分布式能源電站低溫余熱利用技術研究進展

李金芳，葉琪超，應光耀，樓可煒，孫五一，劉 虎

（1.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

低溫余熱是分布式能源電站在運行中產生的不可避免的低品位熱能資源，其溫度較低，回收利用的難度較大，但是數量眾多，熱能綜合利用潛力較大，應提升技術手段有效利用，以提高全廠的熱效率，增大經濟效益。

按余熱的載熱體形態可將余熱資源分為3類：氣態載體、固態載體、液態載體[1]。分布式能源電站以天然氣為燃料，因此不存在固態載體余熱資源，其排放的煙氣廢熱（經溴化鋰機組吸收后）等屬于氣態載體余熱資源，內燃機缸套水余熱等屬于液態載體余熱資源。其中煙氣廢熱的溫度有100 ℃以上，缸套水余熱溫度90 ℃以上，中冷水余熱溫度45 ℃以上，仍有較大的利用空間。

低溫余熱有2 種利用形式：同級利用和升級利用。同級利用是根據低溫余熱的溫位，選擇低溫利用需求的用戶直接換熱利用，代替高、中品味熱源，使用過程中可以避免高、中位熱源與使用溫度間的高溫差，避免高品位熱源低效率利用，達到節能降耗的目的，實現低品位能量的最優配置。升級利用是將低溫余熱通過某種技術手段轉化為高品位熱能或其他形式的高品位能量，再輸送給高能級用戶或加以儲存，從而實現低位熱能的回收再利用。

1 低溫余熱的同級利用

同級利用即將低溫余熱向能級相近但需要熱量的物體供熱，為減小在傳輸過程中散熱，首先考慮能源站內部的用熱需求。在冬季工況下，能源站中的生活熱水、生活供暖或取代加熱天然氣的余熱鍋爐等所需熱源溫度在30～40 ℃，可實現低溫廢熱的同級利用。但是受管線布置、季節氣候等條件影響，能源利用具有較大的間斷性，在夏季不具有上述用熱需求，不能連續用熱。

在不考慮地理位置的前提下，低溫余熱的同級利用方式還包括低溫余熱驅動海水淡化技術。海水淡化技術需要大量低品位熱源，通常購買大量高溫蒸汽后再降低能級進行使用，而低溫余熱驅動海水淡化技術的發展可同時解決余熱利用和降低成本2 個問題，因此具有廣闊的研究背景。Gude 等人[2]介紹了一套0.25 kg/h 的海水淡化裝置，可以利用溫度為50 ℃的低品位熱源驅動海水淡化作業。Shahzad 等人[3]研究發現，使用壓力和溫度較低廢蒸汽的低溫海水淡化系統是可行的，降低了生產成本和腐蝕特性，減少裝置結垢。水平管降膜淡化方法可有效利用低溫低壓的氣態載體余熱，低溫多效蒸餾海水淡化技術的余熱回收溫度為95～100 ℃[4]。齊春華等人[5]優化了低溫余熱驅動海水淡化系統的流程，分析了3 種不同流程的海水淡化系統，低溫余熱驅動海水淡化系統的造水比雖然低于傳統蒸餾淡化系統47%，但是能有效利用低溫余熱，其技術有待進一步改進。低溫余熱在海水淡化方面可實現同級利用，提高一次能源利用率，但是受地理位置的限制且技術還不完全成熟，轉化率仍低于傳統的海水淡化技術。在燃煤電廠中還有低低溫電除塵煙氣處理技術，能利用90 ℃左右煙氣的余熱，在此不展開說明。

同級利用是低溫余熱利用的首要考慮方式，其結構簡單，經濟性高，可直接實現廢熱的層級利用。該廢熱若在廠內回收使用可降低生活用熱支出，若將余熱出售給附近用熱企業則能產生經濟收益。

2 低溫余熱的升級利用

在升級利用應用途徑上，低溫余熱有多種轉化形式，可通過熱泵和制冷設備轉化成高品位熱能或冷能，通過熱聲設備轉化為聲能，通過余熱發電設備轉化為電能，熱力管網綜合利用等。余熱升級利用方法是一種能級提升利用手段，增加了余熱利用的現實途徑，提高余熱利用效率，是今后余熱利用方面的主要研究發展方向。

2.1 熱能-熱能/冷能

低溫余熱主要通過熱泵、熱管、變熱器等設備轉化為高品位熱能，通過電制冷機、吸收式制冷機等設備轉化為高品位冷能。

2.1.1 熱泵

熱泵按其工作原理主要可分為吸收式熱泵、蒸汽壓縮式熱泵和化學式熱泵[6]，其中，蒸汽壓縮式熱泵主要有機械壓縮式熱泵和蒸汽噴射式熱泵2 種類型。MVR（機械蒸汽再壓縮）熱泵在蒸汽壓縮式熱泵的基礎上進行結構優化，采用雙級壓縮機制，能有效提高熱泵效率[7]。為進一步提高熱泵效率和壓縮機壽命，在提升各部件技術手段的同時，可將無油式壓縮與蒸汽壓縮機有機結合[8]。吸收式熱泵是利用工質和吸收劑的特性進行吸收循環實現熱能升級的一類裝置，它采用熱能（蒸汽和熱水）直接驅動，普遍以水為工質，而其吸收劑多為溴化鋰溶液，特點為：能有效回收煙氣的顯熱和潛熱，以熱能為動力，減少機械做功設備，節約電耗，提高一次能源利用率[9]。麋華等[10]發明了一種蒸汽雙效溴化鋰吸收式制冷機組，可以使機組效率提高10%以上，有效降低了高溫再生器負荷。Kalina[11]提出了以氨水溶液為工質的一系列吸收式熱泵概念，在熱源溫度和形態相同的情況下，Kalina 吸收式熱泵的熱效率能比以水為工質的傳統吸收式熱泵提高32%[12]。陳昕等[13]提出的以氨水為工質的三級壓力動力循環系統能夠進一步提高吸收式熱泵的效率，當余熱利用溫度在130～190 ℃時，可回收熱量約為21.6%，提高了低溫廢熱利用的可能性。孫健等[14]通過研究吸收式熱泵的表面活性劑、強化管、吸收機制等新技術來提升熱泵的熱效率，拓寬熱泵的低溫熱源利用范圍。壓縮式熱泵制熱溫升難以高于100 ℃，吸收式熱泵制熱溫度高，但是熱效率相對較低，將兩者結合提出吸收-壓縮復合熱泵。吸收-壓縮復合熱泵發展至今，主要有單級復合熱泵、雙級復合熱泵、復疊復合熱泵這3 種形式，其中單級吸收-壓縮復合熱泵COP（能效比）較高，雙級吸收-壓縮復合熱泵制熱溫升較單級吸收-壓縮復合熱泵大大提高，但是壓縮比較大，其COP 大致在1.8～3.4[15]。Tarique，Bourouis，Satapathy 等人[16-19]先后研究了NH3-NaSCN，三元工質TFE-H2OTEGDME，R22-DMETEG，R22-E181 和R134a-E181 為工質時吸收-壓縮復合熱泵的熱力學性能，發現與傳統碳氫化合物和氨水工質相比，使用這些工質可在溫升提高時相對提高COP，使用TFE-H2O-TEGDME 可使系統COP 達6.4，提高熱效率。

熱泵技術是目前發展最為成熟、使用最為廣泛的余熱升級利用技術。隨著結構的不斷創新與改進，工質的不斷研發，其可用的熱源溫度不斷降低，拓寬了低溫余熱的利用范圍。其缺陷是熱源溫度越低時，熱泵的熱效率越低，且研發的高效能新工質目前還無法批量生產，僅限于試驗使用。因此還需改進技術，提高工質制備水平或研發可大批量生產的新工質，進一步提高熱泵的熱效率。

低溫余熱制冷技術與熱泵技術原理相同，只是工質作用流程相反，在不同季節時可互相轉換，在技術發展上相輔相成，因此不再對制冷技術一一贅述。

2.1.2 熱管

熱管是由特定材質的真空密封管內灌充導熱介質形成，其真空度因介質不同而不同，管內工質在加熱段汽化吸熱，然后攜帶熱量到冷端進行放熱，從而完成熱量的傳遞[20]。因此選取潛熱較大、蒸發溫度較低的工質和導熱效果良好的管壁材料是熱管的關鍵技術問題。熱管技術應用形式主要有：熱管余熱鍋爐、高溫熱管蒸汽發生器、熱管氣-氣換熱器和高溫熱管熱風爐等[21]。目前熱管主要有平板熱管、環路熱管和熱柱這3 種結構，為增大傳統熱管的換熱面積，首先將熱管壓扁從而形成平板熱管，此后為解決熱管長度問題，將平板熱管改進為環路熱管，其后為了提高熱管的傳熱量并降低成本，縮小管徑與長度的比例，即形成熱柱，完成了傳統熱管的結構優化[22]。Smirnov 等人[23]提出了一種吸收-擴散式制冷的熱管，該熱管以水-氨水溶液為制冷劑，可以獲得-15℃的冷源，蒸發段溫度可低至-22℃。該熱管結構簡單，運行平穩且換熱效率有所提高。Meena等人[24]研究發現帶單向止回閥的回路脈動熱管可有效回收低溫余熱，其熱源溫度為50～70 ℃。Rittidech 等人[25]研究了封閉式振蕩熱管的結構尺寸及工質選取對其傳熱性能的影響，當工質為R123時，熱通量與內徑成正比，工質為乙醇時成反比；而蒸發器的長度與熱通量成反比。

熱管的熱效率較高，且適用于溫度較低的余熱，但是其容量小，目前在微電子散熱領域應用較多，在體量較大的低溫余熱利用系統中使用難度較大，系統管線較多，相容性差，還需進一步改善。

2.1.3 變熱器

變熱器又可稱為第二類AHT（吸收式熱泵），是一種可以有效回收低品位余熱的設備，可將低品位余熱（如60～100 ℃廢熱水）提升為中品位熱量，理論溫升可達120 ℃，其工作流程如圖1 所示。該設備在把低品位余熱提升為中品位可用熱能的過程中只消耗少量泵功，設備可靠性高，壽命長。由于單級吸收變熱器的能力較小，溫升有限，因此提出多級吸收變熱器。

圖1 吸收式變熱器工作流程

尹娟等人[26]以H2O/LiBr，TFE/NMP，TFE/E181和TFE/PYR 為工質對，對單級吸收式變熱器進行了熱力學分析，結果表明H2O/LiBr 適用于低溫熱回收，TFE/NMP，TFE/E181 和TFE/PYR 適用于高溫熱回收。其后，尹娟等人[27]分析了3 種二次提升型吸收式變熱器（第一級吸收器加熱第二級蒸發器A1-E2、第一級吸收器加熱第二級發生器A1-G2、第一級吸收器加熱第二級蒸發器和發生器A1-E2+G2）的熱力性能，流程如圖2 所示，發現A1-E2 模式的熱效率最高，二次提升型吸收式變熱器比單級吸收式變熱器有更高的溫度提升，運行范圍擴大，但系統性能有所下降。

圖2 二次提升型吸收式變熱器工作流程

尹娟等[28]還以H2O/LiBr 和TFE/NMP 為工質對，分析了雙效吸收式變熱器的熱力性能，流程如圖3 所示，結果表明雙效吸收式變熱器可達到和兩級吸收式變熱器同樣高的溫度提升，但運行范圍較窄。

王輝濤等人[29]對吸收式變熱器的各個影響因素進行分析，變熱器可在70～80 ℃的熱源下工作，在此低溫熱源下工作時冷源溫度對效率的影響最大，溫升受工質限制，提高溫升的關鍵在于選擇合適的工質對。史琳等[30]在雙效變熱器的基礎上提出一種新型的噴射式-吸收變熱器，如圖4 所示，使變熱器結構更加簡單，提高了變熱器的輸出溫度和熱效率。

圖3 雙效吸收式變熱器工作流程

圖4 噴射式-吸收變熱器工作流程

變熱器的工作流程與吸收式熱泵略有不同，其余熱利用范圍比熱泵廣，但是熱效率卻遠低于熱泵。變熱器作為低溫余熱利用的現實途徑之一還應繼續優化流程，選取合適的工質才能得到廣泛應用。

2.2 熱能-電能

純低溫余熱發電裝置多采用朗肯循環，如水蒸氣擴容循環、有機物朗肯循環、氨吸收式動力制冷復合循環、Kalina 循環[31]等，其裝置主要有單級蒸發、多級蒸發、蒸發擴充等基礎類型。低溫余熱發電裝置可提升一次能源利用率至80%以上，在分布式能源電站中可增加20%的發電量[20]。徐曉村[32]分析了純低溫余熱發電的特點、工作流程和余熱的利用限度，從而可根據余熱量來配置相應大小的設備。

設備結構改進和系統優化升級是低溫余熱發電的主要研究方向。Nguyen 等人[33-34]提出熱管和透平結合的熱虹吸管式發電裝置，即用熱管代替傳統電廠的鍋爐完成余熱的吸收與釋放，使被加熱工質推動透平發電，其可回收利用30%～50%余熱量，但是機組發電效率不高，需改進結構提高設備的發電效率。陳彥澤等人[21]以TSR 技術為基礎設計了一種熱管Rankine 引擎實驗原型機，有效增強傳熱效果，增大機械能轉換效率，但仍需進一步研究熱管內部流動和傳熱的機理。Zabek等人[35]提出一個將振蕩熱管與熱力發電機相結合的發電設備-熱電振蕩熱管，可在55 ℃的熱源溫度下運行，體積小，裝機容量適應性較廣。Goswami等人[36]提出一種新型氨吸收式動力制冷復合循環系統，該系統在Kalina 循環的基礎上復合了朗肯循環和吸收式制冷循環，能同時制冷和發電，可有效提高效率，但是系統過于復雜，需要進一步優化研究。夏侯國偉等[37]對新型氨吸收式動力制冷復合循環系統進行了改進，將氮氣Brayton 循環、氨水混合物Rankine 循環和天然氣直接膨脹這3 個系統有效聯合，能同時回收低溫余熱和LNG 冷量，提高了系統的 效率和熱效率。

使用新的工質也是低溫余熱利用發電技術的發展方向之一。有機朗肯循環以低沸點的有機物為工質來吸收廢氣余熱，可比常規朗肯循環對接溫度更低的熱源。顧偉等[38]根據溫度低于100 ℃的低溫熱源，研究了分別采用R21，R123 和R245fa 工質時系統的性能，結果表明R245fa 是較理想的循環工質，可以有效提高發電設備的性能。Brondum 等人[39]研究了R717，R744，R718 等工質的適用結構和蒸發特性，其皆能有效簡化系統，提高效率，但是還無法大量制取，不能廣泛投入使用。除了使用新工質外，采用混合工質逐漸成為提高發電效率的手段。Demuth 等[40]采用2種不同的碳氫化合物混合工質研究了循環裝置在熱源溫度為137～182 ℃的效率特性，與使用純工質丙醇對比，結果表明混合工質的循環性能明顯優于純工質。Angelino 等人[41]采用有機硅油與多種碳氫化合物組成的混合工質進行試驗，得出混合工質的配比決定了循環性能優劣的結論，因此使用混合工質時必須進行配比優化。

低溫余熱發電也是目前技術較為成熟、適應性較廣的低溫余熱利用技術之一，且與分布式能源電站較為匹配，可在以熱（冷）定電的模式下，增加電廠的發電量，提高一次能源利用率，提高收益。但是要注意在配置發電容量時應考慮余熱體量的波動情況，提高適應性。

2.3 熱能-聲能

熱能在一定條件下轉化為聲能的現象即為熱聲效應，按能量轉換方向的不同，熱聲效應可以分為2 類：熱驅動的聲振蕩和聲驅動的熱量傳輸。早在20 世紀，Sondhauss，Rijke，Rayleigh 等人[42-44]就已經發現并開始研究熱聲裝置，對熱聲效應給出了定性解釋并進行了熱力學分析。汪雙鳳等人[45]通過實驗揭示了熱聲自激振動與熱聲強制振動現象發生的條件與機理，熱聲裝置的最低起振溫度約為60 ℃，可有效進行低溫余熱的利用，且強制振動比自激振動有更低的起振溫度。Kees 等人[46]提出一種熱源溫度為70℃左右的新聲學幾何結構，減小了聲損耗，可在2 個以上的再生器單元中保持高阻抗，提高了諧振電路中存儲的有用功率和聲功率之比，有效優化熱聲系統的整體性能。

熱聲裝置可有效地在熱能與聲能間進行能量轉換，余熱利用溫度低，但是其效率不高，且尚未實現廣泛使用。但熱聲裝置可作為余熱利用的新方式進行深入研究，為低溫余熱利用提供更多實現途徑。

3 熱力管網綜合利用

低溫余熱除了直接連接到各個設備進行使用外，還可以接入到多級能效的低溫余熱區域DH（供暖）系統，進行熱量的統一管理、余熱資源整合和利用。在DH 系統中利用換熱器，熱泵等設備，將某個區域內穩定的廢熱傳輸到用戶側，用戶側可以是居民區、工業用熱廠區等。在DH 系統優化上，Guo 等人[47]提出多級聯合式余熱收集工藝，如圖5 所示，在梯級余熱收集過程中，水首先冷卻低溫余熱源，然后冷卻高溫余熱源，類似于“逆流”換熱過程，可有效提高余熱利用效率。Svensson 等人[48]提出DH 系統用戶側和熱源側的距離應根據不同城市具體情況而定，基本上小城鎮為5～10 km，大城市為20～30 km。Bojic 等人[49]使用閥調節和重整熱站的方法來優化區域供暖系統的熱流分布和熱流密度，以熱源液位管網和區域供熱系統的3 個最終用戶為例，分析說明該法確實能有效提高系統的穩定性及供熱的舒適度。Gamberi 等人[50]提出一種使用三通閥和旁通管來實現液壓解耦的分布式動態低溫余熱集中供熱系統。根據Nwetcm-Paphson 方法用于求解熱力學和液壓系統的耦合方程，分析可得系統的熱力特性和水力特性都有所提高，增大了系統的熱效率。

圖5 多級用戶DH 系統供熱示意

4 結語

低溫余熱利用目前存在多種技術手段及利用方式，除了就近的低溫余熱同級利用外，應用最廣泛的是低溫余熱熱泵/制冷技術和低溫余熱發電技術。熱泵設備和低溫余熱發電設備的技術較為成熟，主要研究方向為設備的創新及優化改造和工質的選取。熱管技術的熱效率最高，但是相容性較差，需要進一步研究。變熱器和熱聲裝置能有效利用余熱，但是效率不高，仍需進一步優化。DH 系統可將各個不同性能的設備進行結合，將不同能級的熱量分配給不同需求的用戶，是未來的主要發展方向，在保證效率的前提下其主要的研究要點是熱力輸配送的損耗和裝置串并聯的科學組合。