供热工程循环余热利用技术优化研究

杨瑞波 佟震 杨明昊

收稿日期：2023-11-30

作者简介：杨瑞波（1983—），男，河北邯郸人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：集中供热、热电联产。

摘 要：为提高供热工程的热效率，以某供热工程为例，开展循环余热利用技术优化方法的设计研究。采用定义热泵变量和参数的方式，根据热力学第一定律，参照能量平衡方程，建立供热工程循环热泵数学模型。根据供热工程循环热泵数学模型中不同参数之间的关系，调整供热工程热网水压力。通过热泵驱动蒸汽与疏水器改造，实现供热工程循环余热利用技术的优化。实验结果表明，优化后的供热工程循环余热利用率高于优化前的供热工程循环余热利用率，说明设计的技术在实际应用中效果良好，按照规范优化供热工程，可以提高供热工程热效率，即提升工程循环余热利用率。

關键词：供热工程；疏水器；数学模型；循环余热

中图分类号：TK115                                文献标识码：A                                 文章编号：2096-6903（2024）03-0117-03

0 引言

随着全球能源结构的转型，清洁能源的开发和利用成为了重点。供热工程作为传统能源消耗的重要领域，其能源利用方式和效率对清洁能源的发展有着重要影响。通过优化余热利用技术，可以推动供热工程的能源结构转型，促进清洁能源的发展。供热工程作为能源消耗的重要部分，通过余热利用技术的优化，可以减少能源浪费，降低温室气体排放，为应对气候变化作出贡献[1]。随着社会能源价格不断上涨，提高能源利用效率成为了企业生存和发展的关键。优化余热利用技术，可以提高供热工程的能源利用效率，降低运营成本，提高企业的竞争力。

在供热工程中，循环余热通常是指在供热过程中未被充分利用的热量，这些热量会随着废气或冷却水排出系统，造成能源的浪费。然而，随着能源节约和环境保护意识的增强，有效利用循环余热已经成为了一个重要的研究课题。时国华等人[2]提出基于降低热网回水温度的钢厂余热回收供暖系统，根据余热回收流程，确定余热回收单元及内部换热网络的原则，通过计算循环水余热回收量、烟气余热回收量、乏汽余热回收量，降低余热回收率影响要素。通过引入等效性能系数评估钢厂低品位余热回收系统余热量，完成钢厂余热回收供暖分析。为了提高供热系统的可靠性，李永田等人[3]提出基于热泵技术的电厂余热利用方法，在分析热泵技术工作原理的基础上，研究喷射式热泵技术、吸收式热泵技术和径向热管技术的基本概念和特点。根据电厂乏气的温度和压力条件，设计相应的热泵系统结构，实现了对乏气的能量回收。在深入此方面内容的研究中发现，供热工程中的余热利用主要是通过回收供热系统中的废弃热量，将其转化为有用的能源，以减少能源的浪费[4]。

然而，在实际应用中，由于技术、设备和管理等方面的问题，余热的利用效率并不高。本文以某供热工程为例，开展循环余热利用技术优化方法的设计研究，旨在通过此次设计，有效地提高供热工程的能源利用效率，减少能源浪费，实现可持续发展目标。

1建立供热工程循环热泵数学模型

为满足供热工程循环余热利用技术优化需求，需在设计方法前，建立供热工程循环热泵数学模型。在此过程热泵是一种能够将低位热源中的热量转移到高位热源中的装置。在供热工程中，热泵通常被用来从低位热源（例如地下水、空气等）中提取热量，然后通过制冷剂循环将热量传递给高位热源（例如供热管道、散热器等）。通常采用定义热泵变量和参数的方式，用来描述热泵的工作状态，例如制冷剂的流量、进出口温度、热负荷等[5]。根据热力学第一定律，建立供热工程循环热泵数学模型，参照能量平衡方程，根据热泵工作过程中能量转换方式，建立如下计算公式所示的热泵数学模型。模型表达式如式（1）所示。

qm，shs1=qm，xlhxl+Q                                                        （1）

式中：qm，s表示参与供热工程的水蒸气质量流量，单位为kg/s；hs1表示发生器出口位置溴化锂溶液浓度，单位为kJ/kg；qm，xl表示热网水质量流量，单位为kg/s；hxl表示王水等压比热容，单位为kg/（kg·℃）；Q表示吸收器中发生的换热量，单位为kJ/s。

式（1）中Q为未知条件，计算公式如式（2）所示。

Q=qm，rc（t2-t1）                                                            （2）

式中：qm，r表示冷剂水蒸气初始值，单位为kJ/kg；c表示热水网中水流的质量分数，单位为%；t2表示吸收器热水网的出水温度，单位为℃；t1表示吸收器热水网的进水温度，单位为℃。

将式（2）的计算结果Q代入公式（1），以此实现供热工程循环热泵数学模型的构建。

2 供热工程热网水压力调整

为进一步深化供热工程的循环余热利用，应根据供热工程循环热泵数学模型中不同参数之间的关系，进行供热工程热网水压力的调整。

在供热工程中，对热网水压力的调整，可以影响供热系统的稳定性和供热效率。在此过程中，通过改变水泵的运行参数，可以改变水在管道中的流速和压力。根据实际需要调整水泵的转速或叶片角度，以实现水压力的调整。如果需要提高管道压力，可以通过增加水泵的数量，使水流的速度加快，从而提高管道的压力。如果需要降低管道的压力，可以通过减少水泵的数量，使水流的速度减慢，从而降低管道的压力[6]。还可以通过改变管道的直径，改变水在管道中的流速和压力。如果需要提高管道的压力，可以将管道的直径减小。这样可以使水流的速度加快，从而提高管道的压力。

在必要的条件下，可以在热网中安装减压阀或增压阀，调整管道壓力。通过调整减压阀或增压阀的开度，控制水在管道中的流量和压力。在此基础上，如果供热系统的热源是锅炉或热电联产机组，可以通过调整供热量来改变水在管道中的压力。如果需要提高管道的压力，可以增加供热量，使水流的速度加快，从而提高管道的压力。如果需要降低管道的压力，可以减少供热量，使水流的速度减慢，从而降低管道的压力。

在实际操作中，根据实际情况选择合适的方法调整，以确保供热工程对循环余热的规范化利用。在调整供热工程时，需保证供热系统的稳定性和安全性。

3 热泵驱动蒸汽与疏水器改造

对热泵驱动蒸汽与疏水器进行改造，是提高蒸汽系统能源利用效率的关键。其中热泵驱动蒸汽改造是一种将热泵技术应用于蒸汽系统的节能技术，通过将热泵与蒸汽系统相结合，可以将低位热源中的热量转化为高位热源中的热量，提高蒸汽系统的能源利用效率。在热泵驱动蒸汽改造中，通常需要将热泵系统与蒸汽系统集成。

热泵系统包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等部件，可以吸收低位热源中的热量并将其转化为压缩机的机械能。蒸汽系统包括蒸汽管道、蒸汽设备等，需要将改造前的蒸汽系统进行优化和升级[7]。在此过程中，应根据实际需要，选择合适的热泵系统，包括热泵的数量、型号和容量等。并调研和分析蒸汽系统，确定需要改造的部位和方案，安装热泵系统（包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等部件）。将热泵系统与蒸汽系统集成，调整系统的运行参数和控制系统，对改造后的系统进行测试和调试，可确保系统的正常运行和能源利用效率。改造过程中，需要保证施工安全和质量，避免出现事故和质量问题。须遵守相关法律法规和标准规范，确保改造方案合法和合规。

完成热泵驱动蒸汽改造后，应改造供热工程中的疏水器。新型疏水器具有更高的能源利用效率和更好的性能，根据工程需求，将常规的疏水器更换为新型浮球式疏水器。这种疏水器可以更好地控制蒸汽泄漏，提高能源利用效率。在蒸汽系统中，根据需要增加疏水器的数量。在疏水器的使用过程中，通过调整疏水器的开度，可更好地控制蒸汽泄漏，实现对供热工程循环余热的利用。

4 实例应用分析

供热工程中不可避免地会产生余热，这些余热如果得不到有效的利用，就会造成大量的能源浪费。优化余热利用技术可以使供热工程的系统效率得到提高。通过回收余热，可以减少新增热源的需求，从而降低系统的能耗。优化技术还可以提高系统的稳定性，确保供热工程的稳定运行。

为落实此项技术，深化此方面内容，本文开展了供热工程循环余热利用技术优化方法的设计研究。为实现对该优化方法在实际应用中的检验，以某地区大型供热工程项目为例，采用设计对比实验的方式，进行该方法的检验与测试。实验前，对供热工程的循环水管布置示意图进行分析，相关内容如图1所示。

在上述内容的基础上，对选用的供热工程运行中主要数据进行分析，相关内容如表1所示。

掌握供热工程机组运行的基本情况后，需要确定供热工程中的各项能耗数据，包括燃料消耗量、燃料热值、电能消耗量等。在此基础上，统计所有能源输入量之和，明确机组总能耗量，以此为依据，计算机组总发电量与总能耗量的比值（热效率），计算公式如式（3）所示。

（3）

式中：f表示供热工程热效率（供热工程循环余热利用率），单位为%；Φ1表示机组总发电量；Φ2表示机组总能耗量。为排除实验中相关因素的影响，在上述内容的基础上，按照表2，设计供热工程循环余热利用测试条件。

在确保供热工程在运行中机组条件一致的前提下，对优化前、优化后的供热工程循环余热利用率计算，将其作为检验供热工程循环余热利用技术优化效果的关键指标，其结果如图2所示。

从图2所示的实验结果可以看出，在相同的条件下，优化后的供热工程循环余热利用率高于优化前的供热工程循环余热利用率。这是因为设计技术通过热泵工作过程，将低温的余热源中的热量压缩提升至较高的温度级别，完成能量高效回收和转换，以此提高了供热能力。

通过构建供热工程循环热泵数学模型，在考虑热泵的效能特性基础上，准确计算供热工程中的热量输入与热量输出之间的关系，使供热工程中余热的利用效率最大化，从而有效提高余热利用率及热泵供热系统稳定性。该技术在实际应用中效果良好，按照规范进行供热工程的优化，可以提高供热工程热效率，即提升工程循环余热利用率，降低能源消耗。

5结束语

随着全球能源结构的转变和能源价格的上涨，能源的合理利用和效率提升成为了关注的焦点。供热工程能源利用效率不仅关系到企业的运营成本，还对整个社会的能源消耗和环境质量产生深远影响。因此，对供热工程循环余热利用技术进行优化研究，具有十分现实的意义。

为落实此项工作，本文以某供热工程项目为例，通过建立供热工程循环热泵数学模型、供热工程热网水压力调整、热泵驱动蒸汽与疏水器改造，开展了循环余热利用技术的优化设计研究。随着科技的发展，一些先进的余热利用技术已经广泛应用。例如，热泵技术可以将低品位余热转化为高品位热能。可以通过推广这些先进的技术，提高供热工程的能源利用效率。

参考文献

[1] 宋延超.红外辐射余热利用技术在结构件烘干工艺中的应用及能耗分析[J].现代涂料与涂装，2022，25（12）：29-32.

[2] 时国华，林俊华，田志敏，等.降低热网回水温度的钢厂余热回收供暖分析[J].科学技术与工程，2021，21（35）：15035-15042.

[3] 李永田，张欢，王军，等.基于热泵技术的电厂余热利用研究[J].热科学与技术，2022，21（3）：297-303.

[4] 陈淼，邵振强，李庆生，等.横管初冷器上段循环水余热利用技术在6.25 m焦炉的应用[J].山东冶金，2022，44（6）：73-74.

[5] 布仁，杨殿臣，王红豆，等.间接空冷供热机组凝汽器乏汽外引余热梯级利用技术研究与应用[J].安装，2022（S1）：150-151.

[6] 蒋志浩，刘伟，林强.燃煤机组空气预热器烟气旁路烟水复合余热利用系统节能分析[J].锅炉技术，2022，53（4）：79-82.

[7] 李明，常艇，张立忠，等.煤矿空压机余热高效利用技术应用研究：以李家壕煤矿为例[J].中国煤炭，2022，48（5）：76-80.