1.回收電廠循環(huán)水余熱的意義
能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，深入開展節(jié)能工作，不僅是緩解能源矛盾和保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全的重要措施，而且也是提高經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)質(zhì)量和效益的重要途徑。本世紀(jì)的頭20 年，我國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程將進(jìn)一步加快，需要較高的能源增長(zhǎng)作為支撐。因此，節(jié)能工作對(duì)促進(jìn)整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的作用日益凸顯，國(guó)家已經(jīng)把節(jié)能作為可持續(xù)發(fā)展的大政策。
目前，我國(guó)大中型城市普遍存在著集中供熱熱源不能滿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(shè)周期長(zhǎng)，并受到城市環(huán)境容量的強(qiáng)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(yán)重惡化了城市的大氣環(huán)境；一些城市盲目發(fā)展燃?xì)獠膳?、甚至電熱采暖，在帶?lái)高采暖成本的同時(shí)，也引發(fā)了城市的燃?xì)夂碗娏Y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(fèi)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?xì)夂碗娏Y源的緊張局面。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，節(jié)約大量燃料，提高能源綜合利用率。
北京五大熱電廠和熱力集團(tuán)所屬六個(gè)供熱廠的供熱能力都已達(dá)到極限。北京熱電廠普遍采用的抽凝式汽輪機(jī)組，即使在冬季最大供熱工況下，也有占熱電廠總能耗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(jù)調(diào)研，北京并入城市熱網(wǎng)的四大熱電廠在冬季可利用的循環(huán)水余熱量就達(dá)1000MW 以上，遠(yuǎn)期規(guī)劃余熱量將達(dá)約1700MW。如果將這些余熱資源加以利用，僅僅考慮有效利用現(xiàn)有的余熱量，就相當(dāng)于在不新增電廠裝機(jī)容量和不增加當(dāng)?shù)匚廴疚锱欧诺那闆r下，可新增供熱面積3000 萬(wàn)平方米以上。因此，利用電廠循環(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.電廠循環(huán)水余熱供熱技術(shù)現(xiàn)狀
2.1汽輪機(jī)低真空運(yùn)行供熱技術(shù)
凝汽式汽輪機(jī)改造為低真空運(yùn)行供熱后，凝汽器成為熱水供熱系統(tǒng)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(tǒng)中進(jìn)行閉式循環(huán)，可有效利用汽輪機(jī)凝汽所釋放的汽化潛熱。當(dāng)需要更高的供熱溫度時(shí)，則在尖峰加熱器中進(jìn)行二級(jí)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(jī)的相對(duì)內(nèi)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(tǒng)總的熱效率仍會(huì)有很大程度的提高。
傳統(tǒng)的低真空運(yùn)行供熱技術(shù)受到兩方面的限制：首先，傳統(tǒng)的低真空運(yùn)行機(jī)組類似于背壓式供熱機(jī)組，通過(guò)的蒸汽量取決于用戶熱負(fù)荷的大小，所以發(fā)電功率受到用戶熱負(fù)荷的制約，不能分開進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)節(jié)，即其運(yùn)行是"以熱定電"，因此只適用于熱負(fù)荷比較穩(wěn)定的供熱系統(tǒng)；其次，凝汽式汽輪機(jī)改造為低真空運(yùn)行供熱時(shí)，對(duì)小型和少數(shù)中型機(jī)組而言，在經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的變工況運(yùn)行計(jì)算，對(duì)排汽缸結(jié)構(gòu)、軸向推力的改變、末級(jí)葉輪的改造等方面做出嚴(yán)格校核和一定改動(dòng)后方可以實(shí)行，而這對(duì)現(xiàn)代大型機(jī)組則是不允許的，尤其對(duì)于中間再熱式大型汽輪機(jī)組，凝汽壓力過(guò)高會(huì)使機(jī)組的末級(jí)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(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng)，危及運(yùn)行安全。
2.2熱泵回收余熱技術(shù)
電廠循環(huán)水與目前常用的低溫?zé)嵩聪啾?，具有顯著的優(yōu)勢(shì)：蘊(yùn)含的熱量巨大，溫度適中且穩(wěn)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，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(duì)電廠周邊環(huán)境的熱濕污染。近幾年，熱泵技術(shù)在我國(guó)得到了普遍推廣應(yīng)用，熱泵可以采用吸收式，利用蒸汽、燃?xì)獾茸鳛轵?qū)動(dòng)能源；也可以采用壓縮式，利用電力作為驅(qū)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(qū)熱力站中，同時(shí)將電廠凝汽器出口的循環(huán)水引至各小區(qū)的熱力站，進(jìn)入熱泵機(jī)組降溫后再返回電廠凝汽器中被汽輪機(jī)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(jī)組集中設(shè)置于電廠內(nèi)，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(jī)排汽加熱，完成循環(huán)；將一次網(wǎng)70℃回水由熱泵一級(jí)加熱至80～90℃，再由汽—水換熱器二級(jí)加熱至130℃后送入城市熱網(wǎng)中。
3.電廠循環(huán)水余熱回收供暖與改造分析
3.1改造后的特征
電廠循環(huán)水供暖是一項(xiàng)重大節(jié)能應(yīng)用技術(shù)，受到發(fā)電廠的普遍重視。具有以下特點(diǎn)：
?。?）節(jié)約人力、設(shè)備及換熱站的投資。利用該技術(shù)是把熱電廠汽輪機(jī)加熱的循環(huán)水直接供到千家萬(wàn)戶，不需建設(shè)各區(qū)換熱站，這樣可以節(jié)約管理?yè)Q熱站的人力和換熱站所有設(shè)備的投資及固定廠房、供電、供汽、供水系統(tǒng)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(qū)內(nèi)架空安裝，并設(shè)有許多過(guò)道彎和膨脹彎，影響市區(qū)美觀。布局合理是指該供暖系統(tǒng)可以按照市街道規(guī)劃處所布局的生活居住的大小設(shè)計(jì)各街道的地下供水管道，形成整個(gè)市區(qū)的閉式供回水管網(wǎng)，減少了各城區(qū)內(nèi)多處建設(shè)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樓接口。各住戶樓可以直接接入使用。
?。?）運(yùn)行安全可靠，溫度全天舒適。該技術(shù)是由熱電廠汽輪機(jī)冷卻系統(tǒng)與各采暖用戶構(gòu)成的封閉循環(huán)，所以只要熱電廠不發(fā)生重大事故，該采暖系統(tǒng)均可穩(wěn)定運(yùn)行，不受區(qū)域性停水停電的影響，故運(yùn)行安全可靠。又因?yàn)閷偎到y(tǒng)，并且全天汽輪機(jī)是根據(jù)天氣情況，以用戶需要的溫度來(lái)調(diào)整電負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，所以保證天天24h 室內(nèi)溫度舒適。
3.2對(duì)余熱的拓展利用
一般蔬菜的適宜生長(zhǎng)溫度在18~35℃。對(duì)于北方地區(qū)，在冬季日光大棚不能滿足植物的生長(zhǎng)溫度，并且大棚內(nèi)的溫度不穩(wěn)定，一天的溫差過(guò)大，嚴(yán)重影響農(nóng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)許多有利因素。例如可以穩(wěn)定大棚內(nèi)的溫度，使農(nóng)作物可以正常生長(zhǎng)，避免用一些對(duì)人體有害的藥物促使植物生長(zhǎng)。其次，提高溫度后，農(nóng)藥的自然降解加快，使農(nóng)作物上的殘留農(nóng)藥減少，易于清洗。我國(guó)的煤礦大部分分布在北方，電廠分布除了幾個(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(qū)為了減少煤矸石和煤堆放產(chǎn)生環(huán)境污染，建有數(shù)量不少的中小電廠，會(huì)產(chǎn)生大量的電廠余熱。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(duì)穩(wěn)定，可以提高大棚的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，有利于農(nóng)民增收。
總結(jié)
利用水源熱泵回收電廠循環(huán)水的熱量，可減少循環(huán)水的蒸發(fā)損失以及對(duì)環(huán)境造成的熱污染，能較好地實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，不僅技術(shù)上可行，而且在溫度條件適宜的地區(qū)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)冬、夏兩季的空調(diào)負(fù)荷調(diào)節(jié)，其運(yùn)行費(fèi)用較低、經(jīng)濟(jì)上合理，適合作為電廠及其周邊小區(qū)的集中供熱制冷系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、舒適性較高，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性、環(huán)保性的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)在有條件的地區(qū)大力推廣。
能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，深入開展節(jié)能工作，不僅是緩解能源矛盾和保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全的重要措施，而且也是提高經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)質(zhì)量和效益的重要途徑。本世紀(jì)的頭20 年，我國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程將進(jìn)一步加快，需要較高的能源增長(zhǎng)作為支撐。因此，節(jié)能工作對(duì)促進(jìn)整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的作用日益凸顯，國(guó)家已經(jīng)把節(jié)能作為可持續(xù)發(fā)展的大政策。
目前，我國(guó)大中型城市普遍存在著集中供熱熱源不能滿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(shè)周期長(zhǎng)，并受到城市環(huán)境容量的強(qiáng)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(yán)重惡化了城市的大氣環(huán)境；一些城市盲目發(fā)展燃?xì)獠膳?、甚至電熱采暖，在帶?lái)高采暖成本的同時(shí)，也引發(fā)了城市的燃?xì)夂碗娏Y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(fèi)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?xì)夂碗娏Y源的緊張局面。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，節(jié)約大量燃料，提高能源綜合利用率。
北京五大熱電廠和熱力集團(tuán)所屬六個(gè)供熱廠的供熱能力都已達(dá)到極限。北京熱電廠普遍采用的抽凝式汽輪機(jī)組，即使在冬季最大供熱工況下，也有占熱電廠總能耗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(jù)調(diào)研，北京并入城市熱網(wǎng)的四大熱電廠在冬季可利用的循環(huán)水余熱量就達(dá)1000MW 以上，遠(yuǎn)期規(guī)劃余熱量將達(dá)約1700MW。如果將這些余熱資源加以利用，僅僅考慮有效利用現(xiàn)有的余熱量，就相當(dāng)于在不新增電廠裝機(jī)容量和不增加當(dāng)?shù)匚廴疚锱欧诺那闆r下，可新增供熱面積3000 萬(wàn)平方米以上。因此，利用電廠循環(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.電廠循環(huán)水余熱供熱技術(shù)現(xiàn)狀
2.1汽輪機(jī)低真空運(yùn)行供熱技術(shù)
凝汽式汽輪機(jī)改造為低真空運(yùn)行供熱后，凝汽器成為熱水供熱系統(tǒng)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(tǒng)中進(jìn)行閉式循環(huán)，可有效利用汽輪機(jī)凝汽所釋放的汽化潛熱。當(dāng)需要更高的供熱溫度時(shí)，則在尖峰加熱器中進(jìn)行二級(jí)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(jī)的相對(duì)內(nèi)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(tǒng)總的熱效率仍會(huì)有很大程度的提高。
傳統(tǒng)的低真空運(yùn)行供熱技術(shù)受到兩方面的限制：首先，傳統(tǒng)的低真空運(yùn)行機(jī)組類似于背壓式供熱機(jī)組，通過(guò)的蒸汽量取決于用戶熱負(fù)荷的大小，所以發(fā)電功率受到用戶熱負(fù)荷的制約，不能分開進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)節(jié)，即其運(yùn)行是"以熱定電"，因此只適用于熱負(fù)荷比較穩(wěn)定的供熱系統(tǒng)；其次，凝汽式汽輪機(jī)改造為低真空運(yùn)行供熱時(shí)，對(duì)小型和少數(shù)中型機(jī)組而言，在經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的變工況運(yùn)行計(jì)算，對(duì)排汽缸結(jié)構(gòu)、軸向推力的改變、末級(jí)葉輪的改造等方面做出嚴(yán)格校核和一定改動(dòng)后方可以實(shí)行，而這對(duì)現(xiàn)代大型機(jī)組則是不允許的，尤其對(duì)于中間再熱式大型汽輪機(jī)組，凝汽壓力過(guò)高會(huì)使機(jī)組的末級(jí)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(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng)，危及運(yùn)行安全。
2.2熱泵回收余熱技術(shù)
電廠循環(huán)水與目前常用的低溫?zé)嵩聪啾?，具有顯著的優(yōu)勢(shì)：蘊(yùn)含的熱量巨大，溫度適中且穩(wěn)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，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(duì)電廠周邊環(huán)境的熱濕污染。近幾年，熱泵技術(shù)在我國(guó)得到了普遍推廣應(yīng)用，熱泵可以采用吸收式，利用蒸汽、燃?xì)獾茸鳛轵?qū)動(dòng)能源；也可以采用壓縮式，利用電力作為驅(qū)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(qū)熱力站中，同時(shí)將電廠凝汽器出口的循環(huán)水引至各小區(qū)的熱力站，進(jìn)入熱泵機(jī)組降溫后再返回電廠凝汽器中被汽輪機(jī)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(jī)組集中設(shè)置于電廠內(nèi)，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(jī)排汽加熱，完成循環(huán)；將一次網(wǎng)70℃回水由熱泵一級(jí)加熱至80～90℃，再由汽—水換熱器二級(jí)加熱至130℃后送入城市熱網(wǎng)中。
3.電廠循環(huán)水余熱回收供暖與改造分析
3.1改造后的特征
電廠循環(huán)水供暖是一項(xiàng)重大節(jié)能應(yīng)用技術(shù)，受到發(fā)電廠的普遍重視。具有以下特點(diǎn)：
?。?）節(jié)約人力、設(shè)備及換熱站的投資。利用該技術(shù)是把熱電廠汽輪機(jī)加熱的循環(huán)水直接供到千家萬(wàn)戶，不需建設(shè)各區(qū)換熱站，這樣可以節(jié)約管理?yè)Q熱站的人力和換熱站所有設(shè)備的投資及固定廠房、供電、供汽、供水系統(tǒng)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(qū)內(nèi)架空安裝，并設(shè)有許多過(guò)道彎和膨脹彎，影響市區(qū)美觀。布局合理是指該供暖系統(tǒng)可以按照市街道規(guī)劃處所布局的生活居住的大小設(shè)計(jì)各街道的地下供水管道，形成整個(gè)市區(qū)的閉式供回水管網(wǎng)，減少了各城區(qū)內(nèi)多處建設(shè)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樓接口。各住戶樓可以直接接入使用。
?。?）運(yùn)行安全可靠，溫度全天舒適。該技術(shù)是由熱電廠汽輪機(jī)冷卻系統(tǒng)與各采暖用戶構(gòu)成的封閉循環(huán)，所以只要熱電廠不發(fā)生重大事故，該采暖系統(tǒng)均可穩(wěn)定運(yùn)行，不受區(qū)域性停水停電的影響，故運(yùn)行安全可靠。又因?yàn)閷偎到y(tǒng)，并且全天汽輪機(jī)是根據(jù)天氣情況，以用戶需要的溫度來(lái)調(diào)整電負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，所以保證天天24h 室內(nèi)溫度舒適。
3.2對(duì)余熱的拓展利用
一般蔬菜的適宜生長(zhǎng)溫度在18~35℃。對(duì)于北方地區(qū)，在冬季日光大棚不能滿足植物的生長(zhǎng)溫度，并且大棚內(nèi)的溫度不穩(wěn)定，一天的溫差過(guò)大，嚴(yán)重影響農(nóng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)許多有利因素。例如可以穩(wěn)定大棚內(nèi)的溫度，使農(nóng)作物可以正常生長(zhǎng)，避免用一些對(duì)人體有害的藥物促使植物生長(zhǎng)。其次，提高溫度后，農(nóng)藥的自然降解加快，使農(nóng)作物上的殘留農(nóng)藥減少，易于清洗。我國(guó)的煤礦大部分分布在北方，電廠分布除了幾個(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(qū)為了減少煤矸石和煤堆放產(chǎn)生環(huán)境污染，建有數(shù)量不少的中小電廠，會(huì)產(chǎn)生大量的電廠余熱。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(duì)穩(wěn)定，可以提高大棚的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，有利于農(nóng)民增收。
總結(jié)
利用水源熱泵回收電廠循環(huán)水的熱量，可減少循環(huán)水的蒸發(fā)損失以及對(duì)環(huán)境造成的熱污染，能較好地實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，不僅技術(shù)上可行，而且在溫度條件適宜的地區(qū)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)冬、夏兩季的空調(diào)負(fù)荷調(diào)節(jié)，其運(yùn)行費(fèi)用較低、經(jīng)濟(jì)上合理，適合作為電廠及其周邊小區(qū)的集中供熱制冷系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、舒適性較高，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性、環(huán)保性的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)在有條件的地區(qū)大力推廣。
