回收循环水余热的热泵供热系统热力性能分析

张晓华

（山西省城乡规划设计研究院，山西太原 030001）

0 前言

当前时期，全球天然气、石油、煤炭的储量在不断减少，能源问题是每个国家都应该关注和解决的问题，人们越来越重视能源的梯级利用、余热回收。如今，我国北方城镇集中供热面积不断增加，导致城市供热热源十分紧张，鉴于此，对供热机组的供热性能有了更高的标准与要求。

1 我国热泵供热系统应用

1.1 调节抽气式供热机组

当前时期，我国各地使用的集中供热机组即为可调抽气式的供热机组，然而其并非完美，依旧存在一系列问题，如，汽轮机直接用于加热热网回水，热网回水温度通常约55℃，加热后可达130℃左右，若热网温差太大，将严重损坏热网，且抽汽中的热能得不到有效使用。且汽轮机排汽中余热会同循环水一并流失，并在空气中进行消散，进而导致循环水余热未被良好的进行着应用，最终出现大量的浪费。

1.2 吸收式热泵

吸收式热泵优点是可对低品热能有效利用，并能再次回收地热能和太阳能灯废热，减少环境污染。其热源来源于电站的循环水，通过吸收式热泵进一步优化其功能，最终可以为用户提供热量。在这个过程中，不但能回收利用循环水余热，也使供热系统供热性提升，有效解决了供热不足造成的供需矛盾。而且进入热网的水的基准温度很高，使温差减小，也减少了对热网的破坏，从而更好地利用抽汽。最关键的缺陷是气密性高。在应用中，一旦空气进入外界，会对整个机组的性能带来非常大的不利影响，并且摒除了因其用水作为制冷剂，所以，仅选择超过5℃的冷媒水进行使用。此外，因为溴化锂有非常高的价格，所以，第一次使用时会投入很多的资金。

与此同时，目前，随着吸收式热泵的广泛应用，国内外专家学者也十分关注这方面，国外学者Christian keil 深入研究了低温集中供热中的吸收式热泵，在吸收式热泵和吸收式换热器的基础上，国内学者李岩等人重新设计了一类新型集中热能法，从而使海水淡化余热回收及低品位余热回收中对热泵应用的可能性增加。

2 热电厂余热回收技术类别

2.1 吸收式热泵技术

2.1.1 开式循环运行方式

热电厂热泵及循环水系统中使用开式循环运行方式，循环水通常可分两部分，一部分为确保电厂正常循环的循环水将流入冷却塔，另一部分循环水流入热泵机组实现低温余热回收利用，然后冷却塔循环水与水池中热泵机组的循环水熔化，再返回凝汽器进行冷却处理，开展下一循环。开式循环方式下，循环水的水质要求通常较高，但由于具体操作步骤相对简单方便，这种方法在具体的日常使用中会被经常使用，其具有十分理想的效果。

2.1.2 闭式循环运行方式

火电厂热泵系统、循环水系统应用闭式循环运行时，需要对凝汽器设备进行改造或对原凝汽器进行改造，使之成为一种新型的双面操作的设备，这对双侧运行方式而言均发挥了不同的作用，其中有一侧的循环水将流入上塔，而另侧循环水则会流经到热泵循环中。

如果应用闭式循环的运行方法，则可以有效调节循环水流量、水温和变回水温等，若温度攀升且热负荷减少时，那么通过热网会使循坏水温度上升，进而提升供水温度，当换热网络被加热或凝汽器内的冷凝压力和冷凝温度升高时，加热器内的排汽量也会降低，此时循环水流量增多并流入冷却塔，从而使原凝汽器内热量被一同带走，这时，循环管网供水温水温将降到规定标准。

2.1.3 热泵取代凝汽器运行方式

汽轮机产生的热量主要是循环水中的余热来源，如果能通过相关设备直接从热泵机组获取热量，可将中间一系列操作、介质省去，降低传输中能量及热量损耗。且它将大大提高换热效率，可用热泵机取代替冷凝器，且余热利用率通过中间环节的省略而增加，符合国家节能减排战略，过程绿色环保，但也有一定的应用缺点，实际运行中，会影响机组和系统，且中间操作十分纷繁复杂，无法精准控制，所以，如今我国工程中依旧未被广泛的进行推广与应用，为此，在将来需要我们去进一步去不断深入挖掘与研究。

2.2 低真空供热技术

2.2.1 凝汽器单侧运行

凝汽器内水在凝汽器单侧运行会按原路线通过供热管网流经循环冷却塔。此运行方式叫双背压凝汽器，与单背压凝汽器功能效果相比，其具有更理想的环保节能效果，特别双背压凝汽器中，冷却面积可增加，可以有效地改善凝汽器的传热性能，在运行过程中，相对单一的背压将产生很大的凝汽器功率，不但增加了传热温差，而且又直接影响到其最终的传热性。

2.2.2 凝汽器双侧运行方式

凝汽器两侧运行且两侧的循环水通过热网，然而，仅有一部分水进入冷却水塔，此运行方式是单背压凝汽器，可让两侧背压相同，这样两侧的工作状态将会是最理想的。

3 工程实例分析

3.1 工矿计算

分析300MW 的供热机组，看到原来的抽气量是240t/h，蒸汽轮机热网加热器用于加热热网中的水，温度由50℃逐渐升高到130℃，汽轮机空气干球温度22℃，湿球温度16.9℃，凝汽器（31680t/h）控制热泵循环水量，系统冷却塔临睡面积、特征参数分别是6000m2和1.9662.0 代表的是热泵内空气、水质量比，继而形成热泵加热方式。

3.2 工矿计算结果

基于溴化锂吸收式热泵供暖计算结果：循环水热泵供暖系统中，热泵性能系数为1.723，热泵效率在传统模式下是73.68%，热泵供暖模式的效率高达83.68%，提高了10%。针对热泵循环控制量，热泵供热方式抽汽用水量每小时可节约31.68t，热泵机组功率提高5.31MW。当热网水温由55～80℃时，系统凝汽器出口循环水温升0.7℃，凝汽器压力增肌了0.23kPa，机组功率降低0.33MW；另外，循环水增压泵循环水消耗后，机组功率降低0.25MW，这时，热泵供热系统机组净功率增为W=5.31-0.23-0.25=4.83M，见图 1。

3.3 变工况的热泵供热系统热力性能

（1）系统热性能受凝汽器出口热网水温影响，系统端差一定，热泵循环水量、用气量会随着凝汽器出口热网水温升高而增加，而热泵耗气量出现显著增加。鉴于此，峰值负荷加热器耗气量也显著降低，且下降幅度显著高于热泵，从而使整个热泵供热系统用气量明显降低。

图1 收循环水余热的热泵供热系统

（2）通过分析热网回水温度对热泵供暖系统热性能的影响，热网加热温度一定的情况下，随着回水温度的升高，循环水的质量流量及热泵的耗气量将随着返水温度的升高而逐渐减少，并且前者有更高的下降幅度，但是，随着蒸发器循环水水温的升高，供暖系统的耗气量会降低，但降低幅度较小。所以，通过同传统的供热方式相比，热泵供热系统汽轮机抽汽量将得到更大的节省，机组的净功率将得到更大的提高。

（3）分析对蒸发器循环水温降对热泵供暖系统性能的影响。据分析，进口循环水温恒定，温降范围缩小，出口循环水温增加，蒸发器、吸收器压力会受影响，而不发生任何改变的就是热泵系统的其他参数。循环水温若下降，那么质量大流量会表现出不断上升的变化趋势，但会不断降低热泵耗氧量，最后，热泵的性能参数将不断提高，因此，与传统的供热方式相比，将节省更多汽轮机组的抽汽量，增加的净功率也获得了提升。还应注意的是，循环水温度的冷却范围缩小，但在供热量不变的情况下，热泵供热方式效率会随热泵供热系统耗气量减少而提高，尽管增幅不是很大，然而，也能改善热泵系统的热性能。

（4）分析蒸发器出口循坏水温对热泵热力性影响。蒸发器内循环水温降低、端差一定，吸收塔间压力和蒸发器会受出口循环水温影响，但系统其他参数恒定。蒸发器出口的循环水温持续升高，也会持续增加循坏水的质量流量，然而，热泵含气量会不断降低，进而会增加热泵性能参数值。当出口循环水温度不断升高时，热泵供暖系统的耗气量将降低，与传统采暖方式相比，将增加节约抽汽量与机组净功率。

4 结束语

在应用循环水余热回收热泵节能机理时，需提高公式计算效率，以获得准确的计算结果，防止误差对余热利用效率形成影响，同时，循环水余热利用热泵的节能研究应以我国现状为基础，适应时代的需要，只有如此，我国的节能减排事业才可获得繁荣可持续发展，最终与我国倡导的节能减排、绿色环保口号相符合，真正为人们的身体健康造福。