基于吸收式循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)的應(yīng)用
李利新 鵬程物業(yè)管理公司
摘 要：介紹了清華大學(xué)提出的“基于吸收式循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)”在同煤集團(tuán)“兩區(qū)”供熱中的應(yīng)用，通過一個采暖期的運(yùn)行數(shù)據(jù)與測試分析表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，熱能利用效率高，熱力站的吸收式換熱機(jī)組能夠?qū)⒁淮尉W(wǎng)回水溫度降到25 ℃左右，同時，電廠的余熱回收熱泵機(jī)組可回收電廠循環(huán)水余熱，兩者結(jié)合運(yùn)用，節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效果顯著，可以大規(guī)模推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：熱電聯(lián)產(chǎn) 集中供熱 吸收式換熱
1 概述
同煤集團(tuán)采煤沉陷區(qū)綜合治理和棚戶區(qū)改造工程(簡稱“兩區(qū)”改造工程)，是黨中央、國務(wù)院、省、市關(guān)心廣大煤礦員工群眾的一項民心工程、德政工程和安居工程。該工程的建成，可使近10萬戶30萬員工家屬的居住條件得到徹底改善。工程分三期建設(shè)，目前一、二期工程已建成600多萬平方米，安置住戶6萬余戶。根據(jù)同煤集團(tuán)“兩區(qū)”的建設(shè)發(fā)展思路，要不斷完善礦區(qū)職工家屬的居住條件，完善水、電、氣、熱等各項基礎(chǔ)設(shè)施。二期工程竣工后，將華電大同第一熱電廠作為集中供熱的主要熱源為“兩區(qū)”供熱。
1.1 熱源情況
華電大同第一熱電廠是日本侵華時期為掠奪大同煤炭于1939年建成的，解放后，電廠經(jīng)過多次擴(kuò)建，機(jī)組容量不斷擴(kuò)大，對大同市的供電及供熱做出了貢獻(xiàn)。隨著機(jī)組的老化和超期服役，1﹟-7﹟機(jī)組相繼關(guān)停，目前電廠利用2007年投產(chǎn)建設(shè)的2×135MW空冷供熱機(jī)組，摻燒附近采煤區(qū)的煤矸石，同時為大同城區(qū)供熱和供電。兩臺CKZ135-13.24/535/535/0.245型汽輪機(jī)組，冬季最大抽汽工況下的主要熱力參數(shù)見表1-1，采暖抽汽量為2×200=400t/h，蒸汽參數(shù)P=0.245MPa,T=237℃,折合供熱總量約為268MW。
表1-1 大同第一熱電廠汽輪機(jī)最大抽汽工況下的主要熱力參數(shù)
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型號 |
CKZ135-13.24/535/535/0.245 |
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型式 |
超高壓.一次中間再熱.雙缸.雙排汽.單軸.單抽.凝汽式直接空冷汽輪機(jī) |
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主蒸汽壓力 |
13.24MPa |
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主蒸汽溫度 |
535℃ |
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主蒸汽流量 |
480t/h |
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再熱蒸汽進(jìn)汽閥前蒸汽壓力 |
2.48MPa |
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再熱蒸汽進(jìn)汽閥前蒸汽溫度 |
535℃ |
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再熱蒸汽進(jìn)汽流量 |
411t/h |
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抽汽壓力 |
0.245MPa(絕壓) |
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抽汽溫度 |
237℃ |
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抽汽流量 |
200t/h |
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背壓 |
15kPa |
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低壓缸排汽流量 |
160t/h |
1.2 熱網(wǎng)及用戶情況
連接華電大同第一熱電廠與同煤“兩區(qū)”各熱力站的一次熱力管網(wǎng)是由同煤集團(tuán)投資建設(shè)的，一次網(wǎng)使用DN1200的管線從大同一電廠輸出，到達(dá)“兩區(qū)”首站后分支變?yōu)?/span>DN1000、DN900、DN800、DN700、DN600、DN500、DN400、DN300、DN250、DN200的管線分別傳輸?shù)礁餍^(qū)熱交換站，熱交換站通過換熱機(jī)組吸收熱量后經(jīng)二次網(wǎng)輸送到住戶家中供熱。一次網(wǎng)設(shè)計供回水溫度為120/65℃,循環(huán)水泵單臺流量1800t/h,揚(yáng)程140m,功率1120kW,3開1備。二次網(wǎng)設(shè)計供回水溫度為70/50℃（掛暖）、60/40℃（地暖），供回水壓力為0.5/0.3MPa。
2009年采暖季，華電大同第一熱電廠為同煤“兩區(qū)”供熱約為260萬㎡，根據(jù)2009年采暖季的實際運(yùn)行數(shù)據(jù)，“兩區(qū)”集中供熱系統(tǒng)的一次網(wǎng)供水溫度在75～95℃之間，回水溫度為45～55℃，溫差僅為25～40℃左右，一次網(wǎng)處于“大流量、小溫差”的不節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)（見表1-2）。同煤“兩區(qū)”的二次網(wǎng)用戶80%采用地暖，2009年采暖季的實際運(yùn)行供回水溫度約為45/40℃，其余20%的二次網(wǎng)用戶采用掛暖，2009年采暖季的實際運(yùn)行供回水溫度約為50/40℃。其中沉陷區(qū)有熱力站14座，2009年采暖季僅有7座運(yùn)行，二次網(wǎng)用戶全部采用地暖，實際運(yùn)行供回水溫度約為45/35℃。
表1-2 2009-2010年采暖期一次網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)
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日 期 |
供水溫度（℃） |
回水溫度（℃） |
供水壓力（MPa） |
回水壓力（MPa） |
一次網(wǎng)流量（t/h） |
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2009年12月5日 |
88.5 |
49.6 |
0.50 |
0.38 |
2058 |
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2009年12月15日 |
97.41 |
55.0 |
0.45 |
0.27 |
2242 |
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2009年12月25日 |
85.7 |
53.7 |
0.42 |
0.23 |
3127 |
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2010年1月11日 |
74.2 |
45.3 |
0.47 |
0.28 |
2940 |
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2010年1月21日 |
74.6 |
48.6 |
0.41 |
0.23 |
2924 |
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2010年1月31日 |
79 |
50.7 |
0.39 |
0.20 |
2947 |
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2010年2月7日 |
85.3 |
45.4 |
0.36 |
0.26 |
1815 |
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2010年2月17日 |
82.1 |
50.8 |
0.39 |
0.25 |
2570 |
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2010年2月27日 |
73.6 |
45.5 |
0.33 |
0.25 |
2075 |
1.3 熱負(fù)荷
1.3.1采暖綜合熱指標(biāo)
建筑采暖綜合熱指標(biāo)是由所在地區(qū)氣象條件及建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)特征所決定的。通過對2009年采暖季的實際運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)及供熱面積的分析統(tǒng)計，推算同煤集團(tuán)“兩區(qū)”供熱系統(tǒng)的采暖綜合熱指標(biāo)約為60W/㎡。
1.3.2供熱面積統(tǒng)計
2009年采暖季，同煤集團(tuán)“兩區(qū)”供熱的面積為260萬㎡，2010年新增供熱面積370萬㎡，現(xiàn)供熱總面積為630萬㎡。由此，根據(jù)“兩區(qū)”的采暖綜合熱指標(biāo)，得出2010年采暖季同煤“兩區(qū)”總熱負(fù)荷需求約為378MW。
1.3.3熱源能力和熱負(fù)荷平衡
同煤集團(tuán)“兩區(qū)”的熱源能力和熱負(fù)荷供需平衡如表1-3所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，同煤集團(tuán)“兩區(qū)”的供熱系統(tǒng)將面臨著嚴(yán)重的熱源能力不足的問題，2010年采暖季將會出現(xiàn)約200萬㎡的缺口，由于大氣環(huán)境治理的要求，又要嚴(yán)格控制城區(qū)燃煤鍋爐及燃煤電廠的建設(shè)。作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的一項重要組成部分，如果同煤集團(tuán)“兩區(qū)”的居民采暖問題不能解決，將嚴(yán)重限制該區(qū)域居民的生活水平，影響該區(qū)域的和諧穩(wěn)定發(fā)展。
表1-3 同煤集團(tuán)“兩區(qū)”供熱系統(tǒng)供需平衡
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2009年采暖季 |
2010年采暖季 |
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“兩區(qū)”供熱面積（萬㎡） |
260 |
630 |
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“兩區(qū)”供熱負(fù)荷（MW） |
156 |
378 |
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一電廠供熱能力（MW） |
268 |
268 |
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熱源供熱能力與熱負(fù)荷差值（MW） |
+112 |
-110 |
2 供熱系統(tǒng)改造
目前，由于同煤集團(tuán)“兩區(qū)”改造工程的逐步建設(shè)完善，供熱面積在不斷加大，然而大同一電廠的熱源有限，新建熱電廠或大型燃煤鍋爐房又會帶來環(huán)境問題，為各地環(huán)保部門所嚴(yán)格控制；另外，官網(wǎng)輸送能力的不足，不能滿足城市建筑對采暖日益增加的需求，重新擴(kuò)大主干管管徑不僅投資巨大，而且對于管線密布的地下現(xiàn)狀和交通繁雜、建筑密集的地上現(xiàn)狀，熱網(wǎng)的改造、重建會非常繁瑣。鑒于此情況，采用清華大學(xué)提出的“基于吸收式循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)”，對電廠和熱力站進(jìn)行集中供熱改造，可有效地解決這一問題。
2.1 吸收式換熱
2007年清華大學(xué)首次提出了“吸收式換熱”的概念和“基于吸收式循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)”（簡稱“基于吸收式循環(huán)”）并與北京環(huán)能瑞通科技發(fā)展有限公司合作，相繼開發(fā)出“吸收式換熱機(jī)組”和“余熱回收專用熱泵機(jī)組”等一系列產(chǎn)品。
2.2 技術(shù)流程
清華大學(xué)提出的基于吸收式循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)流程如下圖2-1所示：
（1）熱力站處安裝吸收式換熱機(jī)組，用于替代常規(guī)的水-水換熱器，在不改變二次網(wǎng)供回水溫度的前提下，降低一次網(wǎng)回水溫度至20℃左右，熱網(wǎng)供回水溫度由原來的120/60℃變?yōu)?/span>120/20℃，輸出溫差拉大了近一倍，由此大幅度的降低了熱網(wǎng)投資和運(yùn)行費(fèi)用。
（2）在電廠熱網(wǎng)加熱首站安裝吸收式熱泵機(jī)組，以汽輪機(jī)的采暖蒸汽驅(qū)動回收汽輪機(jī)排汽余熱，用于梯級加熱一次網(wǎng)熱水，由于熱網(wǎng)低溫回水實現(xiàn)了與汽輪機(jī)排汽的能級匹配，使得熱泵處于極佳的制熱溫度和更大的升溫幅度，從而使熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)的能耗大幅度降低。
通過新型熱泵機(jī)組開發(fā)和構(gòu)建新型的集中供熱系統(tǒng)，一方面利用電廠汽輪機(jī)乏汽余熱供熱，可提高電廠現(xiàn)有供熱機(jī)組的供熱能力30%以上，降低系統(tǒng)供熱能耗40%以上；另一方面實現(xiàn)了管網(wǎng)的大溫差輸送，可提高熱網(wǎng)的輸送能力80%左右，降低新建管網(wǎng)的投資和輸送能耗30%以上。
圖 2-1 基于吸收式循環(huán)的新型熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)流程
2.3 改造方案
2.3.1大同一電廠
大同一電廠兩臺2×135MW機(jī)組配套安裝兩臺余熱回收熱泵機(jī)組。回收汽輪機(jī)排汽余熱，梯級加熱熱網(wǎng)回水，能把尾部余熱回收利用并提高供熱溫度，額定工況下，可回收電廠余熱140MW。
2.3.2同煤“兩區(qū)”熱力站
（1）同煤“兩區(qū)”有熱力站48座，其中地上熱力站10座，地下熱力站38座，在10個地上熱力站和有條件的4個地下熱力站安裝吸收式換熱機(jī)組18臺。末端是掛暖的供熱系統(tǒng)（137萬㎡），使一次網(wǎng)回水降低至31℃，末端是地暖的供熱系統(tǒng)（136萬㎡），使一次網(wǎng)回水降低至20℃，在不具備安裝吸收式換熱機(jī)組的34個地下熱力站采用增加板式換熱片的方式，提高板式換熱器的換熱面積，使一次網(wǎng)回水降低至43℃。通過上述改造，一次網(wǎng)返回?zé)犭姀S的綜合回水溫度可降低到37℃左右。
（2）在各熱力站安裝一次水流量自動控制閥57個，增加了遠(yuǎn)程檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以解決了水力失調(diào)，供熱不均衡等問題。
2.3.3熱源與用戶供需平衡
改造后的供熱系統(tǒng)熱源與用戶供需平衡如表2-1所示，根據(jù)設(shè)計工況下熱量數(shù)據(jù)可以看出，改造后，由于熱源能力的提高，完全可以滿足同煤集團(tuán)“兩區(qū)”600萬㎡的供熱需求。
表2-1 同煤集團(tuán)兩區(qū)供熱系統(tǒng)改造后的熱源與用戶供需平衡
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項 目 |
最大抽汽工況 |
設(shè)計工況 |
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熱量（MW） |
供熱面積（萬㎡） |
熱量（MW） |
供熱面積（萬㎡） |
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汽輪機(jī)抽汽 |
268 |
447 |
256 |
427 |
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回收汽輪機(jī)排汽 |
208 |
347 |
140 |
233 |
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合計 |
476 |
793 |
396 |
660 |
3 運(yùn)行效果
3.1大同一電廠吸收式熱泵運(yùn)行效果
從2010年10月開始，大同一電廠為同煤“兩區(qū)”供熱420萬㎡，其余的由同煤大唐電廠供熱。2010年12月30日，改造工程全部完成，2011年1月5日，大同一電廠兩臺吸收式熱泵機(jī)組和同煤“兩區(qū)”的8臺吸收式換熱機(jī)組同時投入運(yùn)行。根據(jù)“兩區(qū)”的供熱記錄統(tǒng)計，供熱改造系統(tǒng)運(yùn)行前后各項數(shù)據(jù)如下：
3.1.1 供熱改造系統(tǒng)投運(yùn)前：
大同一電廠提供的一次網(wǎng)流量為3000t/h左右，平均供水溫度為85℃左右，回水溫度40℃左右；同煤“兩區(qū)”熱交換站二次網(wǎng)的平均供水溫度為40℃左右，個別站二次網(wǎng)供水溫度甚至低于35℃，回水溫度為35℃左右。各物業(yè)站上報的小區(qū)居民測溫結(jié)果顯示，30%的居民室溫低于18℃。
3.1.2供熱改造系統(tǒng)投運(yùn)后：
大同一電廠提供的一次網(wǎng)流量為3500-3800t/h，供水溫度升為100℃以上，回水溫度在45℃左右；同煤“兩區(qū)”熱交換站二次網(wǎng)的供水溫度全部達(dá)到48℃左右，回水溫度為40℃左右。各小區(qū)住戶的測溫結(jié)果顯示，除有個別靠山墻及頂層住戶室溫低于18℃，其余住戶都在18℃以上。
3.2 同煤“兩區(qū)”吸收式換熱機(jī)組運(yùn)行效果
2011年2月23日，同煤“兩區(qū)”將同煤大唐電廠的熱源全部退出，至此，“兩區(qū)”的48個熱交換站，共計600萬㎡的供熱面積全部由大同一電廠提供熱源，熱交換站的18臺大溫差換熱機(jī)組也全部投入運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果如下：
（1）一電廠的一次網(wǎng)流量為3800t/h左右，平均供水溫度為100℃左右，平均回水溫度為38℃左右。熱交換站二次網(wǎng)平均供水溫度在48℃左右，平均回水溫度在40℃左右。
（2）同煤“兩區(qū)”熱交換站的18臺“吸收式換熱機(jī)組”一次網(wǎng)供水溫度在100℃左右，回水溫度都在25℃左右，吸收熱能溫差在75℃左右。機(jī)組的低溫回水在綜合了其它站板式換熱器的回水后，給電廠的回水溫度也只有38℃左右，有效的吸收了熱能?，F(xiàn)列舉其中的一個熱交換站做比較（見表3-1），表中所示C區(qū)熱交換站原由同煤大唐電廠采用水-水管式換熱器供熱。
表3-1 同煤集團(tuán)兩區(qū)C區(qū)熱交換站供熱系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析表
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C 區(qū) 熱交換站 |
一次網(wǎng) |
二次網(wǎng) |
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供水溫度 |
回水溫度 |
流 量 |
供水溫度 |
回水溫度 |
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管式換熱器 |
103℃ |
46℃ |
260t/h |
48℃ |
41℃ |
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大溫差機(jī)組 |
98℃ |
26℃ |
200t/h |
50℃ |
40℃ |
以上數(shù)據(jù)顯示，兩種供熱方式，在一次網(wǎng)供水溫度相差5℃左右,流量相差60t/h的情況下，吸收式換熱機(jī)組吸收的熱能溫差仍能達(dá)72℃，二次網(wǎng)的供水溫度完全能夠保證，而且降低了能耗。
（3）各小區(qū)住戶室內(nèi)溫度抽查測量結(jié)果顯示，住戶室溫基本都保持在18℃至23℃之間。
4 結(jié)論
根據(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)果分析，同煤“兩區(qū)”的供熱改造工程，采用清華大學(xué)的“基于吸收式循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)”取得了顯著的效果，不僅有效地利用了大同一電廠的熱能，而且大幅度的增加了供熱面積，熱交換站的吸收式換熱機(jī)組，有效吸收了電廠一次網(wǎng)的熱能，降低了一次熱網(wǎng)返廠回水溫度，為大同第一熱電廠汽輪機(jī)乏汽余熱回收創(chuàng)造有利條件，可大幅提高該電廠的供熱能力和能源利用效率，同時，供熱改造工程通過完善集中熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，有效解決水力失調(diào)、供熱不均等問題，提高供熱質(zhì)量，節(jié)約供熱能耗，實現(xiàn)能源的綠色高效利用。
參考文獻(xiàn)
[1]付林.江億.張世鋼.基于Co-ah循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2008年09期1377-1380，1412
Application of district heating system based on Co-ah cycles
in combined heating and power systems
Li Lixin
(Pengcheng Company; Datong coal Mine Group Corporation; Datong; Shanxi;037003)
Abstract: Introduces the application of district heating system based on Co-ah cycles proposed by tsinghua university in combined heating and power systems in Datong Coal Mine Group. Anylisis on running datas of a whole running season showed that the system ran stably and increased energy efficiency significantly. In heating substations, temperature of return water is reduced to 25℃ by absorption-exchangers. In the cogeneration plant, circulating water is heated by extracton steam of steam turbines and exhausted heat in absorption pumps. This system enjoys a high energy saving effect and economic benefit, so it is proper to applicate this system in large-scale.
Key words: Co-generation; district heating; absorption heat exchanger
作者簡介：李利新（1972-），男，山西大同同煤集團(tuán)鵬程公司，工程師
聯(lián)系電話：13994379986（手機(jī)） 7846076(辦公室)
基于Co-ah 循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方法
清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）[ISSN:1000-0054/CN:11-2233/N]
期數(shù): 2008年09期
頁碼: 1377-1380,1412
欄目: 建筑科學(xué)與工程
出版日期:2008-09-15
