1.回收電廠循環(huán)水余熱的意義
能源是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎，深入開展節(jié)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)濟增長質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(zhèn)化進程將進一步加快，需要較高的能源增長作為支撐。因此，節(jié)能工作對促進整個經(jīng)濟社會發(fā)展的作用日益凸顯，國家已經(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、建設周期長，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，在帶來高采暖成本的同時，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)電過程中，通過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燃氣和電力資源的緊張局面。同時，實現(xiàn)能源的梯級利用，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所屬六個供熱廠的供熱能力都已達到極限。北京熱電廠普遍采用的抽凝式汽輪機組，即使在冬季最大供熱工況下，也有占熱電廠總能耗10~20%的熱量由循環(huán)水（一般通過冷卻塔）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1000MW 以上，遠期規(guī)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(xiàn)有的余熱量，就相當于在不新增電廠裝機容量和不增加當?shù)匚廴疚锱欧诺那闆r下，可新增供熱面積3000 萬平方米以上。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)水余熱供熱技術現(xiàn)狀
2.1汽輪機低真空運行供熱技術
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(tǒng)的基本加熱器，原來的循環(huán)冷卻水變成了供暖熱媒，在熱網(wǎng)系統(tǒng)中進行閉式循環(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，則在尖峰加熱器中進行二級加熱。盡管低壓缸真空度提高后，在相同的進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(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)總的熱效率仍會有很大程度的提高。
傳統(tǒng)的低真空運行供熱技術受到兩方面的限制：首先，傳統(tǒng)的低真空運行機組類似于背壓式供熱機組，通過的蒸汽量取決于用戶熱負荷的大小，所以發(fā)電功率受到用戶熱負荷的制約，不能分開進行獨立的調(diào)節(jié)，即其運行是"以熱定電"，因此只適用于熱負荷比較穩(wěn)定的供熱系統(tǒng)；其次，凝汽式汽輪機改造為低真空運行供熱時，對小型和少數(shù)中型機組而言，在經(jīng)過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后方可以實行，而這對現(xiàn)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，凝汽壓力過高會使機組的末級出口蒸汽溫度過高且蒸汽的容積流量過小，從而會引起機組的強烈振動，危及運行安全。
2.2熱泵回收余熱技術
電廠循環(huán)水與目前常用的低溫熱源相比，具有顯著的優(yōu)勢：蘊含的熱量巨大，溫度適中且穩(wěn)定；水質好，與地表水、城市污水相比，不會因腐蝕、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)，降低對電廠周邊環(huán)境的熱濕污染。近幾年，熱泵技術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、燃氣等作為驅動能源；也可以采用壓縮式，利用電力作為驅動能源。
其中分布式電動熱泵供熱方式是將電動壓縮式熱泵分散置于各小區(qū)熱力站中，同時將電廠凝汽器出口的循環(huán)水引至各小區(qū)的熱力站，進入熱泵機組降溫后再返回電廠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)熱水為用戶供暖或提供生活熱水。
集中式電動熱泵供熱方式是將電動壓縮式熱泵機組集中設置于電廠內(nèi)，凝汽器出口的部分循環(huán)水進入熱泵蒸發(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)水供暖是一項重大節(jié)能應用技術，受到發(fā)電廠的普遍重視。具有以下特點：
?。?）節(jié)約人力、設備及換熱站的投資。利用該技術是把熱電廠汽輪機加熱的循環(huán)水直接供到千家萬戶，不需建設各區(qū)換熱站，這樣可以節(jié)約管理換熱站的人力和換熱站所有設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，避免了原來蒸汽管道在城區(qū)內(nèi)架空安裝，并設有許多過道彎和膨脹彎，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計各街道的地下供水管道，形成整個市區(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。
?。?）運行安全可靠，溫度全天舒適。該技術是由熱電廠汽輪機冷卻系統(tǒng)與各采暖用戶構成的封閉循環(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)定運行，不受區(qū)域性停水停電的影響，故運行安全可靠。又因為屬水暖系統(tǒng)，并且全天汽輪機是根據(jù)天氣情況，以用戶需要的溫度來調(diào)整電負荷穩(wěn)定運行，所以保證天天24h 室內(nèi)溫度舒適。
3.2對余熱的拓展利用
一般蔬菜的適宜生長溫度在18~35℃。對于北方地區(qū)，在冬季日光大棚不能滿足植物的生長溫度，并且大棚內(nèi)的溫度不穩(wěn)定，一天的溫差過大，嚴重影響農(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，避免用一些對人體有害的藥物促使植物生長。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。我國的煤礦大部分分布在北方，電廠分布除了幾個大城市如上海、天津、廣州和廣東、江蘇、浙江幾個發(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
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)損失以及對環(huán)境造成的熱污染，能較好地實現(xiàn)能源的梯級利用，不僅技術上可行，而且在溫度條件適宜的地區(qū)，系統(tǒng)可實現(xiàn)冬、夏兩季的空調(diào)負荷調(diào)節(jié)，其運行費用較低、經(jīng)濟上合理，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)濟性、節(jié)能性、環(huán)保性的優(yōu)點，應在有條件的地區(qū)大力推廣。
能源是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎，深入開展節(jié)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)濟增長質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(zhèn)化進程將進一步加快，需要較高的能源增長作為支撐。因此，節(jié)能工作對促進整個經(jīng)濟社會發(fā)展的作用日益凸顯，國家已經(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、建設周期長，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，在帶來高采暖成本的同時，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)電過程中，通過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燃氣和電力資源的緊張局面。同時，實現(xiàn)能源的梯級利用，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所屬六個供熱廠的供熱能力都已達到極限。北京熱電廠普遍采用的抽凝式汽輪機組，即使在冬季最大供熱工況下，也有占熱電廠總能耗10~20%的熱量由循環(huán)水（一般通過冷卻塔）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1000MW 以上，遠期規(guī)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(xiàn)有的余熱量，就相當于在不新增電廠裝機容量和不增加當?shù)匚廴疚锱欧诺那闆r下，可新增供熱面積3000 萬平方米以上。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)水余熱供熱技術現(xiàn)狀
2.1汽輪機低真空運行供熱技術
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(tǒng)的基本加熱器，原來的循環(huán)冷卻水變成了供暖熱媒，在熱網(wǎng)系統(tǒng)中進行閉式循環(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，則在尖峰加熱器中進行二級加熱。盡管低壓缸真空度提高后，在相同的進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(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)總的熱效率仍會有很大程度的提高。
傳統(tǒng)的低真空運行供熱技術受到兩方面的限制：首先，傳統(tǒng)的低真空運行機組類似于背壓式供熱機組，通過的蒸汽量取決于用戶熱負荷的大小，所以發(fā)電功率受到用戶熱負荷的制約，不能分開進行獨立的調(diào)節(jié)，即其運行是"以熱定電"，因此只適用于熱負荷比較穩(wěn)定的供熱系統(tǒng)；其次，凝汽式汽輪機改造為低真空運行供熱時，對小型和少數(shù)中型機組而言，在經(jīng)過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后方可以實行，而這對現(xiàn)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，凝汽壓力過高會使機組的末級出口蒸汽溫度過高且蒸汽的容積流量過小，從而會引起機組的強烈振動，危及運行安全。
2.2熱泵回收余熱技術
電廠循環(huán)水與目前常用的低溫熱源相比，具有顯著的優(yōu)勢：蘊含的熱量巨大，溫度適中且穩(wěn)定；水質好，與地表水、城市污水相比，不會因腐蝕、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)，降低對電廠周邊環(huán)境的熱濕污染。近幾年，熱泵技術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、燃氣等作為驅動能源；也可以采用壓縮式，利用電力作為驅動能源。
其中分布式電動熱泵供熱方式是將電動壓縮式熱泵分散置于各小區(qū)熱力站中，同時將電廠凝汽器出口的循環(huán)水引至各小區(qū)的熱力站，進入熱泵機組降溫后再返回電廠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)熱水為用戶供暖或提供生活熱水。
集中式電動熱泵供熱方式是將電動壓縮式熱泵機組集中設置于電廠內(nèi)，凝汽器出口的部分循環(huán)水進入熱泵蒸發(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)水供暖是一項重大節(jié)能應用技術，受到發(fā)電廠的普遍重視。具有以下特點：
?。?）節(jié)約人力、設備及換熱站的投資。利用該技術是把熱電廠汽輪機加熱的循環(huán)水直接供到千家萬戶，不需建設各區(qū)換熱站，這樣可以節(jié)約管理換熱站的人力和換熱站所有設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，避免了原來蒸汽管道在城區(qū)內(nèi)架空安裝，并設有許多過道彎和膨脹彎，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計各街道的地下供水管道，形成整個市區(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。
?。?）運行安全可靠，溫度全天舒適。該技術是由熱電廠汽輪機冷卻系統(tǒng)與各采暖用戶構成的封閉循環(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)定運行，不受區(qū)域性停水停電的影響，故運行安全可靠。又因為屬水暖系統(tǒng)，并且全天汽輪機是根據(jù)天氣情況，以用戶需要的溫度來調(diào)整電負荷穩(wěn)定運行，所以保證天天24h 室內(nèi)溫度舒適。
3.2對余熱的拓展利用
一般蔬菜的適宜生長溫度在18~35℃。對于北方地區(qū)，在冬季日光大棚不能滿足植物的生長溫度，并且大棚內(nèi)的溫度不穩(wěn)定，一天的溫差過大，嚴重影響農(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，避免用一些對人體有害的藥物促使植物生長。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。我國的煤礦大部分分布在北方，電廠分布除了幾個大城市如上海、天津、廣州和廣東、江蘇、浙江幾個發(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
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)損失以及對環(huán)境造成的熱污染，能較好地實現(xiàn)能源的梯級利用，不僅技術上可行，而且在溫度條件適宜的地區(qū)，系統(tǒng)可實現(xiàn)冬、夏兩季的空調(diào)負荷調(diào)節(jié)，其運行費用較低、經(jīng)濟上合理，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)濟性、節(jié)能性、環(huán)保性的優(yōu)點，應在有條件的地區(qū)大力推廣。
