热泵用于电厂的节能分析
摘 要：热泵是利用一部分高质能从低位热源中吸取一部分热量，并把这两部分能量一起输送到需要较高温度的环境或介质的设备。火电厂循环水中存在大量余热，利用热泵技术将有效回收这部分热量用于冬季供暖或常年加热凝结水。以2台额定负荷分别为300MW、600MW机组为例，进行了节能分析，结果表明，利用热泵技术回收火电厂循环水余热具有节能、环保双重效果，且机组负荷越大相应的节能更显著。
关键词：热泵;循环水;节能 1 热泵原理
热泵是将低温位热能送到高温位而进行利用[1]。热泵的作用是把低温热源的热量输送到高温热源[2]，是一种可以充分利用低品位热能的高效节能装置。热泵作为一种能量转移装置，从低温热源中获取热量Q2，以消耗一部分高品位能源(一般为电能)W为代价，将能量Q1转移给高温热源，如图1所示。由于热泵运转所需要的能量只是它所提供的全部能量的一部分，因此具有显著的节能效果，对于提高能源利用效率和减轻环境污染具有重要意义[3]。
2.热泵的分类
根据冷源介质的不同，可将热泵分为水源热泵、空气源热泵和地源热泵; 根据动力形式的不同，可将热泵分为机械压缩式热泵、吸收式热泵、固体吸附式热泵、固体化学反应式热泵和蒸汽喷射式热泵[3]。 2.1机械压缩式热泵
机械压缩式热泵可在制冷与制热两种工况下运行，通常由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀组成，如图2所示。在制热工况下，低温低压的制冷剂在蒸发器中等压吸收冷源热量，升温蒸发后进入压缩机，高温低压制冷剂气体在压缩机中被绝热压缩成高温高压气体，然后进入冷凝器向热源等压放热后变成低温高压的液体，再经过节流阀绝热节流后形成低温低压的制冷剂，制冷剂再流经蒸发器开始新的循环。在制冷工况下，热泵蒸发器变为冷凝器，冷凝器变为蒸发器，热泵循环按反方向进行[4][5]
2.2吸收式热泵
吸收式热泵是利用工质的吸收-解析过程来实现温度提升的动力装置，吸收剂和制冷剂组成溶液的循环方式，稀溶液在发生器中吸收热量并释放制冷剂气体供给冷凝器，浓溶液进入吸收器后吸收来自蒸发器的制冷剂气体并放出热量[3]。在电厂热泵利用中主要采用集中式热泵供热系统如图3。采用汽轮机采暖抽汽作为热泵驱动热源，循环水余热( 或乏汽余热) 作为热泵低温热源，将一次热网水的回水加热至 80℃ 左右输出，并采用尖峰加热器进行二次加热。这种方式可以回收部分或全部汽轮机乏汽余热，具有较好的节能效果。当前火电厂低温余热利用供热技术中，集中式吸收式热泵技术应用最为普遍[6][7]。
2.3固体吸附式热泵
固体吸附式制冷是近几年发展起来的新型制冷技术，利用固体吸附剂在不同温度下对制冷剂气体的吸附和解析作用驱动制冷循环。结构如图4所示。固体吸附床相当于压缩机，对吸附床加热使其吸附的制冷剂蒸汽解析，床内压力升高，达到冷凝压力后，制冷剂蒸汽进入冷凝器，凝结后通过节流阀进入蒸发器。此时对吸附床冷却使之吸附，床内压力降低，当压力降低到蒸发压力后，制冷剂蒸发，蒸发的制冷剂蒸汽重新被吸附到吸附床中，完成制冷循环。冷凝器的放热和吸附床的解析热由冷却水带走，冷媒水在蒸发器中降温。与压缩式和吸收式制冷相比，固体吸附式制冷无任何运转部件，耗电少，无噪声，无污染，投资低，寿命长;不需屏蔽溶液泵，不存在溶液分馏、腐蚀和结晶等问题;系统结构简单，金属消耗少，并能工作在震动、冲击场合，运行控制方便[8][9]。
3. 热泵回收余热的方式 3.1 开式循环方式
开式循环的方式适用于火电厂周边有丰富的水资源，如江河水，在这样环境中的火电厂本身也不需要建设冷却塔，而是直接取自江河水，经过循环水泵进入循环系统冷却排汽，换热完成后又直接排入江河，完成一次循环。在这样的条件下利用热泵回收循环水余热，其余热空间受限于入口江河水的温度，而这个温度随季节改变而变化，在使用热泵供热的冬季，其江河水的温度恰好很低，在机组负荷及其他换热条件一定的前提下，换热完成后循环水出口温度也随之降低，从这样的低温热源中吸热而将生活用水加热至80℃以上的热水则需要借助于高温热泵技术，而这种技术的研究也是当前热泵研究的焦点与难点，此外，开式循环对水质的要求也很高，实际运用中除沙除垢的成本很高，所以这种方式仅停留于研究阶段，得以应用还有待进一步深入发展[10][11]。 3.2 闭式循环方式
闭式循环方式适用于火电厂采用冷却塔进行循环水冷却的情形，这种情况下循环水水质好，温度稳定，是很好的低位热源，目前在国内已有工程应用的先例，其回收循环水余热的方式包括部分循环水去热泵和完全取代冷却塔两种方式。
部分循环水去热泵是出于当地供热负荷以及热泵系统性能的，从凝汽器出来的大容量出口循环水只有一部分进入热泵系统并在蒸发器中被制冷剂吸热，降温后进入循环水池继续参与循环水系统的循环过程，而另外一部分未进热泵系统的循环水则仍然进入冷却塔，完成换热后与经过热泵循环后的循环水在循环水池中混合，然后一同进入凝汽器参与新一轮的循环。
随着热泵技术的深入发展，利用热泵系统完全取走从凝汽器出来的循环水余热并用于其他供热，同时将循环水冷却降温后继续进入凝汽器参与新一轮的循环过程。这种方式用热泵机组取代了冷却塔，对热泵系统的性能要求较高，却是未来火电厂冷却循环水技术与热泵技术的发展趋势，特别适用于北方缺水的地区，以国产引进型600MW机组为例，一年需要1 000万t的循环水量，以热泵系统节约90%水量计算，每年可节省900万t的水，不过投资成本及维护费用也随之上升，需要大力发展相关技术以期更广泛地应用。 4. 300MW与600MW节能比较分析
以取代部分低压加热器循环方式的热泵技术回收循环水余热进行节能计算，分别选取600MW机组， 300MW机组的额定工况为分析对象。
假设热泵系统的供热系数COP=4.0，热泵每年工作时限即机组运行时t=8 000h，锅炉效率ηb=90%，发电效率ηg=40%，煤的燃烧值q=5 500k cal/kg，则热泵系统的供热量是热泵系统消耗的驱动能源即电能与从循环水中提取的余热热量之和，该供热量全部由凝结水吸收。凝结水温度的提升即是热泵技术循环水余热利用的效果,将吸取的热量转换成相当的燃煤量,也即这部分节省的燃煤量是由机组乏汽余热的回收所得，归于机组耗煤的减少。 5. 结论
在当前节能减排与建设资源节约型环境友好型社会的形势下，可以充分发挥热电联产的优势，现今热电联产机组尚有大量的低品位余热未被利用，节能潜力巨大，热泵技术是一项可以利用低温余热的高效节能技术，它可以应用于火电厂循环冷却水余热、锅炉排污热量和除氧器排汽热量的回收利用工程中，从而提高火电厂的热经济性，具有很好的经济效益和社会效益。固体吸附式制冷无任何运转部件，耗电少，无噪声，无污染，投资低，寿命长，运行控制方便等优点。热泵技术在回收火电厂循环水余热方面具有节能、环保双重效果，且对于大机组节能效果更明显，600MW机组比300MW机组年节煤量为10170.6t，相当于减少燃烧产生的污染物4475t CO2、203.4t SO2、152.6t 烟尘与24.3t灰渣。
