1.回收電廠(chǎng)循環(huán)水余熱的意義
能源是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎,深入開(kāi)展節能工作,不僅是緩解能源矛盾和保障國家經(jīng)濟安全的重要措施,而且也是提高經(jīng)濟增長(cháng)質(zhì)量和效益的重要途徑。本世紀的頭20 年,我國工業(yè)化和城鎮化進(jìn)程將進(jìn)一步加快,需要較高的能源增長(cháng)作為支撐。因此,節能工作對促進(jìn)整個(gè)經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的作用日益凸顯,國家已經(jīng)把節能作為可持續發(fā)展的大政策。
目前,我國大中型城市普遍存在著(zhù)集中供熱熱源不能滿(mǎn)足迅速增加的供熱需求的情況,而新建大型熱源投資高、建設周期長(cháng),并受到城市環(huán)境容量的強烈制約。
為了緩解供熱緊張的局面,一些地方盲目發(fā)展小型燃煤鍋爐房,嚴重惡化了城市的大氣環(huán)境;一些城市盲目發(fā)展燃氣采暖、甚至電熱采暖,在帶來(lái)高采暖成本的同時(shí),也引發(fā)了城市的燃氣和電力資源的全面緊張。一方面,是燃用高品位的化石燃料來(lái)提供低品位的熱能用于供暖和提供生活熱水。另一方面,城市周邊的火力發(fā)電廠(chǎng)在發(fā)電過(guò)程中,通過(guò)冷卻塔將大量的低品位熱量排放到大氣中,造成了巨大的能源浪費和明顯的環(huán)境濕熱影響。因此,如果能將循環(huán)冷卻水余熱用于供熱(采暖、生活熱水等),不僅能夠減少電廠(chǎng)冷卻水散熱造成的水蒸發(fā)損失和環(huán)境的熱污染,而且能夠緩解采暖帶來(lái)燃氣和電力資源的緊張局面。同時(shí),實(shí)現能源的梯級利用,節約大量燃料,提高能源綜合利用率。
北京五大熱電廠(chǎng)和熱力集團所屬六個(gè)供熱廠(chǎng)的供熱能力都已達到極限。北京熱電廠(chǎng)普遍采用的抽凝式汽輪機組,即使在冬季最大供熱工況下,也有占熱電廠(chǎng)總能耗10~20%的熱量由循環(huán)水(一般通過(guò)冷卻塔)排放到環(huán)境。根據調研,北京并入城市熱網(wǎng)的四大熱電廠(chǎng)在冬季可利用的循環(huán)水余熱量就達1000MW 以上,遠期規劃余熱量將達約1700MW。如果將這些余熱資源加以利用,僅僅考慮有效利用現有的余熱量,就相當于在不新增電廠(chǎng)裝機容量和不增加當地污染物排放的情況下,可新增供熱面積3000 萬(wàn)平方米以上。因此,利用電廠(chǎng)循環(huán)水余熱供熱是一種極具吸引力的城市集中供熱新形式。
2.電廠(chǎng)循環(huán)水余熱供熱技術(shù)現狀
2.1汽輪機低真空運行供熱技術(shù)
凝汽式汽輪機改造為低真空運行供熱后,凝汽器成為熱水供熱系統的基本加熱器,原來(lái)的循環(huán)冷卻水變成了供暖熱媒,在熱網(wǎng)系統中進(jìn)行閉式循環(huán),可有效利用汽輪機凝汽所釋放的汽化潛熱。當需要更高的供熱溫度時(shí),則在尖峰加熱器中進(jìn)行二級加熱。盡管低壓缸真空度提高后,在相同的進(jìn)汽量條件下與純凝工況相比,發(fā)電量減少了,并且汽輪機的相對內效率也有所降低,但因降低了熱力循環(huán)中的冷源損失,系統總的熱效率仍會(huì )有很大程度的提高。
傳統的低真空運行供熱技術(shù)受到兩方面的限制:首先,傳統的低真空運行機組類(lèi)似于背壓式供熱機組,通過(guò)的蒸汽量取決于用戶(hù)熱負荷的大小,所以發(fā)電功率受到用戶(hù)熱負荷的制約,不能分開(kāi)進(jìn)行獨立的調節,即其運行是"以熱定電",因此只適用于熱負荷比較穩定的供熱系統;其次,凝汽式汽輪機改造為低真空運行供熱時(shí),對小型和少數中型機組而言,在經(jīng)過(guò)嚴格的變工況運行計算,對排汽缸結構、軸向推力的改變、末級葉輪的改造等方面做出嚴格校核和一定改動(dòng)后方可以實(shí)行,而這對現代大型機組則是不允許的,尤其對于中間再熱式大型汽輪機組,凝汽壓力過(guò)高會(huì )使機組的末級出口蒸汽溫度過(guò)高且蒸汽的容積流量過(guò)小,從而會(huì )引起機組的強烈振動(dòng),危及運行安全。
2.2熱泵回收余熱技術(shù)
電廠(chǎng)循環(huán)水與目前常用的低溫熱源相比,具有顯著(zhù)的優(yōu)勢:蘊含的熱量巨大,溫度適中且穩定;水質(zhì)好,與地表水、城市污水相比,不會(huì )因腐蝕、阻塞等因素影響傳熱效果;環(huán)保效果顯著(zhù),由于利用余熱,可減少冷卻塔向環(huán)境的散熱和水分蒸發(fā),降低對電廠(chǎng)周邊環(huán)境的熱濕污染。近幾年,熱泵技術(shù)在我國得到了普遍推廣應用,熱泵可以采用吸收式,利用蒸汽、燃氣等作為驅動(dòng)能源;也可以采用壓縮式,利用電力作為驅動(dòng)能源。
其中分布式電動(dòng)熱泵供熱方式是將電動(dòng)壓縮式熱泵分散置于各小區熱力站中,同時(shí)將電廠(chǎng)凝汽器出口的循環(huán)水引至各小區的熱力站,進(jìn)入熱泵機組降溫后再返回電廠(chǎng)凝汽器中被汽輪機排汽加熱,完成循環(huán);熱泵回收循環(huán)水余熱加熱二次網(wǎng)熱水為用戶(hù)供暖或提供生活熱水。
集中式電動(dòng)熱泵供熱方式是將電動(dòng)壓縮式熱泵機組集中設置于電廠(chǎng)內,凝汽器出口的部分循環(huán)水進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器,作為低位熱源,放熱降溫后返回凝汽器中被汽輪機排汽加熱,完成循環(huán);將一次網(wǎng)70℃回水由熱泵一級加熱至80~90℃,再由汽—水換熱器二級加熱至130℃后送入城市熱網(wǎng)中。
3.電廠(chǎng)循環(huán)水余熱回收供暖與改造分析
3.1改造后的特征
電廠(chǎng)循環(huán)水供暖是一項重大節能應用技術(shù),受到發(fā)電廠(chǎng)的普遍重視。具有以下特點(diǎn):
?。?)節約人力、設備及換熱站的投資。利用該技術(shù)是把熱電廠(chǎng)汽輪機加熱的循環(huán)水直接供到千家萬(wàn)戶(hù),不需建設各區換熱站,這樣可以節約管理?yè)Q熱站的人力和換熱站所有設備的投資及固定廠(chǎng)房、供電、供汽、供水系統等。
?。?)布局合理,安裝方便。該技術(shù)供水溫度在70℃以下,管道膨脹比蒸汽管道小好幾倍,可以直埋地下,避免了原來(lái)蒸汽管道在城區內架空安裝,并設有許多過(guò)道彎和膨脹彎,影響市區美觀(guān)。布局合理是指該供暖系統可以按照市街道規劃處所布局的生活居住的大小設計各街道的地下供水管道,形成整個(gè)市區的閉式供回水管網(wǎng),減少了各城區內多處建設的蒸汽換熱站,并減少了到換熱站的蒸汽管道和換熱后的供水管道,使管網(wǎng)布局最為合理。安裝方便是指該供暖的供回水管網(wǎng)直接沿街道延伸到各住戶(hù)樓接口。各住戶(hù)樓可以直接接入使用。
?。?)運行安全可靠,溫度全天舒適。該技術(shù)是由熱電廠(chǎng)汽輪機冷卻系統與各采暖用戶(hù)構成的封閉循環(huán),所以只要熱電廠(chǎng)不發(fā)生重大事故,該采暖系統均可穩定運行,不受區域性停水停電的影響,故運行安全可靠。又因為屬水暖系統,并且全天汽輪機是根據天氣情況,以用戶(hù)需要的溫度來(lái)調整電負荷穩定運行,所以保證天天24h 室內溫度舒適。
3.2對余熱的拓展利用
一般蔬菜的適宜生長(cháng)溫度在18~35℃。對于北方地區,在冬季日光大棚不能滿(mǎn)足植物的生長(cháng)溫度,并且大棚內的溫度不穩定,一天的溫差過(guò)大,嚴重影響農業(yè)生產(chǎn)效益。所以在冬季為日光溫室大棚供熱可以為北方的農業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)許多有利因素。例如可以穩定大棚內的溫度,使農作物可以正常生長(cháng),避免用一些對人體有害的藥物促使植物生長(cháng)。其次,提高溫度后,農藥的自然降解加快,使農作物上的殘留農藥減少,易于清洗。我國的煤礦大部分分布在北方,電廠(chǎng)分布除了幾個(gè)大城市如上海、天津、廣州和廣東、江蘇、浙江幾個(gè)發(fā)展較快的省份電廠(chǎng)較多外,基本上和煤礦地理分布一致。近年來(lái)北方產(chǎn)煤區為了減少煤矸石和煤堆放產(chǎn)生環(huán)境污染,建有數量不少的中小電廠(chǎng),會(huì )產(chǎn)生大量的電廠(chǎng)余熱。由此北方冬季為日光大棚供熱的條件是具備的。由熱泵提高溫度后的循環(huán)水溫一般為60℃左右,能使日光大棚的溫度相對穩定,可以提高大棚的農業(yè)生產(chǎn)效率,有利于農民增收。
總結
利用水源熱泵回收電廠(chǎng)循環(huán)水的熱量,可減少循環(huán)水的蒸發(fā)損失以及對環(huán)境造成的熱污染,能較好地實(shí)現能源的梯級利用,不僅技術(shù)上可行,而且在溫度條件適宜的地區,系統可實(shí)現冬、夏兩季的空調負荷調節,其運行費用較低、經(jīng)濟上合理,適合作為電廠(chǎng)及其周邊小區的集中供熱制冷系統,整個(gè)系統穩定可靠、舒適性較高,充分體現了系統的經(jīng)濟性、節能性、環(huán)保性的優(yōu)點(diǎn),應在有條件的地區大力推廣。
能源是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎,深入開(kāi)展節能工作,不僅是緩解能源矛盾和保障國家經(jīng)濟安全的重要措施,而且也是提高經(jīng)濟增長(cháng)質(zhì)量和效益的重要途徑。本世紀的頭20 年,我國工業(yè)化和城鎮化進(jìn)程將進(jìn)一步加快,需要較高的能源增長(cháng)作為支撐。因此,節能工作對促進(jìn)整個(gè)經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的作用日益凸顯,國家已經(jīng)把節能作為可持續發(fā)展的大政策。
目前,我國大中型城市普遍存在著(zhù)集中供熱熱源不能滿(mǎn)足迅速增加的供熱需求的情況,而新建大型熱源投資高、建設周期長(cháng),并受到城市環(huán)境容量的強烈制約。
為了緩解供熱緊張的局面,一些地方盲目發(fā)展小型燃煤鍋爐房,嚴重惡化了城市的大氣環(huán)境;一些城市盲目發(fā)展燃氣采暖、甚至電熱采暖,在帶來(lái)高采暖成本的同時(shí),也引發(fā)了城市的燃氣和電力資源的全面緊張。一方面,是燃用高品位的化石燃料來(lái)提供低品位的熱能用于供暖和提供生活熱水。另一方面,城市周邊的火力發(fā)電廠(chǎng)在發(fā)電過(guò)程中,通過(guò)冷卻塔將大量的低品位熱量排放到大氣中,造成了巨大的能源浪費和明顯的環(huán)境濕熱影響。因此,如果能將循環(huán)冷卻水余熱用于供熱(采暖、生活熱水等),不僅能夠減少電廠(chǎng)冷卻水散熱造成的水蒸發(fā)損失和環(huán)境的熱污染,而且能夠緩解采暖帶來(lái)燃氣和電力資源的緊張局面。同時(shí),實(shí)現能源的梯級利用,節約大量燃料,提高能源綜合利用率。
北京五大熱電廠(chǎng)和熱力集團所屬六個(gè)供熱廠(chǎng)的供熱能力都已達到極限。北京熱電廠(chǎng)普遍采用的抽凝式汽輪機組,即使在冬季最大供熱工況下,也有占熱電廠(chǎng)總能耗10~20%的熱量由循環(huán)水(一般通過(guò)冷卻塔)排放到環(huán)境。根據調研,北京并入城市熱網(wǎng)的四大熱電廠(chǎng)在冬季可利用的循環(huán)水余熱量就達1000MW 以上,遠期規劃余熱量將達約1700MW。如果將這些余熱資源加以利用,僅僅考慮有效利用現有的余熱量,就相當于在不新增電廠(chǎng)裝機容量和不增加當地污染物排放的情況下,可新增供熱面積3000 萬(wàn)平方米以上。因此,利用電廠(chǎng)循環(huán)水余熱供熱是一種極具吸引力的城市集中供熱新形式。
2.電廠(chǎng)循環(huán)水余熱供熱技術(shù)現狀
2.1汽輪機低真空運行供熱技術(shù)
凝汽式汽輪機改造為低真空運行供熱后,凝汽器成為熱水供熱系統的基本加熱器,原來(lái)的循環(huán)冷卻水變成了供暖熱媒,在熱網(wǎng)系統中進(jìn)行閉式循環(huán),可有效利用汽輪機凝汽所釋放的汽化潛熱。當需要更高的供熱溫度時(shí),則在尖峰加熱器中進(jìn)行二級加熱。盡管低壓缸真空度提高后,在相同的進(jìn)汽量條件下與純凝工況相比,發(fā)電量減少了,并且汽輪機的相對內效率也有所降低,但因降低了熱力循環(huán)中的冷源損失,系統總的熱效率仍會(huì )有很大程度的提高。
傳統的低真空運行供熱技術(shù)受到兩方面的限制:首先,傳統的低真空運行機組類(lèi)似于背壓式供熱機組,通過(guò)的蒸汽量取決于用戶(hù)熱負荷的大小,所以發(fā)電功率受到用戶(hù)熱負荷的制約,不能分開(kāi)進(jìn)行獨立的調節,即其運行是"以熱定電",因此只適用于熱負荷比較穩定的供熱系統;其次,凝汽式汽輪機改造為低真空運行供熱時(shí),對小型和少數中型機組而言,在經(jīng)過(guò)嚴格的變工況運行計算,對排汽缸結構、軸向推力的改變、末級葉輪的改造等方面做出嚴格校核和一定改動(dòng)后方可以實(shí)行,而這對現代大型機組則是不允許的,尤其對于中間再熱式大型汽輪機組,凝汽壓力過(guò)高會(huì )使機組的末級出口蒸汽溫度過(guò)高且蒸汽的容積流量過(guò)小,從而會(huì )引起機組的強烈振動(dòng),危及運行安全。
2.2熱泵回收余熱技術(shù)
電廠(chǎng)循環(huán)水與目前常用的低溫熱源相比,具有顯著(zhù)的優(yōu)勢:蘊含的熱量巨大,溫度適中且穩定;水質(zhì)好,與地表水、城市污水相比,不會(huì )因腐蝕、阻塞等因素影響傳熱效果;環(huán)保效果顯著(zhù),由于利用余熱,可減少冷卻塔向環(huán)境的散熱和水分蒸發(fā),降低對電廠(chǎng)周邊環(huán)境的熱濕污染。近幾年,熱泵技術(shù)在我國得到了普遍推廣應用,熱泵可以采用吸收式,利用蒸汽、燃氣等作為驅動(dòng)能源;也可以采用壓縮式,利用電力作為驅動(dòng)能源。
其中分布式電動(dòng)熱泵供熱方式是將電動(dòng)壓縮式熱泵分散置于各小區熱力站中,同時(shí)將電廠(chǎng)凝汽器出口的循環(huán)水引至各小區的熱力站,進(jìn)入熱泵機組降溫后再返回電廠(chǎng)凝汽器中被汽輪機排汽加熱,完成循環(huán);熱泵回收循環(huán)水余熱加熱二次網(wǎng)熱水為用戶(hù)供暖或提供生活熱水。
集中式電動(dòng)熱泵供熱方式是將電動(dòng)壓縮式熱泵機組集中設置于電廠(chǎng)內,凝汽器出口的部分循環(huán)水進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器,作為低位熱源,放熱降溫后返回凝汽器中被汽輪機排汽加熱,完成循環(huán);將一次網(wǎng)70℃回水由熱泵一級加熱至80~90℃,再由汽—水換熱器二級加熱至130℃后送入城市熱網(wǎng)中。
3.電廠(chǎng)循環(huán)水余熱回收供暖與改造分析
3.1改造后的特征
電廠(chǎng)循環(huán)水供暖是一項重大節能應用技術(shù),受到發(fā)電廠(chǎng)的普遍重視。具有以下特點(diǎn):
?。?)節約人力、設備及換熱站的投資。利用該技術(shù)是把熱電廠(chǎng)汽輪機加熱的循環(huán)水直接供到千家萬(wàn)戶(hù),不需建設各區換熱站,這樣可以節約管理?yè)Q熱站的人力和換熱站所有設備的投資及固定廠(chǎng)房、供電、供汽、供水系統等。
?。?)布局合理,安裝方便。該技術(shù)供水溫度在70℃以下,管道膨脹比蒸汽管道小好幾倍,可以直埋地下,避免了原來(lái)蒸汽管道在城區內架空安裝,并設有許多過(guò)道彎和膨脹彎,影響市區美觀(guān)。布局合理是指該供暖系統可以按照市街道規劃處所布局的生活居住的大小設計各街道的地下供水管道,形成整個(gè)市區的閉式供回水管網(wǎng),減少了各城區內多處建設的蒸汽換熱站,并減少了到換熱站的蒸汽管道和換熱后的供水管道,使管網(wǎng)布局最為合理。安裝方便是指該供暖的供回水管網(wǎng)直接沿街道延伸到各住戶(hù)樓接口。各住戶(hù)樓可以直接接入使用。
?。?)運行安全可靠,溫度全天舒適。該技術(shù)是由熱電廠(chǎng)汽輪機冷卻系統與各采暖用戶(hù)構成的封閉循環(huán),所以只要熱電廠(chǎng)不發(fā)生重大事故,該采暖系統均可穩定運行,不受區域性停水停電的影響,故運行安全可靠。又因為屬水暖系統,并且全天汽輪機是根據天氣情況,以用戶(hù)需要的溫度來(lái)調整電負荷穩定運行,所以保證天天24h 室內溫度舒適。
3.2對余熱的拓展利用
一般蔬菜的適宜生長(cháng)溫度在18~35℃。對于北方地區,在冬季日光大棚不能滿(mǎn)足植物的生長(cháng)溫度,并且大棚內的溫度不穩定,一天的溫差過(guò)大,嚴重影響農業(yè)生產(chǎn)效益。所以在冬季為日光溫室大棚供熱可以為北方的農業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)許多有利因素。例如可以穩定大棚內的溫度,使農作物可以正常生長(cháng),避免用一些對人體有害的藥物促使植物生長(cháng)。其次,提高溫度后,農藥的自然降解加快,使農作物上的殘留農藥減少,易于清洗。我國的煤礦大部分分布在北方,電廠(chǎng)分布除了幾個(gè)大城市如上海、天津、廣州和廣東、江蘇、浙江幾個(gè)發(fā)展較快的省份電廠(chǎng)較多外,基本上和煤礦地理分布一致。近年來(lái)北方產(chǎn)煤區為了減少煤矸石和煤堆放產(chǎn)生環(huán)境污染,建有數量不少的中小電廠(chǎng),會(huì )產(chǎn)生大量的電廠(chǎng)余熱。由此北方冬季為日光大棚供熱的條件是具備的。由熱泵提高溫度后的循環(huán)水溫一般為60℃左右,能使日光大棚的溫度相對穩定,可以提高大棚的農業(yè)生產(chǎn)效率,有利于農民增收。
總結
利用水源熱泵回收電廠(chǎng)循環(huán)水的熱量,可減少循環(huán)水的蒸發(fā)損失以及對環(huán)境造成的熱污染,能較好地實(shí)現能源的梯級利用,不僅技術(shù)上可行,而且在溫度條件適宜的地區,系統可實(shí)現冬、夏兩季的空調負荷調節,其運行費用較低、經(jīng)濟上合理,適合作為電廠(chǎng)及其周邊小區的集中供熱制冷系統,整個(gè)系統穩定可靠、舒適性較高,充分體現了系統的經(jīng)濟性、節能性、環(huán)保性的優(yōu)點(diǎn),應在有條件的地區大力推廣。