開式循環方式

 

  火電廠循環冷卻水在冬季一般為20e~35e,這個溫度高于當時環境的空氣溫度及土地溫度,因此循環水是品質較高的低位熱源。水源熱泵技術較成熟,它不同于傳統的中央空調,其運行耗能約為中央空調系統的50%~60%[8]。開式循環的方式

 

  適用于火電廠周邊有豐富的水資源,如江河水,在這樣環境中的火電廠本身也不需要建設冷卻塔,而是直接取自江河水,經過循環水泵進入循環系統冷卻排汽,換熱完成后又直接排入江河,完成一次循環。這種方式回收循環水余熱的流程如圖2所示。

 

  在這樣的條件下利用熱泵回收循環水余熱,其余熱空間受限于入口江河水的溫度,而這個溫度隨季節改變而變化,在使用熱泵供熱的冬季,其江河水的溫度恰好很低,在機組負荷及其他換熱條件一定的前提下,換熱完成后循環水出口溫度也隨之降低,從這樣的低溫熱源中吸熱而將生活用水加熱至

 

  80e以上的熱水則需要借助于高溫熱泵技術,而這種技術的研究也是當前熱泵研究的焦點與難點,如清華大學劉希南等人研制的HTR01高溫工質可將熱水提高到85e以上[9],東南大學徐衛榮等人研究自復疊熱泵系統實現供熱溫度的提升[10];此外,開式循環對水質的要求也很高,實際運用中除沙除垢的成本很高,所以這種方式僅停留于研究階段,得以應用還有待進一步深入發展。

 

  閉式循環方式

 

  閉式循環方式適用于火電廠采用冷卻塔進行循環水冷卻的情形,這種情況下循環水水質好,溫度穩定,是很好的低位熱源,目前在國內已有工程應用的先例,其回收循環水余熱的方式包括部分循環水去熱泵和完全取代冷卻塔兩種方式。

 

  部分循環水去熱泵循環方式

 

  出于當地供熱負荷以及熱泵系統性能的限制,從凝汽器出來的大容量出口循環水只有一部分進入熱泵系統并在蒸發器中被制冷劑吸熱,降溫后進入循環水池繼續參與循環水系統的循環過程,而另外一部分未進熱泵系統的循環水則仍然進入冷卻塔,完成換熱后與經過熱泵循環后的循環水在循環水池中混合,然后一同進入凝汽器參與新一輪的循環,其循環過程如圖3所示。這種方式可調性強,對熱泵機型的容量選擇余地大,也有助于電廠根據工況進行靈活調節裕量,是值得推廣的一種循環方式,如北京某電廠當前的余熱利用方式就是這種形式,從循環水母管中分出一支用于熱泵冷源,其他循環水仍然通過冷卻塔進行冷卻。

 

  取代冷卻塔循環方式

 

  隨著熱泵技術的深入發展,如圖4所示,利用熱泵系統完全取走從凝汽器出來的循環水余熱并用于其他供熱,同時將循環水冷卻降溫后繼續進入凝汽器參與新一輪的循環過程。這種方式用熱泵機組取代了冷卻塔,對熱泵系統的性能要求較高,卻是未來火電廠冷卻循環水技術與熱泵技術的發展趨勢,特別適用于北方缺水的地區,如新疆烏魯木齊等地,能使原來通過冷卻塔散失的水降低至零,大大節省用水量。以國產引進型600MW機組為例,

 

  一年需要1 000萬t的循環水量,以熱泵系統節約90%水量計算,每年可節省900萬t的水,這個數目是相當可觀的。這種方式無疑是今后幾十年熱泵機組應用于電廠余熱回收的技術方向,取代冷卻塔全部回收循環水余熱所帶來的能源和環保效益是顯著的,不過投資成本及維護費用也隨之上升,需要大力發展相關技術以期更廣泛地應用。

 

  取代凝汽器循環方式

 

  循環水的余熱歸根溯源主要來源于低壓缸排汽的熱量,如果考慮用氣源熱泵代替水源熱泵而直接從排汽中吸取熱量,將節省用循環水吸收排汽熱量的環節,從而提高熱交換效率,且回收的余熱既可用于冬季的生活供熱,也可常年用于加熱凝結水,參與火電廠的熱力循環。

 

  低壓缸的排汽進入熱泵系統的蒸發器被制冷劑吸取汽化潛熱并液化成水,低熱量的水通過水泵加壓進入熱泵系統的冷凝器吸取通過壓縮機壓縮形成的高溫制冷劑熱量,成為具有一定溫度的凝結水進入下一個加熱器,參與火電廠的熱力循環。這種循環方式利用火電廠本身的排汽能量參與熱力循環,不僅省去了凝汽器和冷卻塔的投資,更能在運行當中節省煤耗和水量,是一種環保節能型的運行方式。據相關文獻報道[11],一臺600MW機組每年可節煤40 055t,以750元/t煤計算,每年可節約3 000萬人民幣。這種方式較之前幾種循環方式更節能,更具有前瞻性,這種技術利用熱泵機組直接回收乏汽余熱,其潛熱能量巨大,而且省去了將余熱傳遞給循環水的過程,減少了傳熱損失,大大提高余熱利用率,將是未來新建火電廠的一種技術參考,不過這種方式對機組和系統的影響大,有待于進一步研究和試驗。

 

  取代低壓加熱器循環方式

 

  如果火電廠當地的供熱負荷有限或者當地四季溫差不大沒有供熱需求,那么利用循環水余熱常年加熱火電廠凝結水,即取代部分低壓加熱器的循環方式將是熱泵應用的新途徑,也是火電廠余熱利用的新方式,其流程圖如圖6所示。從凝汽器出來的循環水一部分進入冷卻塔冷卻,另一部分則進入熱泵機組蒸發器被制冷劑吸取熱量后重新進入凝汽器參與循環,而熱泵機組將從循環水中吸取的這部分熱量經過壓縮機壓縮做功,在冷凝器中加熱凝結水。實質上,熱泵機組冷凝器就充當了軸封加熱器以及部分低壓加熱器或全部低壓加熱器,至于取代多少低壓加熱器,則視機組大小及熱泵性能的情況而定,如Bi Qingsheng等人對這種方式的最優組合進行了模擬計算。這種方式能夠簡化電廠加熱系統,是系統優化和節能的有效途徑,不過目前也僅停留在理論研究階段,其對機組和系統的影響將是今后研究的方向和重點。