火力發電廠應用海水熱泵進行區域供熱的分析與設計

焦偉航

（浙江浙能樂清發電有限責任公司，浙江 溫州 325600）

0 引言

隨著國民經濟的飛速發展，我國能源需求日益增大，目前國內能源供應主要是以煤炭為代表的化石能源，然而，大量消費化石能源所造成的能源緊張和環境污染已成為全球性的問題。因此，開發可再生、清潔環保的新能源來逐漸替代傳統能源，降低我國當前能源結構中化石能源的比例，勢在必行。

熱泵技術是當前新興的能源技術，以高效、環保等特點著稱，其主要是通過投入少量高品質能量，從低溫介質中獲得大量的低品質熱能，海水熱泵便是其中一種。海洋中蘊含巨大的能量，是難以枯竭的，海水每日所吸收的太陽能絕大部分以低品質熱能的形式儲存在海水內，而海水熱泵可以挖掘和利用海水中的低品質熱能。我國有1.8萬km的大陸海岸線，沿海區域正是能源消耗的集中區域，海水熱泵對于沿海城市的發展有很大價值。

然而，目前海水熱泵的實際應用有著很多問題和困難，如海水四季溫度變化大，海水取/排水管道布設難度大、投資高，海水清潔度差，提取熱量品質較低難以滿足實際需要等。鑒于以上問題，海水熱泵在全球的應用普及率較低。

中國沿海地區的多座大型現代化火力發電廠普遍以海水作為發電機組的循環冷卻用水，其排水溫度、海水質量、現有管道等均能滿足海水熱泵的要求，因此在沿海火力發電廠應用海水熱泵具有天然優勢和便利條件。

1 熱泵基本原理

熱泵是通過投入少量高品質能，將熱量從低溫物系向加熱對象輸送的裝置。其熱力循環方向與正常的動力循環方向相反，與制冷熱力循環類似。以壓縮式熱泵為例，其基本組成和工作流程如圖1所示。

圖1 壓縮式熱泵原理

熱泵系統主要由壓縮機、熱端換熱器、節流閥、冷端換熱器組成。工作介質（制冷劑R22，CO2等）依次通過各組成部分，首先在冷端換熱器內吸收低溫物系的熱量qL；接著進入壓縮機被壓縮，壓縮機對工質做功wnet；然后工質進入熱端換熱器，將熱量qH傳遞給被加熱對象；然后工質通過節流閥，進行膨脹降壓；最后再次進入冷端換熱器，開始新的循環。

可得熱泵循環的熱平衡方程：

工程上普遍以COP（熱泵工作性能系數）來表征熱泵的效率：

式（2）表明，熱泵效率COP恒大于1，它通過向系統投入少量的高質能wnet，將大量的低質能qL送給被加熱對象。而其他加熱方式，比如電加熱、燃燒加熱，其加熱效率必然小于等于1。由此可見，熱泵比其他加熱方式更高效。

2 海水熱泵的應用

2.1 發展現狀

熱泵根據冷源的不同分為地源熱泵、水源熱泵、空氣源熱泵。海水熱泵是水源熱泵的一種，海洋所儲存的能量巨大，不易枯竭且清潔環保，由于水的熱能密度非常大，所以相較于其他種類的熱泵，海水熱泵具備出力大、效率高的特點，非常適合在沿海地區使用。

目前，世界上海水熱泵的研究與應用主要集中在中歐、北歐各地區，如瑞典、挪威、瑞士、奧地利、丹麥等國家[1]，特別是瑞典，其在利用海水熱泵集中供熱供冷方面已有先進而成熟的經驗。例如，始建于20世紀80年代的，位于瑞典斯德哥爾摩市的海水熱泵集中供熱供冷系統是目前世界上最大的集中供熱供冷系統，其制熱制冷能力為1 000 MW[2]。

海水熱泵的能源替代作用和環境友好特性正得到越來越多的關注，各國都對此十分重視。我國海水熱泵的開發利用起步相對較晚，當前國內的海水熱泵研究已獲得較多的成果，但以海水熱泵為能源核心進行區域供熱的課題仍處于探索和分析階段。目前，國內僅有大連、青島等少數城市進行了海水熱泵區域供熱的小范圍試點工程[3]。

2.2 應用推廣的實際困難和問題

海水熱泵在理論上清潔高效，但在實際工程應用中還存在很多制約其推廣應用的問題。

2.2.1 海水溫度的影響

海水熱泵的效能COP取決于冷端換熱量qL，其對流傳熱方程為：

式中：h為換熱器的換熱系數；th為熱流體（低溫熱源流體，即海水）平均溫度；tc為冷流體（熱泵工質）平均溫度。

從式（3）可以看出，冷端換熱量和換熱器溫差成正比，即海水溫度越高，海水熱泵出力越高，效率越高。

然而海水溫度的季節性變化非常明顯，特別是冬季，海水溫度在10℃以下，如圖2所示。當冷源溫度低于15℃，海水熱泵制熱能力相對較差，同時冬季又是熱負荷較高的季節，所以，若無法提升海水溫度，為滿足熱負荷需要，就必須在初期建設時增大熱泵機組容量，并且在冬季較多地投入高質能。如此便增大了初期投資成本和運行成本，海水熱泵的經濟性變差，很難起到能源替代的作用[4]。

圖2 2017年度東南沿海某市海水原水和機組排水的溫度變化

2.2.2 投資及施工難度的影響

取/排水口的選址必須要考慮海水高低潮位的影響。以華東某沿海城市為例，如圖3所示，每日高低潮位最大差值達6 m，要求取水口必須低位布置，在低潮位時不得露出水面，否則無法取水。另外應詳細考察取水口布置地點的水文資料，避免取水口設置在易吸入泥沙的位置。此外，取/排水口的設置必須考慮到當地的生態環境、濱海養殖業、船舶通行停靠等因素[5]。

由于取水位置較低，相應的管道應布置在地下較深位置。設計施工時應充分考慮地質沉降對取/排水管道的影響。管道容量應考慮到未來熱泵機組擴建的情況。為防止腐蝕，管道內部應襯膠，并加裝陰極保護裝置。取水用的水泵，應選用耐腐蝕型的水泵。

可見，建設海水熱泵機組應配套的管道和取排水口，所涉及的影響因素較多，其工程難度大、初期投資高。

2.2.3 海洋生物的影響

圖3 2018年5月15日東南沿海某市海水潮位變化

取水口在吸入海水的過程中，會同時吸入大量海洋生物，如貝殼、藻類等。這些生物會附著在管道、取水泵葉輪、冷端換熱器等處，并在其內繁殖，這會導致管道通流面積降低，換熱器換熱效果變差，取水泵卡死，金屬構件腐蝕，管道泄漏等問題[6]。

因此，海水熱泵必須配套加裝滅殺海洋生物的裝置，從而進一步增加了成本。

2.2.4 海洋垃圾的影響

目前，海洋還存在比較嚴重的污染，特別是近海海洋垃圾較多，如塑料瓶、動物尸體等。如果此類垃圾被吸入并堆積在管道或熱泵某處，將對整個海水熱泵機組的運行產生較大影響。

2.3 發電廠應用海水熱泵的優勢

以我國東南沿海某發電企業為例，分析火力發電廠應用海水熱泵的優勢和條件。

2.3.1 設備概況

該發電廠配置一期2臺超臨界燃煤發電機組，二期2臺超超臨界燃煤發電機組。全廠4臺機組循環冷卻水系統采用擴大單元制直流供水系統，用于發電熱力循環的冷端冷卻，水源取自海水，經凝汽器、閉冷器、真空泵冷卻器后排至大海。系統構成為一機二泵一管一溝制，其工藝流程為：取水口-引水隧道-進水前池-檢修鋼閘門-攔污柵-旋轉濾網-循環水泵-出口液控蝶閥-循環水進水管-二次濾網-凝汽器循環水排水管-虹吸井-循環水排水箱式涵管-排水連接井-排水隧道-排水口。

一、二期機組共布置8臺循環水泵，用于提供海水循環的動力，其參數見表1。每臺循泵配有1臺具有沖洗功能的旋轉濾網。一、二期機組共布置4套60 kg/h和2套4 kg/h次氯酸鈉電解發生器，用于殺滅吸入循環水系統的海洋生物。

2.3.2 發電廠應用熱泵的優勢

（1）海水排出溫度較高

海水在發電機組中的主要用途是作為發電熱力循環的冷源。大量海水通入各機組凝汽器，帶走汽輪機排氣凝結所釋放出的汽化潛熱，使蒸汽充分凝結建立真空。在海水通過凝汽器后，溫度有較大幅度的上升。全年各月份海水原水和排水溫度變化對比如圖2所示。

海水原水溫度隨季節變化明顯，在夏季溫度略高，但在冬季溫度較低僅有10℃左右。然而海水經過凝汽器獲得熱量后，其溫度明顯高于海水原水溫度，即使在冬季也能保持在20℃以上，其溫度在夏季甚至能達到40℃。

由此可見，海水熱泵如果使用火力發電機組的海水排水作為冷源，其冷端換熱量將明顯大于直接取用海水原水作為低溫熱源的海水熱泵，即利用機組排水將使海水熱泵的效能大幅度提升，其經濟性將顯著優于使用原水的海水熱泵。

（2）取水管道和設備可直接使用，可大幅減少建設成本

以該發電廠為例，夏季工況運行方式為一期4臺循環水泵運行，二期3臺循環水泵運行；冬季工況為一期2臺循環水泵運行，二期2臺循環水泵運行。計算可得該發電廠夏季循環水總量為261 024 m3/h，冬季循環水總量為185 112 m3/h，能夠充分滿足多臺大型熱泵的需要。

另外，在發電廠設計建設海水管道時，就已考慮到取/排水口位置對周圍生態環境、船舶通行、養殖業的影響，同時，地質沉降、海水腐蝕等問題也有相應的解決措施。

在發電廠內大規模應用熱泵可利用其已有的海水取/排水管道和設備，能夠充分滿足海水熱泵的相關技術要求，不必另行設計、施工取/排水口和管道，從而能夠大幅度降低建設成本，提升海水熱泵應用的經濟性。

（3）可有效避免海洋生物及垃圾進入熱泵

該發電廠循環水系統配有4套60 kg/h和2套4 kg/h次氯酸鈉電解發生器，以海水為原料，電解制取次氯酸鈉，并在取水前池連續投放，定期進行沖擊投放，可有效殺滅吸入的海洋生物。

每臺循環水泵入口設有旋轉濾網，可過濾掉大部分海洋垃圾。旋轉濾網定期進行反沖洗工作，保證濾網的過濾效果。少數未被過濾掉的垃圾隨海水進入凝汽器，凝汽器循環管路由密集的細鈦管列組成，絕大多數垃圾無法通過鈦管，而在凝汽器進水室內沉積下來，在凝汽器定期清洗工作時被清除。

經過加藥滅活、濾網過濾、凝汽器鈦管后，凝汽器循環水的出水已經是相對清潔的海水，已去除大部分海洋生物和垃圾，此時作為熱泵的冷源水即可避免海洋生物和垃圾引起的各類問題。

（4）能源投入的優勢

海水熱泵的運行本身需要投入一部分高質能，主要是壓縮機的能耗，發電廠在這方面具有天然優勢，壓縮機的用電耗能可直接計入廠用電，這比在電網取用電能要經濟很多，甚至可以引用全廠輔汽沖動小汽輪機作為壓縮機的動力，這將有更高的經濟性。

表1 循環水泵技術參數

2.3.3 應用海水熱泵對發電廠自身的益處

（1）對于凝汽式發電機組，其綜合效率一般在35%～45%，主要能量損失為凝汽器冷源損失，大量低質量熱量被循環水帶走，轉換為循環水的熱能，并最終排放掉。如果以這種攜帶有大量低質熱能的海水作為海水熱泵的冷源水，可在一定程度上回收發電熱力循環的冷源損失能量，從而提升全廠的經濟效益。

（2）目前我國正大力發展清潔新能源以逐步替代傳統的化石能源，光伏、風電、核電、地熱、潮汐等能源的開發都有了長足進步，政府對新能源項目提供高額的補貼和政策優惠。海水熱泵的應用是對海洋能資源的開發，屬于新能源的范疇，發電廠發展應用海水熱泵無論對社會還是企業自身都是有益處的。

（3）化石燃料短缺，國內、國際煤價日益升高，發電企業的運營受到空前壓力，眾多火力發電企業面臨低利潤甚至虧損的窘境。企業要突破困境和發展，就必須轉型升級、多維發展。應用海水熱泵，擴展區域供熱業務，是轉型的道路之一。況且，發電廠應用海水熱泵本身具有極高的優勢，其更加高效，成本更低。

3 發電廠應用海水熱泵的總體設計

3.1 供熱需求分析

當前，我國建筑能耗占全國能源消費總量20%左右[7]，2015年中國建筑能源消費總量達到8.57億噸標準煤。隨著經濟的發展和國家城市化進程的推進，這個數值將不斷增大。我國沿海區域是經濟發展相對集中區域，發達城市數量多、規模大，因此，沿海區域也是建筑能耗消費的集中區域。建筑能耗主要是建筑物的空調制熱和制冷的供熱需求量巨大。另一方面，由于沿海區域有著交通運輸便利、經濟發展程度高等優勢，大量工業區建設在沿海區域，有著巨大的工業用熱需求。這些都為沿海地區使用海水熱泵供熱提供了先決條件。

以該發電廠為例，其距離所在地級市的市區40 km，距離所在縣級市的市區20 km，而且在20 km半徑范圍內包含臨港工業區和大量電器、電子企業，有極大的供熱需求量。

3.2 熱泵選型分析

目前工業上大型熱泵主要有以溴化鋰熱泵為代表的吸收式熱泵和以CO2（二氧化碳）熱泵為代表的壓縮式熱泵，這2類熱泵各有優缺點。現根據其各自特點和供熱實際需求進行分析。

3.2.1 溴化鋰吸收式熱泵

溴化鋰熱泵是典型的吸收式熱泵，以高溫蒸汽為動力，溴化鋰濃溶液為吸收劑，水作為工質，利用水在低壓真空狀態下低沸點的特性，吸收低溫熱源的熱量，通過溴化鋰濃溶液回收熱量并制取熱水。溴化鋰吸收式熱泵機組一般是由取熱器、濃縮器、一次加熱器、二次加熱器及高低溫熱交換器所組成。運行原理如圖4所示[8]。

圖4 溴化鋰壓縮式熱泵原理

3.2.2 CO2壓縮式熱泵

CO2熱泵是典型的壓縮式熱泵，其基本原理是以CO2為循環工質，低溫氣態CO2在壓縮機內被壓縮，其溫度和壓力升高，轉換成超臨界CO2流體，然后進入冷卻器放熱，將熱量傳遞給水。再經節流閥降壓，變成低溫低壓液態CO2，并進入蒸發器。在蒸發器內，液態低壓CO2吸收低溫熱源的熱量并蒸發形成氣態CO2，然后再次進入壓縮機被壓縮[9]。通過上述循環，將低溫熱源的熱量傳遞至高溫水。其熱力循環如圖5所示，設備組成如圖6所示。

3.2.3 2類熱泵特性對比分析

2類熱泵的實際情況對比如表2所示，現就能耗效率、出水溫度、運行成本3個方面進行對比分析。

（1）能耗對比

圖5 CO2熱力循環壓力-熱量圖

圖6 CO2熱泵結構

實際運行中，使用CO2壓縮式和溴化鋰吸收式熱泵均需要投入一定的能量。溴化鋰吸收式熱泵需要投入一定量的高溫蒸汽用于吸收劑的濃縮。CO2壓縮式熱泵需要投入一定量的能量用于提供壓縮機的動力，通常使用電機或小型蒸汽輪機，在發電廠中，使用蒸汽驅動壓縮機更具經濟性。效率方面，溴化鋰吸收式熱泵COP＜1.8，而CO2跨臨界熱泵COP＞4.5，這是由于在熱力循環原理上，壓縮式熱泵效率優于吸收式熱泵。另一方面，CO2的臨界溫度只有31℃，容易實現跨臨界[11]。同時CO2有較高的單位容積制冷量；較低的壓縮比；傳熱性和流動性能也較好，這使得CO2跨臨界壓縮式熱泵優于其他工質的壓縮式熱泵。

（2）出水溫度的比較

根據其工作原理，溴化鋰吸收式熱泵出水溫度最高80℃。但實際應用中，由于低溫熱源溫度不穩定等原因，如海水溫度的季節性變化等，溴化鋰熱泵的實際出水溫度一般在60～70℃，而且在冬季工況，溴化鋰熱泵效率將大幅降低。

CO2跨臨界壓縮式熱泵，極限供水溫度能達到105℃以上，在一般情況下也能維持在90℃以上。完全可以達到城市和工業供熱的需要，比較適合用于海水熱泵供熱。

（3）成本的對比

溴化鋰吸收式熱泵運行時需嚴格控制溴化鋰溶液的濃度，如果溴化鋰結晶，將導致熱泵的性能下降甚至無法正常運行。同時，必須嚴格防止溴化鋰系統內漏入空氣，否則溴化鋰溶液將嚴重腐蝕熱泵內的金屬。運行中需要向溴化鋰溶液添加緩釋劑，用于延緩溴化鋰結晶和對金屬的腐蝕。另外溴化鋰的價格相對較高，設備造價高。綜上，溴化鋰吸收式熱泵的綜合成本相對較高。

CO2性質穩定，不會腐蝕管道，且運行壓力高于大氣壓，不存在空氣漏入、污染工質的可能性，運行中只需定期補充CO2即可，其價格也相對便宜。因此，CO2熱泵的成本更低，運行壽命更長[12]。

綜上所述，CO2跨臨界壓縮式熱泵因其高效、高出水溫度、低成本的特點，更適合在應于發電廠海水熱泵供熱的工程中。

3.3 總體設計

以該發電廠為例，在排水連接井處建立由數臺大型CO2跨臨界壓縮式海水熱泵組成的熱泵站，總體流程如圖7所示，直接利用該發電廠已有海水取水系統的設備和管道，在排水連接井處取熱海水（夏季40℃、冬季20℃）作為熱泵的低溫熱源。在熱泵提取熱量后，將海水排回至排水連接井，排入大海。

表2 溴化鋰吸收式和CO2熱泵機組特性比較[8]

圖7 火力發電廠應用CO2跨臨界海水熱泵供熱總體流程

熱泵系統由壓縮機、冷卻器、節流減壓裝置、蒸發器，以及回熱裝置、氣液分離器等附屬設備組成。熱泵循環所需要的壓縮機采用蒸汽動力。從該廠的全廠輔汽母管（壓力0.8 MPa）引出1路用于驅動小型汽輪機，以拖動熱泵壓縮機。

以城市自來水或該發電廠海水淡化出水為補水，進入熱泵內加熱至90～110℃，一方面可向發電機組提供高溫補充水，另一方面向周邊城市、工業區、企業供熱。供熱后回水沿管路回至熱泵站，并再次加熱用于供熱。

4 海水熱泵的應用前景

4.1 調整能源結構

2015年，全國建筑能源消費總量為8.57億噸標準煤，占全國能源消費總量的19.93%[13]。建筑物能耗是國家能耗的重要組成部分，是節能減排的重要研究方向，而建筑物能耗主要由制冷和制熱組成。海水熱泵的效率非常高，利用海水熱泵為建筑制熱提供所需的能量，可以取代鍋爐蒸汽制熱、空調制熱、電制熱等制熱方式。另外，海水熱泵提供的熱水也可廣泛應用于紡織、印染、化工等領域。要節能減排必須持續提高清潔能源比例[14]，海水熱泵供熱作為一種清潔能源，對化石燃料和電力有一定的替代作用，這對于國家減少化石燃料的使用具有重要意義，可以有效地改善國內能源結構。

4.2 降低污染物及碳排放，抑制熱污染

對化石燃料和電能的替代作用同時也可以有效降低燃燒和發電產生的污染物和碳排放。另外，在火力發電廠應用海水熱泵還可降低冷卻水排水溫度，抑制局部熱污染。

4.3 充分發揮優勢，效率高

如上文所述，火力發電廠因其獨特的排水溫度優勢和建設基礎優勢，非常適合應用海水熱泵。相較于直接在沿海地區應用海水熱泵，火力發電廠應用海水熱泵具有效率更高、投資更低的特點。

4.4 可推廣范圍大

我國有1.8萬km的海岸線，沿海區域正是我國經濟發展的集中區域同時也是能源消耗的集中區域[15]，我國沿海建設有數十座大型火力發電廠，在此應用大型海水熱泵，對沿海城市供熱具有非常大的推廣空間。

5 結語

海水熱泵通過少量的高品位能量換取海水中的大量低品位能量，具有很高的應用價值。海水熱泵的應用可以補充甚至替代我國當前的部分化石能源，改善國家能源結構。在現代大型火力發電廠應用海水熱泵具有多方面的優勢。CO2跨臨界熱泵具有高效、高出水溫度、低成本的特點。在現代大型火力發電廠，建立大型CO2海水熱泵站提取發電機組循環海水回水的熱能用于城市、工業區、企業的供熱，具有極高的經濟價值和環保價值，值得發展和推廣。