熱泵技術在供暖中的節能應用

周國明

（山東華魯恒升集團，山東德州 253024）

熱泵技術在供暖中的節能應用

周國明

（山東華魯恒升集團，山東德州 253024）

為進一步降低供熱成本，采用熱泵技術提取循環水中的熱量，由蒸汽供暖改造為熱水直接供暖，供熱管道熱損明顯降低，通過對熱泵選型、定點補壓、系統優化，降低了蒸汽消耗，提高供熱效率，取得了顯著效果和良好的經濟效益。

熱泵；蒸汽消耗；循環水分配；改造；系統優化

山東華魯恒升化工股份有限公司隸屬于山東華魯恒升集團有限公司。是全國500家最大化工企業和山東省200家重點企業集團之一，前身為1968年建廠的德州化肥廠，1996年6月改制為德州恒升化工（集團）有限公司，1999年11月更名為山東華魯恒升集團有限公司。

山東華魯恒升化工股份有限公司響應國家節能減排號召，對原有供熱系統進行技術改造。原來采用外供蒸汽至中心換熱站方式對德州市城區進行供熱，存在蒸汽利用率低、管道熱損失大、凝結水無法回收等眾多問題。

現將城區換熱站至廠區內，進行水暖改造。并采用吸收式熱泵機組回收2＃發電機組余熱（1＃、2＃機組余熱互為備用），綜合抽汽進行水暖供熱。實現節能供熱面積400萬m2，遠期達到550萬m2供暖面積。

1 吸收式熱泵技術說明

1.1 吸收式熱泵簡介

吸收式熱泵（即增熱型熱泵），通常簡稱AHP（absorption heat pump），它以蒸汽、廢熱水、煙氣、燃氣為驅動熱源，把低溫熱源的熱量提高到中、高溫熱源中，從而提高了能源的品質和利用效率。

以蒸汽型為例，吸收式熱泵原理即在電廠首站內設置蒸汽型吸收式熱泵。如圖1，以汽輪機抽汽為驅動能源Q1，產生制冷效應，回收循環水余熱Q2，加熱熱網回水。得到的有用熱量（熱網供熱量）為消耗的蒸汽熱量與回收的循環水余熱量之和Q1＋Q2。見圖1。

1.2 吸收式熱泵原理

溴化鋰吸收式熱泵包括蒸發器、吸收器、冷凝器、發生器、熱交換器、屏蔽泵（冷劑泵、溶液泵）和其他附件等。它以蒸汽為驅動熱源，在發生器內釋放熱量Qg，加熱溴化鋰稀溶液并產生冷劑蒸汽。冷劑蒸汽進入冷凝器，釋放冷凝熱Qc加熱流經冷凝器傳熱管內的熱水，自身冷凝成液體后節流進入蒸發器。冷劑水經冷劑泵噴淋到蒸發器傳熱管表面，吸收流經傳熱管內低溫熱源水的熱量Qe，使熱源水溫度降低后流出機組，冷劑水吸收熱量后汽化成冷劑蒸汽，進入吸收器。被發生器濃縮后的溴化鋰溶液返回吸收器后噴淋，吸收從蒸發器過來的冷劑蒸汽，并放出吸收熱Qa，加熱流經吸收器傳熱管的熱水。熱水流經吸收器、冷凝器升溫后，輸送給熱用戶。

圖1 吸收式熱泵回收余熱示意圖

圖2 吸收式熱泵原理圖

屏蔽泵的做功與以上幾種熱量相比，基本上可以不用考慮，因此可以列出以下平衡式：

吸收式熱泵的輸出熱量為Qa＋Qc，則其性能系數COP：

由以上兩式可知：吸收式熱泵的供熱量等于從低溫余熱吸收的熱量和驅動熱源的補償熱量之和，即：供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量（COP＞1），故稱為增熱型熱泵。根據不同的工況條件，COP一般在1.6～1.8左右。由此可見，溴化鋰吸收式熱泵具有較大的節能優勢。

2 本次改造方案如下

1）采用常規溫差技術，用機組的供熱抽汽做驅動汽源，小時回收機組的6 056 t／h冷卻循環水余熱，小時回收余熱能力70.4 MW。余熱可新增供熱面積153萬m2（單位負荷46 w／m2），熱電廠內設置4套溴化鋰吸收式熱泵機組。

2）熱泵驅動蒸汽采用熱網供汽母管1.0 MPa.G，溫度210℃過熱蒸汽，經由蒸汽噴射器處理后進入熱泵使用。工作蒸汽：1.0 MPa過熱蒸汽120 t／h，吸收乏汽：0.05 MPa飽和蒸汽30.4 t／h，輸出蒸汽：0.5 MPa飽和蒸汽150.4t／h進入4臺熱泵。

3）對原有城市供熱管道進行汽改水工程改造。根據實際運行數據，蒸汽供熱時能耗為0.581 GJ／m2，改為熱水后降到0.491 GJ／m2。

3 熱負荷確定

設計供熱面積達到550萬m2，供熱總負荷253 MW。根據經濟流速2m／s考慮，熱網水流量為6 000 t／h，熱網水管道采用DN1000型號。在經濟比摩阻范圍內。

城市熱網水6 000 t／h，55℃回水通過吸收式熱泵利用母管抽汽和1＃或2＃發電機組循環水余熱升至80.8℃，這樣母管抽汽將減少98 t／h（1.0 MPa，210℃）。然后通過汽水換熱器由80.8℃加熱到93.1℃提供給熱用戶。

山東華魯恒升化工股份有限公司熱電分部設計滿負荷總供熱量253 MW，采用熱泵機組后，熱泵機組供熱量達到169.6 MW，占總供熱負荷的66%。小時回收余熱70.4 MW，實現無鍋爐增加供熱面積153萬m2（采暖熱指標為46 w／m2）。

4 流程簡述及主要設備

汽輪機凝汽器的乏汽原來通過循環水經雙曲線冷卻塔冷卻后排放掉，造成乏汽余熱損失，而循環水經凝氣器后溫度升溫，向大氣散發大量熱能并且損失大量水資源。現采用吸收式熱泵，以經凝汽器加熱的冷卻水作為低溫熱源，以原采暖的抽汽作為驅動熱源，加熱采暖用熱網回水，循環冷卻水降溫后再去凝汽器循環利用。這樣可回收循環水余熱，提高電廠供熱量，即提高了電廠總的熱效率。

按其效率，在其升溫區間內，達到同樣的升溫效果，采用吸收式熱泵比汽水換熱節省30%－40%蒸汽量；若可增大供熱面積，在其升溫區間內，單位蒸汽所供的換熱面積變為由原來換熱面積的1.5－1.7倍。

機房內主要設備表1

表1 機房內主要設備表

5 循環水利用方案

現改造電廠1＃、2＃機組（2×50 MW抽凝），其循環冷卻水采用兩臺機組共用一臺雙曲線冷卻塔。改造實現熱泵機組回收1＃機組冷凝余熱，2＃機組余熱作為備用，回收循環水供回水溫度為39－29℃，備用發電機組循環水溫度為25－15℃，熱泵投入運行后兩臺機組循環水互為備用，互不影響（投運后，被回收循環水對應的發電機組，循環水出凝汽器溫度提高為39℃）。

為保證兩臺發電機組冷凝系統互相備用及運行互不影響，需要設置合理的取水及分水控制方案。

5.1 余熱利用凝汽器循環水取水方案

分別從1＃機組、2＃機組循環水供回水管道上開口，共接出4根管道，并聯至新建母管（DN1000）引至熱泵房作為循環水母管，原上塔母管保持不變；

引出的每根管道上加裝閥門，電動閥門位于室外需設置閥門井，原循環水管道手動門不變，投運1＃機組時，1＃機組循環水手動門關閉，對應1＃機組閥門打開，2＃機組同1＃機組投運模式。

5.2 余熱利用機房側循環水分水方案

從凝汽器新建循環水供水母管引出39℃循環水經新設升壓泵后進熱泵機組，作為熱泵系統的余熱源，經熱泵吸收熱量降溫后回新建循環水回水母管，此處設置去原循環水母管上塔聯絡門，供暖低負荷時，熱泵機組消耗不完，多余熱量由雙曲線冷卻塔消耗。

回水母管與原冷卻塔回水母管設置電動聯絡門（原循環水泵出口處），用于回水水溫及流量的控制。

6 供熱期間熱泵系統運行情況及數據分析

6.1 熱泵機組運行基礎數據

表2 熱泵機組運行基礎數據表

6.2 汽水管網運行數據

表3 汽水管網運行數據表

6.3 節能情況分析

與去年同期蒸汽消耗量對比

D720管線平均流量16日 17日 18日 19日 20日2013年11月（t／h）125 127.7 128.9 130.1 128.9 2014年11月（t／h）88.7 89.1 93.3 92.9 86.7節省蒸汽量（t／h）36.3 38.6 35.6 37.2 42.2

6.4 熱泵機組節能量測算

熱泵機組節能量即為提取循環水熱量，具體數值為：

16日17日18日19日20日2801 2742 2645 2608 2700小時節能量（GJ） 116.7 114.3 110.2 108.7 112.5折合1.0 MPa蒸汽（t／h）日累計節能量（GJ）38.2 37.4 36.1 35.6 36.8

6.5 熱泵機組COP系數測算

16日17日18日19日20日6736 7011 6994 6919 6907循環水熱量（GJ） 2801 2742 2645 2608 2700 COP系數 1.71 1.64 1.61 1.60 1.64 16－20日總COP系數當日總供熱量（GJ）1.64

7 達到效果及存在的問題

1）熱網水循環水量偏小，導致熱泵滿負荷運行受限

目前熱網水系統循環水量約2 500－2800 t／h，分配到每臺熱泵余額800－900 t／h，與熱泵設計額定工況的1 440 t／h差距較大，造成熱泵機組冷源較少，熱泵機組在負荷較低的情況下熱網水出口溫度已基本達到上限（80℃），無法繼續增加負荷（在增加將降低COP值）；導致熱泵機組余熱吸收能力較小，熱源水溫差較小，目前維持在6－7℃。

2）由于目前熱網水系統循環水量約2 500－2800 t／h的時候，供水壓力維持在0.75－0.8 MPa，已達到熱電公司要求的管線壓力上限。如果繼續增大循環水量，需熱電公司原有供熱一次管網提壓。運行期間供水壓力達到0.92 MPa時，循環水量可達到3600 t／h，但熱電公司管網出現了泄漏情況。

措施：為提高熱泵機組效率，下一步應盡量提高熱網系統循環水量，供熱公司需進行調整管網，提高熱網系統的供水壓力，熱泵熱網水采取大流量低溫差的運行模式，以提高COP值。

3）發電機組滿負荷運行

通過近階段的摸索，在機組帶3萬、5萬發電時，熱泵投用對其沒有影響，發電仍能保持滿負荷工作，需進一步摸索在熱泵滿負荷狀況下對發電機組的影響問題，找到二者的平衡點。

4）冷凝液得以全部回收

往年蒸汽供熱時，外供蒸汽量為170 t／h，冷凝液只有110 t／h返回凝水精制崗位，有60t／h冷凝液無法返回，改為熱水供熱后不僅降低了蒸汽使用量，更重要的是冷凝液全部返回得以利用。

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《化工設計通訊》編輯部

Energy saving application of heat pump technology in heating

Zhou Guo-ming
（SHANDONG HUALU-HENGSHENG CHEMICAL CO.，LTD，Dezhou Shandong 253024，China）

In order to further reduce heating costs and using heat pump technology to extract the heat of the circulating water，by steam heating reconstruction for hot water heating，heating pipe heat loss decreased significantly，by of heat pump type selection，fixed-point complement pressure，system optimization and reduce the steam consumption，improve the heating efficiency，and achieved remarkable effect and the good economic benefit.

heat pump；steam；consumption；circulating water；distribution；reform；system optimization

TK172

B

1003-6490（2015）03-033-04

2015－03－25

周國明（1968－），山東德州人，男，畢業于山東化校，工程師，主要從事化肥生產、設計和技術管理工作。