探究回收循環水余熱的熱泵供熱系統熱力性能

張銅強

摘 要：隨著我國經濟建設的不斷發展，逐漸出現了能源短缺的現象。我國因此提出節能減排的政策，同時也加強了對火電廠的豐富余熱資源的關注度。如若能夠通過循環水，利用熱泵技術將余熱回收再利用，將能夠極大的提高資源利用效率。本文將對熱電廠余熱回收技術類型以及回收循環水余熱的熱泵供熱方法與節能機理進行簡要的分析，并對回收循環水余熱的熱泵性能的關鍵部件數學模型加以闡述。

關鍵詞：回收循環水；余熱資源；熱泵供熱系統；熱力性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.006

0 引言

當今時代，能源危機是各個國家需要解決的重點問題。由于對煤炭、石油、天然氣等資源的儲備量逐漸減少，并且在對其的利用過程中將會對環境造成一定程度的損害。因此，當前人們更加注重對能量的梯級利用和余熱回收。尤其是利用大型電熱廠進行集中供熱并且對于其中的余熱利用熱泵技術進行回收再利用，將能夠提高資源利用效率，實現節能減排。

1 我國熱泵供熱系統的應用與研究

1.1 調節抽汽式供熱機組

目前，我國各地區進行集中供熱主要采用的機組就是調節抽汽式供熱機組。但是它并不是完美無缺的，它存在的問題有很多，例如它是直接利用汽輪機抽汽的方式在熱網中對熱網返回水進行加熱，通常熱網中返回水的溫度約為55℃，在經過它的加熱之后將能夠達到130℃左右，使得熱網中的溫差過大，將會對熱網造成一定的損害，并且抽汽中的人呢過并沒有實現高效的利用。此外，汽輪機排汽中的余熱通常會隨著循環水流走，在空氣中消散，使循環水的余熱沒有得到良好的利用，產生大量的浪費。

1.2 吸收式熱泵

吸收式熱泵具有有效利用低品位熱能的優點，它可以對太陽能、地熱能等廢棄熱量進行再利用，從而降低對環境的污染。它將利用電站的循環水來作為熱源，利用吸收式熱泵對其功能進行優化，從而實現向用戶進行供熱。在此過程中，它既實現了對循環水余熱的回收，提高了供熱系統的供熱量，解決了由于供熱量不足而產生的供需矛盾。同時，流入熱網的水溫基溫較高，使其產生的溫差變小，從而降低了對熱網的損害程度，使抽汽熱能得到了有效的利用。其主要缺點在于氣密性較高，如果在使用的過程中有外界的空氣流入將會對整體機組的性能造成不利影響，摒棄由于其利用水作為制冷劑，因此只能選擇5℃以上的冷媒水投入使用。最后，由于溴化鋰的價格較高，因此初次使用資金投入較大。

此外，隨著吸收式熱泵的廣泛應用，國內外的有關專家和學者也加強了對此方面的關注度。其中，國外學者Christian Keil等對吸收式熱泵在低溫集中供熱中的作用進行了深入的研究，國內學者李巖等分別在吸收式熱交換器與吸收式熱泵的基礎上，設計了一種新型的集中熱能的方法，可以極大的提高熱泵對于低品位余熱的回收，并且將回收的余熱進行海水淡化的可行性。

2 熱電廠余熱回收技術類型分析

2.1 吸收式熱泵技術

吸收式熱泵技術主要分為兩種類型。第一種吸收式熱泵是增熱型熱泵，其依靠高溫熱源作為驅動開關，利用對低溫熱源的吸收來進行對熱媒水的加熱工作。第二種吸收式熱泵是升溫性熱泵，它是通過在較多的中溫熱中吸取少量的高溫熱能的方式進行。

2.1.1 開式循環運行方式

在熱電廠的熱泵系統與循環水系統進行開式循環的運行方式時，其中循環水將會被分為兩個部分，其中一部分的循環水將會去冷卻塔中進行正常的電廠循環工作，而剩下一部分的循環水將會被分派到熱泵機組中進行對低溫余熱的回收利用工作，最終在冷卻塔中進行正常工作的循環水將與熱泵機組中的循環水在水池中進行融合，再一起返回到冷凝器中進行冷卻處理，以此再進行下一個循環。在進行開式循環方式時，通常對參與循環的循環水質量要求較高，但是由于具體的操作步驟比較簡單方便，因此在具體的日常使用中多采用這種方式進行[1]。

2.1.2 閉式循環運行方式

在熱電廠的熱泵系統與循環水系統進行閉式循環的運行方式時，將要求其重新建立冷凝器設備或者對原有的冷凝器進行改裝，使其變成具有雙側運行方式的新型設備。在這雙側運行方式中，將起到不同的作用。其中一側的循環水流進上塔，另一側的循環水則流經熱泵循環當中[2]。

采用閉式循環運行方式，將能對循環水流量、循環水溫度以及變回水溫度等進行調節。當溫度升高，熱負荷變少時，則循環水可以通過熱網進行加溫，使供水溫度升高，熱網加熱或者冷凝器中的冷凝溫度與冷凝壓力升高，與此同時在加熱器中的乏汽量減少，則需要通過增加循環水流量的方式進入到冷卻塔中，將原有的凝汽器中的熱量帶走，指導將循環網中的供水溫度降低到規定的標準為止。

2.1.3 以熱泵取代凝汽器的運行方式

在循環水中的余熱主要來源是汽輪機產生的熱量，如果能夠直接利用相關設備對熱泵機組進行熱量的獲取，將能夠由于取消了中間的一系列操作和介質，而減少在傳播中對熱量造成的損耗和能源的浪費。同時，也會極大的提升熱交換的效率，因此可以采用以熱泵機組取代凝汽器的運行方式。這種運行方式的優點在于可以通過減少中間環節，提高余熱的利用效率，同時還可以迎合國家節能減排的戰略方針，整個過程綠色環保。但是其使用的缺點在于在運行的過程中，對于機組和系統的影響較大，中間操作比較繁瑣，難以控制，因此在我國目前的工程當中還沒有被應用和推廣[3]。

2.2 低真空供熱技術

低真空供熱技術是指通過降低凝汽器中的真空度，提高汽輪機乏汽壓力，從而使乏汽溫度升高的同時使循環水的溫度也有相應的升高，之后將達到高溫的循環水傳送到用戶的供熱當中。

2.2.1 凝汽器單側運行方式

在凝汽器進行單側運行時，凝汽器中單側的水將經過熱網，按照原有的路線流經循環冷卻水上塔。這種凝汽器的運行方式叫做雙背壓凝汽器，其與單背壓的功能效果相比較來看，這種方式更加節能環保，尤其是在雙背壓凝汽器中能夠加大冷卻面積，使凝汽器的傳熱性得到有效的提高，而與之相對的單背壓則二會在運行過程中產生較大的凝汽器功率，從而使傳熱溫差加大對傳熱產生不利影響。endprint

2.2.2 凝汽器雙側運行方式

在凝汽器進行雙側運行時，凝汽器中雙側的循環水都將會經過熱網，但是只有其中的一部分水進入到冷卻水上塔之中。這種運行方式被稱為單背壓凝汽器，這種運行方式能夠使兩側的背壓一致，同時使兩側都能夠達到最佳工作狀態。

3 回收循環水余熱的熱泵供熱方法與節能機理

3.1 回收循環水余熱的熱泵供熱方法

假設熱網中供水的溫度是130℃，返回時水溫是55℃。如果利用以往傳統的汽輪機抽汽直接進入加熱網中，將會將目前熱網中的55℃的水溫直接加熱到130℃。由于溫差較大，將會對熱網產生一定程度的損害。具體步驟如圖1所示。

同樣，假設熱網中供水的溫度是130℃，返回時水溫是55℃。在新型的熱泵供熱方式中，首先是通過部分汽輪機抽汽操縱溴化鋰吸收式熱泵，實現將返回時的55℃的水溫升高到80℃，與此同時，進行部分循環水余熱的回收，最后利用汽輪機抽汽的方式在峰載加熱器進行加熱，實現將熱網中80℃的水溫升高到130℃的效果。具體步驟如圖2所示。

3.2 回收循環水余熱的熱泵供熱節能機理

3.2.1 壓縮式熱泵的余熱節能機理

壓縮式熱泵主要依靠電源作為驅動能源，由壓縮機、蒸發器、冷凝器以及節流閥幾個主要部件構成。熱泵工質是通過在蒸發器中吸收一定程度的循環冷卻水的余熱后，利用壓縮機對其進行升溫升壓處理，之后在冷凝器中將其熱量全部釋放給供暖熱水，最后通過節流閥進行冷卻降壓后重新返回到蒸發器當中重復第一步的操作，來完成下一輪的循環。此項過程中如果忽視其他外界因素對其產生的熱量損失，則可以根據熱力學第一定律，計算熱平衡方程為：

在此項公式中為冷凝器熱負荷，為蒸發器熱負荷，W為熱泵壓縮器所消耗的功率。此外，熱泵系統是否能夠起到良好的節能效果則需要通過熱泵的性能系數COP來顯示，這里將運用公式來計算熱性能系數：

3.2.2 溴化鋰吸收式的余熱節能機理

溴化鋰吸收式依靠的是汽輪機抽汽作為驅動熱源，由吸收器、冷凝器、蒸發器和相應的泵和閥門等幾個主要部件構成。主要步驟是首先由汽輪機抽汽作為驅動源進入到發生器當中，將溴化鋰稀溶液進行加熱直至其成為濃溶液，之后將其產生的高壓蒸汽灌入到冷凝器當中變成冷凝水，與此同時釋放出冷凝熱，進行節流降溫處理之后進入到蒸發器當中，而冷凝水在蒸發器中產生的大量水蒸氣則進入吸收器里。最初發生器中的溴化鋰濃溶液則會經過一系列的預熱后進入到吸收器當中，對通過蒸發器的水蒸氣進行吸收，形成溴化鋰稀溶液，再進行第一步的步驟，以此類推進行反復的循環。

4 回收循環水余熱的熱泵性能的關鍵部件數學模型

4.1 蒸發器

蒸發器能夠使循環水中的余熱中濕飽和蒸汽，進行加熱處理后成為干飽和蒸汽。并且進行能量平衡公式的計算：

公式中的是循環水，是工質，即水或者是水蒸氣的質量。是循環水進入到蒸發器時的水溫，是循環水從蒸發器中流走的水溫，是蒸發器出口的飽和蒸汽焓，是蒸發器入口的飽和蒸汽焓。蒸發器中的差值計算是利用蒸發器出口循環水的溫度減去蒸發器在飽和下的溫度所得到的差值。

4.2 吸收器

在吸收器當中，將利用其中的溴化鋰濃溶液在對水蒸氣進行吸收時，釋放出的熱量進行收集，之后利用其進行熱網水的加熱處理。吸收器端差的計算方式為在吸收器出口中的溴化鋰稀溶液溫度減去熱網中的水在出口出的溫度，所得的的差值就是吸收器端的差[4]。

4.3 發生器

發生器的利用是通過利用汽輪機部分抽汽對工質的溶液進行加熱。

4.4 溶液交換器

溶液交換器的功能是在系統中，將從吸收器中流出的稀溶液與從吸收器中流出的濃溶液在溶液交換器中進行熱量交換。

4.5 冷凝器

冷凝器的作用是在系統中，發生器中產生的過熱的水蒸氣在冷凝器中進行凝結，之后釋放出的熱量可以在對熱網中的水進行加熱工作中進行利用。其中，冷凝器端差的計算公式為將處于冷凝狀態下的飽和溫度與熱網出口中的水的溫度相減，所得到差值就是冷凝器端差。

4.6 回收循環水余熱對機組背壓的作用

在熱泵供熱系統當中，由于在冷凝器出口處循環水需要進行升壓后進入到熱泵當中，因此進入冷卻塔中的循環水量必然會降低。同時，在其他環境一致并且進風量也完全相同的情況下，冷卻塔出口處的循環水溫度將會明顯的降低。但是從另一個角度來看，由于蒸發器中的循環水由于升到升壓處理之后產生的降溫現象不是十分明顯，因此在蒸發器的循環水出口處的溫度將會比冷卻塔的循環水出口處的溫度高很多，當二者在循環過程中發生融合時，將會產生冷凝器進出口的循環水溫度整體升高的現象，從而對背壓產生作用，使其受到不利影響。

因此，為了改變這種狀態，降低在系統循環的過程中對背壓產生的損害，將需要對凝冷器給予冷卻塔進行變工況性能的計算，使其二者的溫差處于一種和諧的狀態，在進行融合的過程中，水溫能夠處于平緩狀態，不會產生過大的溫差對背壓產生不利影響。

5 結束語

隨著我國經濟建設的發展，對能源的需求不斷增加，對有關余熱利用等方面的研究工作逐漸加強。其中，在對回收循環水余熱的熱泵供熱節能機理進行應用時，要提高對公式的計算效率，從而得出準確的計算結果，以免出現失誤影響余熱的利用效率。此外，對回收循環水余熱的熱泵供熱節能性的研究應立足于我國當前的國情，符合時代的需要，只有這樣，才能使我國的節能減排事業得到又好又快的發展。

參考文獻：

[1]張學鐳，陳海平.回收循環水余熱的熱泵供熱系統熱力性能分析[J].中國電機工程學報，2013（08）：1-8+15.

[2]周振起，崔春暉，袁猛，高菲.回收循環水余熱的熱泵供熱系統經濟性分析[J].節能，2015（12）：56-59+3.endprint