基于吸收式循環熱電聯產集中供熱技術的應用

李利新

基于吸收式循環熱電聯產集中供熱技術的應用

李利新

介紹了清華大學提出的“基于吸收式循環熱電聯產集中供熱技術”在大同煤礦集團公司“兩區”供熱中的應用，通過一個采暖期的運行數據與測試分析表明，該系統運行穩定可靠，熱能利用效率高，熱力站的吸收式換熱機組能夠將一次網回水溫度降到25℃左右，同時電廠的余熱回收熱泵機組可回收電廠循環水余熱，兩者結合運用，節能與經濟效果顯著。

熱電聯產；集中供熱；吸收式換熱

1 概述

大同煤礦集團公司采煤沉陷區綜合治理和棚戶區改造工程 (簡稱“兩區”改造工程)，是黨中央、國務院、省、市關心廣大煤礦員工群眾的一項民心工程、德政工程和安居工程。該工程的建成，可使近10萬戶30萬員工家屬的居住條件得到徹底改善。工程分三期建設，目前一、二期工程已建成600多萬m2，安置住戶6萬余戶。根據同煤集團“兩區”的建設發展思路，要不斷完善礦區職工家屬的居住條件，完善水、電、氣、熱等各項基礎設施。二期工程竣工后，將華電大同第一熱電廠作為集中供熱的主要熱源為“兩區”供熱。

1.1 熱源情況

華電大同第一熱電廠是日本侵華時期為掠奪大同煤炭于1939年建成的。解放后，電廠經過多次擴建，機組容量不斷擴大，對大同市的供電及供熱做出了貢獻。隨著機組的老化和超期服役，1#～7#機組相繼關停，目前電廠利用2007年投產建設的2×135 MW空冷供熱機組，摻燒附近采煤區的煤矸石，同時為大同城區供熱和供電。兩臺CKZ135-13.24/535/535/0.245型汽輪機組，冬季最大抽汽工況下的主要熱力參數見表1，采暖抽汽量為2×200=400 t/h，蒸汽參數P=0.245 MPa，T=237℃，折合供熱總量約為268 MW。

1.2 熱網及用戶情況

連接華電大同第一熱電廠與同煤“兩區”各熱力站的一次熱力管網是由同煤集團投資建設的，一次網使用DN1 200的管線從大同一電廠輸出，到達“兩區”首站后分支變為 DN1 000，DN900，DN800，DN700，DN600，DN500，DN400，DN300，DN250，DN200的管線分別傳輸到各小區熱交換站，熱交換站通過換熱機組吸收熱量后經二次網輸送到住戶家中供熱。一次網設計供回水溫度為120℃/65℃；循環水泵單臺流量1 800 t/h，揚程140 m，功率1 120 kW，3開1備。二次網設計供回水溫度為70℃/50℃（掛暖）、60℃/40℃（地暖），供回水壓力為0.5 MPa/0.3 MPa。

表1 大同第一熱電廠汽輪機最大抽汽工況下的主要熱力參數

2009年采暖季，華電大同第一熱電廠為同煤“兩區”供熱約為260萬m2。根據2009年采暖季的實際運行數據，“兩區”集中供熱系統的一次網供水溫度在75℃～95℃之間，回水溫度為45℃～55℃，溫差僅為25℃～40℃左右，一次網處于“大流量、小溫差”的不節能運行狀態（見表2）。同煤“兩區”的二次網用戶80%采用地暖，2009年采暖季的實際運行供回水溫度約為45℃/40℃；其余20%的二次網用戶采用掛暖，2009年采暖季的實際運行供回水溫度約為50℃/40℃。其中沉陷區有熱力站14座，2009年采暖季僅有7座運行，二次網用戶全部采用地暖，實際運行供回水溫度約為45℃/35℃。

1.3 熱負荷

1.3.1 采暖綜合熱指標

建筑采暖綜合熱指標是由所在地區氣象條件及建筑物的圍護結構特征所決定的。通過對2009年采暖季的實際運行能耗數據及供熱面積的分析統計，推算同煤集團“兩區”供熱系統的采暖綜合熱指標約為60 W/m2。

表2 2009年～2010年采暖期一次網運行參數

1.3.2 供熱面積統計

2009年采暖季，同煤集團“兩區”供熱的面積為260萬m2，2010年新增供熱面積370萬m2，現供熱總面積為630萬m2。由此，根據“兩區”的采暖綜合熱指標，得出2010年采暖季同煤“兩區”總熱負荷需求約為378 MW。

1.3.3 熱源能力和熱負荷平衡

同煤集團“兩區”的熱源能力和熱負荷供需平衡見表3。從表3中數據可以看出，同煤集團“兩區”的供熱系統將面臨著嚴重的熱源能力不足的問題，2010年采暖季將會出現約200萬m2的缺口，由于大氣環境治理的要求，還要嚴格控制城區燃煤鍋爐及燃煤電廠的建設。作為城市基礎設施的一項重要組成部分，如果同煤集團“兩區”的居民采暖問題不能解決，將嚴重限制該區域居民的生活水平，影響該區域的和諧穩定發展。

表3 同煤集團“兩區”供熱系統供需平衡

2 供熱系統改造

目前，由于同煤集團“兩區”改造工程的逐步建設完善，供熱面積在不斷加大，然而大同一電廠的熱源有限，新建熱電廠或大型燃煤鍋爐房又會帶來環境問題，為各地環保部門所嚴格控制；另外，管網輸送能力的不足，不能滿足城市建筑對采暖日益增加的需求，重新擴大主干管管徑不僅投資巨大，而且對于管線密布的地下現狀和交通繁雜、建筑密集的地上現狀，熱網的改造、重建會非常繁瑣。鑒于此情況，采用清華大學提出的“基于吸收式循環的熱電聯產集中供熱技術”，對電廠和熱力站進行集中供熱改造，可有效地解決這一問題。

2.1 吸收式換熱

2007年清華大學首次提出了“吸收式換熱”的概念和“基于吸收式循環熱電聯產集中供熱技術”（簡稱“基于吸收式循環”）并與北京環能瑞通科技發展有限公司合作，相繼開發出“吸收式換熱機組”和“余熱回收專用熱泵機組”等一系列產品。

2.2 技術流程

清華大學提出的基于吸收式循環的熱電聯產集中供熱技術流程見第13頁圖1。

圖1 基于吸收式循環的新型熱電聯產集中供熱技術流程

（1）熱力站處安裝吸收式換熱機組，用于替代常規的水-水換熱器，在不改變二次網供回水溫度的前提下，降低一次網回水溫度至20℃左右，熱網供回水溫度由原來的120℃/60℃變為120℃/20℃，輸出溫差拉大了近1倍，由此大幅度地降低了熱網投資和運行費用。

（2）在電廠熱網加熱首站安裝吸收式熱泵機組，以汽輪機的采暖蒸汽驅動回收汽輪機排汽余熱，用于梯級加熱一次網熱水。由于熱網低溫回水實現了與汽輪機排汽的能級匹配，使得熱泵處于極佳的制熱溫度和更大的升溫幅度，從而使熱電聯產集中供熱系統的能耗大幅度降低。

通過新型熱泵機組開發和構建新型的集中供熱系統，一方面利用電廠汽輪機乏汽余熱供熱，可提高電廠現有供熱機組的供熱能力30%以上，降低系統供熱能耗40%以上；另一方面實現了管網的大溫差輸送，可提高熱網的輸送能力80%左右，降低新建管網的投資和輸送能耗30%以上。

2.3 改造方案

2.3.1 大同一電廠

大同一電廠2臺2×135 MW機組配套安裝2臺余熱回收熱泵機組。回收汽輪機排汽余熱，梯級加熱熱網回水，能把尾部余熱回收利用并提高供熱溫度，額定工況下，可回收電廠余熱140 MW。

2.3.2 同煤“兩區”熱力站

（1） 同煤“兩區”有熱力站48座，其中地上熱力站10座，地下熱力站38座。在10個地上熱力站和有條件的4個地下熱力站安裝吸收式換熱機組18臺。末端是掛暖的供熱系統（137萬m2），使一次網回水降低至31℃；末端是地暖的供熱系統（136萬m2），使一次網回水降低至20℃。在不具備安裝吸收式換熱機組的34個地下熱力站采用增加板式換熱片的方式，提高板式換熱器的換熱面積，使一次網回水降低至43℃。通過上述改造，一次網返回熱電廠的綜合回水溫度可降低到37℃左右。

（2）在各熱力站安裝一次水流量自動控制閥57個，增加了遠程檢測調節系統，以解決水力失調，供熱不均衡等問題。

2.3.3 熱源與用戶供需平衡

改造后的供熱系統熱源與用戶供需平衡見第14頁表4。根據設計工況下熱量數據可以看出，改造后，由于熱源能力的提高，完全可以滿足同煤集團“兩區”600萬m2的供熱需求。

3 運行效果

3.1 大同一電廠吸收式熱泵運行效果

從2010年10月開始，大同一電廠為同煤“兩區”供熱420萬m2，其余的由同煤大唐電廠供熱。2010年12月30日，改造工程全部完成，2011年1月5日，大同一電廠2臺吸收式熱泵機組和同煤“兩區”的8臺吸收式換熱機組同時投入運行。根據“兩區”的供熱記錄統計，供熱改造系統運行前后各項數據如下。

表4 同煤集團兩區供熱系統改造后的熱源與用戶供需平衡

3.1.1 供熱改造系統投運前

大同一電廠提供的一次網流量為3 000 t/h左右，平均供水溫度為85℃左右，回水溫度40℃左右；同煤“兩區”熱交換站二次網的平均供水溫度為40℃左右，個別站二次網供水溫度甚至低于35℃，回水溫度為35℃左右。各物業站上報的小區居民測溫結果顯示，30%的居民室溫低于18℃。

3.1.2 供熱改造系統投運后

大同一電廠提供的一次網流量為3 500 t/h～3 800 t/h，供水溫度升為100℃以上，回水溫度在45℃左右；同煤“兩區”熱交換站二次網的供水溫度全部達到48℃左右，回水溫度為40℃左右。各小區住戶的測溫結果顯示，除有個別靠山墻及頂層住戶室溫低于18℃，其余住戶都在18℃以上。

3.2 同煤“兩區”吸收式換熱機組運行效果

2011年2月23 日，同煤“兩區”將同煤大唐電廠的熱源全部退出，至此，“兩區”的48個熱交換站，共計600萬m2的供熱面積全部由大同一電廠提供熱源，熱交換站的18臺大溫差換熱機組也全部投入運行。運行結果如下：

（1） 一電廠的一次網流量為3 800 t/h左右，平均供水溫度為100℃左右，平均回水溫度為38℃左右。熱交換站二次網平均供水溫度在48℃左右，平均回水溫度在40℃左右。

（2）同煤“兩區”熱交換站的18臺“吸收式換熱機組”一次網供水溫度在100℃左右，回水溫度都在25℃左右，吸收熱能溫差在75℃左右。機組的低溫回水在綜合了其他站板式換熱器的回水后，給電廠的回水溫度也只有38℃左右，有效地吸收了熱能。現列舉其中的一個熱交換站做比較（見表5）。表5中所示C區熱交換站原由同煤大唐電廠采用水-水管式換熱器供熱。

表5 同煤集團兩區C區熱交換站供熱系統數據分析

以上數據顯示，兩種供熱方式，在一次網供水溫度相差5℃左右，流量相差60 t/h的情況下，吸收式換熱機組吸收的熱能溫差仍能達72℃，二次網的供水溫度完全能夠保證，而且降低了能耗。

（3）各小區住戶室內溫度抽查測量結果顯示，住戶室溫基本都保持在18℃～23℃之間。

4 結論

根據以上數據結果分析，同煤“兩區”的供熱改造工程，采用清華大學的“基于吸收式循環熱電聯產集中供熱技術”取得了顯著的效果，不僅有效地利用了大同一電廠的熱能，而且大幅度地增加了供熱面積。熱交換站的吸收式換熱機組，有效吸收了電廠一次網的熱能，降低了一次熱網返廠回水溫度，為大同第一熱電廠汽輪機乏汽余熱回收創造有利條件，可大幅提高該電廠的供熱能力和能源利用效率；同時，供熱改造工程通過完善集中熱網監控系統，有效解決水力失調、供熱不均等問題，提高供熱質量，節約供熱能耗，實現能源的綠色高效利用。

[1]付林，江億，張世鋼.基于Co-ah循環的熱電聯產集中供熱方法[J].清華大學學報 (自然科學版)，2008（09）：1 377-1 412.

Application of District Heating System Based on Co-ah Cycles in Combined Heating and Power System

Li Lixin

This paper introduces the application of district heating system based on co-ah cycles,proposed by Qinghua University,in combined heating and power systems in Datong Coal Mine Group.Analysis on running data of a whole running season showed that the system ran stably and increased energy efficiency significantly.In the heating substations,the temperature of return water is reduced to 25℃by absorption-exchangers.In the cogeneration plant,circulating water is heated by extraction steam of steam turbines and exhausted heat in absorption pumps.This system achieves a high energy saving effect and economic benefit,so it is proper to apply this system in large-scale.

cogeneration;district heating;absorption heat exchanger

TU995

A

1000-4866（2011）03-0011-04

李利新，男，1972年出生，現在大同煤礦集團鵬程公司工作，工程師。

2011-07-08

2011-07-27