入，居民使用“绿色账户”积极性进一步提高，为深化落实全镇生活垃圾分类工作全覆盖打下了基础。