電廠循環水為低位熱源的城市供熱技術研究與應用

唐濤

摘 要：我國工業分布廣，工業余熱資源豐富，作為其中一員的電廠循環水也有著相當多的利用條件。以電廠循環水作為低位熱源，利用熱泵技術供熱可以在不增加電廠容量和排放的情況下增加供熱能力，同時對水余熱的處理也能起到節約資源的效果。基于此，本文以電廠循環水與空氣源對比的辦法討論了用電廠循環水作為低位熱源的特點，并重點研究了以電廠循環水為熱源的供熱技術，說明了不同供熱技術的供熱效果。

關鍵詞：電廠循環水；低位熱源；熱泵供熱技術

中圖分類號：TU99 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）22-0090-02

1 電廠循環水為低位熱源的特點

低位熱源的能源品味較低，無法被直接利用，需要依靠熱泵將其轉化為高位能進行利用。目前我國的低位熱源有很多種形式，如空氣源熱泵、地表水源熱泵、地下水源熱泵、土壤源熱泵及太陽能熱泵等，電廠循環水目前也被用作城市供熱的一種低位熱源。綜合比較下，我國目前運用最廣的低位熱源是空氣源，但與空氣源相比，電廠循環水的優勢更加明顯。

空氣源熱泵的優點很多，如前文提到的使用條件易滿足以及節能、環保、維修簡便等。但在寒冷地區，空氣源熱泵就會出現幾種問題：（1）當室外溫度低于建筑熱負荷的平衡點溫度時，熱泵就需要增加輔助熱源以維持供熱，從而增加了能耗。如果將平衡點溫度設計得特別低，熱泵機組的負荷就會過大，導致供熱效率降低。（2）一些室外濕度相對較大的地區，在低溫時會使熱泵換熱器出現結霜，結霜長期積累可造成空氣通道的嚴重堵塞，使傳熱受阻。（3）當室外環境溫度變低時，熱泵的壓縮機壓縮比會增大，使機組排氣溫度升高。當排氣溫度過高時，潤滑油的粘度就降低使得潤滑效果減弱，同時可能引起系統頻繁啟停，影響正常工作。（4）減少蒸發，熱泵對循環水的冷卻功能，可以起到減小冷卻塔的負荷作用。通過運用空氣源熱泵，每年供電廠能夠減少循環水的蒸發損失，約1000萬噸左右，保證了循環水在利用過程中最大化的發揮功效，產生供熱能力。因此，空氣源熱泵能夠起到非常顯著的效益。

與空氣源相比，以電廠循環水為熱源具有更顯著的優點，如：（1）電廠循環水蘊含的熱量更大，能夠在長時間流動的過程中仍舊保持一定溫度，非常適合作為熱源。（2）電廠循環水的溫度和流量相對于空氣源都比較穩定，因為循環水是不斷流動的，所以比較不容易出現結霜的現象。（3）循環水的水質一般都比較清潔，循環水不是再生水，而是將水資源多次利用，具有非常清潔的特性，不會腐蝕換熱器，同時可以減少水污染。（4）電廠水循環的余熱如果合理加以利用，會減少冷卻水蒸發，從而能夠更多的利用水蒸氣進行城市供熱，達到節約資源的目的。（5）電廠循環水作為低位熱源，可以使凝汽器循環水的進水溫度降低，真空程度提高，發電功率增加。

2 電廠循環水作為低位熱源供熱的技術方案

2.1 循環水熱泵供熱技術

電廠循環水溫度用于供熱主要是利用熱泵技術進行供熱。熱泵和蒸汽壓縮式制冷的原理一樣，其理論循環都是以逆卡諾循環的兩個傳熱相區為基礎進行改造，使冷凝器和蒸發器的壓力相等，實現冷凝放熱和汽化吸熱。在冬季，冷凝溫度保持在一定范圍內，想要保持供熱系數就需要對蒸發器控制。在蒸氣壓縮式熱泵中，低位熱源的溫度可以影響蒸汽蒸發的溫度，也直接決定了熱泵的供熱系數。如果冷凝溫度一定，循環水的溫度將會提高5～10℃，熱泵的效率也會隨之提高。在夏季，蒸發溫度保持在一定范圍內，冷凝溫度就控制了熱泵的制冷效果。所以以電廠循環水作為城市供熱的熱源更有經濟性。例如，以某城市為例，在2016年期間，整個供暖季節采暖所用能源比例占整體能源的17%。隨著城市建筑的不斷增多，在未來幾年，城市冬季供暖所消耗的能源將持續增長。如此大的能源消耗所消耗的財政也是非常巨大，以煤炭供暖為例，同年的煤炭價格是一噸400-848元，整個城市供暖所耗費煤炭為2000萬噸，所需要花費的資金為800億-16961億元，而且預計到2020年，冬季建筑采暖需求所消耗的標準煤為2700萬噸，占整個城市的能源消耗總量的23%。目前，該城市的所有電熱廠和熱力工廠的供熱能力都達到極限負荷運載，只用通過改變供暖方式，使用循環水供暖方法，才能滿足建筑采暖需求。

在熱泵循環中，供熱系數是衡量循環性能的重要標準，熱泵的制熱性能系數h=，其中為熱泵吸收周圍環境的熱量，W為熱泵的功率，為熱泵的制熱量。觀察公式可以發現熱泵的制熱系數恒大于1。

具體在利用循環水作為熱源選擇熱泵時，如果用燃氣或燃油作為驅動能源，則采用吸收式熱泵，如果用電作為驅動能源，則采用壓縮式熱泵。吸收式熱泵和壓縮式熱泵的系統制熱分別是耗電量的1.7-2.3和4-7倍。在計算電廠循環水的供熱能力時，循環水帶走的熱量為，為循環水設計流量，和分別是凝汽器循環水出水和進水的水焓值。

2.2 汽輪機低真空運行循環水供熱技術

除了熱泵技術，還可以采用汽輪機低真空運行循環水供熱技術。因為在正常條件下，循環水的溫度一般20-35℃之間，所以這樣低的溫度無法直接應用于工人冬季供熱系統，如果想要用低溫循環水進行供熱，就必須提高循環水的溫度。運用中小型的汽輪機可以做到，主要的工作原理是汽輪機使排汽缸達到真空轉狀態，循環水的溫度能夠進行加熱，可以將循環水的溫度生至到60～80°C，從而達到供熱要求。這項技術已很成熟，能夠實現非常高的資源利用率，在國內外有非常多的成功案例和研究，特別在我國北方城市得到有效的應用推廣。例如，以我國北方某城市為例，某北方城市冬季供暖，供暖設備中有40%熱泵運用電動壓縮式，剩下的60%熱泵則運用吸收式，通過計算循環水熱量可得：在整個冬季，某城市的實現采暖供熱1821萬GJ，循環水供熱約為903萬GJ，電能共消耗28925萬度，蒸汽的消耗占循環水的比重0.35，共計316.05萬噸，通過運用了這種循環水供熱和同等規模的鍋爐房相比較，通過折合成煤炭每噸所產熱量顯示出兩者之間比較，相對于燃煤、燃氣來說，如果循環水余熱的供熱方式完全發揮功效的話，每年大約可以節約30萬噸的煤或者2.5億立方米的天燃氣。同時，考慮循環水余熱的利用情況，一個供暖季節能夠回收利用循環水200萬噸，相當于可以減少循環水蒸發1000-1200萬噸，從而有效降低浪費。

在傳統低真空運行機組中，受蒸汽量影響的用戶熱負荷控制機組發電功率，電與熱無法分開調節，所以一旦用戶的熱負荷出現穩定情況，機組的供電就會收到強烈的影響。另外，因大型機組和一部分中型機組不允許施工人員改造結構，所以只有少數允許被改造的中小型機組才能進行低真空運行。一些大型熱電聯產系統具有中間再熱式汽輪機組，機組的末級出口會因為凝氣壓力而出現蒸汽的溫度高、容積流量小，容易造成機組振動，長時間會影響機組的壽命，設備還產生危害運行的安全隱患。一般非常大型的汽輪機組，在進行循環水冷卻的過程中，水的溫度要求不能超過33℃，而相對的，出口的溫度也要在40℃左右，才能保證機組的運行安全。因此，工作人員在安裝低真空運行機組時，要注意對低真空運行參數的選擇及機組的熱負荷調節。

在城市供熱時，都會追求供熱水溫，如果供熱水溫過高，汽輪機排汽溫度就會過高從而導致機組發電功率降低、凝汽器銅管變形及排氣缸后軸承溫度過高。凝汽管銅管變形嚴重時會產生泄漏，排氣缸后軸承溫度過高會導致機組劇烈振動。在調節熱負荷時，可以采用質調節、量調節、質量并調等方式，調節人員應根據實際機組運行情況選擇合適的調節方式。以質調節為例，在改造機組時要考慮機組的運行與供熱質量，利用加熱器和除鹽水降溫調節熱負荷。

3 結語

綜上所述，低位熱源的形式多種多樣，將電廠循環水作為低位熱源不僅環保，而且供熱效果明顯。由分析可知，電廠循環水作為低位熱源比目前運用最廣泛的空氣源更穩定、清潔，蘊藏熱量更大，供熱人員利用循環水熱泵和汽輪機低真空運行循環水兩種供熱技術充分提高了電廠循環水的供熱系數，使我國電廠能源得到充分利用。相關研究人員應盡快研發相關技術并合理推廣，爭取早日普及以電廠循環水為熱源進行城市供熱。