循環(huán)冷卻水熱泵技術(shù)

1、循環(huán)冷卻水熱泵技術(shù)一.技術(shù)原理及特點(diǎn)熱泵技術(shù)是近幾年在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)節(jié)能型新技術(shù)。其工作原理是 利用低溫水為熱源，達(dá)到向建筑物供冷和供暖的目的，實(shí)質(zhì)上是一種以消耗一部 分高質(zhì)能（機(jī)械能、電能或高溫?zé)崮艿龋┳鳛檠a(bǔ)償，通過(guò)熱力循環(huán)，把環(huán)境介質(zhì)（循 環(huán)冷卻水）中存貯的低品位能量加以發(fā)掘、禾I用的裝置，因此它可以充分利用地 址能量而節(jié)約高位能量。熱泵作為一個(gè)能量的 搬運(yùn)工”可以實(shí)現(xiàn)能量的逆向傳 遞，即由低溫物體向高溫物體的傳遞的功能。循環(huán)冷卻水熱泵技術(shù)是水源熱泵， 常見(jiàn)的有壓縮式和吸收式兩種。1.吸收式熱泵工作原理：吸收式熱泵依據(jù)產(chǎn)生工質(zhì)蒸氣熱源的不同分為兩種形式（如圖所示）:第一類是工質(zhì)蒸氣

2、的發(fā)生需要消耗部分高質(zhì)熱能；第二類產(chǎn)生工質(zhì)蒸氣的熱量是 由低品位的余熱熱源提供。中國(guó)在應(yīng)用中以第一類為主，它由蒸發(fā)器、吸收器、 發(fā)生器、冷凝器以及溶液換熱器等設(shè)備組成。 在蒸發(fā)器中，利用近一半的廢熱使 水蒸發(fā)，生成的水蒸氣進(jìn)入吸收器被濃工質(zhì)吸收， 吸收時(shí)放出的熱量返回生產(chǎn)過(guò) 程重新利用；吸收水蒸氣后的稀工質(zhì)溶液，流經(jīng)溶液換熱器并與濃工質(zhì)溶液換熱 后進(jìn)入發(fā)生器；在發(fā)生器中利用另一半廢熱將稀溶液蒸濃， 蒸發(fā)的水蒸氣進(jìn)入冷 凝器冷凝，放出的熱量被冷卻水帶走排向環(huán)境； 冷凝器流出的凝液及發(fā)生器流出 的濃工質(zhì)溶液，分別用泵送回蒸發(fā)器和吸收器，進(jìn)行循環(huán)。用八熱水網(wǎng)圖1吸收式熱泵工作原理圖技術(shù)指標(biāo)：致熱系數(shù)

3、值一般在2.0左右，即消耗1份蒸氣，可從低溫?zé)嵩刺崛? 份熱量，供給熱用戶2份的熱量，比應(yīng)用板式換熱器或者氣水換熱器供暖消耗蒸 氣量減少一半。吸收式熱泵的優(yōu)點(diǎn)是，可能利用溫度不高的熱源作為動(dòng)力；除功率不大的溶 液泵外沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，耗電量低，無(wú)噪聲。缺點(diǎn)是熱效率低，一般適合于規(guī)模大 的供熱系統(tǒng)。2.壓縮式熱泵工作原理：低溫低壓的制冷劑（常用氟利昂類等工質(zhì)）通過(guò)蒸發(fā)器從低位冷源吸熱 蒸發(fā)升溫后進(jìn)入壓縮機(jī)，被絕熱壓縮成高溫高壓蒸汽，然后進(jìn)入冷凝器向高位熱 源放熱冷凝后，經(jīng)過(guò)節(jié)流膨脹閥絕熱節(jié)流降溫降壓成低干度的濕蒸汽，再通過(guò)蒸發(fā)器從冷源吸熱蒸發(fā)，如此循環(huán)。圖2壓縮式熱泵循環(huán)流程圖技術(shù)指標(biāo)：它的致熱系數(shù)

4、值將近3.5,也就是消耗1份電能可從低溫環(huán)境提取2.5 份熱量，供給用戶3.5份熱量。壓縮式熱泵較吸收式熱泵設(shè)備簡(jiǎn)單， 控制便捷，但需要消耗優(yōu)質(zhì)的電能，在 具備蒸氣源的區(qū)域采用吸收式蒸氣動(dòng)力熱泵投資少， 運(yùn)行費(fèi)用低，節(jié)約蒸氣50%, 效果顯著?？梢?jiàn)兩種熱泵機(jī)組各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)該結(jié)合地區(qū)和環(huán)境實(shí)際，統(tǒng)籌規(guī)劃，本著 技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理的原則選擇合適的熱泵機(jī)組加以應(yīng)用技術(shù)發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)利用熱泵技術(shù)回收循環(huán)水余熱供熱的研究方興未艾， 清華大學(xué)基于吸收 式熱泵回收循環(huán)水余熱的供熱技術(shù)。先后在內(nèi)蒙古赤峰及山西大同等電廠實(shí)施， 大大提高了其供熱能力； 北京、山西等地的多家電廠采用吸收式熱泵機(jī)組吸取循 環(huán)

5、水余熱用于供熱的實(shí)踐工程已經(jīng)取得了良好的企業(yè)效益和社會(huì)效益， 在節(jié)能與 環(huán)保方面率先垂范，如大同某電廠的余熱利用項(xiàng)目年節(jié)水效益 331.2 萬(wàn)元，年節(jié) 約標(biāo)煤6.8萬(wàn)t，年二氧化碳減排17萬(wàn)t。但熱泵技術(shù)回收電廠循環(huán)水余熱的研 究還處于初始階段，電廠試點(diǎn)值得進(jìn)一步推廣，很多問(wèn)題還有待于繼續(xù)研究。三 技術(shù)適用領(lǐng)域 油田、煉化企業(yè)（電廠、鋼鐵企業(yè)、化工企業(yè)等） 、印染、輪胎制造、制藥 等行業(yè)。鋼鐵企業(yè)在煉鐵、煉鋼、連鑄、熱軋、制氧、自備電廠等各單元均有大量的 低熱工業(yè)循環(huán)冷卻水， 雖然其品位不高， 但所蘊(yùn)含的熱能是具大的。 可以通過(guò)熱 泵技術(shù)加以利用。四 典型項(xiàng)目效益1.以年產(chǎn)量100萬(wàn)t鋼材，供

6、暖面積為17萬(wàn)m2（其中辦公樓3.5萬(wàn)m2）的某鋼廠 暖供熱系統(tǒng)改造為例。該鋼廠下屬各廠的工業(yè)循環(huán)水總量約為 1.8萬(wàn)m3/h,冬季 水溫在1840C之間。根據(jù)企業(yè)的熱負(fù)荷25.69MW ,選擇高溫干式普通水-水型 熱泵機(jī)級(jí)10臺(tái)SM（G）-700LR型熱泵機(jī)組供暖。節(jié)能計(jì)算： 采用熱泵機(jī)組將低熱值工業(yè)循環(huán)水中的熱量提取出來(lái)，對(duì)采暖用水進(jìn)行加熱，以替代原來(lái)用于加熱取暖水的蒸汽本工程實(shí)施前， 該鋼廠的采暖全部靠公司動(dòng)力電站的鍋爐提供蒸汽解決。17萬(wàn)m2的采暖面積，按照其不同用途計(jì)算后的 總熱負(fù)荷為25.69MW/h，換算后需消耗蒸汽42t/h。該鋼廠全年采暖為210d，每 年取暖蒸汽消耗量約為2

7、1.17萬(wàn)t/a。按照低壓蒸汽折標(biāo)系數(shù)為：0.129 kgce/kg計(jì) 算，這一部分蒸汽折合標(biāo)準(zhǔn)煤2.73萬(wàn)t/a。由于本項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中還要消耗電能，每年的耗電量為1121.25萬(wàn)kW-h/a，按照電力折標(biāo)系數(shù)為0.122 9 kgce/(kW h)計(jì) 算，折合每年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約1378t/a。兩項(xiàng)相減后，等于2.59萬(wàn)t/a標(biāo)準(zhǔn)煤。也就 是說(shuō)，本項(xiàng)目實(shí)施后，每年可為該鋼廠節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 2.59萬(wàn) t/a。本次改造的環(huán)境效益：本工程建設(shè)的目的旨在對(duì)現(xiàn)有工程的余熱進(jìn)行回收利用，實(shí)施后，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約2.59萬(wàn)t/a,僅此一項(xiàng)每年便可減少粉塵排放量 280t; 減少SO2排放量125t;減少NOx

8、排放量130t;減少CO2排放量67340t;可見(jiàn)本 工程的環(huán)境效益是十分明顯的。2. 鞍山鋼鐵集團(tuán) (簡(jiǎn)稱鞍鋼 ,下同)由于地處北方，涉及到冬季取暖、夏季制冷問(wèn) 題。采用循環(huán)冷卻水熱泵技術(shù)，可以很大程度上解決這一問(wèn)題。就節(jié)能減排效益而言，利用余熱源水源熱泵可回收 2120MW 的余熱量。按 照供熱指標(biāo)60W/m2計(jì)算，則可提供采暖面積約 3533萬(wàn)m2,市場(chǎng)前景廣闊。就節(jié)能方面而言，應(yīng)用余熱源水源熱泵系統(tǒng)，采暖期按150d計(jì)算，平均每天 16h 供暖，環(huán)境負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù)取 0.6，水源熱泵回收工業(yè)余熱提供 2120MW， 供熱能力需耗電 607MW。150X16307X)6 = 8726400

9、00kWh，每年耗電 8.73億 kW-h。根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委提供的最新數(shù)據(jù)：水源熱泵每年耗電8.73億kWh,折合標(biāo)煤314280t。燃煤鍋爐熱效率按70%計(jì)算，提供2120MW制熱量每小時(shí)需 消耗標(biāo)煤2120/70%X3600/29.3=372111kg約372t/h。運(yùn)行一個(gè)采暖期需標(biāo)準(zhǔn)煤 150X6X372>0.6=535680t。利用水源熱泵回收利用低溫余熱供給 3533萬(wàn)m2建筑 物采暖，每年可節(jié)約221400t標(biāo)煤。就減排效果而言，能源消耗按1噸標(biāo)煤產(chǎn)生2.6t二氧化碳、8.3kg二氧化硫、 7.4kg 氮氧化物計(jì)算， 則二氧化碳： 221400X2.6=575640t;

10、二氧化硫： 221400 X.3/1000=1837.62t;氮氧化物：221400 X.4/1000=1638.36t。所以，利用 水源熱泵回收工業(yè) 余熱替代 燃煤鍋爐 集中供熱 ，可減少二 氧化碳 排放量 575640t/a,二氧化硫 1837.62t/a，氮氧化物 1638.36t /a。五 技術(shù)推廣的潛力面向未來(lái)，熱泵及其應(yīng)用系統(tǒng)會(huì)被越來(lái)越廣泛地采用，究其原因有以下幾點(diǎn)：（1）由于燃燒常規(guī)能源（石油、煤、天燃?xì)獾龋┒a(chǎn)生的煙灰、氧化物等有害 物質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染已成為嚴(yán)重的問(wèn)題。（2）能源價(jià)格的上漲與常規(guī)能源數(shù)量的減少，要求人們必須節(jié)能。熱泵所具有 的用能效率高，運(yùn)行的自動(dòng)化和安全性，將會(huì)

11、更多地滿足人們的節(jié)能要求。（3）熱泵具有利用以前不能利用的自然能源和排熱能源這一優(yōu)點(diǎn)。鋼鐵冶金過(guò)程中產(chǎn)生的大量循環(huán)水、 廢水和廢氣等低溫余熱源， 此部分余熱 資源目前尚沒(méi)有得到有效利用， 形成余熱資源的浪費(fèi)。 同時(shí)， 中國(guó)北方鋼鐵企業(yè) 冬季供暖需要開(kāi)動(dòng)高能耗低效率的燃煤小鍋爐或者直接耗用高品質(zhì)的蒸氣進(jìn)行 采暖，燃煤費(fèi)用、 維護(hù)檢修費(fèi)用和人工成本較高， 造成冬夏季蒸氣單位耗量差值 較大，在用氣高峰時(shí)， 由于蒸氣供應(yīng)困難甚至影響鋼鐵生產(chǎn)順行， 因此循環(huán)冷卻 水熱泵技術(shù)具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)前景。 從以上兩個(gè)例子的節(jié)能計(jì)算中可以 明顯看出該項(xiàng)技術(shù)帶來(lái)的巨大效益。六參考文獻(xiàn)劉恩海，何媛。熱泵技術(shù)及其發(fā)展與應(yīng)用。技術(shù)創(chuàng)新，2009年第 2 期；彭琪。蒸汽冷凝水回收系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性研究一。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2002年 2 月； 趙春娟，栗蘭，波李鳳，林李麗。淺談利用水源熱泵技術(shù)回收鋼鐵廠循環(huán)水余熱。黑龍江環(huán) 境通報(bào)， 2011年 3月，第 35 卷第 1期； 吳佐蓮，劉小春，王萌，劉慧。利用熱泵技術(shù)回收熱電廠余熱的可行性與經(jīng)濟(jì)性分析。山東 農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版 ）， 2008，39 （1）：62-68； 張勝生。萊鋼發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的模式與實(shí)踐。萊鋼科技，2007年 8 月；徐素芳?；て髽I(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)探討。廣州化工， 20