热泵技术及其在火电厂节能中的应用

王东雷

(广东省电力设计研究院，广东 广州 510663)

0 引言

近年来，随着国民经济的高速发展以及工业化和城镇化进程的加快，能源的需求量大幅度上升，经济发展面临能源约束和能源使用带来的环境污染问题越来越突出。依据近3年能源消费增长的趋势来研判，到2020年能源需求量将达40多亿t标准煤，如此巨大的需求，在煤炭、石油、电力供应以及能源安全等方面将会带来严重的问题。若要解决能源约束，一方面要开源，加大国内勘探开发力度，加快工程建设，充分利用国外资源;另一方面，必须坚持节约优先，节能是缓解能源约束矛盾的现实选择，是解决能源环境问题的根本措施。

我国“十二五”规划中提出:坚持把建设资源节约型、环境友好型社会作为加快转变经济发展方式的重要着力点。在“十二五”乃至更长的时间内，“节能减排”将是我国政府工作的重点。

我国能源消费以煤为主，决定了我国发电机组主要是以燃煤为主的火力发电机组。2010年我国火电装机容量达到700GW，到2020年预计可达到1014GW。对于火力发电机组而言，其输入燃料热量的60%以上都散失在了环境中，热量损失形式主要有循环冷却水热量损失(包括凝汽器循环冷却水和辅机循环冷却水，直接空冷机组还包括空冷岛向空气中散发的热量)、锅炉排烟热量损失、锅炉排污热量损失、锅炉排灰渣热量损失和辅机排汽热量损失等。如何利用好这部分“损失”的能量就成为火电厂节能减排的重要课题。

热泵技术可以把低品位的能量转化为高品位的能量，是一种“变废为宝”的先进技术，它可以在火电厂节能减排中发挥重要的作用，对我国建设资源节约型、环境友好型社会具有重要的意义。

1 热泵技术

1．1 热泵及其工作原理

“热泵”这一术语是借鉴“水泵”一词而来的。水泵是将水从低处送到高处而加以利用，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。

热泵是一种能量转移装置，以消耗一部分高品位能(W)为代价，从低温热源中获取热量(Q2)并转移给高温热源热量(Q1)，如图1所示。

图1 热泵工作原理示意图

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。

1．2 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。

1．2．1 机械压缩式热泵

机械压缩式热泵通常由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器4部分组成，其工作原理如图2所示。

图2 机械压缩式热泵工作原理图

机械压缩式热泵可在制热和制冷2种工况下运行。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［3］。

1．2．2 吸收式热泵

吸收式热泵是利用工质对的吸收－解析过程来实现温度提升的热动力装置，它可以分为2种类型。

第1类吸收式热泵AHP(Absorption Heat Pump)也称作增热型热泵，通常由吸收器、发生器、蒸发器、冷凝器、节流阀、溶液泵和热交换器等部件组成，如图3所示。

图3 AHP工作原理图

吸收剂和制冷剂组成的稀溶液(以LiBr－H2O组成的溶液为例)在发生器中吸收高温位热能后，发生浓缩并解析出制冷剂气体，产生的制冷剂气体在冷凝器中高压冷凝为液体并释放出有用的中温位能量;然后，高压液体通过节流阀减压后进入蒸发器，在蒸发器中吸收低温热源的热量并蒸发成低压气体，气体在吸收器中被吸收剂和制冷剂组成的浓溶液吸收变为稀溶液并释放出中温位能量，稀溶液通过泵增压后再回到发生器开始新的循环，其中，吸收剂和制冷剂组成的溶液在吸收器和发生器之间进行循环。

第2类吸收式热泵AHT(Absorption Heat Transformer)也称作升温型热泵，和第1类吸收式热泵组成部件相同，但流程不尽相同，如图4所示。

图4 AHT工作原理图

吸收剂和制冷剂组成的稀溶液(以LiBr－H2O组成的溶液为例)在发生器中吸收中温位热能后发生浓缩并解析出制冷剂气体，产生的制冷剂气体在冷凝器中低压冷凝为液体并释放出能量(被冷却水带走，释放到环境中);然后低压液体由泵送入蒸发器，在蒸发器中吸收中温位能量并蒸发为高压气体，气体在吸收器中被吸收剂和制冷剂组成的浓溶液吸收变为稀溶液并释放出有用的高温位能量，稀溶液通过节流阀降压后再回到发生器开始新的循环。与第1类吸收式热泵一样，吸收剂和制冷剂组成的溶液在吸收器和发生器之间进行循环。

对于AHP和AHT来水而言，吸收剂和制冷剂组成溶液的循环方式是相同的，即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。所不同的是，二者发生吸收和解析作用的压力不同:AHP是在低压下吸收，高压下解析;AHT是在高压下吸收，低压下解析。由于AHT的吸收压力高于AHP的压力，在驱动热源温度相同的情况下，AHT吸收过程释放能量的温度高于AHP吸收过程释放能量的温度，这也是AHT可以产生比驱动热源温位高的能量的原因。

1．2．3 固体吸附式热泵

固体吸附式热泵是利用固体吸附剂在不同温度下对制冷剂气体的吸收和解析作用来驱动热泵循环，通常由吸附床、冷凝器、蒸发器、储液器、节流阀和切换阀等部件组成，如图5所示。

图5 固体吸附式热泵工作原理图

固体吸附床及其附件的作用相当于压缩机，为了使热泵能够连续运行，在通常情况下，并联设置2个吸附床(一床吸附，另一床解析)。制冷剂在蒸发器中吸收热量升温蒸发后进入吸附床，此时吸附床被外界冷却并吸附制冷剂气体，同时，另一个吸附床被外界加热并发生解析，该床内压力升高，当达到冷凝压力后，制冷剂气体进入冷凝器，在冷凝器中放出热量并凝结后通过节流阀减压后再次进入蒸发器开始下一个循环。

与压缩式和吸收式热泵相比，固体吸附式热泵无任何运转部件，耗电少(仅为压缩式的1/30)，无噪声，无污染，投资低，寿命长，系统结构简单，金属消耗少并能工作在振动、冲击场合，运行控制方便。

1．2．4 固体化学反应式热泵

固体化学反应式热泵是利用气－固可逆化学反应过程来实现温度提升的热动力装置，它与固体吸附式热泵的工作原理类似，本文不作详细介绍。

1．2．5 蒸汽喷射式热泵

蒸汽喷射式热泵通常由喷嘴、吸入室、混合室和扩压室4部分组成，其结构如图6所示。

图6 蒸汽喷射式热泵工作原理图

高压驱动蒸汽从喷嘴喷出后变为高速流体，使吸入室形成低压空间，从而吸入低压蒸汽，驱动蒸汽和低压蒸汽在混合室进行混合和能量交换并达到速度均衡，随后进入扩压室。伴随着流体速度的降低，蒸汽的压力得到了提升，当蒸汽压力达到可以使用的压力后即可作为他用，这样，就达到了回收利用低压蒸汽的目的。

1．3 热泵性能评价指标

热泵是否具有节能效果，要看其最重要的评价指标—性能系数(也称作制热系数εh)的高低。热泵的性能系数等于制热量(Q2)与耗功量(W)之比

式中:εc=Q1/W，称为制冷系数。

热泵的性能系数不仅与2个热源的温度有关，还与工质的种类、过热度、过冷度等因素有关。一般的水源热泵机组，在供水温度为9～20℃时，制热系数为3．6～4．1;在供水温度为15～30℃时，制冷系数为 4．3～5．5［4］。

由于不同的热泵所用一次能源的形式不同，所采用的热泵系统形式也不尽相同，单用性能系数不能全面反映热泵性能的优劣。通常还需要引入一次能源利用率(E)来衡量热泵系统的能源利用有效性。一次能源利用率即系统输出的总能量与系统一次能源消耗量的比值:

一次能源利用率(E)=系统输出的总能量/系统一次能源消耗量。

对于由电力驱动的机械压缩式热泵来说

式中: ηp，ηt，ηd，ηm分别为电厂效率、输配电效率、电动机效率和压缩机机械效率［5］。

2 热泵技术在火电厂节能中的应用

2．1 利用热泵技术回收火电厂循环冷却水中的能量

2．1．1 以火电厂循环冷却水为低温热源的热泵系统介绍

电厂循环冷却水温度一般在50℃以下，属于低品位能量，直接利用范围狭窄，利用热泵技术使循环冷却水的温度得到提升后即可以再利用。电厂循环冷却水中蕴含的能量巨大(对于1000MW火电机组而言，仅凝汽器循环冷却水量就有35～45m3/s，所蕴含的热量为 1．5～1．9GJ/s［6］)、流量稳定、水质相对清洁、水温合适(电厂循环冷却水的温度高于环境温度约10℃，通常在热泵系统要求的温度范围内)，这些特点使其非常适合作为热泵系统的低温热源。以循环冷却水作为低温热源的热泵系统，结构简单，制热系数较高，可以稳定利用电厂余热资源，提高电厂综合利用效率，达到余热利用和节能减排的双重效果。

2．1．2 利用热泵技术回收循环冷却水热量的用途

2．1．2．1 用于供暖

利用热泵技术可以实现利用循环冷却水余热供暖，循环冷却水－热泵供暖系统基本原理如图7所示。把循环水系统与供暖系统分隔开来，这时热泵中的蒸发器相当于传统循环水冷却方式中的冷却塔，压降和温降也与其相当，因此，对原来循环水系统的影响较小，对电厂更有利的是可以减少冷却塔的负荷，节省冷却塔的运行费用。

图7 循环冷却水－热泵供暖系统基本原理图

为了减少管网输送热损失和热泵投资，供暖系统采用分布式布置，即热泵装置(热力站)布置在用户端。一次管网把电厂循环水输送到热力站，通过热泵装置加热二次管网内的采暖用水，采暖用水则直接输送至用户末端换热设备。由于受水温的限制，用户一般采用低温地板辐射式供热方式。根据用户所在区域的能源供应情况，热泵装置可以选择机械压缩式、吸收式、固体吸附式或者固体化学反应式等，驱动能源可以选择电力、蒸汽、热水、燃气和天然气等，具体热泵形式和驱动能源的选择还要通过技术经济性比较而确定。

循环水供热由于供、回水温差较小(10～15℃)，同样供热负荷下较城市热网需要更大的管网投资和水泵电耗。因此，循环水供热的适用范围为电厂周边半径3～5 km［7］。如果二次管网内的采暖用水再用传统热网加热器利用抽汽加热进一步升温，则可以实现远距离供热。循环水供热和目前多数热电厂采用的抽汽供热方式相比也具有优势，实际算例表明，当凝汽器温度高于33．65℃时，热泵供热比抽汽供热更为经济［8］。

国电大同第二发电厂余热回收集中供热工程采用热泵和热网加热器联合供热方式，以#9，#10机组(超临界660MW)0．98MPa，355℃部分抽汽减温减压至0．80MPa，355℃的蒸汽为驱动热源，利用溴化锂吸收式热泵机组提取#9，#10机组辅机循环水冷却水余热，进、出热泵的辅机循环水温度分别为35℃和27℃。热网回水先经过热泵由60℃加热到90℃，在极寒冷期，再通过汽水换热器利用抽汽(0．98MPa，355℃)加热，将热水温度提高到约120℃，然后向大同市区供热。工程于2011年3月投入运行，热泵机组性能系数达到设计值1．67，回收余热量为1．86×106GJ，新增加供热面积200多万m2，节约标煤约7．00 万 t，减少 CO2排放 19．42 万 t，减少SO2排放0．17万t，工程投资回收期3．54年。工程于2011年4月底通过了专家评审，被认为是一种新型的热电联产集中供热模式，是在国内大型火力发电厂的首次规模化使用［9］。

2．1．2．2 用于电厂回热系统

利用热泵装置回收循环冷却水余热可以返回热力系统中用于加热凝结水，减少相应低压加热器的抽汽消耗量，从而增加电厂的发电量，降低电厂的发电煤耗值。其中，热泵系统既可以从凝结水泵出口引入热力系统，也可以从某级加热器出口处引入热力系统，热泵系统既可以取代单级加热器，也可以取代多级加热器。利用热泵回收循环冷却水热量回馈热力系统方案是否具有节能性取决于热泵装置性能系数的高低，只有当性能系数大于临界值时才是节能的［10］。根据热泵系统的性能和不同机组的特点，余热回馈存在一个最佳取代级，此时发电厂热经济性最高。热泵回收循环冷却水热量回馈热力系统基本原理如图8所示。

图8 热泵回收循环冷却水热量回馈热力系统基本原理图

2．1．2．3 用于加热锅炉进风

在电厂中，锅炉暖风器利用辅助蒸汽来加热锅炉进风，从而提高空气预热器的进口空气温度，防止空气预热器发生低温腐蚀。如果用热泵装置回收循环冷却水余热再加热锅炉进风的话，则可以减少辅助蒸汽用量，也可减少抽汽消耗量，从而提高电厂的热经济性。另外，暖风器的加热介质由蒸汽变为热水，理论上可以改善暖风器运行中出现的泄漏和水击问题，但能否改善，仍需进一步验证［11］。

2．1．2．4 用于农业生产

电厂一般建在离城市比较远的地方，如果为了利用余热铺设热管网的话，初投资和运行费用都比较大，会直接影响热泵回收电厂余热供热方案的经济性。而如果在电厂附近建设日光大棚进行农业种植和养殖，则可以形成稳定的近距离热量需求，既可以有效利用电厂余热，又可以提高大棚的农业生产效率，增加农民收入［12］。

2．2 利用热泵技术回收锅炉排污能量

锅炉连续排污量一般为锅炉蒸发量的1%～5%，且压力和温度很高，电厂一般会设置连续排污扩容器对锅炉排污热量与工质进行回收。但在实际应用中，由于运行和技术方面的原因，连续排污扩容中蒸汽压力和液位波动很大且不易控制，难以将排污水闪蒸出的蒸汽可靠回收至热力系统［13］。如果利用排污水闪蒸出的蒸汽来驱动热泵(吸收式、固体吸附式或者固体化学反应式热泵)，以回收锅炉排污热量，同时可以回收循环冷却水中的热量(以循环冷却水为低温热源)，可以一举两得［11－13］。

2．3 利用热泵技术回收除氧器排汽热量

在火电厂中，除氧器排汽会造成大量的工质损失和热能浪费，如果能够回收这部分排汽，其节能效果相当显著。把蒸汽喷射式热泵应用于除氧器排汽系统，可以将除氧器废汽回收与自动除氧除氧系统有机结合，不但可以减少投资，而且可以增加设备运行的安全性［14］。蒸汽喷射式热泵出口的蒸汽压力稳定且能量品位较高，具有广泛用途。

3 热泵技术在火电厂节能应用中的几点建议

3．1 电厂烟气余热的利用

锅炉排烟热损失是电厂锅炉热损失中最大的一项，一般占电厂燃料热量的5%～8%，占锅炉总热损失的80%或更高，这部分能量的再利用对电厂节能减排具有显著意义。可以研究利用烟气来驱动热泵装置从而回收烟气余热的可行性［15－18］。

3．2 第2类吸收式热泵在电厂节能中的应用

第2类吸收式热泵可利用中间温度的废热与低温热源之间的热势差，制取热量少但温度高于中温废热的热水或蒸汽。可以利用电厂余热来驱动第2类吸收式热泵，从而获得比余热温度更高的热水或蒸汽，这样可以替代高温抽汽，增加电厂发电量，提高电厂热效率;也可以将热水和蒸汽应用于供暖等其他方面［19－22］。

3．3 电厂回收余热的再利用

电厂附近是否有稳定的能量用户对热泵技术能否在电厂节能中应用具有决定性意义。在实际情况下，有一部分电厂是作为工业园区的自备电厂而建设的，对于这些电厂来说，可从整个工业园区节能的角度出发，对工业生产和园区生活中的能量需求进行详细分析并与电厂中应用热泵技术能提供的能量进行对比，把这部分回收能量应用于合适的生产过程或者生活中。

4 结束语

在火力发电厂中，有60%左右的输入燃料热量都散失在了环境中，这是对能源的极大浪费。如何利用好这部分损失能量，对我国建设资源节约型、环境友好型社会具有重要的现实意义。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。从节约能源和保护环境的角度出发，在火电厂中推广应用热泵技术是必要的，它具有广阔的市场前景［23－24］。

［1］蔡秀丽，庞翠平，李静．水源热泵技术介绍［J］．邢台职业技术学院学报，2004，10(5):50 －51．

［2］朱明善，林兆庄，刘颖，等．工程热力学［M］．北京:清华大学出版社，1995．

［3］张旭．热泵技术［M］．北京:化学工业出版社，2007．

［4］吴建中，李宝林．水源热泵在电厂中的应用分析［J］．建筑热能通风空调，2005，24(1):61 －63．

［5］陈军，谢冬梅，李心刚．电厂余热资源的有效利用［J］．节能与环保，2006(4):32－34．

［6］贺益英．关于火、核电厂循环冷却水的余热利用问题［J］．中国水利水电科学研究院学报，2004，2(4):315－320．

［7］吴星，付林，胡鹏．电厂循环水供热技术的研究与应用［J］．区域供热，2008(4):4 －7．

［8］孙志新，戴义平，王江峰，等．电厂循环水水源热泵供热系统可行性分析［J］．暖通空调，2011，41(3):133 －136．

［9］王鸿，郑文华，王江川．大同二电厂探索大型热电联产供热新模式［N］．经济日报，2011－06－24(16)．

［10］雷学丽，韩雪，马颜亮．发电厂循环水废热回馈热力系统的模式探讨［J］．长春工程学院学报(自然科学版)，2010，11(4):52 －54．

［11］周振起，马玉杰，王世勇，等．吸收式热泵在锅炉暖风器中的应用研究［J］．节能，2010(6):72－75．

［12］王东鹏，任兵．电厂余热利用的分析与探讨［J］．科学之友，2010(12):3－4．

［13］李中华，刘建军，柳正军，等．电站锅炉排污热回收新技术应用研究［J］．华东电力，2000(5):29－30．

［14］王泳涛，陈炜．热泵技术在火电厂除氧器废汽回收上的应用［J］．节能与环保，2007(2):31－32．

［15］马最良，姚杨，姜益强，等．热泵技术应用理论基础与实践［M］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［16］陈东，谢继红．热泵技术及其应用［M］．北京:化学工业出版社，2008．

［17］DL/T 359—2010，电蓄冷(热)和热泵系统现场测试规范［S］．

［18］张广全．对IGCC电站中废热锅炉技术的探讨［J］．华电技术，2008，30(2):29 －33．

［19］张馨．电厂安全阀排汽管道热力计算及应用．［J］．华电技术，2011，33(11):9 －11．

［20］王长河，陈光，王宝玉．基于吸收式热泵的大型火电厂冷凝废热回收技术研究［J］．制冷空调与电力机械，2011，32(4):90 －92．

［21］任泽霈，蔡睿贤．热工手册［M］．北京:机械工业出版社，2002．

［22］王枫．电厂循环水余热利用方案［D］．北京:华北电力大学，2010．

［23］李浙．循环热泵系统变水量运行分析［J］．暖通空调，2005，35(12):120 －122．

［24］丁力行．水源热泵在湖南地区应用的经济性分析［J］．流体机械，2000，28(12):57 －59．