高峻，王遜

（北京優(yōu)奈特燃氣工程技術有限公司，北京100023）

0 引言

近些年來，為改善城市空氣質量，我國勘探開發(fā)了大量的天然氣，建立了大型的“西氣東輸”工程。北京等地區(qū)率先實現(xiàn)城區(qū)“煤改氣”，天然氣鍋爐在采暖市場的占有率越來越高。據(jù)統(tǒng)計，北京市2014—2015 年供暖季燃氣消耗量約為100 億m3，其中約50 億m3用于供熱，占燃氣總耗量的一半。燃氣供熱系統(tǒng)的節(jié)能、提效對整個供熱系統(tǒng)的運行成本優(yōu)化和節(jié)能減排有重要意義。

用于采暖的燃氣熱水鍋爐的排煙溫度一般在120～150 ℃。為節(jié)約天然氣，燃氣鍋爐尾部加裝煙氣余熱利用回收裝置，即煙氣冷凝器。受被加熱介質溫度的限制，供暖回水溫度一般較高，經煙氣余熱回收利用裝置后的排煙溫度仍在55 ℃以上，煙氣中還有近一半的余熱未被回收利用。最近幾年，在大型燃氣熱水鍋爐上采用燃氣溴化鋰吸收式熱泵進一步回收了排煙中的余熱，將排煙溫度降至30 ℃以下，將鍋爐熱效率提高10 百分點以上［1-3］，實踐效果較好。文獻［4-7］對余熱回收流程及技術經濟指標、工程設計方案、運行測試結果等進行了詳盡論述。文獻［8-10］建立了天然氣鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)數(shù)學模型，分析了設計煙氣余熱回收率、熱網(wǎng)供/回水溫度和氣候條件對天然氣鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)的影響。文獻［11］研究了燃氣溴化鋰吸收式熱泵在燃氣采暖冷凝熱回收中的應用。

以上研究為燃氣溴化鋰吸收式熱泵技術在煙氣余熱深度回收中的應用提供了重要參考。但由于終端用戶的負荷會隨時間變化且溴化鋰機組投資較高，不同的鍋爐和熱泵機組裝機容量會影響系統(tǒng)整體投資和采暖季運行費用，進而對系統(tǒng)經濟性產生較大影響。目前相關的文獻較少。本文將根據(jù)實際案例，闡述燃氣溴化鋰吸收式熱泵與鍋爐的合理裝機比例。

此外，燃氣氨水吸收式熱泵、煙氣濕法余熱回收等新型余熱回收技術已實現(xiàn)了國產化，并在中小型燃氣鍋爐房得到應用，但如何將上述技術與燃氣鍋爐房相結合以便更好地節(jié)約燃氣成本尚需進一步研究。濕法余熱回收系統(tǒng)［12］通過直接接觸熱回收裝置和噴淋式蒸發(fā)冷卻塔的聯(lián)合使用，可將煙氣中的顯熱和潛熱加以回收，并把這部分熱量釋放給助燃空氣。該技術在歐洲已經得到應用［13］，在國內在首都師范大學科德學院鍋爐房改造項目中也得到應用［14］，但尚需針對中小型燃氣鍋爐房的負荷特點進行進一步優(yōu)化。本文將結合案例，分析其經濟性，指出其改進路徑。

1 燃氣鍋爐的煙氣深度利用的方式

燃氣鍋爐的過量空氣系數(shù)為1.1～1.3，天然氣燃燒后的排煙溫度與天然氣利用效率的關系如圖1所示。

由圖1可知，只有排煙溫度低于露點溫度之后，煙氣的冷凝潛熱才能釋放出來并被回收利用，故排煙溫度降低到20～30 ℃時，才能取得較好的余熱回收效果。

圖1 排煙溫度與天然氣利用效率間的關系Fig.1 Relationship between the exhaust gas temperature and natural gas use efficiency

2 燃氣溴化鋰吸收式熱泵

最近幾年的工程實踐證明，在大型鍋爐房中燃氣溴化鋰熱泵機組可以將鍋爐的排煙溫度降低至30 ℃以下，具有較好的節(jié)能效果。

2.1 系統(tǒng)形式及優(yōu)缺點

燃氣鍋爐煙氣余熱品位較低，采用單效溴化鋰吸收式熱泵，其采暖熱水吸收的熱量與天然氣燃燒放的熱量之比（COP）可達1.7。

目前燃氣利用燃氣溴化鋰吸收式熱泵回收煙氣余熱有兩大類技術路線。

2.1.1 煙氣與水間接換熱方式

利用中間水（低溫水）冷卻煙氣，中間水通過煙氣-水換熱器將煙氣的溫度降低，吸收的熱量于熱泵側放出。水與煙氣不直接接觸，為間接換熱方式，具體流程如圖2所示。

圖2 溴化鋰吸收式熱泵Fig.2 Lithium bromide absorption heat pump

該系統(tǒng)的優(yōu)點為系統(tǒng)簡單、換熱器煙氣側的阻力在300 Pa 以下、鍋爐運行穩(wěn)定、間接換熱，只要煙冷器的材質選擇合適，系統(tǒng)壽命較長；但其缺點是投資略高。

早期燃氣溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)只設置1臺煙氣冷凝器，按照基礎熱負荷配置設置有引風機，從每臺鍋爐處抽煙氣。引風機對自控系統(tǒng)的控制精度要求很高，如果引風機的調節(jié)作用不佳，會影響鍋爐的穩(wěn)定運行。由于排煙溫度較低，且煙氣帶水嚴重，引風機腐蝕嚴重。后續(xù)的系統(tǒng)均按每臺鍋爐配套1 臺低阻型二級煙氣冷凝器、不設置引風機考慮，整個煙氣系統(tǒng)的阻力控制在300 Pa左右。

2.1.2 煙氣與水直接交換

煙氣與水在噴淋塔中直接進行傳熱傳質交換。系統(tǒng)的換熱效率高、設備占地較大、電耗高。因煙氣與弱酸性水直接接觸，系統(tǒng)早期運行時容易堵塞，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性差。經過幾年的工程實踐及優(yōu)化，堵塞問題已經得到解決，系統(tǒng)運行較為穩(wěn)定。該方式的優(yōu)點為投資較間接換熱低、換熱效率高；但缺點為弱酸性的水直接進熱泵機組，雖然目前通過加藥的方式可控制溶液的酸堿度，但項目實施時間有限，溶液酸堿度是否會在長時期運行后影響熱泵主機的性能還有待觀察。

2.2 案例分析

燃氣溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)近年來在大型燃氣供熱系統(tǒng)中得到廣泛應用。北京竹木廠鍋爐房、北京嘉園鍋爐房、北京平谷濱河鍋爐房、大興觀音寺供熱廠等先后加裝該系統(tǒng)，運行期間均取得了較好的節(jié)能減排效果。本文以北京嘉園鍋爐房為例，介紹了該系統(tǒng)的應用情況。

北京嘉園鍋爐房位于北京南三環(huán)外，安裝有4臺29 MW 燃氣熱水鍋爐，初寒、末寒期的熱負荷為25 MW，嚴寒期熱負荷為45 MW。鍋爐排煙溫度約100 ℃?？紤]到燃氣熱泵投資較貴，熱泵裝機按照鍋爐房裝機的2/3 考慮，即30 MW，略大于該鍋爐房的基礎負荷（25 MW）。該項目采用北京本地天然氣，完全燃燒后的煙氣成分見表1。

表1 煙氣成分Tab.1 Component of the exhausted gas

燃氣熱泵選型計算見表2，煙氣焓降是由建立的煙氣傳熱傳質模型計算所得，同時根據(jù)已運行的同型號燃氣鍋爐的煙氣焓降實測數(shù)據(jù)進行了修正。

鍋爐房的其他設備參數(shù)見表3。

表2 燃氣熱泵選型參數(shù)Tab.2 Parameters of the gas-fired heat pump

表3 其他主要設備Tab.3 Parameters of other equipment

由表2 可知，鍋爐排煙降至30 ℃時候，可回收的鍋爐排煙余熱為2 561 kW。燃氣熱泵機組排煙流量為4 507.6 m3/h，其中可回收的余熱為313 kW。因此，熱泵機組中從系統(tǒng)排煙中回收的余熱總量=2 561+313=2 874（kW）。采暖季為123 d，按每天滿負荷運行20 h計算，采暖季吸取的熱量=2 874×123×20=7.07×106（kW·h）。若按鍋爐效率為92%、天然氣熱值為34.75 MJ/m3考慮，采用燃氣鍋爐獲得這部分熱量需要消耗的天然氣，即熱泵機組節(jié)約的燃氣=熱泵系統(tǒng)吸收的煙氣低溫余熱折算成燃氣鍋爐供熱所需燃料=吸收低溫熱量/（鍋爐效率×天然氣熱值）=7.07×106×3.6/（0.92×34.75）=7.96×105（m3）。按天然氣2.635 元/m3考慮，可節(jié)約天然氣費用約209.74 萬元/年。

熱泵機組耗電總功率70.7 kW，年耗電量=70.7×123×20=1.739×105（kW·h），電 價 為0.792 8元/（kW·h）時，需多支出電費約13.79 萬元/年。

熱泵機組凈節(jié)約運行成本=熱泵機組節(jié)約的燃氣成本-熱泵系統(tǒng)耗電成本=209.74-13.79=195.95（萬元）。

整個系統(tǒng)的初投資約883.00 萬元。在政府補貼30%（《關于進一步加快熱泵系統(tǒng)應用推動清潔供暖的實施意見》）的情況下，靜態(tài)投資回收期=883.00×0.7/195.95=3.2（年）；在無補貼的情況下，靜態(tài)投資回收期=883.00/192.81=4.6（年）。

該項目的可行性研究報告獲得“北京市2015年度優(yōu)秀工程咨詢成果二等獎”，設計獲得“2017 年度全國優(yōu)秀工程勘查設計行業(yè)獎優(yōu)秀市政公用工程燃氣熱力二等獎”。項目已經運行了4個采暖季，最近的2 個采暖季的實測數(shù)據(jù)見表4—5；依據(jù)實際運行值計算的節(jié)能與減少費用的情況，見表6。

年節(jié)約運行成本間的差異主要由每年的氣候情況不一樣造成。若以2年的平均值173.5 萬元/年計算，熱泵系統(tǒng)的靜態(tài)投資期在考慮政府補貼和不考慮的情況下分別為3.6年和5.1年。

表4 2018—2019年度運行數(shù)據(jù)Tab.4 Operating data of 2018—2019

表5 2019—2020年度運行數(shù)據(jù)Tab.5 Operating data of 2019—2020

表6 實際節(jié)能與節(jié)約費用情況Tab.6 Actual savings in energy and cost

由此可見，系統(tǒng)實際運行效果與理論計算值差別不大，項目經濟效益較好。

2.3 合理裝機

由于燃氣溴化鋰吸收式熱泵投資比較高，供熱負荷在整個采暖季是波動的，因此項目的經濟效益主要與熱泵裝機和燃氣價格相關。

燃氣溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)的單位投資在93～125 元/MW，熱泵回收的余熱來自一級煙冷器后煙氣，排煙溫度≤60 ℃，從60 ℃至30 ℃的煙氣焓降為140.0 kJ/kg，余熱回收率為5.5%。

以4 臺29 MW 燃氣鍋爐為例，熱泵吸收的熱量與鍋爐裝機的比例（以下簡稱熱泵裝機比例）為30%～100%時，投資回收期如圖3 所示。該經濟性分析以2019—2020年北京城六區(qū)天然氣為例（熱值=34.75 MJ/m3，價格=2.75 元/m3）；按實際供熱量/計算供熱量=0.85 對熱負荷進行了修正；投資中未考慮熱泵補貼。

從圖3可以看出，熱泵的裝機容量增大，雖然理論上回收的余熱量增多；但受用戶負荷限制，熱泵機組實際可回收余熱量增加變緩。熱泵裝機比例大于70%后，實際年回收余熱量的增量很小，而系統(tǒng)投資不斷增加。以北京市天然氣價格為例，最優(yōu)的燃氣熱泵裝機應按照鍋爐房負荷的60%設計，此時只要鍋爐房運行，熱泵機組即可滿負荷開啟，熱泵系統(tǒng)經濟性為最優(yōu)。

圖3 裝機比例對投資回收期的影響Fig.3 Effect of capacity on Static payback period

小容量燃氣溴化鋰吸收式熱泵機組的單位投資較高，全年回收余熱量較少，在熱泵最優(yōu)裝機比例下，熱泵系統(tǒng)的經濟性與鍋爐房規(guī)模、燃氣價格有關。按照上述比例（熱泵裝機比例=60%），鍋爐房總容量為5.6，11.2，14.0，28.0，56.0，116.0，280.0 MW時，安裝熱泵后的經濟效益見表7。

從表7 可以看出，燃氣熱泵容量越小單位投資越高；但如果鍋爐裝機容量過小，回收余熱量較小，項目經濟性較差?？側萘俊?8.0 MW 的燃氣鍋爐房熱泵系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期＞5 年，經濟性較差。這也是燃氣溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)普遍地應用于大型鍋爐房的原因。

表7 熱泵技術的經濟效益與鍋爐房總容量的關系Tab.7 Effects of heat pump technology on economic performances of boiler plants with different capacities.

3 燃氣氨水吸收式熱泵

因燃氣熱泵經濟性問題，需要尋找適用于中小型燃氣鍋爐房的減少燃氣能耗的方法，選用燃氣氨水吸收式熱泵是其中一個途徑，如圖4所示。

3.1 燃氣氨水吸收式熱泵原理

燃氣氨水吸收式熱泵采用天然氣作為驅動能源，以液氨為制冷劑，水作為吸收劑，通過翅片式換熱器從空氣中提取低品位熱能，COP 可達到1.7，采用模塊化設計，可并聯(lián)可聯(lián)控。燃氣氨水吸收式熱泵在室外溫度降低時制熱量會下降，熱量衰減如圖5所示。

根據(jù)已運行數(shù)據(jù)分析，在華北以南區(qū)域，燃氣氨水吸收式熱泵與常規(guī)燃氣鍋爐相比，耗氣量可減少20%以上。

圖4 燃氣氨水吸收式熱泵燃氣氨水吸收式熱泵Fig.4 Schematic of a gas-fired ammonia absorption heat pump

3.2 燃氣氨水吸收式熱泵案例分析

圖5 燃氣氨水吸收式熱泵出力性能曲線Fig.5 Performance characteristics of gas absorption heat pump with ammonia as working medium

以湖北省十堰市某小區(qū)采暖改造項目為例，其供暖面積為6.6 萬m2，設計熱負荷2 972 kW。由于現(xiàn)狀鍋爐設備耗氣量過大（10 m3/m2），現(xiàn)對鍋爐房進行技術改造，安裝3 臺600 kW 的低氮冷凝鍋爐和22 臺65 kW 的燃氣氨水吸收式熱泵，兩者的裝機比例為0.44∶0.56。通過逐時負荷模擬，該小區(qū)改造后的年耗氣量約為5 m3/m2，2019—2020 年采暖季的實際運行耗氣量為7 m3/m2。

項目耗氣量較改造前有所降低，但未達到設計值，主要有以下3點：

（1）受2020 年年初疫情的影響，供暖時間延長了半個月（一般為3個月）；

（2）燃氣氨水吸收式熱泵在供暖季第1 個月未啟動，導致該熱泵的高效優(yōu)勢沒有發(fā)揮出來。

（3）最主要原因是設備的控制系統(tǒng)還有待完善。

3.3 燃氣氨水吸收式熱泵適用性分析

燃氣氨水吸收式熱泵的優(yōu)點是在華北等地區(qū)，其COP 在冬季可達到1.92，較燃氣鍋爐節(jié)氣能力強。嚴寒期的熱量衰減為17.5%，較電熱泵減少38.5%）；噪聲比電熱泵約低10 dB（A）；其除霜能耗占比2%，電熱泵的除霜能占比為20%；與電熱泵相比振動小，故設備的壽命更長。

燃氣氨水吸收式熱泵的缺點在于國產設備最大裝機容量為165 kW，不適合于集中供熱系統(tǒng)，多為單樓棟供熱系統(tǒng)。該國產設備投資是同規(guī)模燃氣鍋爐的6倍左右，進口設備價格更高。另外，其工質為液氨，對系統(tǒng)的密封性要求較高。設備大多數(shù)設置于樓頂，燃氣管道需接至樓頂，需要復核改造項目的樓頂荷重。國產設備的自控系統(tǒng)穩(wěn)定性還有待提高。

該設備較適合用于分散的樓棟供熱系統(tǒng)或幾棟樓組成的較小的建筑群。因設備初投資較高，可以與燃氣鍋爐聯(lián)合供熱。一般燃氣氨水吸收式熱泵的裝機比例可在40%～60%之間，其余負荷用燃氣鍋爐調峰。

4 水蒸氣泵系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)原理

德國人R. Guillet 發(fā)明了一種被稱為水蒸氣泵的煙氣冷凝熱回收系統(tǒng)，簡稱水蒸氣泵（PAVE）系統(tǒng)），如圖6所示。該系統(tǒng)在鍋爐之外增加了空氣加濕裝置和煙氣除濕裝置，并用一個水循環(huán)回路連接這2 個裝置。在空氣加濕裝置中，外界空氣與循環(huán)水充分混合，一方面使循環(huán)水被冷卻，另一方面使空氣被加熱加濕后進入鍋爐。這使得煙氣含濕量與常規(guī)鍋爐相比有顯著增加，進而使煙氣露點溫度有較大的提高（一般可提高10～20 ℃），為較高溫度的采暖回水回收煙氣冷凝熱創(chuàng)造了條件。同時，在煙氣除濕裝置中，煙氣與被空氣加濕裝置冷卻的循環(huán)水經噴淋后充分混合，煙氣被冷卻而進一步放出冷凝熱。

圖6 PAVE系統(tǒng)原理Fig.6 Schematic PAVE system

該系統(tǒng)在歐洲已經得到應用，主要應用于小于10 MW 的小型燃氣鍋爐中，在排煙溫度可達到30 ℃以下的同時，還可以達到低氮排放的效果。

4.2 案例分析

首都師范大學科德學院引入了PAVE 系統(tǒng)，負責16.15 萬m2的住宅、辦公、體育館等建筑的采暖。熱負荷總需求為9.74 MW。供熱方式為間接供熱，一次側供回水溫度為95/70 ℃，二次側供回水溫度為65/50 ℃。二次側分為3 個系統(tǒng)：高區(qū)熱負荷為1.09 MW，中區(qū)熱負荷為3.87 MW，低區(qū)熱負荷為4.78 MW。設置2臺5.6 MW 燃氣熱水鍋爐：其中#1爐采用PAVE 系統(tǒng)，主要設備由空氣換熱器、煙氣換熱器、煙氣冷凝器、濕燃燒燃燒機、混水泵、冷凝水循環(huán)泵等構成；#2爐為常規(guī)燃氣鍋爐。

在2019—2020 年的采暖季，PAVE 系統(tǒng)在調試完成后運行了較短時間，就PAVE 系統(tǒng)與常規(guī)燃氣鍋爐系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行了比對，見表8。

表8 PAVE系統(tǒng)與常規(guī)燃氣鍋爐系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)對比Tab.8 Comparison of operation data between PAVE system and conventional gas boiler system

從實際運行效果看，PAVE 系統(tǒng)的效率較常規(guī)鍋爐系統(tǒng)高4.37百分點。運行的同時，盡管沒有采用煙氣再循環(huán)技術，但是NOx的排放達了＜30 mg/m3的排放要求。采用PAVE 系統(tǒng)，需要新增煙塔換熱器和空氣塔換熱器以及水循環(huán)系統(tǒng)，鍋爐燃燒器需要更換為低氮燃燒器。與#2 爐相比，#1 爐投資增量為139 萬元。

目前采用#2 爐的負荷率低于50%，當它在熱效率最高的負荷條件下運行時，節(jié)能效果應該會更好。模擬仿真計算得到熱效率可以提高6.2～10.0百分點，按提高6.2 百分點計算，PAVE 系統(tǒng)的增量投資回收期分析（按設計工況）見表9。

表9 PAVE系統(tǒng)增量投資回收期分析Tab.9 Analysis on payback period of PAVE system incremental investment

由表9 可見，如能達到滿負荷小時數(shù)2 300 以上，可在6 年內收回增量投資。華北地區(qū)很難達到這個滿負荷運行小時數(shù)，為提高項目需要進一步優(yōu)化項目投資，或者在東北等供熱時間長的區(qū)域推廣使用。

為了提高項目經濟性，推薦燃氣鍋爐+燃氣氨水吸收式熱泵/PAVE的聯(lián)合運營方式。對于燃氣氨水吸收式熱泵，熱泵裝機比例在40%～60%之間市經濟性較好。另外國產設備的自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性還需完善。對于PAVE 系統(tǒng)，需要進一步優(yōu)化投資，才能滿足項目經濟性要求。

5 結束語

文中結合具體案例，對燃氣溴化鋰吸收式熱泵、燃氣氨水吸收式熱泵、PAVE 系統(tǒng)3 種新型技術路線的運行效果及適用性進行了分析。

（1）通過最近幾年的工程實踐，燃氣溴化鋰吸收式熱泵被證明在大型供熱系統(tǒng)中應用較為成功，經濟性較好。以北京氣價做測算，在鍋爐房容量≤28 MW 的項目中不推薦使用，對于29 MW×4的燃氣鍋爐房，燃氣溴化鋰吸收式熱泵裝機按鍋爐容量的60%選型經濟性較好。

（2）燃氣氨水吸收式熱泵和PAVE 系統(tǒng)較適合于小型分散燃氣采暖。

盡管有些技術還有待完善，但總體上采用該類技術，對煙氣進行了深度利用，有效地減少了清潔供熱時的氣耗，具有較好的經濟與社會效益。