談吸收式熱泵余熱回收技術的節能效果及應用

吉連生

(山西西山熱電有限責任公司，山西太原 030022)

近年來，全國已有近30個火力發電廠采用吸收式熱泵技術，進行火力發電廠汽機冷端余熱回收利用，提高了向城市提供采暖的供熱能力。在“十二五”期間內，將是現有火力發電廠汽機冷端余熱回收利用工程改造的大發展階段。今后，熱電聯產機組汽機冷端余熱利用將會納入工程整體設計考慮之內，從而提高機組整體的綜合熱能利用效率。對此，本文以山西西山熱電有限責任公司(以下簡稱“西山熱電”)大熱網供熱系統為例，提出了對3臺50MW空冷單抽汽凝汽式汽輪機冷端余熱回收利用的改造措施。

1 系統概況及存在的問題

西山熱電現裝機容量為3×50MW抽凝式供熱機組及3×220t/h燃煤循環流化床鍋爐，擔負著西山(前山)礦區的集中供熱任務，設計最大供熱面積350萬m2，最大供熱負荷為177MW。隨著西山地區規劃和發展，住宅面積不斷增大，到2012年～2015年總供熱面積將達到498.5萬m2。作為西山(前山)礦區集中供熱的唯一熱源點，西山熱電供熱能力已經達到極限，供熱安全保障性降低，提升西山熱電的穩定供熱能力已成為當務之急。

2 解決措施

首先，對集中供熱主熱源的西山熱電廠而言，存在兩個關鍵問題有待解決:1)汽輪機抽汽在加熱一次網回水的過程中存在很大的傳熱溫差，造成巨大的傳熱不可逆損失。2)熱電廠供熱機組大量的汽輪機冷端余熱通過空冷島排放到大氣中，不僅造成占燃料燃燒總發熱量的20%熱量損失，而且影響了局部的環境質量。如將這部分余熱回收用于城市采暖供熱，相當于在不增加電廠容量，不增加一次能源消耗，而且也不影響機組發電量的情況下，擴大了熱源的供熱能力，為集中供熱系統增加了熱量，提高了電廠能源的綜合利用效率，同時對于水冷系統而言還可節約水資源。其次，通過在電廠熱網加熱首站和二級熱力站分別安裝吸收式熱泵，用于替代常規的水—水換熱器，不僅構建了一種梯級加熱的新型的集中供熱系統，而且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25℃左右，較常規的熱網輸送溫差提高了近一倍，從而大大提高了熱網的供熱能力。由此大幅度的降低了熱網投資和運行費用;以汽輪機的采暖蒸汽驅動回收汽輪機排汽余熱，使熱網低溫回水實現了與汽輪機排汽的能級匹配，從而使熱電聯產集中供熱系統的能耗大幅度降低。

西山熱電冷凝熱回收利用改造工程是在主管網不變的前提下改造，改造后，在不影響原供熱能力的前提下，西山熱電可新增供熱能力110MW，總供熱能力達到300MW，供熱面積可達到520萬m2～550萬m2。其改造包括兩部分，即西山熱電廠內部分和西山熱電廠外部分。

西山熱電廠內部分:1)新建3臺與汽輪發電機組一對一分別配置的60MW熱泵機組，在排汽總管DN3000上開洞，引出1根DN2500的管道，與熱泵連接;從現有DN1400抽汽母管上引出3根DN500管道作為驅動熱源接至3臺熱泵機組;熱網回水先進入熱泵機組，溫度由35℃提升到87℃后進入現有的熱網加熱器(供熱初期、末期，熱網加熱器可不投入運行，只投熱泵機組即可滿足供熱要求);凝結水則通過凝結水泵排入空冷島凝結水管，進入現有系統。2)新建相應的熱網供回水管道、補充水管道、抽汽管道、疏水管道、排汽管道、冷凝水管道、380V廠用電系統、控制系統、相關的建構物及附屬設備基礎和管道支架結構等。3)本改造項目用電負荷197.5kW，可從空冷島380V/220V廠用系統引接電源。熱泵機組本體采用獨立的PLC系統控制，其他系統采用遠程IO站的形式接入原有熱網DCS系統。

西山熱電廠外部分:1)新建6個熱力站(4個吸收式熱力站，2個常規熱力站，需6MW～20MW熱泵25臺)，在新建熱力站安裝吸收式熱泵機組，可降低回水溫度，并考慮了負荷發展的需要，室內預留了足夠的空間。2)改造了已有的13個熱力站，相應改造了供電與控制系統、泵房結構等。本次冷凝熱回收利用改造項目所使用的熱泵機組是一種以熱源(蒸汽、高溫熱水、燃油、燃氣)為動力、溴化鋰溶液為吸收劑、水為制冷劑，利用低溫熱源(乏汽)的熱能，制取所需要的工藝或采暖用高溫熱媒水，實現從低溫向高溫輸送熱能的設備。工作原理如圖1所示。

熱泵機組包括蒸發器、吸收器、發生器、冷凝器、熱交換器和凝水換熱器等主要部件及抽氣裝置、屏蔽泵(溶液泵和冷劑泵)等輔助部分。抽氣裝置抽除了機組內的空氣等不凝性氣體，并保持機組內一直處于高真空狀態。

冷劑泵將冷劑水液囊中的冷劑水抽出并噴淋在蒸發器中的傳熱管表面，吸收流經傳熱管內乏汽的熱量，汽化成冷劑蒸汽，乏汽在放出熱量后凝結并流出機組;吸收乏汽熱量后產生的冷劑蒸汽流入吸收器，被吸收器頂部淋下的溴化鋰濃溶液吸收。溴化鋰濃溶液在吸收冷劑蒸汽時放出冷劑蒸汽的凝結熱，加熱流經吸收器傳熱管內的熱媒水，使其溫度升高后流出吸收器;溴化鋰濃溶液在吸收冷劑蒸汽后濃度越來越低，匯集在吸收器底部，被溶液泵抽出，經熱交換器升溫后進入發生器，在發生器中被蒸汽加熱濃縮，分離出冷劑蒸汽。濃溶液經熱交換器傳熱管間與溴化鋰稀溶液進行熱量交換后流回吸收器，繼續吸收蒸發器中產生的冷劑蒸汽;而發生器中產生的高溫冷劑蒸汽流入冷凝器內，加熱流經冷凝器傳熱管內的熱媒水，使其溫度繼續升高后流出機組供用戶使用，同時冷劑蒸汽放出熱量后冷凝成冷劑水，經U形管進入蒸發器。因蒸發器中壓力較低，進入蒸發器的冷劑水一部分閃發成冷劑蒸汽，另一部分冷劑水則因熱量被散發的那一部分帶走而降溫成飽和溫度的冷劑水，流入蒸發器底部液囊。上述過程不斷循環進行，即可不斷地回收乏汽熱量并制取所需溫度的熱媒水。可見吸收式熱泵供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量，具有較顯著的節能優勢。

通過分析、論證西山熱電冷凝熱回收利用雙側改造方案，總結得出:吸收式熱泵余熱回收技術應用較為廣泛。

2012年7 月～11月，對西山熱電廠內大熱網系統進行了改造，3臺汽輪發電機組分別配置1套60MW熱泵機組和1套前置凝汽器，型號為:XRI 1.8-20-3453(55/85.7)型、SLH20-290-36型，在實際生產運行過程中，通過控制每臺熱泵乏汽進汽量，調整所對應的驅動汽源量，以達到調整大熱網供水溫度，滿足西山礦區(前山)熱用戶的需求，收到了很好的安全和經濟效益。

3 改造效果

從經濟角度分析，該改造項目年供熱收入6385萬元，平均新增總成本費用1165.33萬元，年增值稅830萬元，平均實現利潤4389.62萬元，平均所得稅 1097.41萬元，年平均稅后利潤3292.21萬元，總投資收益率25.12%，投資回收期3.98年。該改造項目實施后，可回收汽輪機乏汽180t/h，回收乏汽功率約110MW，實現乏汽供熱量約127.7萬GJ/車，與集中燃煤供熱鍋爐(供熱效率80%)相比，相當于節約5.4236萬t/年。同時具有顯著的節能環保效益，可減排CO211.69萬t，SO20.448萬t，NOX0.331萬t，灰渣量1.61萬t。另外，在熱泵的運行過程中也無各種廢水排放，系統中未增加大型轉動設備，因此也不會增加噪聲污染。

4 結語

本改造項目以解決民生問題為出發點，利用電廠大量乏汽余熱為城市集中供熱，回收乏汽余熱對提高城市集中供熱普及率，減輕政府每年在供熱上的財政負擔及在供熱方面的擴容壓力，加快太原市向綠色宜居城市的轉型步伐具有非常重要的意義。本改造項目實施后節能效果、環境效益和社會效益顯著，可以改善太原市空氣環境，提高市民生活質量。本改造項目采用基于吸收式熱泵回收電廠乏汽余熱，為太原市集中供熱兩年全覆蓋提供有效支撐。項目實施后在太原市將形成乏汽余熱集中供熱的清潔能源和可再生能源示范區域，為城市集中供熱開辟新的熱源途徑。

［1］張 昌.熱泵技術與應用［M］.北京:機械工業出版社，2012.

［2］陳 堅.熱能動力基礎［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［3］袁東立.水源熱泵設計圖集［M］.北京:中國建筑工業出版社，2006.

［4］顧文卿.熱泵生產新工藝、節能新技術與熱泵系統創新設計、科學應用、性能測檢及國內外標準實用手冊［M］.北京:科學出版社，2007.

［5］DL/T 5000-2000，火力發電廠設計技術規程［S］.