离心式热泵在冷却水余热回收改造中的应用

离心式热泵在冷却水余热回收改造中的应用

魏芸  ,尹士海  ,牛犇

北方工程设计研究院有限公司   河北省石家庄市   050011

摘要：“双碳”背景下,煤炭价格上涨,蒸汽价格上扬,电驱离心式热泵有望在热电厂乃至其他工业循环冷却水余热回收中得到广泛应用。热泵技术是应用较为广泛的电厂循环水余热利用技术,本文借助工程实例,讨论吸收式热泵和离心式热泵在某330MW汽轮机供热改造工程中的应用,以期为进一步推进电厂余热深度利用提供经验。本文就此进行了相关探究。

关键词：离心式热泵；冷却水；余热回收改造

引言：

城市化进程的给城市的能源供给系统带来了新的挑战。为了摆脱能源的紧张局面和环境污染等问题，我国一方面大力发展新兴能源，推动能源生产和利用方式变革，另一方面更是大力倡导节能减排，发展低碳经济，推进传统能源清洁高效利用。区域供暖中的高温离心热泵技术正是在这一背景下出现的。大容量高温离心热泵不仅可以彻底解决传统供暖方式的能源利用率低、高污染、高排放等一系列问题，并且打破了传统热泵技术的小容量、低出水温度的技术瓶颈。

1离心式热泵的特点和循环原理

在石油化工资源紧缺的形势下，地源热泵技术受到越来越多的关注和研究。当前，在我国市面上使用的热泵设备，基本上都是螺杆式的，它的单机制冷、制热量小，能效比低，因此并不适用于大型商用大厦、住宅小区等集中式区域型供冷供暖场所。但是，对于出水温度超过60℃，单机制热量超过2000 kW的高温水源热泵，相关的研究还很少，能够真正掌握高温热泵技术和产品的公司更多。某企业研制成功的单台热泵热能达到7000 kW，出水达到85℃，解决了该技术难题。

1.1离心式热泵的分类及其应用场合

为使其能适应不同的环境，不同的工程，不同的使用者，将其分为三类：低，中，高。其中，低温型离心热泵的热水温度可达46℃，可满足某一建筑工程的冷热两方面的需求；本发明采用中温离心热泵，可产生46-55℃的热水，可完全满足住宅工程供暖需要；在此基础上，提出了一种利用高温离心热泵对常规采暖锅炉进行改造，并对新能源站进行供水的新思路。这三种热泵的最大制热能力均可达7000 kW，能够解决当前市面上中小冷量热泵需要的数量多，机房占地面积大，节能效果差等问题。

1.2离心式热泵的特点

它的优点是容量范围大，出水温度多样，环境友好，无污染， COP值高。尤其是在设计高温热泵时，利用了两台压缩机的先进串联式结构，在制冷过程中，只启动一台压缩机，关闭二台压缩机，使系统的 COP达到最大；而在加热的时候，一、二级压缩机都会打开，这样就可以达到高温热泵压缩机所需的高压头，并确保85℃出水时 COP在3.0以上。

1.3离心式热泵的循环原理

在低温热泵的工作原理上，与普通的单制冷机组一样，但是在叶轮、叶轮盖和扩散器等方面，都要进行非标准的设计，这样才能保证压缩机的压力能达到热泵的要求。此外，在蒸发器、冷凝器和节流器等方面也要按非标准进行设计，以达到热泵运行条件下的系统设计要求。中温热泵系统的工作原理和单制冷系统的工作原理基本相同。中温热泵通常是一个头部为两个阶段的压缩机，在压缩机中设置一个经济器，将经济器中的气体和第一阶段压缩的液体混合在一起，然后在第二阶段的叶轮中被压缩，以获得所需的更高的压力。此外，双级离心机配有二级节流器，节流器的选择要考虑到两个设备之间的压力差和中间补充空气的压力差；在选择和配置时，应综合考虑两种设备的传热需求和整个热泵装置的系统配置。目前，我国的双段式离心压缩机技术已经相当成熟[1]。由于离心压气机的压力大小取决于离心机叶轮的旋转速度，因此，在高温热泵中，需要使用两台压缩机串联。当转速继续升高时，叶轮的强度、直径设计不能适应高速运转；现有的闭合叶轮一般由普通合金钢构成，其最大功率头一般不超过2900 m （也就是39℃的温差），当外部系统的压力超过了压气机自身所能提供的最大压力时，压气机就会出现喘振，给压气机带来很大的危害。然而，由于高温热泵要求其工作温度在45-75℃之间，因此，在某种程度上，它成为了各生产厂家开发高温热泵的主要障碍[2]。本例所述的两台冷凝器串联制冷系统，是目前最好的一种高温热泵系统。以下是两台压缩机并联高温热泵的工作原理。

2离心式热泵在冷却水余热回收改造中的应用

本文通过某电厂330MW机组冷却水回收的工程实例,比较两种供热系统的改造方案,探索电驱离心式热泵在电厂循环水余热回收改造中的应用。

2.1项目所在地气候情况

本次改造区域位于某市区,该地属大陆性温带干旱气候,光照充足,气候干燥,全年多西北风,昼夜、四季温差较大,霜期长,春季多大风。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB50736—2012)，当地年平均气温为5℃,冬季供暖期为151d,室外采暖计算温度为-14.8℃,采暖室外平均温度-4.3℃,日平均温度≤5℃的天数为175D。

2.2供热现状

该市城区现有供热系统入网面积约1002万平方米,实际供热面积约852万平方米,供热热源来自某电厂热电联产蒸汽。经计算,该城区全年采暖季耗热量约为397.8万吉焦,全部来自电厂汽轮机抽汽汽水换热。一方面,由于该电厂采暖期内热网首站设计最大供热面积为950万平方米,设计额定供热面积800万平方米,而目前该城区供暖入网面积已达到1002万平方米,热负荷不能满足需求;另一方面,该电厂尚有一部分乏汽余热没有利用,而是通过间冷塔排掉了[3]。

2.3改造方案

综合考虑当地的资源条件禀赋与热源分布情况,拟在电厂供热首站进行循环冷却水余热回收。主机背压按12kPa考虑,未完全回收的主机及小机排汽功率作为冷却塔防冻[4]。余热回收系统方案设计如下:(1)离心式热泵回收电厂余热+蒸汽调峰参考2021年~2022年采暖季实际运行数据,余热回收系统供热负荷按425.6MW设计,供水流量8316.9t/h,供、回水温度95℃/51℃。凝汽器背压按12kPa考虑,将部分45℃冷水从凝汽器取出分别送至离心式热泵降温至39℃,离心热泵将51℃热网回水加热至71℃,送至第二级离心热泵将热水加热至81℃,送至原汽水换热器加热至95℃送出。通过计算,本项目年供热量约397.8万吉焦,回收循环水余热约277.89万吉焦,循环水余热供热占比为69.85%。(2)吸收式热泵回收电厂余热+蒸汽调峰参考2021年~2022年采暖季实际运行数据,余热回收系统供热负荷按425.6MW设计,供水流量8316.9t/h,供回水温度95℃/51℃。凝汽器背压按12kPa考虑,将部分45℃间冷水从凝汽器取出送至吸收式热泵,低压蒸汽驱动吸收式热泵将51℃热网回水加热至81℃,送至原汽水换热器加热至95℃送出。结语：

“双碳”背景下,煤炭价格上涨,带动下游蒸汽价格大幅上扬,电驱离心式热泵在热电厂循环冷却水余热回收中初露头角。在本项目上网电价和趸售热价的条件下,多级电驱离心式热泵在回收热电厂循环冷却水余热的经济性优于传统吸收式热泵。

参考文献：

[1]张洁雄,穆永超,张昌建,罗景辉. 离心式空压机余热回收和水源热泵洗浴系统设计[J]. 煤炭与化工,2022,45(09):61-64.

[2]张瑞峰,卢进南. 空气压缩机余热回收再利用控制方法研究[J]. 能源与节能,2021,(10):2-6+9.

[3]吕传嘉,杨巍,高立江,马学理,张伟平. 蒸汽驱动的离心式热泵机组回收电厂冷却水余热在唐山市清洁供暖中的应用[J]. 区域供热,2018,(06):59-63.

[4]李慧君,刘聪,郭保仓,王晓峰. 热泵回收电厂排汽余热热经济性分析[J]. 汽轮机技术,2017,59(03):237-240.