水源热泵在电厂余热利用中的应用

太原理工大学

苏保青

◆ 概述

◆ 设计方案

◆ 冷凝热回收效益分析

◆ 冷凝热回收前景预测

◆ 小结

目 录

第一部分：概 述

1. 火（热）电厂冷凝热的特点与现状处理方法

2. 火（热）电厂与热负荷的基本情况

3. 设计思想

1.1.1 火（热）电厂冷凝热的特点

经汽机作功后的蒸汽（排汽）冷凝（放热）成凝结水再经回热后进入锅炉，锅炉产生的蒸汽在汽机中作功，在这个热媒的循环过程中，需要放出大量的冷凝热。冷凝热的主要特点如下：

◆ 品位低。排汽压力：水冷， 4-8kPa ；空冷， 15kPa 。冷凝温度 : 水冷， 29-41.5℃ ；空冷， 54℃ 。

◆ 量大、集中。平均发电耗热约占总输入的 32% 左右。纯凝汽工况排入大气的可回收冷凝热占 50% 以上，为发电耗热的1.5 倍以上；供热工况可回收冷凝热约为发电耗热的 0.7-1.3 倍。

火力发电厂各项损失参考值 [*] 如表 1 所示，其中汽轮机排气热损失 （冷端损失）巨大。

火（热）电厂冷凝热的特点

现代火力发电厂各项损失参考值 (%) 表 1

项目电厂初参数

中参数 高参数 超高参数 超临界参数

锅炉热损失 11 10 9 8

管道热损失 1 1 0.5 0.5

汽轮机机械损失 1 0.5 0.5 0.5

发电机损失 1 0.5 0.5 0.5

汽轮机排气热损失 61.5 57.5 52.5 50.5* 热工手册 任泽霈等 主编 机械工业出版社 2002 年 11 月第一版

冷凝热排空 ( 丢弃 )

　　热电厂做功后的蒸汽需要冷凝成水回到锅炉。目

前普遍采用的方法是通过水冷或空冷冷凝蒸汽，冷凝

热排入大气。冷凝热回收

　　由于冷凝热属于低品位热源，难以利用 , 除低真空

的背压机组外，极少回收。

1.1.2 火（热）电厂冷凝热现状处理方法

我国集中供热随着城镇化的建设发展迅速， 2009 年全国集中供热面积已经达到 35.6 亿平方米。北方地区集中供热热源日显不足，现有的热电联产供热能力有限，在许多城市不得不新建大型区域锅炉房（热源厂）作为集中供热热源。热源缺口较大。

正在集中供热的热电机组以及可资利用的火电机组的冷凝热未被利用，冷凝热仍然通过空冷岛或凉水塔排空，火（热）电机组，包括单机容量在 300MW 以上的大型火电机组仍然在低效率高能耗的状态下运行。

1.2 火（热）电厂与热负荷的基本情况

１用热泵技术回收电厂冷凝热　　

　　火力发电厂冷凝热通过凉水塔或空冷岛排入大气，

形成巨大的冷端损失，是火力发电厂能源使用效率低下

的主要原因，不仅造成能量和水（或电）的浪费，同时

也严重地（热）污染了大气。火力发电厂冷凝热排空，

是我国乃至世界普遍存在的问题，是浪费，也是无奈。

然而，随着热泵技术的发展，特别是大型高温水源热泵

的问世，使得发电机组冷凝热回收将成为可能。

1.3 设计思想

２对热泵的技术要求

　　电厂冷凝热品位低，必须用热泵提取之；冷凝热量

大、集中，在电厂内或电厂附近一般难以找到足够的稳

定的热用户，必须远距离集中供热，用大型高温水大温

差水源热泵吸收冷凝热。以充分利用冷凝热和提高系统

的经济性为目标合理配置热泵机组。吸收式热泵工作在

高温段，离心式热泵工作在低温段，吸收式和离心式热

泵平均制热能效比 COP分别在 1.7和 6以上 。

设计思想

3热源构成及功能

利用水源热泵吸收汽机排汽中的冷凝热，离心式热

泵将集中供热 50℃ 的回水加热到 60℃ 以上，吸收式热泵

将 60℃ 的回水加热到 90℃ 以上，再用换热器将水温提高

到热网供水温度，对城市集中供热。

热泵对电厂冷却水制冷，回收冷凝热，冷却水无需

在冷却塔冷却，可减少能耗、水耗及其它运行费用。

热泵对热用户制热，冬季供暖，夏季供冷，四季提

供生活热水。

设计思想

第二部分：方案设计

方案一 冬季供暖集中供热系统 1

方案二 冬季供暖集中供热系统 2

方案三 冬季供暖及洗浴集中供热系统

方案四 冬季供暖夏季供冷四季洗浴集中供热系统

方案一 冬季供暖集中供热系统 1

图 1 方案一

方案二 冬季供暖集中供热系统 2

图 2 方案二

方案三 冬季供暖及洗浴集中供热系统

图 3 方案三

方案四 夏季供冷及洗浴集中供热系统

图 4 方案四

第三部分：冷凝热回收效益分析

举例说明，某电厂装机容量 2x35+1x60MW

冷凝热回收 135MW ；日节水 3500吨。

• 节能节水分析

• 环境效益分析

• 经济效益分析

• 能效分析

供暖期 :151天 节能 1761264GJ，节标准煤（按锅炉平均运行

效率 60%估算） 10万吨；节水 52.85万吨。 供冷期 :92天 节能 1073088GJ，节标准煤（按锅炉平均运行

效率 60%估算） 6.1万吨；节水 32.2万吨。 合计：年节能 2834352GJ，节标准煤（按锅

炉平均运行效率 60%估算） 16.1万吨；节水85.05万吨。

3.1节能节水分析

供暖期 每年少排灰渣 6.6万吨，烟尘 238吨，二氧化硫 30

02吨，氮氧化物 1422吨，二氧化碳 25.4万吨。 供冷期 每年少排灰渣 4万吨，烟尘 145吨，二氧化硫 183

1吨，氮氧化物 867吨，二氧化碳 15.5万吨。 合计 : 每年少排灰渣 10.6万吨，烟尘 383吨，二氧化硫

4833吨，氮氧化物 2289吨，二氧化碳 40.9万吨。

3.2 环境效益分析

供暖期 节能 1761264GJ，每GJ按 27元计算，毛收入收 4755万；节水 52.85万吨，每吨按 5元计算，收益 264万元。 供冷期 节能 1073088GJ，每GJ按 27元计算，毛收入 2896万元；节水 32.2万吨，每吨按 5元计算，收益 161万元。 合计 每年节能毛收入 7651万元；节水收益 425万元。

3.3 经济效益分析

2×35MW 供热发电机组 锅炉效率 89% ，管道热损失 1% ，汽机损失

1% ，发电机损失 1% ，发电 35MW 。 纯凝汽工况 进汽 138吨 /时，排汽 101.7吨 /时，电厂

效率 31.2% ，冷端损失 54.8% 。凝气工况下工艺流程和能效分析如图 5 、图 6 所示。

3.4 能效分析

图6 电厂凝气工况下效率分析

发电机损失1. 00%

热电厂效率31. 20%

管道汽机损失2. 00%

锅炉热损失11. 00%

冷端损失54. 80%

供热工况 1

进汽 164吨 /时，抽汽 40吨 /时，排汽 79.3吨 /

时，电厂效率 49.0%，冷端损失 37.0%，工艺流程如图 7

所示。

能效分析

图8 电厂供热工况1效率分析

发电机损失1. 00%

热电厂效率49. 00%

管道汽机损失2. 00%

锅炉热损失11. 00%

冷端损失37. 00%

能效分析如图８所示。

图9 电厂热回收供热工况效率分析

发电机损失1. 00%

热电厂效率85. 00%

管道汽机损失2. 00%

锅炉热损失11. 00%

冷端损失1. 00%

回收冷凝热电厂能效分析如图９所示。

供热工况 2

进汽 190吨 /时，抽汽 80吨 /时，排汽 57吨/时，

电厂效率 62.4%，冷端损失 23.6%，工艺流程和能效分析如图 10、图 11所示。回收冷凝热电厂

效

率可达 85%，如图 9所示。

能效分析

图11 电厂供热工况2效率分析

发电机损失1. 00%

热电厂效率62. 40%

管道汽机损失2. 00%

锅炉热损失11. 00%

冷端损失23. 60%

凝气工况下电厂供电标煤耗 437g/kwh ；供热工况 1 电厂供电标煤耗 279g/kwh ；热回收供热工况 1 电厂供电标煤耗 160g/kwh ；供热工况 2 电厂供电标煤耗 219g/kwh ；热回收供热工况 2 电厂供电标煤耗 160g/kwh 。2009 年全国平均供电标煤耗 342g/kwh 。供电标煤耗比较如图 12 和图 13 所示。

12 图 电厂供电标煤耗比较

342

437

279

160

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500g/

kwh

供电标准煤耗（

）

09年全国供电标准煤耗

凝汽工况供电标准煤耗

供热工况供电标准煤耗

回收冷凝热供热工况供电标准煤耗

13 图 供电标煤耗比较图

1 1 1

1. 28

0. 82

0. 47

0. 00%

20. 00%

40. 00%

60. 00%

80. 00%

100. 00%

120. 00%

140. 00%%

供电标准煤耗（）

09年全国供电标准煤耗 各工况供电标准煤耗

可以看出，纯凝气工况下小机组供电标煤耗远高于全国平均供电标煤耗，是全国平均供电标煤耗的 1.28 倍 ; 供热工况 1下小机组供电标煤耗低于全国平均供电标煤耗，是全国平均供电标煤耗的 82% ；热回收供热工况下小机组供电标煤耗远低于全国平均供电标煤耗，仅为全国平均供电标煤耗的 47% 。

热回收供热工况下机组年平均供电标煤耗 270g/kwh 。 ( 按机组年运行小时数 6000 ，采暖季 151 天计算 )

能效分析

60MW供热发电机组 锅炉效率 89%，管道热损失 1%，汽机损失 1%，

发电机损失 1%，发电 60MW。 纯凝汽工况 进汽 245吨 /时，排汽 184吨 /时，电厂效率仅

为 30.1%，冷端损失 55.9%。供电标煤耗：未回收冷凝热 453g/kwh。工艺流程如图 14所示。

能效分析

供热工况 1

进汽 330吨 /时，抽汽 150吨 /时，排汽 103.9吨 /时，电厂效率 62.1%，冷端损失 23.9%，供电标煤耗： 220g/kwh。回收冷凝热电厂效率可以达到 85%，煤耗：回收冷凝热供电标煤耗 160g/kwh。工艺流程如图 15所示。

能效分析

供热工况 2

进汽 341.5吨 /时，抽汽 170吨 /时，排汽 93.3吨 /时，电厂效率 65.2%，冷端损失 20.8%，供电标煤耗： 210g/kwh。回收冷凝热电厂效率可以达到 85%，供电标煤耗：回收冷凝热供电标煤耗 160g/

kwh。工艺流程如图 16所示。

能效分析

小热电机组与 600MW 大型火电机组指标参数比较机组 工况 进汽

（ t/h ）

抽汽（ t/h ）

热效率（ %）

供电煤耗（ g/kwh ）

35MW 纯凝汽 138 0 31.1 437供热 1 164 40 49.0 （ 8

5 ）279 （ 16

0 ）供热 2 190 80 62.4 （ 8

5 ）219 （ 16

0 ）60MW 纯凝汽 245 0 30.1 453

供热 1 330 150 62.1(85) 220(160)供热 2 341.5 170 65.2(85) 210(160)

600MW

纯凝汽 36-40 300-290

2009 年全国平均供电标煤耗 342注 ;括号内的数字为回收冷凝热的值

小火电效率低煤耗高，而带供热的小热电效率并不低，煤耗并不高，特别是能够回收冷凝热的小热电效率之高，远高于大（ 600MW 及以上）火电；煤耗之低，远低于大（ 600MW 及以上）火电。呼吁对效率高煤耗低的小热电要高抬贵手，不要把小热电等同于小火电，高效节能的小热电应该受到保护，要压的只能是高能耗的小火电。

能效分析

06 年以来全国平均供电标煤耗比较如图 17 所示。前两年关停小火电供电标煤耗明显下降， 07 年比 06 年降低 10g/kwh ， 08 年比 07 年降低 12g/kwh ，而 2009 年收效甚微（ 2009 年，全国关停小火电 2617 万千瓦。“十一五”期间，全国累计关停小火电 6006 万千瓦，超过计划目标 1006 万千瓦，），仅比 08 年降低 3g/kwh ，说明 2009 年被关掉的一部分是小热电，通过关停小火电降低供电标煤耗是有限的，今后对火（热）电厂节能主攻方向建议转为冷凝热回收，冷凝热回收潜力巨大，前景广阔，大有可为。

能效分析

17 图 近年来全国供电标煤耗比较图

367

357

345

342

325

330

335

340

345

350

355

360

365

370g/

kwh

供电标准煤耗（

）

06年全国供电标准煤耗

07年全国供电标准煤耗

08年全国供电标准煤耗

09年全国供电标准煤耗

第四部分：冷凝热回收的前景预测

1. 节能减排预测

2. 市场及经济性预测

据国家有关部门公布，至 2009 年低，我国 6000 千瓦及以上电厂发电设备容量 87407 万千瓦，其中火电 65205 万千瓦，可资利用的火电按 15000 万千瓦（不足四分之一）估计，每发 1 瓦电回收冷凝热按 0.7 瓦估计，供暖期按 5 个月估计，供冷期按 3 个月估计，每年可回收冷凝热 2177.28 百万吉焦。如果供热锅炉平均运行效率按 60% 估算，每年可节标准煤 1.2 亿吨。如果被改造的有 50% 的水冷机组，按每兆瓦装机容量年节水 1 万吨计算，每年节水 15 亿吨。

每年减排二氧化碳 3 亿吨，向大气中少排热 2177 百万吉焦。

4.1节能减排预测

按照以上预测，回收冷凝热总装机容量为 105000 兆瓦，溴化锂吸收式热泵与离心热泵按 7:3 估算，需要溴化锂吸收式热泵总装机容量 73500 兆瓦，需要离心热泵总装机容量 31500 兆瓦。

热价按 27 元 / 吉焦计算，每年回收冷凝热收益 587.8 亿元。水费按 5 元 / 吨计算，每年节水收益 75 亿元。

热指标按 50 瓦 / 平方米计算，利用回收的冷凝热可以新增供热面积 21 亿平方米。

每平方米供热面积投资按 80 元（热源 50 元，一次管网和换热站 30 元）估计，利用冷凝热供热可以拉动投资 1680 亿元。

4.2 市场及经济性预测

第五部分：小结

1.利用冷凝热集中供热是一项节能工程

2.利用冷凝热集中供热是一项环保工程

3.利用冷凝热集中供热利国利民利企

4.利用冷凝热集中供热前景广阔

5.回收冷凝热项目推广存在的问题与建议

利用冷凝热集中供热每年可节能 2177.28 百万吉焦，其中供暖期节能 1630.8 百万吉焦，供冷期节能 546.48 百万吉焦；每年可节标准煤 1.2 亿吨，其中供暖期节标准煤 0.75 亿吨，供冷期节标准煤 0.45 亿吨。每年节水 15 亿吨，其中供暖期节水 9.4 亿吨，供冷期节水 5.6 亿吨。

5.1 利用冷凝热集中供热是一项节能工程

每年少排灰渣 0.8 亿吨，少排烟尘 29 万吨，少排二氧化硫 371 万吨，少排氮氧化物 175 万吨，少排二氧化碳 3 亿吨。每年少排热 2177.28 百万吉焦。

5.2 利用冷凝热集中供热是一项环保工程

利用冷凝热集中供热不仅是一项节能环保工程，还是一项造福百姓关切群众冷暖的民生工程，对企业也有一定的经济效益，可谓利国利民利企。

5.3 利用冷凝热集中供热利国利民利企

利用冷凝热集中供热对空调设备制造商，特别是对大型水源热泵制造商是一个绝好机会，有广阔的市场前景。

利用冷凝热集中供热电厂是直接受益者，可以提高电厂的热负荷利用率，降低煤耗，节约用水，提升电厂运行的经济性，同时获得较好的收益。

利用冷凝热集中供热对投资者获取利润也是一个很好的机遇，其市场之大，有利可图。

5.4 利用冷凝热集中供热前景广阔

问题 : ① 对用热泵回收电厂冷凝热集中供热的认识不足，宣传不够。②部分电厂为扩大产能上大机组，把可以改造的小（ 200MW 及以下）热电按小火电报停。 建议 : ①用热泵技术回收电厂冷凝可以将电厂热电效率提高到 80% 以上，是电厂节能减排、提高效益的有效途径，应广为宣传，列为国家推广的政策。②保护高效节能的小热电，提高热电能效门槛，将热电全年热效率提高到 60% 以上，新建热电全年热效率提高到 64% 以上。

5.5 回收冷凝热项目推广存在的问题与建议

谢谢各位！