電廠循環水源熱泵區域供熱系統研究
作者:清華大學 胡鵬 付林 肖常磊 北京科技大學 張世鋼 來源: 時間:2010-10-12
摘 要：根據熱電聯產電廠內存在大量循環冷卻水余熱（大部分為凝汽器排熱）的現狀，提出以電廠循環水為低位熱源、利用熱泵技術升溫后供熱的一種城市集中供熱新形式。本文分析了循環水余熱用于區域供熱不同的系統形式及各自的優點和局限性，以北京市各大熱電廠的調研結果為依據對循環水區域供熱的總體節能和環保效益進行了估算，結合與傳統區域供熱方式的經濟性比較，指出了熱泵回收循環水余熱用于區域供熱的方式確實具備了大規模實施的條件。
關鍵詞：循環水 水源熱泵 熱電聯產 區域供熱 節能
1. 前言
北京市擁有世界上規模最大的城市熱網，其供熱面積已達1億平米。采暖能耗占全市建筑能耗總量的約55％【1】。預計到2010年北京熱電廠的供熱能力都將達到極限，能源供需矛盾非常突出。而新建大型熱電廠投資高、建設周期長，并受到城市環境容量的強烈制約。因此，開展能源的高效利用和循環利用，充分挖掘現有熱電聯產熱源的能力，是降低建筑采暖能耗的重要途徑之一。
北京市的熱電廠即使在冬季最大供熱工況下，也必須有占電廠總能耗10～30％的熱量由循環水（一般通過冷卻塔）排放到環境。圖1所示為一個典型的熱電聯產機組的能流分布。在該機組中有19％的燃料能量以廢熱形式通過循環水排掉。根據調研，北京的四大熱電廠冬季可利用的循環水余熱資源量就達1000MW以上。如果有效回收這部分余熱量，相當于在不新增電廠裝機容量和不增加當地污染物排放的情況下，新增供熱面積3000萬平方米以上，同時節約大量因為蒸發而損失的循環冷卻水，因此這是一種極具吸引力的城市集中供熱新形式。
圖1 熱電聯產機組能流分布圖
1- 鍋爐；2-凝汽式汽輪機；3-發電機；4-凝汽器；5-凝結水泵；
6-除氧器水箱；7-鍋爐給水泵
2. 系統基本形式
低真空運行回收余熱方式
由于正常情況下循環水的溫度比較低（一般冬季20～35℃），達不到直接供熱的要求，要用其供熱，必須想辦法適當提高其溫度。目前在利用電廠循環水余熱供熱方面，國內外發展和應用比較多的是汽輪機組低真空運行，即降低排汽缸真空，提高乏汽溫度，用排汽加熱循環冷卻水作為熱網熱水，或將凝汽器作為熱網的一級加熱器，從而實現利用汽輪機乏汽余熱供熱的目的。汽輪發電機組低真空運行供熱理論上可以實現很高的能源利用效率，國內外都有很多研究和成功運行的實例，技術已很成熟，但是該技術主要受到兩方面的限制：首先，低真空運行機組類似于熱電廠中的背壓機組，其通過的蒸汽量決定于用戶熱負荷的大小，所以發電功率受用戶熱負荷的制約，不能分別地獨立進行調節，即其運行也是“以熱定電”，因而只適用于用戶熱負荷比較穩定的供熱系統；其次，凝汽式汽輪機改造為低真空運行循環水供熱時，對小型機組和少數中型機組在經過嚴格的變工況運行計算，對排汽缸結構、軸向推力的改變、軸封漏汽、末級葉輪的改造等等方面做嚴格校核和一定改動后，可以實行，但這種情況對現代大型機組則是一般不允許的，在具有中間再熱式汽輪機組的大型熱電聯產系統中，凝汽壓力過高會使機組的末級出口蒸汽溫度過高，且蒸汽的容積流量過小，從而引起機組的強烈振動，危及運行安全。大型汽輪機組的循環冷卻水進口溫度一般要求不超過33℃，相應的出口溫度在40℃左右，目前只有地板低溫輻射采暖等少量高效供熱末端裝置能夠適應這一溫度范圍，因此該技術的應用受到比較大的限制。
熱泵回收余熱方式
提高電廠循環水溫度用于供熱的另一個方法是采用熱泵技術，即以電廠循環冷卻水為低位熱源、利用熱泵技術提取其熱量后向高溫熱網供熱。熱泵供熱技術的節能、環保特性已經得到公認。電廠循環水與目前常用的熱泵熱源相比，具有熱量巨大、溫度適中而穩定、水質好、安全環保等優點，是一種優質的熱泵熱源。
2.2.1 熱泵機組置于用戶熱力站
圖2 循環水源熱泵供熱系統原理圖
1－熱泵（用戶熱力站內）；2-凝汽式汽輪機；3-發電機；4-凝汽器；5-凝結水泵；
循環水供熱系統基本方案如圖2所示，將熱電廠的循環冷卻水通過待建的一次循環水管網輸送到設立在各個用戶處的熱力站，熱力站內分別安裝有吸收式熱泵機組或者電動壓縮式熱泵機組。電廠循環水在相應的熱泵機組中放熱降溫后，返回電廠凝汽器吸熱升溫后再輸送到熱力站。如此循環往復地將電廠凝汽器余熱輸送到用戶熱力站，熱泵機組從循環水吸熱并根據不同的用戶采暖末端設備的要求加熱二次側熱水至不同的溫度范圍。例如北京地區，在針對地板低溫輻射采暖的熱用戶，熱泵機組出口水溫達到40～50℃；而針對此采用暖氣片的熱用戶，則要求熱泵機組出口水溫達到55～65℃。
2.2.2 熱泵機組置于電廠內
圖3 循環水源熱泵供熱系統原理圖B
1－熱泵（設置在電廠內）；2-凝汽式汽輪機；3-發電機；4-凝汽器；5-凝結水泵；
6-熱網水泵；7-二級熱網換熱器；8-第n級熱網換熱器
當電廠附近沒有合適的或者足夠規模的熱用戶時，則可以采取如圖3所示的系統形式來回收循環水余熱。此時，熱力站設置于電廠內，熱泵機組提取了循環水余熱后直接加熱溫度t0的城市熱網回水至溫度t1, 然后再由原供熱抽汽通過第二級、第三級……直到第n級熱網換熱器分別加熱至t3、t4……直到tn（北京城市熱網所需的溫度，一般為120～130℃）。同圖2所示的方案相比，此處使用的熱泵機組一般來說要求有更高的出水溫度（t0一般為60～70℃，而t1需要達到80～90℃），這必然導致熱泵機組COPh下降，但是此種方式不需要新建循環水管網，能節省大量初投資和時間成本，回收的低位熱量直接進入城市熱網，其利用可以擺脫與熱電廠之間距離的限制。當t1達到80～90℃時，壓縮式熱泵的COPh從4.0～5.0下降至2.0～2.5左右；吸收式熱泵的COPh則從1.7～2.2下降至1.3～1.4左右。對典型案例的分析顯示，此時采用電力驅動的壓縮式熱泵機組在經濟性上已經不可行，而由于電廠內具有較豐富和相對廉價的蒸汽資源，吸收式熱泵機組仍然具有經濟和能耗兩方面的可行性。由于吸收式熱泵需要蒸汽或者高溫熱水驅動，在COPh相對較低的情況下，電廠內熱泵機組能夠回收的循環水余熱量也將受電廠蒸汽產量的限制，一般來講難以實現循環水余熱的全部回收。
2.2.3 熱泵機組+調峰鍋爐房聯合運行方式
為了改善熱泵在用戶要求的供熱溫度范圍內有盡可能高的供熱效率（COPh），適應更寬的供熱溫度范圍，在如圖2所示系統的基礎上采用熱泵與鍋爐調峰聯合供熱的方式。該系統的運行原則是以熱泵機組承擔基本負荷，鍋爐承擔尖峰負荷。如圖4所示，設計工況下熱媒在熱泵前后溫度由t0升高到t1，經過鍋爐前后溫度由t1升高到t2。以北京地區冬季氣象資料統計的用戶負荷延時曲線為依據，假設熱泵系統承擔全年90％的供熱量，則可以推算得到熱泵機組的供熱能力與設計熱負荷之比僅為0.68。變工況時的運行調節采用質調節：室外氣溫最低時熱泵與鍋爐均滿負荷運行，隨著室外氣溫的升高，逐漸減小鍋爐的供熱量，鍋爐出口溫度t2隨之降低，直至鍋爐全停。以后的調節再通過改變熱泵容量完成。由于熱泵機組出口溫度不高于t1，從而使電動壓縮式熱泵機組能夠長期在滿負荷或較大負荷下以較高的COPh≈5.0運行（滿負荷運行時長約占采暖季總時長的56％）？紤]到鍋爐的供熱量只占全年總供熱量的10%左右，此系統仍能充分發揮熱泵的節能特性。熱泵容量僅為用戶熱負荷的70％，不僅節省了相應熱泵機組投資，對于電動壓縮式熱泵還能顯著減少變電站和機房土建投資，大大增強本供熱系統在經濟上的競爭力。節省的熱泵投資一般來說足以抵消或者明顯高于調峰鍋爐房的投資。因此從總體上看，此種熱泵與調峰鍋爐聯合供熱的方式在經濟上和能耗上都優于傳統的區域鍋爐房供熱方式。
圖4 循環水源熱泵與鍋爐聯合供熱系統流程示意圖
1－熱泵 2－鍋爐 3－電廠凝汽器
相對于常規城市集中供熱方式，循環冷卻水的可利用溫差相對較。10～15℃左右），熱能品味較低，因此大規模利用這部分熱量仍然受到以下兩方面因素的制約：首先要求在電廠附近有相應的熱負荷需求；其次是提供熱負荷所需要的溫度時熱泵機組的COP是否具有經濟性。小溫差大流量的特點使得循環水區域供熱系統的供熱距離、路由、管徑等參數對管網投資和運行管理費用影響很大。采取如圖2所示的系統形式，根據對典型案例的分析，綜合考慮節能性和經濟性，可以確定循環水供熱的適用范圍為電廠周邊半徑3～5公里以內。隨著北京市城市規模的快速發展，原先遠離城市中心的熱電廠已經處于城市邊緣或接近城市中心，近年來許多電廠周邊3～5公里的范圍內的熱用戶不斷增加，可以預見的短期內還將形成大量的潛在熱用戶；另一方面，采用如圖4所示的熱泵和調峰鍋爐聯合運行的方式可以有效的保證熱泵機組始終以較高的COP運行。這些事實都為循環水熱泵區域供熱系統的實施和大規模應用創造了條件。
3. 各種集中供熱方式運行成本比較
熱力站的位置以及站內熱泵的形式，需要結合電廠周邊用戶熱負荷以及高位能源供應狀況而定。相對于采用蒸汽或者熱水驅動的吸收式熱泵，壓縮式熱泵系統直接使用電力驅動，其熱力站的位置設置更加靈活，同樣容量下機組的體積和初投資都小于吸收式機組？紤]到燃料發電的效率（燃煤發電效率35％，燃氣發電效率55％，考慮燃煤發電量占80％），使用電驅動的壓縮式熱泵機組在同樣的供熱工況下，其綜合能源利用率略低于蒸汽驅動的吸收式熱泵，同時由于電價和蒸汽價格的巨大差異，壓縮式機組供熱日常運行成本顯著高于吸收式熱泵機組。多種區域供熱方式的能源成本如表3-1所示：
表3-1 幾種方式的能源利用效率與能源成本比較
項目 循環水熱泵區域供熱 常規區域供熱
熱水吸收式 蒸汽吸收式 電動壓縮式 城市熱網 燃煤鍋爐房 燃氣鍋爐房
COPh 1.7 2.2 4.5 － 0.8 0.9
一次能源利用效率 1.6 2.0 1.8
能源成本（元/GJ） 29.4 16.2 42.5 25 23.5 64.8
注：燃氣熱值35.1MJ/m3，燃氣價格2.05元/m3；燃煤價格550元/噸標煤；電價0.68元/kW.h；熱力站處熱水售熱價格50元/GJ；用戶處蒸汽售熱價格80元/噸汽；沒有考慮電廠循環水熱價。一次能源利用效率=聯合循環電廠發電效率 （=0.40）×COPh；
4. 北京市循環水余熱潛力調研及節能環保效益估算
本文完成了北京市主要熱電廠的循環水余熱潛力的調研，結果如表4-1所示：現狀循環水余熱量約為1191MW，該熱量在整個采暖季比較穩定，可以作為供熱的基本負荷，配以約500MW的調峰容量，如果綜合考慮建筑采暖熱指標50W/m2，可實現3000萬m2以上的新增供熱面積。
表4-1 北京市熱電廠循環冷卻水余熱量統計
電廠名稱 循環水余熱量
現狀（MW） 規劃（MW）
石景山熱電廠 199 199
高井熱電廠 327 327
華能熱電廠 387 530
國華熱電廠 78 78
京豐熱電廠 200 350
草橋熱電廠 - 58
太陽宮熱電廠 - 116
鄭常莊熱電廠 - 84
合計 1191 1742
按照40％余熱采用電動壓縮式熱泵利用，其余60％采用吸收式熱泵利用的方案，整個采暖季實現供熱量1859萬GJ，回收循環水余熱約943萬GJ，共計消耗電能29935萬Kwh，消耗蒸汽量為320.7萬噸。將該方案與相同規模的燃煤鍋爐房和燃氣鍋爐房比較為了能夠進行統一比較，三個方案中不同種類的能源消耗需折算成同一種能源。北京市采用循環水供熱后年采暖節能量如表4-2所示。相對于燃煤鍋爐和燃氣鍋爐房，現狀循環水余熱全部利用后，每年可以節約標煤33.9萬噸或節氣2.76億m3；此外，每年可以減少的循環水蒸發損失1000～1200萬噸。如綜合考慮建筑采暖熱指標45W/m2，考慮高位能量以及一定的調峰容量，現狀循環水供熱潛力可實現新增供熱面積3000萬m2以上。
表4-2 年采暖節能量統計
項目 單位 現狀
年供熱量 萬GJ 1859
耗電量折合煤耗 噸標煤 454349
耗電量折合氣耗 萬Nm3 31112
燃煤鍋爐房 總耗煤量 噸標煤 793012
節約煤耗 噸標煤 338663
燃氣鍋爐房 總耗氣量 萬Nm3 58742
節約氣耗 萬Nm3 27629
注：1）燃煤鍋爐房供熱鍋爐效率80%；煤熱值29.3MJ/kg； 2）燃氣鍋爐房供熱鍋爐效率90%，天然氣低位熱值LHV =35.16MJ/Nm3；3）循環水泵電耗按溫差15℃時的流量計算；4）發電煤耗按照2006年全國平均供電標準煤耗水平366g/KWh進行折算；燃氣發電效率按照燃氣-蒸汽輪機聯合循環方式計算，目前其供電效率已達60%，此處按55%計算。
本文主要通過對比各種污染物的排放量來評價不同供熱采暖方式的環保效益。主要的污染物有煙塵、SOx、NOx、CO2。循環水供熱方案中消耗的蒸汽屬于電廠原供熱能力的一部分，因此也不會額外增加北京市的當地污染物排放。根據一個采暖季供熱耗能量，可計算得到因采暖而造成的污染物排放總量見表4-3。
表4-3 不同供熱方式年污染物當地排放量比較
供熱方式 耗氣量 耗煤量 SOx NOx 煙塵 CO2
萬Nm3 噸標煤 噸 噸 噸 噸
本方案 0 0 0 0 0 1181307/528907
區域燃煤鍋爐 0 793012 12918 3830 5042 2061814
區域燃氣鍋爐 51921 0 3 334 0 1115579
注：1）燃煤鍋爐按除塵效率95%、不脫硫、不脫硝、煤的含硫量0.8%計算；2）燃氣鍋爐NOx 排放量是以北京市31 臺燃氣鍋爐實測結果的平均值為依據，燃氣采用陜甘寧天然氣。
可以看出，相對于燃煤鍋爐房，每年將減少CO2排放880507噸，減少SOx排放12918噸，減少NOx排放3830噸，減少煙塵排放5042噸；相對于燃氣鍋爐房，每年將減少CO2排放586672噸，減少SOx排放3噸，減少NOx排放334噸。另外因熱泵對循環水的冷卻作用可減小冷卻塔負荷，每年可減少電廠循環水蒸發損失1000～1200萬噸，弱化了循環水熱濕排放對電廠周邊環境的影響，因此該技術推廣后的環境效益非常顯著。
5. 結論
綜上所述，因為壓縮式機組在熱力站的位置選取上更加靈活，如圖2所示的分布式熱力站形式能更好的適應電廠周邊不斷變化的用戶熱負荷。但是從一次能源利用效率以及經濟性兩方面考慮，采用吸收式熱泵機組的循環水區域供熱方式都要優于壓縮式熱泵機組。因此在具備蒸汽和高溫熱水等熱源的區域應優先考慮使用吸收式熱泵機組來構建區域供熱系統。當電廠周邊沒有合適足夠規模的的用戶熱負荷時，可以采用如圖3所示的電廠內循環水熱力站回收多余的循環水余熱，使得這部分余熱的利用突破與電廠距離上的限制。
循環水供熱完全符合當前國家關于節能減排的方針政策，同時滿足北京市當前對“清潔高效”能源的迫切需求. 通過關鍵技術研發與科學合理的規劃，能夠顯著提高熱電廠的綜合能源效率10％～15％，僅北京市的循環水余熱量就有增加供熱面積3000萬m2的潛力。因此在正常的技術推廣應用中，政府應加強引導，并給予強有力的政策支持與激勵機制做保障。
參 考 文 獻
[1] 清華大學建筑節能研究中心．2007中國建筑節能年度發展研究報告．2007
[2] 張世鋼．熱電聯產中的深度余熱回收技術研究．清華大學博士后研究報告，2006.8
[3] 季杰等．以電廠循環水為熱源利用熱泵區域供熱的可行性分析[J] ．暖通空調，2005，35（2）：104-1
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