劉林

（貴州黔桂天能焦化有限責(zé)任公司 貴州盤縣 553531）

火力發(fā)電廠余熱利用與熱泵技術(shù)研究

劉林

（貴州黔桂天能焦化有限責(zé)任公司 貴州盤縣 553531）

熱泵技術(shù)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用可實現(xiàn)循環(huán)冷卻水中所含有低位熱能的回收利用，換句話說，即實現(xiàn)火力發(fā)電廠的余熱利用，不僅有利于熱能利用率的提高，還有利于減少有毒氣體的排放，對經(jīng)濟(jì)效益的提高和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。因此，加強(qiáng)火力發(fā)電廠余熱利用和熱泵技術(shù)的相關(guān)研究是非常有必要的，本文主要從熱泵及其工作原理入手，對其在火力發(fā)電廠的應(yīng)用進(jìn)行分析，以期為火力發(fā)電廠熱泵技術(shù)的相關(guān)研究提供可靠科學(xué)的參考依據(jù)。

火力發(fā)電廠；余熱利用；熱泵技術(shù)

1 引言

由于火力發(fā)電廠發(fā)電的過程較為復(fù)雜，需要經(jīng)過多個程序才能保證發(fā)電任務(wù)的完成，但在火力發(fā)電過程中，會有大量余熱殘留在各個程序中，若不對這些余熱進(jìn)行合理回收及利用，不僅會造成熱能的浪費(fèi)，同時還會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，目前我國一些大型火力發(fā)電廠的熱能利用率達(dá)40%，由此可見，在火力發(fā)電過程中大量熱能被浪費(fèi)掉，而在火力發(fā)電的眾多程序中，含有余熱最多的環(huán)節(jié)就是循環(huán)冷卻水，因此，循環(huán)冷卻水余熱的回收利用是火力發(fā)電廠熱泵技術(shù)需要研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 熱泵及其工作原理

2.1 熱泵的組成

所謂的熱泵就是一種用來轉(zhuǎn)移熱量的裝置，能夠有效的將低溫物體所含有的熱量轉(zhuǎn)移到高溫物體上，熱泵裝置的組成主要包括三個部分：①驅(qū)動能源和驅(qū)動裝置。熱泵裝置的主要驅(qū)動能源為電能，而電機(jī)、發(fā)動機(jī)則是熱泵所使用的驅(qū)動裝置；②工作機(jī)；③低位熱源，熱泵裝置中的低溫水就是低位能源。在火力發(fā)電過程中，通過熱泵裝置的使用可將未充分利用的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ɡ脙r值的熱能，這一轉(zhuǎn)變過程，不僅會降低對環(huán)境的污染，減少能源的消耗，還能有效實現(xiàn)熱能利用率的提高。

2.2 熱泵的工作原理

相關(guān)的物理學(xué)中提到，熱量不會在缺乏外力作用的情況下自發(fā)地從低溫物體轉(zhuǎn)移至高溫物體，同時保證這一過程還不會發(fā)生其它變化。因此，在火力發(fā)電過程中，通過熱泵技術(shù)的使用，將低溫物體的熱量轉(zhuǎn)移到高溫物體的過程是需要消耗能量的。從定量角度對該能量消耗的過程進(jìn)行分析，在熱泵裝置運(yùn)行的過程中，熱泵為了達(dá)到熱量傳遞的目的所消耗的功耗為W，從循環(huán)冷卻水中所回收的熱量為Q2，最終通過熱泵裝置所輸出的熱量為Q1，上述二者之和為Q1=Q2+W，則在該過程中，熱泵裝置工作的效率為C，則C=Q1/W，由此可見，熱泵工作效率是和循環(huán)冷卻水的溫度相關(guān)。據(jù)有關(guān)研究表明，若冷凝溫度不變的話，循環(huán)冷卻水的溫度則會提高，相應(yīng)的，熱泵的工作效率也會提高。因此，熱泵技術(shù)在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用，可有效回收循環(huán)冷取水中的余熱，以此來實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

3 熱泵技術(shù)在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用

火力發(fā)電廠中循環(huán)冷卻水具有水質(zhì)清潔、流動性穩(wěn)定、溫度高的特點(diǎn)，采用熱泵設(shè)備進(jìn)行改造相對簡單，在一定程度上，會提高COP的值，雖然在改造初期需要一定的資金投入，且熱泵運(yùn)行需要消耗一定電量，但經(jīng)過改造后的熱泵設(shè)備具有自動化程度高、工作效率高、易于運(yùn)行管理、回收投資成本周期短等優(yōu)勢，從而大大改善了火力發(fā)電廠的整體運(yùn)行情況。對熱泵裝置進(jìn)行改造后，要求其應(yīng)具備以下幾個特點(diǎn)：

3.1 高溫水源熱泵在火力發(fā)電過程中，若循環(huán)冷卻水的溫度低于35℃，則難以通過熱泵技術(shù)對其殘留的余熱進(jìn)行回收、利用，因此，可通過熱泵技術(shù)實現(xiàn)其溫度的提升，一般情況下，熱泵熱水出口的溫度為40～50℃，對采暖而言，要求水溫提高至70～80℃，因此，高溫水源熱泵能夠有效保障循環(huán)冷卻水余熱的回收。

3.2 大容量大溫差熱泵

通過熱泵裝置從火電廠循環(huán)冷卻水中回收來的熱量較多，若周圍用戶所需的熱量比從循環(huán)冷卻水中回收來的熱量少，則要將這些剩余的熱量輸送至更遠(yuǎn)的地方，在這種情況下，就需要大容量大溫差熱泵。一般情況下，熱泵的容量在200～300MW之間較為合適，溫差的話，則要分情況，若是冷水的話，溫差控制在8℃較為合適，若是熱水，則溫差應(yīng)超過20℃。

3.3 高制熱系數(shù)水源熱泵

為了實現(xiàn)熱泵集中供熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的提高，應(yīng)選擇制熱能效＞4的熱泵機(jī)組。目前，我國開展余熱利用的電廠不多，僅占火電廠總數(shù)的16%，其中87%的電廠主要的利用方式是水產(chǎn)養(yǎng)殖，所需熱量較少，其工作效率低下。將熱泵技術(shù)積極應(yīng)用在火電廠循環(huán)冷卻水中，可實現(xiàn)熱效率的有效提高，有利于降低能源消耗。

4 火力發(fā)電廠余熱利用與熱泵改造工程應(yīng)用

在火力發(fā)電廠相關(guān)熱泵改造中，普遍采用“熱電—熱泵”聯(lián)合循環(huán)的模式，這種形式的循環(huán)主要是指通過熱泵裝置的利用可將循環(huán)冷卻水中的低品質(zhì)余熱提升為高品質(zhì)余熱，并輸送至用能的場所，供相關(guān)用戶使用，將熱電正循環(huán)和熱泵逆循環(huán)有效聯(lián)合起來。

4.1 工程概況

以某市的某熱電廠余熱回收供暖為例，該電廠共有3臺2.5萬kW的抽汽凝汽式機(jī)組，在冬季供暖所消耗的蒸汽量為300t/h，在改造前，該電廠的抽汽供熱量已經(jīng)達(dá)到了該機(jī)組的極限，運(yùn)行狀況不太穩(wěn)定，通過低溫余熱回收技術(shù)在該電廠的應(yīng)用，能將該熱電廠原來排放至環(huán)境中的循環(huán)水冷卻水余熱進(jìn)行回收，并經(jīng)過余熱回收機(jī)組的加熱后，可投入到冬季采暖回水加熱的使用中去，能夠有效實現(xiàn)供暖蒸汽量的節(jié)省，所節(jié)省下來的蒸汽還可用于擴(kuò)大供熱面積上，并產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，同時也有利于保障機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

熱電廠的余熱源主要包括電廠的循環(huán)冷卻水、鍋爐的排污熱水，在改造過程中通過對循環(huán)冷卻水余熱的使用，該水源在冬季進(jìn)出冷卻塔的水溫在20～30℃之間，每臺循環(huán)水泵的給水量為3300m3/h，該電廠有3臺冷卻循環(huán)泵，其所產(chǎn)生的冷卻水水質(zhì)較為干凈，具有大量余熱，通過有關(guān)計算發(fā)現(xiàn)，若對循環(huán)冷卻水中的熱量進(jìn)行回收，則可回收的與殘余熱量為115MW，這些回收的熱量可大大增加供暖的面積，利用價值較大。

在冬季，該電廠實行抽汽供暖和發(fā)電，供暖主要采用形式為市政熱網(wǎng)，分為首站和二級站，首站設(shè)在發(fā)電廠內(nèi)，具備2臺涉筆，通過汽水換熱器的方式，進(jìn)行2次換熱，一次側(cè)是從汽機(jī)中直接抽汽加熱回水，蒸汽為過熱蒸汽，壓力為0.33MPa，共消耗的能量為300t/h；二次側(cè)是主要是采用汽機(jī)抽汽供暖之后的熱水加熱回水，溫度為60～110℃，消耗的能量為4000t/h。

余熱利用在改造過程中，從汽機(jī)中蒸汽的壓力為0.33MPa，作為主要的驅(qū)動熱源，從20～30℃的循環(huán)冷卻水中對熱量進(jìn)行提取，以此來給首站換熱器二次側(cè)的60℃的回水加熱至75℃后在引進(jìn)首站換熱器，在通過部分0.33MPa的抽汽將這些回水加熱至100℃后，才可供暖，流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程示意圖

4.2 余熱利用和熱泵改造分析

目前，蒸汽價格為54元/GJ，電量的價格為0.5元/kWh，根據(jù)蒸汽量節(jié)省了61t/h來看，供熱采暖抽汽的壓力為0.33MPa，一年之中運(yùn)行一個冬季季度，即4個月，共120d，一天24h計算，可得結(jié)果如下：

4.2.1 熱效益

一年所節(jié)省的蒸汽量為：

61×24×120=175680t；

則一年節(jié)省的蒸汽總熱值為：

175680×1000×2720×1000/1000000000=477849.6GJ；

則一年所節(jié)省的蒸汽效益為：

477849.6 GJ×54/10000=2580 萬元。

4.2.2 節(jié)水效益

循環(huán)水冷卻塔存在一定的飄水損失，占整體水流量的1.5%，經(jīng)過余熱回收進(jìn)行改造后，循環(huán)冷卻水上塔的水溫降低了5℃，以此來達(dá)到降低飄水損失的目的。

4.2.3 降低了循環(huán)水泵的消耗功率

由于循環(huán)冷卻水不用再爬高上塔，大大降低了其循環(huán)所消耗的功率，那么其所節(jié)省的功率就是原來所消耗的功率和余熱水泵所消耗功率之間的差。

4.2.4 凝結(jié)水泵的收益

在經(jīng)過改在后，每個小時可減少排凝結(jié)水60t/h，從而提高了水泵功率，降低了熱量損失。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，余熱利用項目改造的投資約為5988萬元，每年節(jié)能的收益通過相關(guān)計算得出結(jié)果為2580萬元，因此，項目靜態(tài)成本回收期為5988/2580=2.4年。

5 結(jié)語

綜上所述，在火力發(fā)電廠中積極利用熱泵技術(shù)，可實現(xiàn)循環(huán)冷卻水余熱的回收及利用，不僅大大提高了熱源的使用效率，同時還達(dá)到了節(jié)能減排的目標(biāo)，但在使用熱泵技術(shù)前，需要對其設(shè)備進(jìn)行改造，在改造過程中，需要大量資金的投入，可在熱泵技術(shù)真正投入到使用中后，會在短時間內(nèi)收回投資成本。

[1]尚壽軍.火力發(fā)電廠余熱利用與熱泵技術(shù)研究[J].黑龍江科技信息，2016（3）：90.

[2]張炳坤.火力發(fā)電廠余熱利用與熱泵技術(shù)[J].工程技術(shù)：引文版，2016（33）：00239.

[3]賀學(xué)軍.火力發(fā)電廠排煙及循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)設(shè)計探討[J].黑龍江科技信息，2015（31）：56.

TM621

A

1004-7344（2016）21-0103-02

2016-7-7

劉 林（1986-），男，仡佬族，貴州人，助理工程師，大專，主要從事的工作和研究方向為余熱發(fā)電鍋爐和汽輪機(jī)檢修管理方面。