基于吸收式熱泵技術(shù)的區(qū)域清潔供暖研究

周 勇，郝日鵬，魏 航，李永田

(1.陜西新奧新能能源發(fā)展有限公司，陜西 西安 710065； 2.光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇 常州 321031)

近年來，我國城鎮(zhèn)化高速發(fā)展，從2000年到2019年，我國城鎮(zhèn)化率從36.22%增長至60.6%，城鎮(zhèn)人口增加了約一倍左右，達(dá)到8億人，但城鄉(xiāng)發(fā)展不平衡的問題仍然突出[1-2]。從2001年到2019年，我國建筑建設(shè)速度逐年增長，城鄉(xiāng)建筑面積大幅度增加，自2005年起竣工面積開始快速增加，從2013年至2019年每年的建筑竣工面積均超過40億m2，這將導(dǎo)致北方省份冬季供暖需求大幅度增長。2011年全國集中供熱面積為4 713百萬m2，至2025年將達(dá)到11 957百萬m2[3]，集中供暖面積的增加帶動了能源需求的增加。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計[4]，在2017年我國建筑行業(yè)總共消耗了9.47億t標(biāo)準(zhǔn)煤，占我國總體能源消費的21%以上，而其中北方采暖能耗占建筑能耗的23%左右。

在北方城鎮(zhèn)的集中供暖方式中，熱電聯(lián)產(chǎn)是能源綜合利用效率最高的一種方式[5]。在我國大部分小型或區(qū)域熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組凝汽乏汽潛熱沒有得到回收利用，該部分余熱還具有較大的回收利用價值。燃煤電廠凝汽潛熱回收方式主要有：低真空回收乏汽熱量供熱、大溫差低溫回水回收乏汽熱量供熱及吸收式熱泵回收乏汽熱量供熱等技術(shù)[6]。為了最大幅度地提升區(qū)域熱電廠的凝汽潛熱，提升原設(shè)計管網(wǎng)系統(tǒng)的輸送能力，需要盡可能地降低一次網(wǎng)回水溫度，付林等[7]提出了吸收式熱泵可以大幅度地降低回水溫度，并對傳統(tǒng)換熱器和吸收式換熱器進(jìn)行了效率分析，吸收式換熱過程較傳統(tǒng)的板式換熱過程熱力學(xué)完善度有所提高，充分利用熱流體高溫段的有效能，作為驅(qū)動力，使低溫向高溫傳熱，進(jìn)而降低回水溫度。

本文結(jié)合某城鎮(zhèn)的供暖現(xiàn)狀及規(guī)劃，因地制宜，擬對可采用的采暖技術(shù)路線的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行對比分析，并確定采用高背壓大溫差供熱的技術(shù)路線，解決某城鎮(zhèn)清潔供暖遇到的問題。

1 城鎮(zhèn)供熱現(xiàn)狀分析

1.1 供熱現(xiàn)狀

某城鎮(zhèn)總面積208.5 km2，可建設(shè)面積131 km2，中心規(guī)劃區(qū)50 km2，其中城市建成區(qū)20.5 km2。目前該城鎮(zhèn)采用集中供熱為主，集中供熱面積占全鎮(zhèn)供熱面積的約2/3，集中供熱面積約180萬m2，剩余供熱采用燃?xì)夥植际焦崤c燃?xì)獗趻鞝t供熱相結(jié)合的方式，當(dāng)前集中供熱熱源點為當(dāng)?shù)責(zé)犭姀S。某熱電廠為該城鎮(zhèn)唯一規(guī)劃熱源點，由于受關(guān)中地區(qū)減煤、限煤的影響，近幾年不會再新增燃煤鍋爐，因此，最高效地利用該熱電廠余熱資源是解決該城鎮(zhèn)集中供熱問題的重要方式。

1.2 熱負(fù)荷延續(xù)曲線繪制分析

以熱負(fù)荷為縱坐標(biāo)，室外空氣溫度為左方橫坐標(biāo)，可繪制熱負(fù)荷曲線圖，我國一般居民建筑起始臨界溫度為5 ℃，由于該地區(qū)供暖天數(shù)為120 d，實際起始供暖溫度大于5 ℃，約為6 ℃。以溫度為橫坐標(biāo)(一般溫度為負(fù)值，在橫坐標(biāo)的0點左側(cè))先繪制熱負(fù)荷曲線圖，然后以橫坐標(biāo)右側(cè)作為室外溫度的延續(xù)小時數(shù)(本方案為2 880 h)，繪制出當(dāng)年供暖熱負(fù)荷延續(xù)曲線。由于獲得氣象資料有困難，可以采用哈爾濱建筑大學(xué)提出的數(shù)學(xué)方法，只要知道當(dāng)?shù)毓┡彝庥嬎銣囟取⒐┡谑彝馄骄鶞囟?、供暖期天?shù)，則可以繪制出延續(xù)曲線，曲線在工程誤差范圍內(nèi)。具體計算方法如下：

(1)

(2)

Q=Q′N≤5

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

分別對現(xiàn)狀、近期及遠(yuǎn)期熱負(fù)荷曲線進(jìn)行繪制(見圖1)。

圖1 熱負(fù)荷延續(xù)曲線

當(dāng)前燃煤電廠鍋爐總對外供汽量約為210 t·h-1，通過熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組后，對外供應(yīng)低壓蒸汽的能力約為150 t·h-1，除去最近幾年約50 t·h-1的工業(yè)蒸汽負(fù)荷，冬季供暖最大供應(yīng)負(fù)荷約為100 t·h-1，約71 MW。

2021年，規(guī)劃熱負(fù)荷為121 MW，當(dāng)前熱電廠供熱能力已經(jīng)無法滿足規(guī)劃熱負(fù)荷需求，熱負(fù)荷缺口達(dá)50 MW。2025年，規(guī)劃熱負(fù)荷為161 MW，相比現(xiàn)狀，熱負(fù)荷缺口將進(jìn)一步加大，達(dá)到90 MW。

2 清潔供暖方案研究

2.1 常規(guī)汽輪機(jī)抽汽供熱方案

1)流程描述

抽凝式汽輪機(jī)抽汽為參數(shù)1.0 MPa過熱蒸汽，進(jìn)出口溫差按照60 ℃估算(130 ℃→70 ℃)，一次網(wǎng)回水先進(jìn)入抽汽加熱器加熱，熱量不足部分由燃?xì)忮仩t作為補充，原則流程見圖2。

圖2 原則工藝流程圖

2)熱源改造

規(guī)劃至2021年、2025年，采暖熱負(fù)荷分別為121、161 MW，根據(jù)供熱鍋爐配置的基本原則和熱水鍋爐選型參數(shù)，對熱水鍋爐的數(shù)量和參數(shù)選擇如下：

近期規(guī)劃2021年采用2臺29 MW燃?xì)鉄崴仩t，總供熱負(fù)荷能力為121 MW；遠(yuǎn)期規(guī)劃2025年采用2臺17.5 MW燃?xì)鉄崴仩t，總供熱負(fù)荷能力為161 MW。

3)能源成本分析

近期2021年，總熱量中，熱電聯(lián)產(chǎn)供熱量占75%，燃?xì)忮仩t供熱量占25%，燃?xì)忮仩t主要起調(diào)峰作用；遠(yuǎn)期2025年，總熱量中，熱電聯(lián)產(chǎn)供熱量占56%，燃?xì)忮仩t供熱量占44%。

汽輪機(jī)抽汽熱量價格按照37元·GJ-1計算，燃?xì)忮仩t熱價按照70元·GJ-1計算，通過熱量占比計算出近期熱量成本為45.3元·GJ-1，遠(yuǎn)期熱量成本為51.5元·GJ-1，如表1所示。

表1 汽輪機(jī)抽汽供熱方案熱量占比及熱量成本分析

2.2 高背壓吸收式大溫差供熱方案

1)流程描述

在各熱力站處安裝吸收式換熱，利用一次網(wǎng)高溫?zé)崴鳛轵?qū)動力，驅(qū)動吸收式換熱機(jī)組，降低一次網(wǎng)回水溫度。

對熱電廠一臺抽凝式汽輪機(jī)進(jìn)行高背壓改造，將凝汽背壓提升至33 kPa，對應(yīng)的飽和溫度為71 ℃，可將一次網(wǎng)回水加熱至更高溫度。

原則流程為，一次網(wǎng)供水通過吸收式換熱機(jī)組換熱后，冷卻至20 ℃左右，冷卻后的回水通過熱網(wǎng)返回至熱電廠后，先進(jìn)入一臺抽凝式汽輪機(jī)凝汽器加熱至43 ℃，再經(jīng)過一臺高背壓改造的抽凝式汽輪機(jī)凝汽器加熱至66 ℃，最后根據(jù)供暖負(fù)荷情況，通過調(diào)整汽輪機(jī)抽汽換熱器和燃?xì)忮仩t，將供水加熱至一定溫度送至各換熱站。通過充分回收熱電廠的凝汽潛熱，可提升熱電廠50%左右的供熱能力。詳見圖3。

圖3 原則工藝流程圖

2)熱源改造

通過提高抽凝式汽輪機(jī)凝汽背壓的方式，采用凝汽器回收凝汽潛熱，用于給一次網(wǎng)回水加熱，當(dāng)凝汽背壓在33 kPa時，對應(yīng)飽和溫度為71 ℃左右。汽輪機(jī)的凝汽潛熱主要提供熱網(wǎng)的基礎(chǔ)負(fù)荷，在采暖中期，熱負(fù)荷較大時，為了保證采暖效果，在一次網(wǎng)上設(shè)置熱網(wǎng)尖峰加熱器，利用抽汽和燃?xì)忮仩t來提供尖峰負(fù)荷，在采暖初期和末期，主要利用回收的凝汽潛熱來供暖。

規(guī)劃至2021年、2025年，采暖熱負(fù)荷分別為121、161 MW，根據(jù)供熱鍋爐配置的基本原則和熱水鍋爐選型參數(shù)，對熱水鍋爐的數(shù)量和參數(shù)選擇如下：

近期規(guī)劃2021年建設(shè)2臺17.5 MW燃?xì)鉄崴仩t，總供熱負(fù)荷能力為121 MW；遠(yuǎn)期規(guī)劃2025年建設(shè)1臺17.5 MW燃?xì)鉄崴仩t，總供熱負(fù)荷能力為161 MW。

3)能源成本分析

2021年總熱量中，40 ℃以下熱電聯(lián)產(chǎn)供熱量占33.97%，40 ℃以上熱電聯(lián)產(chǎn)供熱量占64.79%，燃?xì)忮仩t供熱量占1.24%，燃?xì)忮仩t主要起調(diào)峰作用，詳見圖4；遠(yuǎn)期2025年，總熱量中，40 ℃以下熱電聯(lián)產(chǎn)供熱量占25.33%，40 ℃以上熱電聯(lián)產(chǎn)供熱量占60.44%，燃?xì)忮仩t供熱量占14.23%，詳見圖5。

圖4 近期熱負(fù)荷延續(xù)時間曲線圖

圖5 遠(yuǎn)期熱負(fù)荷延續(xù)時間曲線圖

參考相關(guān)文獻(xiàn)[8]，熱力公司和熱電廠熱量分?jǐn)偟姆椒刹捎脺囟葹橐罁?jù)進(jìn)行劃分，40 ℃以下的熱量可免費提供給熱力公司，提高熱力公司降低一次側(cè)回水溫度的動力，40 ℃以上的熱量按照熱電聯(lián)產(chǎn)采購價格37元·GJ-1進(jìn)行結(jié)算。燃?xì)忮仩t熱量成本價格約為70元·GJ-1。通過熱量占比計算出近期熱量成本為24.8元·GJ-1，遠(yuǎn)期熱量成本為32.3元·GJ-1，詳見表2。

表2 大溫差供熱方案熱量占比及熱量成本分析

2.3 方案對比

通過研究分析，吸收式熱泵換熱技術(shù)在降低一次網(wǎng)回水溫度，充分回收電廠凝汽潛熱方面得到了廣泛的研究和應(yīng)用，是電廠余熱回收技術(shù)中值得推廣的一項技術(shù)。一次網(wǎng)回水溫度降低后，為充分回收各種低品位余熱創(chuàng)造了條件，如100 ℃以下，甚至在30～40 ℃溫度的余熱回收，另外還可以降低管網(wǎng)投資，并降低長距離輸送能耗。

從供熱量對比分析來看，由于回水溫度可以降低至20 ℃左右，可以全部回收汽輪機(jī)的凝汽潛熱，大溫差方案較常規(guī)方案可多回收熱量約36 M W，增加了約50%的供熱負(fù)荷，通過凝汽潛熱的回收，可以大大減少燃?xì)忮仩t的負(fù)荷，大溫差方案燃?xì)忮仩t供熱量占比從44%降低至14%，大大降低了供熱成本，燃?xì)忮仩t大部分時間為調(diào)峰運行，詳見表3。通過對兩種方案的供熱熱價對比分析，大溫差方案由于充分回收了凝汽潛熱，熱價較常規(guī)方案優(yōu)勢明顯，可作為本項目的首選方案。

表3 兩種供熱方案能源消耗對比

2.4 熱網(wǎng)運行方案

供暖熱負(fù)荷由于室外溫度、日照、通風(fēng)等方面的變化，往往具有明顯的負(fù)荷波動特性，為了滿足用戶的熱需求，保證供熱質(zhì)量，不過度供熱和供熱不足，同時使熱源和輸送過程經(jīng)濟(jì)合理，就需要對供暖系統(tǒng)進(jìn)行運行調(diào)節(jié)，即供熱調(diào)節(jié)，通常有如下幾種調(diào)節(jié)方式。

1)幾種常見的供熱調(diào)節(jié)方式

(1)質(zhì)調(diào)節(jié)。熱源溫度隨室外溫度變化，當(dāng)室外溫度升高，所需熱負(fù)荷變小，通過調(diào)節(jié)一次網(wǎng)供水溫度來調(diào)整熱源負(fù)荷，即主要是通過調(diào)整熱源溫度來調(diào)整負(fù)荷，而一次網(wǎng)流量一般不做調(diào)整。

(2)量調(diào)節(jié)。熱源流量隨室外溫度變化，當(dāng)室外溫度升高，所需熱負(fù)荷變小，通過調(diào)節(jié)一次網(wǎng)供水流量來調(diào)整熱源負(fù)荷，即主要是通過調(diào)整熱源流量來調(diào)整負(fù)荷，而一次網(wǎng)溫度一般不做調(diào)整。

(3)質(zhì)-量調(diào)節(jié)。熱源隨室外溫度變化，通過同時改變網(wǎng)路的供水溫度和流量，來調(diào)節(jié)熱負(fù)荷。

(4)分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)。用于鍋爐房，按投入鍋爐臺數(shù)確定系統(tǒng)流量，每個階段內(nèi)不主動改變網(wǎng)路的循環(huán)水流量，只改變供水溫度。

(5)分階段的質(zhì)-量調(diào)節(jié)。在某一階段只調(diào)節(jié)供水溫度，在另一階段只調(diào)節(jié)循環(huán)水流量。

2)本項目調(diào)節(jié)運行方式選擇及供熱分析

本項目在運行時，一次熱網(wǎng)主要采用質(zhì)調(diào)節(jié)的方式，由于采用了吸收式換熱機(jī)組，為了保證換熱機(jī)組的運行效果，二次熱網(wǎng)也主要采用質(zhì)調(diào)節(jié)的方式，根據(jù)前述分析，不改變熱網(wǎng)的循環(huán)熱水流量，只對供水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，來滿足供熱質(zhì)量。即保證一次熱網(wǎng)和二次熱網(wǎng)的循環(huán)熱水流量不變，當(dāng)供暖初期，首先采用凝汽器和高背壓凝汽器的熱量滿足初期供熱負(fù)荷，當(dāng)氣溫逐步降低時，啟動抽汽換熱器進(jìn)行加熱，提高供水溫度，當(dāng)抽汽供熱無法滿足供暖需求時，啟動燃?xì)庹{(diào)峰鍋爐滿足尖峰負(fù)荷。當(dāng)至采暖末期，氣溫逐步升高時，采用相反的順序來調(diào)節(jié)，逐步降低一次網(wǎng)供水溫度。

3 結(jié) 論

(1)在北方城鎮(zhèn)的清潔供暖方式中，熱電聯(lián)產(chǎn)是能源綜合利用效率最高的一種方式，采用吸收式熱泵技術(shù)能大幅度提高熱電廠供熱能力；

(2)采用熱負(fù)荷延續(xù)曲線對供熱現(xiàn)狀進(jìn)行分析，可合理地制定熱源方案；

(3)結(jié)合吸收式熱泵技術(shù)，采用高背壓大溫差供熱方案能大幅度地降低供暖成本，具有很好的節(jié)能減排效果；

(4)采用大溫差供熱方案，一次網(wǎng)主要采用質(zhì)調(diào)節(jié)的運營方式，可保證換熱機(jī)組的運行效果和余熱回收效果。