電廠循環(huán)冷卻水余熱高效利用的關(guān)鍵問(wèn)題探討

魏世超 張 凱 劉明亞

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

電廠循環(huán)冷卻水余熱高效利用的關(guān)鍵問(wèn)題探討

魏世超 張 凱 劉明亞

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

電能已經(jīng)成為社會(huì)生產(chǎn)與人們生活不可或缺的能源之一，針對(duì)電廠循環(huán)冷卻水大量余熱釋放與排放環(huán)境負(fù)面熱影響，提出電廠循環(huán)冷卻水余熱高效利用的關(guān)鍵問(wèn)題。文章以某電廠循環(huán)冷卻水余熱回收項(xiàng)目為例，分析了電廠循環(huán)冷卻水高效利用所采用的熱泵技術(shù)，明確了其技術(shù)特征，并將所涉及到的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了闡明。

電廠；循環(huán)冷卻水；余熱回收利用；關(guān)鍵問(wèn)題；電能；能源利用率

為了更好地說(shuō)明電廠循環(huán)冷卻水余熱高效利用工作的核心與關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確保熱能的高效轉(zhuǎn)化，提升能源的利用率，促進(jìn)發(fā)電廠的綠色健康發(fā)展，技術(shù)人員需要以現(xiàn)有的技術(shù)為基本框架，全面分析電廠循環(huán)冷卻水過(guò)程中余熱利用的途徑與方式，同時(shí)以某電廠為例，進(jìn)行必要的補(bǔ)充說(shuō)明。在一期工程建設(shè)規(guī)模為2×220MW燃煤機(jī)組，于2007年10月28日投產(chǎn)發(fā)電，主要服務(wù)對(duì)象是一起城市供熱服務(wù)，共投資11億元，能夠滿足280多萬(wàn)m2的供熱需求。電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)作為保證電廠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其所產(chǎn)生余熱與負(fù)面熱影響問(wèn)題如果能夠有效緩解，則所能夠展現(xiàn)出的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益將非常顯著。

1 電廠循環(huán)冷卻水余熱問(wèn)題及熱泵技術(shù)分析

1.1 電廠循環(huán)冷卻水余熱問(wèn)題

電廠循環(huán)冷卻水余熱問(wèn)題的處理主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，從能量蘊(yùn)含量的角度來(lái)看，現(xiàn)階段我國(guó)電廠循環(huán)水冷卻余熱量巨大，具有較高的開發(fā)利用價(jià)值，滿足了現(xiàn)階段我國(guó)能源供應(yīng)不足的緊張局面，對(duì)于能源體系的構(gòu)建有著十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。之所以會(huì)產(chǎn)生這樣的問(wèn)題主要是電廠在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，在不同形式能源的相互轉(zhuǎn)換中，電廠相關(guān)設(shè)施所能夠轉(zhuǎn)化的熱效率僅為40%，60%以上的熱量被冷卻水帶走，這些熱量在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，由于技術(shù)條件的限制，無(wú)法進(jìn)行有效利用。近些年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，能量應(yīng)用模式的優(yōu)化，剩余能源的二次開發(fā)利用技術(shù)不斷成熟，為電廠循環(huán)冷卻水余熱高效利用工作的開展準(zhǔn)備了技術(shù)條件。根據(jù)筆者調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2015年全國(guó)火電裝機(jī)總量約為3.9億kW，按照非供熱機(jī)組容量占火電總?cè)萘?6%估算，相當(dāng)于全年約有3.4億t的能量被白白扔到環(huán)境之中?？梢?jiàn)，電廠循環(huán)水余熱問(wèn)題余熱量巨大現(xiàn)象尤為艱巨；另一方面，電廠循環(huán)冷卻水余熱所產(chǎn)生的負(fù)面熱影響。通常狀況下，由于受到外部環(huán)境以及傳統(tǒng)觀念的影響，人們對(duì)于電廠環(huán)境的認(rèn)知存在嚴(yán)重偏差，將電廠的環(huán)境問(wèn)題過(guò)于簡(jiǎn)單化與片面化，認(rèn)為多數(shù)電廠僅僅看到自身排煙對(duì)于大氣環(huán)境的影響，因此采用的針對(duì)性方法也是除塵、脫硫技術(shù)的應(yīng)用，嚴(yán)格控制自身的排污標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)于循環(huán)冷卻水余熱所產(chǎn)生的熱污染危害則視而不見(jiàn)。伴隨著裝機(jī)量的發(fā)展與影響，廢熱的排放量逐年增加，必定對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響，持久情況下將會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，長(zhǎng)此以往將產(chǎn)生環(huán)境問(wèn)題。這就要求電廠在進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)劃的過(guò)程中要進(jìn)一步明確余熱對(duì)于環(huán)境的危害性，在此基礎(chǔ)上提升自身對(duì)于余熱妨害的認(rèn)知程度，采取合理的應(yīng)對(duì)策略，對(duì)冷卻水余熱進(jìn)行科學(xué)化處理，降低其對(duì)環(huán)境生態(tài)的危害。

1.2 電廠循環(huán)冷卻水熱泵技術(shù)

本電廠循環(huán)冷卻水熱泵技術(shù)在應(yīng)用的過(guò)程中主要是以壓縮式熱泵與吸收式熱泵為主串聯(lián)系統(tǒng)為主，完成循環(huán)水余熱量的回收與充分利用。在研究與應(yīng)用初期應(yīng)該對(duì)壓縮式熱泵與吸收式熱泵的基本工作原理進(jìn)行明確。通過(guò)對(duì)電廠循環(huán)冷卻水熱泵技術(shù)的合理分析與科學(xué)使用，提升冷卻水熱泵的工作質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)剩余熱量的二次循環(huán)使用，減少不必要的資源消耗與能量浪費(fèi)。

壓縮式熱泵的基本工作原理為：低溫低壓的制冷劑通過(guò)蒸發(fā)器從低位冷源吸熱蒸發(fā)升溫之后進(jìn)入到壓縮機(jī)當(dāng)中，被絕熱壓縮成高溫高壓蒸汽，而后進(jìn)入到冷凝器向高位熱源放熱冷凝之后，通過(guò)節(jié)流膨脹閥節(jié)流進(jìn)行降溫降壓處理，在降低干度的濕蒸汽，完成低溫?zé)嵩吹奈张c蒸發(fā)過(guò)程。循環(huán)往復(fù)，具體工作原理如下圖1所示：

圖1 壓縮式熱泵循環(huán)流程圖

吸收式熱泵的基本工作原理為：吸收式熱泵在應(yīng)用的過(guò)程中包含兩種形式：第一種是工質(zhì)蒸汽的發(fā)生需要消耗部分高質(zhì)熱能；第二種是產(chǎn)生工質(zhì)蒸汽的熱量由低品位的余熱熱源提供。這兩種類型在我國(guó)當(dāng)中的應(yīng)用主要是以第一種為主，由蒸發(fā)器、吸收器、發(fā)生器、冷凝器及溶液換熱器等基礎(chǔ)設(shè)備構(gòu)成，最終完成冷卻水循環(huán)處理。具體工作原理圖如圖2所示：

圖2 吸收式熱泵循環(huán)流程圖

這兩種熱泵技術(shù)各具優(yōu)勢(shì)，能夠滿足不同環(huán)境下循環(huán)冷卻水余熱高效處理的客觀要求，但是考慮到兩種技術(shù)在應(yīng)用原理方面存在著一定的差異，因此為了保證二者在實(shí)踐中的高效應(yīng)用，技術(shù)人員在具體應(yīng)用的過(guò)程中需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行處理，對(duì)應(yīng)用方案進(jìn)行優(yōu)化處理。但本電廠在應(yīng)用的過(guò)程中，主要是以兩種熱泵循環(huán)串聯(lián)為主，形成綜合性的利用體系，在余熱回收系統(tǒng)的構(gòu)建當(dāng)中，將兩種熱泵技術(shù)應(yīng)用其中，最終確定整個(gè)余熱回收方案，方案示意圖如圖3所示：

圖3 某電廠循環(huán)水余熱回收系統(tǒng)示意圖

從整個(gè)示意圖可以看出，在電廠運(yùn)行的過(guò)程中采用這兩種熱泵技術(shù)，完成對(duì)循環(huán)冷卻水余熱的處理，需要從兩個(gè)方面做出具體考量：其一，60t/h工業(yè)抽氣為過(guò)熱蒸汽，目前所應(yīng)用的吸收式熱泵驅(qū)動(dòng)熱源實(shí)際上是一種飽和蒸汽，因此需要在這里將過(guò)熱蒸汽變成飽和蒸汽。為避免能量浪費(fèi)的產(chǎn)生，整個(gè)過(guò)程增設(shè)螺桿膨脹機(jī)完成發(fā)電，保證能源的節(jié)約；其二，為滿足電廠冬季的實(shí)際運(yùn)行需要，保持循環(huán)冷卻水的溫度被控制在16.5℃左右，在該條件下，吸收式熱泵無(wú)法對(duì)余熱進(jìn)行回收，需要依據(jù)用電壓縮式熱泵去回收余熱。

該電廠自應(yīng)用循環(huán)冷卻水余熱回收系統(tǒng)之后，根據(jù)余熱回收系統(tǒng)的投入，綜合分析經(jīng)濟(jì)效益，投資回收期為24個(gè)月，項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)行之后，在當(dāng)年節(jié)約標(biāo)煤3500t，二氧化碳減排量7854t，二氧化硫減排量25.2t，氮氧化物減排量21.0t，展現(xiàn)出較強(qiáng)的環(huán)保效益。

2 電廠循環(huán)冷卻水熱能高效利用的關(guān)鍵問(wèn)題

雖然當(dāng)前有關(guān)于熱泵技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，商品化的熱泵機(jī)型種類繁多，但想要完全適應(yīng)電廠循環(huán)冷卻水余熱回收利用，目前所涉及到的關(guān)鍵問(wèn)題還主要集中在以下三個(gè)方面：

2.1 尋求能夠適應(yīng)電廠循環(huán)冷卻水熱能高效利用的熱泵技術(shù)

當(dāng)前循環(huán)冷卻水高效利用已經(jīng)十分嚴(yán)峻，相關(guān)技術(shù)以及處理模式不夠成熟，在已有的技術(shù)體系下，難以真正意義上實(shí)現(xiàn)電廠循環(huán)冷卻水熱能的高效利用。如何在保證成本效益得到有效控制的同時(shí)，發(fā)揮出余熱處理最大的效應(yīng)十分關(guān)鍵，一旦沒(méi)有處理好相關(guān)技術(shù)流程，其勢(shì)必造成投入成本的增加以及治理效果的降低，對(duì)于電力企業(yè)以及生態(tài)環(huán)境而言有著極為不利的影響。本次研究則提出壓縮式熱泵與吸收式熱泵串聯(lián)的應(yīng)用方法，所表現(xiàn)出的效果顯著，能夠符合現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)與發(fā)展目標(biāo)，值得推廣應(yīng)用。

2.2 注重環(huán)保與高效節(jié)能

將環(huán)保與高效節(jié)能作為現(xiàn)階段電廠運(yùn)行管理活動(dòng)的中心環(huán)節(jié)以及核心要求。在具體應(yīng)用的過(guò)程中，工作人員應(yīng)努力提升自身的認(rèn)知水平，明確電廠循環(huán)冷卻水蘊(yùn)含著巨大的低品位熱能，系統(tǒng)在余熱利用的過(guò)程中不消耗不可再生資源，也并不排放有毒有害氣體，環(huán)保效用顯著，符合電廠的運(yùn)行與發(fā)展目標(biāo)。以該循環(huán)冷卻水余熱回收系統(tǒng)的具體運(yùn)行為基礎(chǔ)，既能夠有效減少循環(huán)冷卻水冷卻時(shí)的蒸發(fā)量，也能夠?yàn)闊岜孟到y(tǒng)提供低位熱源，起到的是一種雙向節(jié)能作用。

2.3 保證熱泵系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中的高度可靠性

熱泵系統(tǒng)作為構(gòu)成整個(gè)回收系統(tǒng)的組成部分，保持高度的運(yùn)行可靠性顯得十分必要與關(guān)鍵，對(duì)于循環(huán)冷卻水余熱高效利用有著重大意義，在實(shí)踐操作的過(guò)程中，要梳理熱泵系統(tǒng)的作用機(jī)理，將其與工作實(shí)際進(jìn)行必要的結(jié)合，對(duì)熱泵的工作方式以及運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行必要的調(diào)整，使其能夠真正意義上滿足循環(huán)冷卻水余熱高效利用的客觀要求。保證系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化要求，達(dá)到高效運(yùn)行的目的，也符合現(xiàn)代電廠的基本要求，促進(jìn)電廠的綠色、健康以及可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于電廠循環(huán)冷卻水余熱高效利用的關(guān)鍵問(wèn)題，在現(xiàn)代研究中已經(jīng)得到具體應(yīng)用。雖然現(xiàn)階段電廠在熱能回收系統(tǒng)建設(shè)方面處于探索階段，但經(jīng)過(guò)此次的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的分析，相信在未來(lái)很多電廠也會(huì)踐行這種余熱回收系統(tǒng)，避免余熱的消耗與產(chǎn)生的負(fù)面熱影響。

[1]李巖，付林，張世鋼，等．電廠循環(huán)水余熱利用技術(shù)綜述[J]．建筑科學(xué)，2010，（10）.

[2]孫天宇，任建興，張健，等．水源熱泵在火電廠循環(huán)水余熱利用中的應(yīng)用[J]．汽輪機(jī)技術(shù)，2014，（3）.

[3]夏立峰，肖冰，賀亞妮．熱電廠循環(huán)冷卻水余熱回收技術(shù)應(yīng)用[J]．節(jié)能，2015，（5）.

[4]王光林，張濤，于澤庭，等．電廠循環(huán)水余熱供熱技術(shù)[J]．山東電力技術(shù)，2016，（4）.

（責(zé)任編輯：王 波）

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1009-2374（2017）12-0144-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.074

魏世超（1988-），男，河北張家口人，核工業(yè)理化工程研究院工程師，碩士，研究方向：流體流動(dòng)與分離。

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