基于吸收式循環(huán)熱電聯產集中供熱技術的應用
李利新 鵬程物業(yè)管理公司
摘 要：介紹了清華大學提出的“基于吸收式循環(huán)熱電聯產集中供熱技術”在同煤集團“兩區(qū)”供熱中的應用，通過一個采暖期的運行數據與測試分析表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，熱能利用效率高，熱力站的吸收式換熱機組能夠將一次網回水溫度降到25 ℃左右，同時，電廠的余熱回收熱泵機組可回收電廠循環(huán)水余熱，兩者結合運用，節(jié)能與經濟效果顯著，可以大規(guī)模推廣應用。
關鍵詞：熱電聯產 集中供熱 吸收式換熱
1 概述
同煤集團采煤沉陷區(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、國務院、省、市關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，目前一、二期工程已建成600多萬平方米，安置住戶6萬余戶。根據同煤集團“兩區(qū)”的建設發(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、熱等各項基礎設施。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，電廠經過多次擴建，機組容量不斷擴大，對大同市的供電及供熱做出了貢獻。隨著機組的老化和超期服役，1﹟-7﹟機組相繼關停，目前電廠利用2007年投產建設的2×135MW空冷供熱機組，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型汽輪機組，冬季最大抽汽工況下的主要熱力參數見表1-1，采暖抽汽量為2×200=400t/h，蒸汽參數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最大抽汽工況下的主要熱力參數
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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 |
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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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再熱蒸汽進汽閥前蒸汽壓力 |
2.48MPa |
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再熱蒸汽進汽閥前蒸汽溫度 |
535℃ |
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再熱蒸汽進汽流量 |
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是由同煤集團投資建設的，一次網使用DN1200的管線從大同一電廠輸出，到達“兩區(qū)”首站后分支變?yōu)?/span>DN1000、DN900、DN800、DN700、DN600、DN500、DN400、DN300、DN250、DN200的管線分別傳輸到各小區(qū)熱交換站，熱交換站通過換熱機組吸收熱量后經二次網輸送到住戶家中供熱。一次網設計供回水溫度為120/65℃,循環(huán)水泵單臺流量1800t/h,揚程140m,功率1120kW,3開1備。二次網設計供回水溫度為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2009年采暖季的實際運行數據，“兩區(qū)”集中供熱系統(tǒng)的一次網供水溫度在75～95℃之間，回水溫度為45～55℃，溫差僅為25～40℃左右，一次網處于“大流量、小溫差”的不節(jié)能運行狀態(tài)（見表1-2）。同煤“兩區(qū)”的二次網用戶80%采用地暖，2009年采暖季的實際運行供回水溫度約為45/40℃，其余20%的二次網用戶采用掛暖，2009年采暖季的實際運行供回水溫度約為50/40℃。其中沉陷區(qū)有熱力站14座，2009年采暖季僅有7座運行，二次網用戶全部采用地暖，實際運行供回水溫度約為45/35℃。
表1-2 2009-2010年采暖期一次網運行參數
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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 熱負荷
1.3.1采暖綜合熱指標
建筑采暖綜合熱指標是由所在地區(qū)氣象條件及建筑物的圍護結構特征所決定的。通過對2009年采暖季的實際運行能耗數據及供熱面積的分析統(tǒng)計，推算同煤集團“兩區(qū)”供熱系統(tǒng)的采暖綜合熱指標約為60W/㎡。
1.3.2供熱面積統(tǒng)計
2009年采暖季，同煤集團“兩區(qū)”供熱的面積為260萬㎡，2010年新增供熱面積370萬㎡，現供熱總面積為630萬㎡。由此，根據“兩區(qū)”的采暖綜合熱指標，得出2010年采暖季同煤“兩區(qū)”總熱負荷需求約為378MW。
1.3.3熱源能力和熱負荷平衡
同煤集團“兩區(qū)”的熱源能力和熱負荷供需平衡如表1-3所示。從表中數據可以看出，同煤集團“兩區(qū)”的供熱系統(tǒng)將面臨著嚴重的熱源能力不足的問題，2010年采暖季將會出現約200萬㎡的缺口，由于大氣環(huán)境治理的要求，又要嚴格控制城區(qū)燃煤鍋爐及燃煤電廠的建設。作為城市基礎設施的一項重要組成部分，如果同煤集團“兩區(qū)”的居民采暖問題不能解決，將嚴重限制該區(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“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荷差值（MW） |
+112 |
-110 |
2 供熱系統(tǒng)改造
目前，由于同煤集團“兩區(qū)”改造工程的逐步建設完善，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)保部門所嚴格控制；另外，官網輸送能力的不足，不能滿足城市建筑對采暖日益增加的需求，重新擴大主干管管徑不僅投資巨大，而且對于管線密布的地下現狀和交通繁雜、建筑密集的地上現狀，熱網的改造、重建會非常繁瑣。鑒于此情況，采用清華大學提出的“基于吸收式循環(huán)的熱電聯產集中供熱技術”，對電廠和熱力站進行集中供熱改造，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)熱電聯產集中供熱技術”（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“吸收式換熱機組”和“余熱回收專用熱泵機組”等一系列產品。
2.2 技術流程
清華大學提出的基于吸收式循環(huán)的熱電聯產集中供熱技術流程如下圖2-1所示：
（1）熱力站處安裝吸收式換熱機組，用于替代常規(guī)的水-水換熱器，在不改變二次網供回水溫度的前提下，降低一次網回水溫度至20℃左右，熱網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投資和運行費用。
（2）在電廠熱網加熱首站安裝吸收式熱泵機組，以汽輪機的采暖蒸汽驅動回收汽輪機排汽余熱，用于梯級加熱一次網熱水，由于熱網低溫回水實現了與汽輪機排汽的能級匹配，使得熱泵處于極佳的制熱溫度和更大的升溫幅度，從而使熱電聯產集中供熱系統(tǒng)的能耗大幅度降低。
通過新型熱泵機組開發(fā)和構建新型的集中供熱系統(tǒng)，一方面利用電廠汽輪機乏汽余熱供熱，可提高電廠現有供熱機組的供熱能力30%以上，降低系統(tǒng)供熱能耗40%以上；另一方面實現了管網的大溫差輸送，可提高熱網的輸送能力80%左右，降低新建管網的投資和輸送能耗30%以上。
圖 2-1 基于吸收式循環(huán)的新型熱電聯產集中供熱技術流程
2.3 改造方案
2.3.1大同一電廠
大同一電廠兩臺2×135MW機組配套安裝兩臺余熱回收熱泵機組。回收汽輪機排汽余熱，梯級加熱熱網回水，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組18臺。末端是掛暖的供熱系統(tǒng)（137萬㎡），使一次網回水降低至31℃，末端是地暖的供熱系統(tǒng)（136萬㎡），使一次網回水降低至20℃，在不具備安裝吸收式換熱機組的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，使一次網回水降低至43℃。通過上述改造，一次網返回熱電廠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，增加了遠程檢測調節(jié)系統(tǒng)，以解決了水力失調，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，根據設計工況下熱量數據可以看出，改造后，由于熱源能力的提高，完全可以滿足同煤集團“兩區(qū)”600萬㎡的供熱需求。
表2-1 同煤集團兩區(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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汽輪機抽汽 |
268 |
447 |
256 |
427 |
|
回收汽輪機排汽 |
208 |
347 |
140 |
233 |
|
合計 |
476 |
793 |
396 |
660 |
3 運行效果
3.1大同一電廠吸收式熱泵運行效果
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組和同煤“兩區(qū)”的8臺吸收式換熱機組同時投入運行。根據“兩區(qū)”的供熱記錄統(tǒng)計，供熱改造系統(tǒng)運行前后各項數據如下：
3.1.1 供熱改造系統(tǒng)投運前：
大同一電廠提供的一次網流量為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)”熱交換站二次網的平均供水溫度為40℃左右，個別站二次網供水溫度甚至低于35℃，回水溫度為35℃左右。各物業(yè)站上報的小區(qū)居民測溫結果顯示，30%的居民室溫低于18℃。
3.1.2供熱改造系統(tǒng)投運后：
大同一電廠提供的一次網流量為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)”熱交換站二次網的供水溫度全部達到48℃左右，回水溫度為40℃左右。各小區(qū)住戶的測溫結果顯示，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)”吸收式換熱機組運行效果
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臺大溫差換熱機組也全部投入運行。運行結果如下：
（1）一電廠的一次網流量為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“吸收式換熱機組”一次網供水溫度在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 同煤集團兩區(qū)C區(qū)熱交換站供熱系統(tǒng)數據分析表
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C 區(qū) 熱交換站 |
一次網 |
二次網 |
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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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大溫差機組 |
98℃ |
26℃ |
200t/h |
50℃ |
40℃ |
以上數據顯示，兩種供熱方式，在一次網供水溫度相差5℃左右,流量相差60t/h的情況下，吸收式換熱機組吸收的熱能溫差仍能達72℃，二次網的供水溫度完全能夠保證，而且降低了能耗。
（3）各小區(qū)住戶室內溫度抽查測量結果顯示，住戶室溫基本都保持在18℃至23℃之間。
4 結論
根據以上數據結果分析，同煤“兩區(qū)”的供熱改造工程，采用清華大學的“基于吸收式循環(huán)熱電聯產集中供熱技術”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組，有效吸收了電廠一次網的熱能，降低了一次熱網返廠回水溫度，為大同第一熱電廠汽輪機乏汽余熱回收創(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監(jiān)控系統(tǒng)，有效解決水力失調、供熱不均等問題，提高供熱質量，節(jié)約供熱能耗，實現能源的綠色高效利用。
參考文獻
[1]付林.江億.張世鋼.基于Co-ah循環(huán)的熱電聯產集中供熱方法[J].清華大學學報(自然科學版).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，山西大同同煤集團鵬程公司，工程師
聯系電話：13994379986（手機） 7846076(辦公室)
基于Co-ah 循環(huán)的熱電聯產集中供熱方法
清華大學學報（自然科學版）[ISSN:1000-0054/CN:11-2233/N]
期數: 2008年09期
頁碼: 1377-1380,1412
欄目: 建筑科學與工程
出版日期:2008-09-15
