吸收式热泵技术在热电联产集中供热系统中的应用

-1-吸收式热泵技术在热电联产供热系统中的应用吕向阳，吴华新同方人工环境有限公司，北京海淀区王庄路1号同方科技广场B座21层100083；TheapplicationofabsorptionheatpumptechnologyintheCHPofheatingsystemLVXiang-yang,WuHua-xinTONGFANGARTIFICIALENVIRONMENTCO.,LTD.B21F,TSINGHUATONGFANGHI-TECHPLAZANO.1,WangzhuanRoad,HaidianDistrict,Beijing,P.R.China,100083.ABSTRACT：TheabsorptionheatpumpheatingwithCHPisanadvancedheatingtechnology,(which)makethemostofthelowtemperatureexhaustheatinheatpowerplant,increasetheheatingcapacityoftheexistingheatingsourceandimprovethetransmissioncapacityofheatingnetwork.Throughtheintroductionofthiskindofheatingtechnologyandtheanysisofaprojectexample,theauthorpointoutthetechnicalisfeasibleinpracticalproject,andalsoithastheadvantageofenergysaving,environmentalprotection,highefficiencyandshortpaybackperiod,etc.Inconsequence,it’sannewadvancedenergy-savingheatingtechnologyandvaluabletodevelope.KEYWORD：Absorptionheatpump；CHP；Centralheating摘要：热电联产相结合的吸收式热泵供热技术是一种先进的供热技术，充分地利用了热电厂冷却水的低温余热，可增加现有热源供热能力和提高热网输送能力。通过对该供热技术的介绍与某工程实例的分析，指出了该技术实际工程应用的可行性，它具有节能环保、高效、回收期短等优点，是一种值得大力推广、先进的节能供热新技术。关键词：吸收式热泵；热电联产；集中供热1问题的提出能源与环境问题已成为中国乃至世界经济可持续发展的瓶颈,节能减排已成为人类生存与发展的首要命题，成为各国政府、企业、公民共同的责任与使命。热电联产集中供热方式具有很高的经济性和环保性，是目前我国城市集中供热的主要形式[1]；同时我国北方地区的供热能耗巨大，是节能减排的重点。在城市的建设中，不断扩大的用供热规模与现有热源有限的供热能力、城市热网有限的输送能力之间的矛盾日益突出。如何在保证现有热源与现状热网不变的情况下，进一步增加热源供热能力和提高热网输送能力是广大工程技术人员需要思考的一个重要问题。先进的吸收式热泵供热技术的应用为上述问题的解决提供了一个重要的解决思路。2与热电联产相结合的吸收式热泵供热技术热电联产的供热方式主要分两种，即汽轮机的背压供热和抽气供热。背压供热汽轮机排汽压力需高于大气压力，如不考虑动力装置及管路的热损失，理论上它的热能利用率可达100%，但由于热、电负荷相互制约等原因，在我国应用较少[1]。抽气供热是热电联产领域主要的供热方式，它主要是通过汽轮机上可调节抽气量的的抽气口-2-进行抽气，供热原理如图1：凝水回锅炉汽水换热器至用户至用户换热站换热站℃℃℃凝汽器高压蒸汽汽轮机中、低抽气汽轮机发电机冷却塔冷却塔凝水回锅炉℃℃℃℃图1抽汽供热系统原理图Fig.1Extractionsteamheatingsystemprinciplediagram此方式依然有大量冷却水的低温余热通过冷却塔排向外界，若能对其加以再回收利用，则可在热电厂规模不变的情况下，大大提高冬季热源的供热能力；同时，该供热方式的设计供、回水温度一般为130/70℃、110/70℃、120/60℃等等，若能将热网供回水温差提高至≥100℃，则热网的供热输送能力可提高约1倍。基于此，清华大学的江亿院士与付林教授等人[2]提出了“基于热电联产的吸收式热泵供热技术”，原理如下图：℃℃℃℃℃℃℃℃℃汽-水换热器℃℃℃℃℃大温升吸收机单效吸收机双效吸收机吸收式换热机组凝汽器蒸汽参数：=0.5，=250℃（饱和温度为179℃）高压蒸汽图2热电联产结合的吸收式热泵供热系统原理图Fig.2TheabsorptionheatpumpheatingwithCHPprinciplediagram该技术不仅需在热电厂增加吸收式热泵机组，还需要改造传统的换热站，更换其中普通水-水换热机组为大温差吸收式换热机组。目前，它已在赤峰得到应用，并且得到了鉴定专家很高的评价[3]，但它工艺复杂，易受投资、现场条件等多因素的制约。如果通过技术优化调整，并结合热电厂实际工程、现场条件等特点，可采取如下图3、图4所示供热方式。高压蒸汽蒸汽参数：=0.5，饱和温度为152℃凝汽器一级吸收热泵二级吸收热泵℃5℃℃℃℃℃℃℃℃℃℃℃换热站换热站至用户至用户汽-水换热器凝水回锅炉图3热网供热参数不变的吸收式热泵系统原理图Fig.3Theabsorptionheatpumpheatingsystemprinciplediagram(theheatingnetworknotchanged)图4热网直供(无换热站)吸收式热泵供热系统原理图Fig.4Theabsorptionheatpumpheatingsystemprinciplediagram（notheatexchangestation）目前，图3系统在阳泉已有应用实例，而类似图4系统在河北承德等地也有我公司成功实施的案例。它们的特点是：由于吸收式热泵机组回收了大量低温余热，可大幅度提高热源的供热能力；经过系统的调整优化，可大幅度拓宽吸收式热泵在热电联产领域的应用范围。吸收式热泵*2台调节阀冷却塔调节阀循环泵用户冷却塔调节阀汽轮机抽气电厂余热水供电厂余热水回乏气进凝汽器凝水回锅炉房吸收式热泵*2台汽轮机来自锅炉高温高压蒸汽压力为0.4的饱和蒸汽用户-3-3某实例分析某自备热电厂冬季冷却水量约2880m3/h，进出冷却塔水温分别约35℃和25℃（两个数字是否颠倒一下？），汽轮机抽气压力0.3-0.5Mpa（饱和蒸汽）。距热电厂3km有一新建小区，采暖面积80万m2，设计供、回水温80/60℃。若新建锅炉房，则耗能高、污染大，属国家限建项目。若以该热电厂为热源，则电厂（供热能力）热负荷明显不足，抽气量仅可供45万m2。通过上述热电联产吸收式热泵技术，问题可迎刃而解。通过分析，拟决定：在热电厂新设一吸收式热泵机房，回收冷却水余热，提供建筑采暖；敷设部分蒸汽管路和余热水管路，引入吸收式热泵机房；新敷设3km的外网系统，将吸收式热泵制取的80/60℃循环水接入用户管路系统。3.1计算分析与设备选型根据现场资料和行业规范：供热面积80万m2，热指标取60W/m2，则用户采暖负荷共计48MW。根据低温余热水、用户侧热水和蒸汽的参数可知：吸收式热泵制热系数COP约1.8，故热泵系统回收低温余热水的热量为：Q0=Q×（COP-1）/COP式中：Q为供暖负荷，W；Q0为低温侧吸热量，W；COP为吸收式热泵制热系数，由运行工况确定。低温余热水按10℃温差提取热量，则耗水量由下式计算：m=Q0/（C×△T）式中：m为余热水耗水量，kg；△T为余热水提取温差，取10℃，℃；C为水的比热，取4.187KJ/(kg·℃)；经计算，设计工况下系统低温侧吸热量为21.4MW，所需余热水1834m3/h。而热电厂冷却水水量2880m3/h，水量足以满足需求。系统需敷设3km的外网系统，由负荷可确定外网主干管管径为DN600。由于余热水管路和蒸汽管路敷设在热电厂内，管线较短，下文分析初投资时已含在热泵机房内。吸收式热泵系统的制热量需求为48MW，根据需要，选取该工况下制热量为12MW的吸收式热泵机组4台（型号和相关参数略）。3.2经济和环境效益分析3.2.1初投资计算1）吸收式热泵系统投资概算包括：吸收式热泵机组、水泵等机房附属设备；机房管路施工、设备安装工程；机房电气及自控工程；用户热网系统（见下表1）。表1吸收式热泵系统投资概算Tab1Investmentbudgetoftheabsorptionheatpumpsystem设备名称数量单位单价（万元）合计（万元）吸收式热泵4台4001600附属设备1项8080机房设备及管道安装工程1项200200机房电气及自1项8080-4-控工程外网管线工程3km0.1300合计22602）传统热电联产方式传统热电联产方式热源侧主要设备是汽-水换热器，按行业经验分析，换热首站（80万m2建筑采暖面积）初投资约900万元；外网和吸收式热泵系统相同，约300万元，系统投资共计1200万元。3.2.2运行费分析运行费的测算依据如下：电价0.5元/Kwh，热价50元/GJ，水价3元/吨，采暖期144天。整个采暖季的理论供热量可按下式计算：Qn=24×Qn′×[(tn-tpj)/(tn-tw)]×N式中：Qn为年供热量，kwh；Qn′为热负荷，kw；tn为室内设计温度，取18℃；tpj和tw均为当地采暖季室外平均温度和采暖计算温度，℃；N为供暖天数，d。1）传统供热方式运行费分析表2传统方式供热运行费Tab2Theoperatiingcostoftraditionalway名称负荷(MW)年供热量(kw·h)热价(元/GJ)运行费(万元)传统供热系统48112803840502030传统方式供热运行费共计2030万元，合25.4元/m2。2）吸收式热泵供热方式运行费分析表3吸收式热泵供热运行费Tab3Theoperatiingcostoftheabsorptionheatpumpsystem名称负荷(MW)蒸汽耗量(t)热价(元/GJ)运行费(万元)吸收式热泵系统48101053501160.6通过机组满负荷运行时的蒸汽耗量和供热系数计算出年耗量，并换算为热量后，可计算出年运行费，统计如表3。另外，若采用吸收式热泵技术，机组需耗少量电能，电费如下：W=48KW×24h×0.68×144天×0.5元/kw·h/10000=5.6万元为比较方便，系统水泵能耗忽略未计。吸收式热泵运行费共计1166.2万元，合14.5元/m2。3）吸收式热泵节约水费分析由于吸收式热泵从低温侧吸热，循环水闭式循环，还可减少大量系统补水。补给水量分为飞溅损失和蒸发损失（占主要部分）两部分，正常情况下其值约等于循环水量的1%-2%左右。水源侧需冷却水流量约1834m3/h，经分析计算可减少蒸发、飞溅损失等约30m3/h。按照该地水价计算，年节约水费约31万元。3.2.3经济性对比与环境效益分析图4经济性对比分析Fig4Theanalysisoneconomy名称初投资(万元)运行费(万元)吸收式-传统方式备注传统供热方式12002030894.8（运行费）吸收式热泵供热系统22601166.21060（初投资）节约水费31万综上所述，如果采用吸收式热泵供热技术，则需投资2260万元；而传统方式约1200万元。但吸收式比传统供热方式节约年运行费约895万-5-元，静态投资回收期不到2年。吸收式热泵通过消耗部分蒸汽热能，回收热电厂冷却水的低温余热资源，不仅满足了热电厂80万m2的供热能力；而且还减少大量运行费。同时，采用该技术每年还可节约标煤耗量5940吨，减少大量污染物的排放：二氧化碳15444吨，一氧化碳8.3吨，二氧化硫50.5吨，氮化物44吨，硫化氢2.97吨及粉尘65.3吨，具有显著的环境效益。4结论与热电联产相结合的吸收式热泵供热技术理论可行，可提高现