發電廠海水循環水源熱泵應用

王陽

摘要：“海水循環水源熱泵”是以發電廠內海水循環水作為熱源的水源熱泵系統，此系統夏季利用進凝汽器前低溫水，冬季利用凝汽器后的溫排水，不僅克服了海水源熱泵取排水費用高的弊端，更可將冬季凝汽器溫排水中的低品質廢熱提取出來用于空調系統，實現了對凝汽器溫排水能量的再利用。文章介紹了“海水循環水源熱泵”的系統設置，對比了發電廠常用空調系統冷（熱）源方案，對“海水循環水源熱泵”系統的優勢以及存在問題進行了分析。

關鍵詞：發電廠；空調系統冷（熱）源；海水循環；水源熱泵系統；方案設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU991 文章編號：1009-2374（2015）05-0055-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0360

1 概述

“海水循環水源熱泵”是本文根據熱泵系統所采用的熱源形式而命名的。顧名思義，“海水循環水源熱泵”是以發電廠內海水循環水作為熱源的水源熱泵系統，此系統利用了發電廠海水循環水系統的現有設備及取水條件，夏季利用進凝汽器前低溫水，冬季利用凝汽器后的溫排水，不僅克服了海水源熱泵取排水費用高的弊端，將此種高效、節能、環保的能源利用方案引入電廠空調系統，更可將冬季凝汽器溫排水中的低品質廢熱提取出來用于空調系統，實現了對凝汽器溫排水能量的再利用。本文對以“海水循環水源熱泵”作為發電廠中空調冷（熱）源的應用進行一些分析和探討。

2 系統介紹

為方便直觀表述，本文引用了國內東北部沿海某廠址的實際條件，對“海水循環水源熱泵”進行了方案擬定，并進行相關分析。

2.1 廠址條件

2.1.1 廠址氣象條件：

冬季空氣調節室外計算溫度為-9℃

夏季空氣調節室外計算溫度30.7℃

日平均溫度≤+5℃的天數112天

2.1.2 廠址海水條件：

歷年（1991～2007年）最高水溫27.3℃

歷年（1991～2007年）月平均最高水溫23.8℃

夏季制冷工況熱源側月平均水溫在18.73℃～22.96℃間

歷年（1991～2007年）最低水溫0.35℃

歷年（1991～2007年）月平均最低水溫2.02℃

冬季制熱工況熱源側月平均水溫在2.61℃～7.87℃間

2.2 系統方案

“海水循環水源熱泵”系統為本廠址工程廠前區行政辦公樓、多功能中心、職工餐廳、招待所、值班宿舍及廠區集控樓、生產辦公樓、精密儀器庫、繼電通訊樓的空調設備提供冷凍水（t=7/12℃）及熱水（t=45/40℃）。

“海水循環水源熱泵”系統的用戶側采用一次泵變流量方案，系統流量隨用戶負荷改變，系統變流量依據為末端空調用戶壓差。系統采用變頻調速（自動恒壓）裝置補水定壓，補水接自除鹽水管。用戶側設備由：2臺海水源熱泵機組，單臺名義制冷量1002kW、輸入功率162kW，制熱量1190kW、輸入功率225kW；3臺變頻循環水泵，兩用一備，單臺設計工作點流量172m3/h，設計工作點揚程55m，輸入功率30kW；1套變頻調速（自動恒壓）裝置；1個補充水箱組成。

“海水循環水源熱泵”系統熱源側用水接自電廠循環水系統，夏季取進凝汽器前低溫水，冬季則取經凝汽器后的溫排水。由于利用廠內已有的取排水構筑物及循環水系統的相關設備（如取排水渠、廠用循環水泵、過濾設施、沉淀及滅藻等設施等）已可滿足運行要求，熱源側僅需在冬季運行工況時針對虹吸井液位較低的情況增加2臺海水提升泵（一用一備，單臺設計工作點流量400m3/h，設計工作點揚程15m，輸入功率20kW）即可。

2.3 方案可行性

海水源熱泵機組在夏季制冷工況下，熱源側出水溫度一般不能高于40℃，按5℃溫升考慮，進水溫度一般不應超過35℃；本廠址自然條件下，夏季海水歷年最高水溫為27.3℃，可以滿足海水源熱泵機組正常運行。

海水源熱泵機組在冬季制熱工況下，熱源側出水溫度一般不能低于3℃，按5℃溫降考慮，進水溫度一般不應低于8℃；本廠址冬季海水歷年最低水溫及月平均最低水溫分別為0.35℃、2.02℃，月平均水溫在2.61℃～7.87℃間，在自然條件下無法直接滿足海水源熱泵機組正常運行，需考慮海水預加熱或增大水量等防凍措施；而本工程冬季熱源側海水自凝汽器后取水，海水經凝汽器后溫升不小于8℃，相當于對海水進行了預熱，因此也可滿足海水源熱泵機組正常運行。

2.4 能效比分析

2.4.1 制冷工況：制冷工況下系統名義制冷量2004kW，熱泵機組輸入功率324kW，熱泵機組COP值約6.18；考慮使用側循環水泵輸入功率60kW，熱源側循環水功耗20kW（由于廠用循環水泵效率一般高于小型水泵，因此制冷工況熱源側循環水功耗理論上是低于制熱工況所配提升泵的，因此此處取提升泵功耗作為包絡），名義工況下系統綜合能效比約4.96。

根據廠址熱源側海水溫度，按熱泵機組廠家提供的制冷變工況計算表進行計算修正，詳見表1：

表1 制冷工況能效比修正

月

份 逐年月平均水溫 熱泵機組

修正制冷量 熱泵機組

修正功耗 熱泵機組修正能效比 系統修正綜合能效比

（℃） kW kW

7 18.73 2095 302 6.9 5.5

8 22.41 2050 312 6.6 5.2

9 22.96 2040 315 6.5 5.2

2.4.2 制熱工況：制熱工況下系統名義制熱量2380kW，熱泵機組輸入功率450kW，熱泵機組COP值約5.29；考慮使用側循環水泵輸入功率60kW，熱源側提升泵輸入功率20kW，名義工況下系統綜合能效比約4.49。

根據廠址熱源側海水溫度，按熱泵機組廠家提供的制熱變工況計算表進行計算修正，詳見表2：

表2 制熱工況能效比修正

月

份 逐年月平均水溫+凝汽器后溫升 熱泵機組

修正制熱量 熱泵機組

修正功耗 熱泵機組修正能效比 系統修正綜合能效比

（℃） kW kW

12 7.87+8=15.87 2630 460 5.7 4.9

1 3.83+8=11.83 2512 455 5.5 4.7

2 2.61+8=10.61 2423 453 5.3 4.5

3 4.2+8=12.2 2538 456 5.6 4.7

3 方案優勢

由上述方案可以看出，“海水循環水源熱泵”系統實際上是一種利用了發電廠既有條件的水源熱泵系統，此種結合形式利用發電廠的循環水系統，幫助海水源熱泵系統克服了取排水投資大、水溫低時需要大流量運行或預加熱設備的弊端，有效地簡化了系統，將海水源熱泵節能高效環保的優勢充分，使發電廠空調的冷（熱）源系統在制冷、制熱工況均具有了較高的能效比。本章我們將通過方案比較的方式論述“海水循環水源熱泵”具有的優勢。

3.1 方案比較

本節我們將發電廠中常用到的空調冷（熱）源方案與“海水循環水源熱泵”方案進行對比和分析。方案對比如下：

3.1.1 水冷冷水機組方案+換熱機組（方案一）：

（1）方案初投資：

制冷量2004kW，水冷螺桿機組2臺 188萬元（938元/kW）

使用側循環水系統（含循環泵、補水及管道） 52萬元

（260元/kW）

冷卻水系統 125萬元（624元/kW）

變配電系統（相對方案二增加冷卻塔電耗） 38萬元（190元/kW）

換熱量2380kW，板式換熱機組2套 30萬元

（126元/kW）

變配電系統（相對方案二增加冷卻塔電耗） 5萬元

（20元/kW）

機房300m2（制冷制熱兩套設備）30萬元（150元/kW）

合計 468萬元（2335元/kW）

（2）年運行綜合費用

設備折舊費用（設備壽命n=25，年利率取i=7%） 40萬元

制冷年運行能耗費用 16萬元

制熱年運行能耗費用 33萬元

年運行水耗費用-使用側補水 1.4萬元

年運行水耗費用-熱源側補水 1.6萬元

年運行管理人工費（3人，年人工10萬/人） 30萬元

設備維修管理費

（每年設備維修管理費按設備折舊費的10%計） 4萬元

合計 126萬元

3.1.2 海水循環水源熱泵方案（方案二）：

（1）方案初投資：

制冷量2004kW，制熱量2380kW，海水循環水源熱泵機組2臺

188萬元（938元/kW）

使用側循環水系統（含循環泵、補水及管道） 52萬元（260元/kW）

熱源側水系統 45萬元（225元/kW）

變配電系統 40萬元（168元/kW）

機房200m2 20萬元（100元/kW）

合計 407萬元（2030元/kW）

（2）年運行綜合費用：

設備折舊費用（設備壽命n=19，年利率取i=7%） 39萬元

制冷年運行能耗費用 14萬元

制熱年運行能耗費用 21萬元

年運行水耗費用-使用側補水 1.4萬元

年運行管理人工費（3人，年人工10萬/人） 30萬元

設備維修管理費

（每年設備維修管理費按設備折舊費的10%計） 3.9萬元

合計 109萬元

3.1.3 超低溫多聯機方案（方案三）：

（1）方案初投資：

室外機57臺，室內機238臺，制冷量2280KW，制熱量2558kW 450萬元（不考慮末端） （1974元/kW）

變配電系統 54萬元（211元/kW）

合計 504萬元（2232元/kW）

（2）年運行綜合費用：

設備折舊費用（設備壽命n=15，年利率取i=7%） 55萬元

制冷年運行能耗費用 21萬元

制熱年運行能耗費用 28萬元

年運行管理人工費（3人，年人工10萬/人） 20萬元

設備維修管理費（每年設備維修管理費按設備折舊費的10%計）

5.5萬元

合計 129萬元

3.2 比較結果

經過對比后，海水循環水源熱泵方案無論在初投資、年運行綜合費用還是在節能降耗方面均優于其余兩種方案。

3.3 其他優勢

水源熱泵系統具有運行穩定、舒適性高的優點，而“海水循環水源熱泵”作為一種水源熱泵在發電廠中的結合應用，同樣繼承了這些優點。

海水作為熱源冬季溫度更高、夏季溫度更低，相對于空氣溫度的變化約有1個月的滯后而且變化平緩，這對于熱泵機組的穩定運行來說是非常有利的，并從一定程度上避免了熱泵機組高負荷需求的情況下，輸出功率及能效比反而降低的弊端。

4 存在問題

“海水循環水源熱泵”是利用了海水循環水系統，才得以將水源熱泵這種節能高效的冷（熱）源形式引入發電廠空調系統的，但也由于與發電廠循環水系統聯系密切，“海水循環水源熱泵”的應用也存在了一些問題：

4.1 依賴性較高

“海水循環水源熱泵”系統的運行與發電廠循環水系統密不可分。因此，如果使用方需在發電廠投運前運行空調系統，則需增加另外的臨時措施。并且對于僅設置單臺機組的發電廠，“海水循環水源熱泵”也無法滿足其空調系統在停機大修時的使用。

4.2 設計配合工作量大

相對于其他冷熱（源）形式，“海水循環水源熱泵”系統設計的配合工作量較大。

4.3 布置受限

海水管道、海水提升泵造價較高，且廠用循環水泵一般壓頭較低，因此海水源熱泵機組不宜遠離循環水系統布置。

5 結語

通過本文以上分析比較可見，“海水循環水源熱泵”是一種經濟、節能、環保而且舒適的空調冷（熱）源形式。雖然其應用存在一定的依賴性，但在對節能降耗有更高要求或不要求空調系統提前投運的廠址以及擴建工程、改造工程中均會有很好的推廣前景和應用潛力。

（責任編輯：秦遜玉）