回收循環水余熱的熱泵供熱系統熱力性能分析

張曉華

（山西省城鄉規劃設計研究院，山西太原 030001）

0 前言

當前時期，全球天然氣、石油、煤炭的儲量在不斷減少，能源問題是每個國家都應該關注和解決的問題，人們越來越重視能源的梯級利用、余熱回收。如今，我國北方城鎮集中供熱面積不斷增加，導致城市供熱熱源十分緊張，鑒于此，對供熱機組的供熱性能有了更高的標準與要求。

1 我國熱泵供熱系統應用

1.1 調節抽氣式供熱機組

當前時期，我國各地使用的集中供熱機組即為可調抽氣式的供熱機組，然而其并非完美，依舊存在一系列問題，如，汽輪機直接用于加熱熱網回水，熱網回水溫度通常約55℃，加熱后可達130℃左右，若熱網溫差太大，將嚴重損壞熱網，且抽汽中的熱能得不到有效使用。且汽輪機排汽中余熱會同循環水一并流失，并在空氣中進行消散，進而導致循環水余熱未被良好的進行著應用，最終出現大量的浪費。

1.2 吸收式熱泵

吸收式熱泵優點是可對低品熱能有效利用，并能再次回收地熱能和太陽能燈廢熱，減少環境污染。其熱源來源于電站的循環水，通過吸收式熱泵進一步優化其功能，最終可以為用戶提供熱量。在這個過程中，不但能回收利用循環水余熱，也使供熱系統供熱性提升，有效解決了供熱不足造成的供需矛盾。而且進入熱網的水的基準溫度很高，使溫差減小，也減少了對熱網的破壞，從而更好地利用抽汽。最關鍵的缺陷是氣密性高。在應用中，一旦空氣進入外界，會對整個機組的性能帶來非常大的不利影響，并且摒除了因其用水作為制冷劑，所以，僅選擇超過5℃的冷媒水進行使用。此外，因為溴化鋰有非常高的價格，所以，第一次使用時會投入很多的資金。

與此同時，目前，隨著吸收式熱泵的廣泛應用，國內外專家學者也十分關注這方面，國外學者Christian keil 深入研究了低溫集中供熱中的吸收式熱泵，在吸收式熱泵和吸收式換熱器的基礎上，國內學者李巖等人重新設計了一類新型集中熱能法，從而使海水淡化余熱回收及低品位余熱回收中對熱泵應用的可能性增加。

2 熱電廠余熱回收技術類別

2.1 吸收式熱泵技術

2.1.1 開式循環運行方式

熱電廠熱泵及循環水系統中使用開式循環運行方式，循環水通常可分兩部分，一部分為確保電廠正常循環的循環水將流入冷卻塔，另一部分循環水流入熱泵機組實現低溫余熱回收利用，然后冷卻塔循環水與水池中熱泵機組的循環水熔化，再返回凝汽器進行冷卻處理，開展下一循環。開式循環方式下，循環水的水質要求通常較高，但由于具體操作步驟相對簡單方便，這種方法在具體的日常使用中會被經常使用，其具有十分理想的效果。

2.1.2 閉式循環運行方式

火電廠熱泵系統、循環水系統應用閉式循環運行時，需要對凝汽器設備進行改造或對原凝汽器進行改造，使之成為一種新型的雙面操作的設備，這對雙側運行方式而言均發揮了不同的作用，其中有一側的循環水將流入上塔，而另側循環水則會流經到熱泵循環中。

如果應用閉式循環的運行方法，則可以有效調節循環水流量、水溫和變回水溫等，若溫度攀升且熱負荷減少時，那么通過熱網會使循壞水溫度上升，進而提升供水溫度，當換熱網絡被加熱或凝汽器內的冷凝壓力和冷凝溫度升高時，加熱器內的排汽量也會降低，此時循環水流量增多并流入冷卻塔，從而使原凝汽器內熱量被一同帶走，這時，循環管網供水溫水溫將降到規定標準。

2.1.3 熱泵取代凝汽器運行方式

汽輪機產生的熱量主要是循環水中的余熱來源，如果能通過相關設備直接從熱泵機組獲取熱量，可將中間一系列操作、介質省去，降低傳輸中能量及熱量損耗。且它將大大提高換熱效率，可用熱泵機取代替冷凝器，且余熱利用率通過中間環節的省略而增加，符合國家節能減排戰略，過程綠色環保，但也有一定的應用缺點，實際運行中，會影響機組和系統，且中間操作十分紛繁復雜，無法精準控制，所以，如今我國工程中依舊未被廣泛的進行推廣與應用，為此，在將來需要我們去進一步去不斷深入挖掘與研究。

2.2 低真空供熱技術

2.2.1 凝汽器單側運行

凝汽器內水在凝汽器單側運行會按原路線通過供熱管網流經循環冷卻塔。此運行方式叫雙背壓凝汽器，與單背壓凝汽器功能效果相比，其具有更理想的環保節能效果，特別雙背壓凝汽器中，冷卻面積可增加，可以有效地改善凝汽器的傳熱性能，在運行過程中，相對單一的背壓將產生很大的凝汽器功率，不但增加了傳熱溫差，而且又直接影響到其最終的傳熱性。

2.2.2 凝汽器雙側運行方式

凝汽器兩側運行且兩側的循環水通過熱網，然而，僅有一部分水進入冷卻水塔，此運行方式是單背壓凝汽器，可讓兩側背壓相同，這樣兩側的工作狀態將會是最理想的。

3 工程實例分析

3.1 工礦計算

分析300MW 的供熱機組，看到原來的抽氣量是240t/h，蒸汽輪機熱網加熱器用于加熱熱網中的水，溫度由50℃逐漸升高到130℃，汽輪機空氣干球溫度22℃，濕球溫度16.9℃，凝汽器（31680t/h）控制熱泵循環水量，系統冷卻塔臨睡面積、特征參數分別是6000m2和1.9662.0 代表的是熱泵內空氣、水質量比，繼而形成熱泵加熱方式。

3.2 工礦計算結果

基于溴化鋰吸收式熱泵供暖計算結果：循環水熱泵供暖系統中，熱泵性能系數為1.723，熱泵效率在傳統模式下是73.68%，熱泵供暖模式的效率高達83.68%，提高了10%。針對熱泵循環控制量，熱泵供熱方式抽汽用水量每小時可節約31.68t，熱泵機組功率提高5.31MW。當熱網水溫由55～80℃時，系統凝汽器出口循環水溫升0.7℃，凝汽器壓力增肌了0.23kPa，機組功率降低0.33MW；另外，循環水增壓泵循環水消耗后，機組功率降低0.25MW，這時，熱泵供熱系統機組凈功率增為W=5.31-0.23-0.25=4.83M，見圖 1。

3.3 變工況的熱泵供熱系統熱力性能

（1）系統熱性能受凝汽器出口熱網水溫影響，系統端差一定，熱泵循環水量、用氣量會隨著凝汽器出口熱網水溫升高而增加，而熱泵耗氣量出現顯著增加。鑒于此，峰值負荷加熱器耗氣量也顯著降低，且下降幅度顯著高于熱泵，從而使整個熱泵供熱系統用氣量明顯降低。

圖1 收循環水余熱的熱泵供熱系統

（2）通過分析熱網回水溫度對熱泵供暖系統熱性能的影響，熱網加熱溫度一定的情況下，隨著回水溫度的升高，循環水的質量流量及熱泵的耗氣量將隨著返水溫度的升高而逐漸減少，并且前者有更高的下降幅度，但是，隨著蒸發器循環水水溫的升高，供暖系統的耗氣量會降低，但降低幅度較小。所以，通過同傳統的供熱方式相比，熱泵供熱系統汽輪機抽汽量將得到更大的節省，機組的凈功率將得到更大的提高。

（3）分析對蒸發器循環水溫降對熱泵供暖系統性能的影響。據分析，進口循環水溫恒定，溫降范圍縮小，出口循環水溫增加，蒸發器、吸收器壓力會受影響，而不發生任何改變的就是熱泵系統的其他參數。循環水溫若下降，那么質量大流量會表現出不斷上升的變化趨勢，但會不斷降低熱泵耗氧量，最后，熱泵的性能參數將不斷提高，因此，與傳統的供熱方式相比，將節省更多汽輪機組的抽汽量，增加的凈功率也獲得了提升。還應注意的是，循環水溫度的冷卻范圍縮小，但在供熱量不變的情況下，熱泵供熱方式效率會隨熱泵供熱系統耗氣量減少而提高，盡管增幅不是很大，然而，也能改善熱泵系統的熱性能。

（4）分析蒸發器出口循壞水溫對熱泵熱力性影響。蒸發器內循環水溫降低、端差一定，吸收塔間壓力和蒸發器會受出口循環水溫影響，但系統其他參數恒定。蒸發器出口的循環水溫持續升高，也會持續增加循壞水的質量流量，然而，熱泵含氣量會不斷降低，進而會增加熱泵性能參數值。當出口循環水溫度不斷升高時，熱泵供暖系統的耗氣量將降低，與傳統采暖方式相比，將增加節約抽汽量與機組凈功率。

4 結束語

在應用循環水余熱回收熱泵節能機理時，需提高公式計算效率，以獲得準確的計算結果，防止誤差對余熱利用效率形成影響，同時，循環水余熱利用熱泵的節能研究應以我國現狀為基礎，適應時代的需要，只有如此，我國的節能減排事業才可獲得繁榮可持續發展，最終與我國倡導的節能減排、綠色環保口號相符合，真正為人們的身體健康造福。