淺析熱泵結(jié)合工業(yè)余熱供熱

摘要 本文介紹工業(yè)余熱的利用技術(shù)。分析了熱泵對工業(yè)余熱水溫的適應(yīng)性。闡述了一次水系統(tǒng)的輸送泵耗與熱泵機組COP之間的關(guān)系，分布式變頻泵技術(shù)與熱泵技術(shù)結(jié)合時的運行調(diào)節(jié)方式。 能源是人類生產(chǎn)、生活的驅(qū)動力，在經(jīng)濟高速發(fā)展的當(dāng)今社會，人類對能源的需求量也越來越大。供需矛盾的日益凸顯以及能源消耗帶來的環(huán)境污染及諸多社會問題，使人們意識到節(jié)能減排、能源再利用的重要性。在此背景下，利用工業(yè)余熱進行大面積的集中供熱，不僅避免了廢熱向大氣中排放，還能滿足人們冬季采暖的需求。 本文針對化工行業(yè)產(chǎn)生的低溫工業(yè)余熱利用的工藝流程圖如下： 圖1顯示（見圖1），通過對塔前的工藝水系統(tǒng)改造，設(shè)置電動閥門f1、f2。當(dāng)采暖季，關(guān)閉f1，打開f2。將化工系統(tǒng)的回水直接通過工藝供水管網(wǎng)輸送至換熱器前。通過換熱器一次側(cè)換熱將熱量換至一次網(wǎng)水中，再由工藝回水管網(wǎng)輸送至塔池。最后由塔池去化工系統(tǒng)。板式換熱器二次側(cè)的一次網(wǎng)回水，進入板式換熱器吸收熱量后通過一次供水管網(wǎng)進入各熱泵機組的蒸發(fā)器。 通過熱泵提溫后進行采暖，需要解決以下幾點問題： 1 分布式變頻輸送技術(shù)與熱泵技術(shù)結(jié)合時的運行調(diào)節(jié) 在傳統(tǒng)供熱領(lǐng)域，分布式變頻輸送技術(shù)得到了很好的推廣應(yīng)用。而利用分布式變頻技術(shù)，通過熱泵將工業(yè)余熱提溫再進行集中供熱時，遇到新的問題。在傳統(tǒng)供熱領(lǐng)域中，分布式變頻技術(shù)的一次網(wǎng)循環(huán)主泵的頻率根據(jù)零壓差點的壓力來調(diào)節(jié)，各熱用戶加壓泵頻率根據(jù)采暖溫度進行調(diào)節(jié)（2~4）。由工藝流程圖可知，一次網(wǎng)循環(huán)水需要進入熱泵機組的蒸發(fā)器，若一次網(wǎng)加壓泵根據(jù)采暖溫度調(diào)節(jié)，可能導(dǎo)致進入蒸發(fā)器的流量過低，機組就會因吸氣壓力過低等原因而報警并停止運行。 顯然，靠調(diào)節(jié)采暖側(cè)的溫度不能滿足運行要求。針對此種情況，本文提出利用一次網(wǎng)入小區(qū)熱泵站回水管內(nèi)的流量控制一次網(wǎng)加壓泵的頻率，并設(shè)置流量低限報警值一般設(shè)為機組設(shè)計流量的70%。運行調(diào)節(jié)需要根據(jù)熱泵開啟臺數(shù)，相應(yīng)的調(diào)整一級網(wǎng)加壓泵的臺數(shù)，從而調(diào)整一次網(wǎng)的水量。見圖1，舉例說明：  見圖1、圖2，在華北地區(qū)，采暖實際負荷為設(shè)計負荷50%~70%的時間段約為整個采暖季的50%，即在此時間段內(nèi)，可開啟一臺機組運行，同時關(guān)閉一臺加壓泵。采暖實際負荷為設(shè)計負荷70%~100%的時間段約為整個采暖季的10%[5]。此時，靠循環(huán)水泵的變頻實現(xiàn)水量調(diào)節(jié)。采暖負荷在25%~50%之間時，開一臺熱泵、一臺加壓泵，并且加壓泵變頻運行。這里需要指出的是：與傳統(tǒng)供熱不同，雖然通過加壓泵變頻實現(xiàn)節(jié)水，但由于進入熱泵機組蒸發(fā)器側(cè)的循環(huán)水量降低，可能會導(dǎo)致熱泵機組實際運行時的COP降低，最終背離系統(tǒng)整體節(jié)能的目的。 例如：一臺熱泵機組制熱量1800kW，熱泵設(shè)計COP 為5.2，即熱泵機組功率為346kW。當(dāng)蒸發(fā)器側(cè)循環(huán)水量將至設(shè)計水量的70%時，由于蒸發(fā)器內(nèi)的換熱不充分，熱量不能充分傳遞。導(dǎo)致機組的制熱量達不到，熱泵的COP有可能為5，制熱量衰減為1730kW。反而，若想制備1800kW的熱量，需要耗電360kW。這時，就需要將水泵變頻所節(jié)省的電量與熱泵機組增加的耗電量相比較。 由于工業(yè)余熱水溫本身就比較低，進行長距離輸送時，若溫差太小，會導(dǎo)致輸送泵耗太大。對于相同水量的一次水，適當(dāng)增大一次網(wǎng)供回水溫差，可以擴大供熱面積。而如果增大溫差，有兩種做法：一是提高一次網(wǎng)的供水溫度，一是降低一次網(wǎng)的回水溫度。如果提高一次網(wǎng)的供水溫度，首先會受熱源水溫的限制，像煉化企業(yè)，設(shè)計的工藝水溫只有40℃，實際運行僅32℃左右。 另外，如果一次水供水溫度過高，普通的螺桿或離心熱泵機組蒸發(fā)器側(cè)的進水溫度上限值在25℃左右，若高于25℃，熱泵機組的價格將翻倍甚至更多。顯然，一次水的供水溫度不能太高。而回水溫度若過低，普通熱泵機組會出現(xiàn)低溫報警，甚至出現(xiàn)機組故障?；驘岜脵C組的造價增高、機組COP降低導(dǎo)致運行成本增加。因此一次水的輸送溫度及溫差的確定要考慮輸送泵耗、熱泵機組允許并且比較經(jīng)濟的輸送溫度及溫差、一定水量、溫差所能滿足的供熱面積、一次網(wǎng)的初期投資。考慮到上述三個因素，將一次網(wǎng)的供回水溫度定為25℃/5℃。 2 一次水輸送減少泵耗與熱泵機組COP的關(guān)系 一次網(wǎng)的供回水溫度為25℃/5℃時，對于一次網(wǎng)主泵沒有任何問題，對于熱泵機組而言，20℃溫差實現(xiàn)起來比較困難，本文提出在熱泵機組的一次網(wǎng)供回水管上加混水閥，將熱泵機組回一次網(wǎng)的回水混入熱泵機組供水側(cè)，從而實現(xiàn)拉大系統(tǒng)一次網(wǎng)溫差，降低輸送泵耗的目的。需要指出，供回水混合后供給熱泵機組，降低了進入熱泵機組的水溫及熱泵機組的COP。應(yīng)盡量提高一次網(wǎng)主網(wǎng)的供水溫度，使混合后的水溫提高。 3 問題淺析 由于每個系統(tǒng)的運行策略受很多因素影響，在此不再詳細敘述某種具體的運行方式，淺析以下幾個問題。 第一，在項目前期，供熱面積比較小，因而采暖負荷比較小。對于傳統(tǒng)供熱方式，一般采用通過水泵變頻減少流量的方法，以降低一次網(wǎng)的輸送泵耗，而對于這種系統(tǒng)，考慮一次水流量的同時，還要考慮到熱泵機組的供水量及進入蒸發(fā)器的溫度、溫差對熱泵機組COP的影響，最終反應(yīng)為供熱效果及運行費用上。 第二，供熱面積一定時，設(shè)計供回水溫差越大，總投資及初期投資就越小，熱泵機組的COP也會越小，系統(tǒng)運行費用越高。 第三，一次主管網(wǎng)管徑一定，供回水的溫差越大，供熱面積就越大，收取的管網(wǎng)建設(shè)費越高，整個項目周期內(nèi)熱泵機組平均COP越低，運行費用越高。在整個項目周期內(nèi)，收取的管網(wǎng)建設(shè)費與熱泵機組因COP 降低而增加的運行費用有一個最佳關(guān)系點[7]，在此點時，整個項目利潤是最高的。 第四，主管網(wǎng)是一次敷設(shè)到位的，而供熱面積是逐年增加的，在項目前期，負荷小的時候，一次管網(wǎng)的供回水溫度不是25/5℃。而是根據(jù)供熱面積，適當(dāng)提高回水溫度值，以提高熱泵機組的COP，降低熱泵機組的電耗。 第五，如第三條所述，針對項目未達產(chǎn)時就進行采暖的單體建筑，在整個項目期內(nèi)，由于一次網(wǎng)的供回水溫度是不同的，可能開始25/15℃運行，后變?yōu)?0/10℃運行，最后為15/5℃運行。熱泵機組的造價、不同供回水溫度的運行時間、熱泵的COP，這幾個互相關(guān)聯(lián)的因素決定了熱泵機組選型是否合適。 在進行低品位余熱供熱時，熱泵對工業(yè)余熱水溫的適應(yīng)性，一次水系統(tǒng)的輸送泵耗與熱泵機組COP之間的關(guān)系，分布式變頻泵技術(shù)與熱泵技術(shù)結(jié)合時的運行調(diào)節(jié)方式，都是與傳統(tǒng)供熱有所不同的。（石家莊國融安能分布能源技術(shù)有限公司　張云改　邢瑤　石家莊電業(yè)設(shè)計研究院有限公司　趙慶娟　南京楓葉能源設(shè)備有限公司　林偉華）