浅谈火电厂设计中推行热泵节能技术.docx

1、浅谈火电厂设计中推行热泵节能技术浅谈火电厂设计应推行不容忽视的一项节能技术-热泵作者：于国续 2012年8月内容摘要：本文通过对热泵技术应用的政策依据、在建筑行业和火电厂的成功案例及经济可行性分析证明热泵技术是技术成熟、经济可行，具备工程应用的条件；本文还就热泵在电厂的应用范围及对热泵技术在火电厂设计中应用的主要障碍进行了分析，指出推行和促进热泵技术在火电厂的应用是落实国家节能减排政策的不容忽视的一项节能技术，只要努力排除热泵技术在火电厂设计中应用的主要障碍，营造良好的应用环境，打消设计人员对其技术成熟性和投资高、效益差的疑虑，树立经济可行性的信心，热泵技术在火电厂的普及应用“热”起来的局面将

2、不会遥远。为共同推进热泵技术在火电厂的普及应用献计献策，本文欢迎转下载、载和引用。关键词：节能 热泵 火电厂 供热 循环水余热 随着我国工业化、城镇化进程加快和消费结构持续升级，我国能源需求呈刚性增长，受国内资源保障能力和环境容量制约以及全球性能源安全和应对气候变化影响，资源环境约束日趋强化。煤作为主要能源, 煤炭在我国能源体系中占主导地位，长期以来，煤炭在我国能源生产结构、消费结构中一直占有绝对主导地位，占约65%以上，其中火力发电用煤约占煤炭消费的50%以上。据报导，2011年全国原煤产量为35.2亿吨，其中发电行业消耗的煤炭约为16亿吨左右，按现在的消耗水平，我国煤炭资源也仅能维持708

3、0年。同时，煤炭又是各种能源中污染环境最严重的能源。在火电行业中提高煤炭利用效率，节约能源，无论是从降低煤炭资源的消耗还是减少环境污染，都是具有深远意义。国务院在“十二五”节能减排综合性工作方案提出的“十二五”节能减排约束性目标为：到2015年，全国万元国内生产总值能耗下降到0.869吨标准煤（按2005年价格计算），比2010年的1.034吨标准煤下降16%，比2005年的1.276吨标准煤下降32%；“十二五”期间，实现节约能源6.7亿吨标准煤。实现这一目标，火电行业任重而道远。自然界蕴藏有巨大的低品位热能（源于太阳能），如地表水（江、河、湖、海）、地下水、土壤和大气等，能源消耗行业排放着

4、各种相接近环境温度的低品位余热，但是由于其温度较低，均无法作为能源替代煤炭直接有效利用。热泵（Heat pump）技术是近年来在全世界倍受关注的新能源技术。人们所熟悉的“泵”是一种可以提高位能的机械设备，比如水泵主要是将水从低位抽到高位。而“热泵”则是从低温热源吸热泵送往高温热源的循环设备，通过消耗一部分能源（机械能、电能或高温热能）作为动力，使热能从低品位“泵”向高品位，从而使低品位热能的利用成为可能。在我国，热泵的研究起始于20世纪80年代，该项技术当时已成为国内建筑节能及采暖通风专业的热门研究课题，并通过国内外广泛的技术交流，为推动其应用奠定了基础。自90年代开始，通过在工程上的示范应用

5、，发展速度很快。进入21世纪后，热泵在中国的应用越来越广泛，从民用建筑到大型公共建筑已有大量的成功案例，特别是北京奥运村和上海世博园等具有国际影响力的大型公共建筑的成功应用，大大推动了热泵技术在建筑节能中的应用。至今，热泵技术正被越来越多的人们所了解，从示范到推广，技术不断创，技术已日趋成熟，相应的标准规范也日臻完善。火电厂在能源转换过程中，冷端损失，即由低温循环水所带走的能量约占电厂总耗能的30%以上，如果能通过热泵将这部分热量回收，将对节能减排做出重大贡献。为此火电厂设计在通过采用大型、高初参数机组，进行冷端优化，在主要与辅助工艺上采用各种节能措施的同时，作为减少冷端损失的节能措施，在火电

6、厂关注和推行热泵技术的应用也不容忽视。为进一步提高火电厂的能源利用率，为实现国家“十二五”节能减排目标尽力，为共同推进热泵技术在火电厂的普及应用献计献策，本文欢迎转载和引用，对文中不妥之处，欢迎批评指正。1、热泵技术应用的政策依据充分国家建设部和国家质量监督检验检疫总于2003年联合发布了GB 50019-2003采暖通风与空气调节设计规范，于2005年又联合发布了GBT50189-2005公共建筑节能设计标准。这两个标准规范对于空气调节与采暖系统的冷热源的选择明确提出“具有热电厂的地区，宜推广利用电厂余热的供热、供冷技术；”，“具有天然水资源或地热源可供利用时，宜采用水（地）源热泵供冷、供热

7、技术。”。2012年1月，由国家住建部批准发布的国家标准民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 GB50736-2012（替代GB 50019-2003采暖通风与空气调节设计规范中相应条文），自2012年10月1日起实施，热泵作为一项新的节能技术，列有独立章节。国家发展和改革委员会、科学技术部、工业和信息化部、国土资源部、住房和城乡建设部、商务部等六部委于2010年7月1日联合发布了中国资源综合利用技术政策大纲，在地热资源利用技术，明确“推广采用热泵技术，利用地下热能进行采暖和制冷”。国家发展和改革委员会于2011年3月以6号令发布产业结构调整指导目录（2011年本），作为产业政策，把“制冷空调设

8、备及关键零部件：热泵、复合热源（空气源与太阳能）热泵热水机。”列为鼓励类产业。国家重点节能技术推广目录（第一、二批，2008、2009年）把热泵节能技术和基于吸收式换热的热电联产集中供热技术都作为重点推广的节能技术。国务院于2012年6月16日以国发201219号印发了“十二五”节能环保产业发展规划的通知，“基于吸收式换热的集中供热技术，用于凝汽式火力发电厂、热电厂余热利用，循环水余热充分回收，提高热电厂供热能力30%以上，降低热电联产综合供热能耗40%，并可提高既有管网输送能力。研发重点是小型化、大温差吸收式热泵装备。”，作为节能产业关键技术，列入在“专栏1”中。北京、上海和沈阳等地方政府还

9、出台了鼓励和发展热泵技术的具体扶持和奖励政策。2、热泵技术的大量应用实践表明其技术成熟1）公共建筑和民用建筑至2008年，热泵采暖技术已在北京、沈阳、大连、哈尔滨等地大量应用，其中北京市已有400万m2居民小区和公共建筑利用地下水采用热泵技术供热，沈阳市在已有地源热泵技术应用面积312.3万m2。一批有资质的热泵企业应运而生，以合同能源管理模式参与建筑节能改造项目，有大量的成功案例。北京成功运用了“城市再生水源”热泵中央空调系统，将城市污水源作为奥运村夏季制冷、冬天供暖的主要介质，实现了能源利用的多元化；上海世博会的世博园内，江水源热泵供冷/供热系统主要在3.22km2的世博会围栏区内的5个功

10、能片区实现，减少了中央空调冷热源系统的综合能耗。2）火电厂火电厂在纯凝工况下的能源利用率通常低于40%，而在有抽汽供热的情况下能源综合利用率也大多不到60%，在损失的能量中，由低温循环水所带走的能量约占电厂总耗能的30%以上，如何回收利用这部分能量将会对社会、环境、电厂带来巨大的利益。由于这部分能量属于低品位的热量，只有通过热泵提升后才能利用。从水量、水温、水质等条件分析，火电厂的循环水作为热泵机组的热源，具有得天独厚的显著优点，是热泵机组最为理想的低温热源。火电厂的循环水流量大（每小时上万吨），蕴含的热量巨大，以一台200MW 的机组为例，若循环水中的热量20 %被利用，其热量可满足100多

11、万平方米的供热面积需要，某热电厂二台300MW机组循环冷却水系统约流量约为m3/h，冷却塔前水温2035，温差812，若利用热泵技术将这些热量回收，可新增加供热面积1000万m2；循环水的温度和流量都稳定，一般都保持在20 以上，有利于提高热泵的能效比；循环水水质较好，不易发生腐蚀与结垢；利用了循环水的余热，可以减少冷却塔向环境的散热和冷却水的蒸发损失，减少污染，节约水源；热泵回水与冷却塔回水混合，可降低凝汽器循环水进水温度，有利于降低汽机背压，提高机组热效率。遗憾的是，到目前为止，尚未发现在电厂设计中同步采用热泵技术的案例，虽曾有工程对采用热泵技术回收循环水热量供热进行过论证，但由于实施条件

12、不够成熟而暂时搁置。但是，一些已投产的电厂节能技术改造，通过作为示范工程或合同能源管理模式（EMCo）实施的项目却不乏其例。据不完全统计，自2006年以来已投产的采用吸收式热泵机组回收冷凝余热已有很多成功案例，较大规模的有京能石景山热电（8套），承德热电（8套），国阳新能（6套），华电佳木斯热电（8套），大同二热（10套）等。这些成功的案例充分证明了火电厂采用热泵技术回收低温循环水热量的技术已经成熟。最早采用热泵技术回收低温循环水热量的是大庆市北源热力有限公司。该公司利用炼化的工业循环水，作为热泵的低位热源，通过热泵提升温度后，供附近的居民区采暖。本工程规划供热面积320万m2分期实施，一期已

13、于2006年11月投入运行。华电国际十里泉发电厂的利用循环水余热进行供热的试点项目，以电厂循环水作为低位热源，利用热泵产生出5055的热水为厂区内的办公区和生活区建筑供热，系统供热容量为200kW。工程于2007年8月24日通过验收。京能石景山热电厂采用8台超大型溴化锂吸收式热泵机组，单机制热能力20MW，由烟台荏原供货。2011年经北京电科院检测，年可节标煤3.3万余吨，节水6.5万余吨，实际供热面积168万m2，增加供热收入2937万元，节约成本2300万元，减排SO28.26万吨。大同二电厂从2010年6月起，开展采用溴化锂吸收式热泵技术回收循环水余热集中供热集成技术研究，回收利用两台超

14、临界660MW机组辅机循环冷却水系统30左右的低温余热，将60左右的城市热网回水加热到90左右，向大同市区供热。这项热泵回收循环水余热供热技术可使大同二电厂一个供热季可回收热量185.72万GJ，可新增加供热面积200多万 m2。中电投赤峰热电厂循环水余热利用工程于2011年9月20日破土动工，2012年3月20日竣工；2012年4月3日四台热泵通过168小时试运，2012年4月6日通过西安热工研究院对该项目进行的整体性能测试。该项目由清华同方采用EMC模式实施，建设4X30MW蒸汽驱动型溴化锂吸收式热泵，增加市区供热面积130万m2，年节约标煤约为27261吨，节约循环水量约为57万吨、减少

15、氮氧化物排放量201吨、二氧化硫排放量231吨、二氧化碳排放量7.14万吨，为北方地区应用热泵回收循环水余热利用起到了示范作用。华电新疆苇湖粱电厂余热利用项目设计3台吸收式热泵，总容量113MW，回收一台125MW机组循环冷却水余热。该项目已于2011年11月9日投产，根据西安热工研究院性能试验报告，各项指标达到了设计值。本项目可新增供热面积80万m2，机组煤耗下降约70gce/kWh，折算每年节约标煤为2.58万吨，节约循环冷却水64万吨。项目动态投资5951万元，投资收益率达16.06%，投资回收期6.23年，并可申请中央节能奖励资金约1000万元。华电佳木斯电厂余热利用项目设计8台吸收式

16、热泵，总容量307MW，回收一台300MW机组循环冷却水余热，该项目已于2011年底投产。本项目可新增供热面积225万m2，折算每年节约标煤为7万吨，项目动态投资12666万元，投资收益率达26.27%，投资回收期5.6年，并可申请中央节能奖励资金约1500万元。华电国际十里泉发电厂建成了一个利用循环水余热向厂区内的办公区和生活区建筑进行供热的试点项目，替代原蒸汽直接供热的方式。项目以电厂循环水作为低位热源，利用热泵产生出5055的生活热水供用户使用，系统供热能力为200KW。工程于2007年8月24日通过验收，3周后，2007年9月11日开始对其运行情况及性能进行了连续测试。测试结果表明系统

17、能够满足供热的温度和压力要求，热泵机组以循环水为低温热源能够稳定运行，并可以实现较高的性能系数。沈阳铁煤集团热电厂利用热电厂冷却循环水，应用大容量余热源热泵机组10台，为总建筑面积50万m2的小区提供冬季采暖，年节约10万吨标煤。大连北海热电厂利用3号汽轮机的冷却循环水作为热源，通过热泵设备提取循环水的热量，将热网循环水温度从30提升到65，输送到热力站经换热后对居民供暖。该工程是全国最大的为居民供暖的水源热泵工程，被列为国家建设部、财政部的建筑节能示范项目。 另外，大连北海热电厂再生水源热泵工程计划安装5台7MW热泵机组，是全国最大的为居民供暖水源热泵工程，需建8座热力站，可向130万m2居

18、民住宅供暖，整个工程于2008年10月底全部完工，在节能减排和发展循环经济方面发挥了榜样作用。以电厂循环冷却水作为水源利用热泵采暖的成功案例之一是吉林省龙达热力有限公司。该公司采用EMCo模式引入四平热电厂循环冷却水作为低温热源，建设一座热泵站，通过热泵向建筑供暖。作为国家建设部、财政部可再生能源示范项目，于2008年5月开始准备，至2009年10月完成竣工验收投入试运行。到目前为止，已稳定运行两个采暖期。该工程全年节煤量约3246.1吨标煤。以上工程案例表明，采用热泵技术回收循环水的热量供暖，提高了能源利用率，还减少了循环水的蒸发损失，降低了冷却塔的热负荷，有利于提高机组的热效率。正在进行前

19、期工作的有通辽发电厂拟改造一台600MW空冷机组，通过打孔抽汽和装设热泵机组回收乏汽余热，项目可研已完成，正在进行初步设计。初步估算，可增加电厂对外供热能力约640万m2，年节约标准煤为179552吨，具有较好的经济效益和环境效益。正在进行项目可研的九台电厂拟通过改造660MW纯凝发电机组为热电联产机组及利用吸收式热泵回收循环水余热，实现节能减排及经济增效的目的。设计安装15台单机供热量27.5MW的热泵，目前可研已完成。3、节能技术改造项目的优惠政策采用热泵技术属于节能（改造）项目，可以享受国家和地方的各项优惠政策，现将有关政策摘录如下：1）国务院办公厅2010年4月2日转发发展改革委等部门

20、关于加快推行合同能源管理促进节能服务产业发展意见的通知（国办发201025号），在完善促进节能服务产业发展的政策措施中提出加大资金支持力度和实行税收扶持政策。意见将合同能源管理项目纳入中央预算内投资和中央财政节能减排专项资金支持范围，对节能服务公司采用合同能源管理方式实施的节能改造项目，符合相关规定的，给予资金补助或奖励。有条件的地方也要安排一定资金，支持和引导节能服务产业发展。并在加强税收征管的前提下，对节能服务产业采取适当的税收扶持政策，涉及营业税、增值税、企业所得税的征收。2）财政部、国家发展和改革委员会2011年6月21日关于印发节能技术改造财政奖励资金管理办法的通知（财建201136

21、7号），对于符合奖励条件的节能技术改造项目的奖励标准为：东部地区节能技术改造项目根据项目完工后实现的年节能量按240元/吨标准煤给予一次性奖励，中西部地区按300元/吨标准煤给予一次性奖励。3）财政部2007年10月24日关于印发国家机关办公建筑和大型公共建筑节能专项资金管理暂行办法的通知（财建2007558号），为切实推进国家机关办公建筑和大型公共建筑节能工作，对于国家机关办公建筑和大型公共建筑可以申请中央财政安排的节能专项资金。节能专项资金用于建立建筑节能监管体系支出、建筑节能改造贴息支出和财政部批准的国家机关办公建筑和大型公共建筑节能相关的其它支出。4）财政部 国家发展改革委于2010年

22、6月3日 关于印发合同能源管理项目财政奖励资金管理暂行办法的通知 财建201024号，对于符合条件的合同能源管理项目，中央财政安排奖励资金，支持推行合同能源管理，促进节能服务产业发展，明确其奖励标准及负担办法：“奖励资金由中央财政和省级财政共同负担，其中：中央财政奖励标准为240元/吨标准煤，省级财政奖励标准不低于60元/吨标准煤。有条件的地方，可视情况适当提高奖励标准。”。5）上海市在节能技术改造项目专项扶持实施办法规定，奖励金额根据节能技改项目实施后直接产生的节能量计算，年节约每吨标准煤奖励 300 元。单个项目奖励金额原则上最高不超过 300 万元；在上海市合同能源管理项目专项扶持实施办

23、法规定：对符合条件的合同能源管理项目，其发生的项目前期诊断费用，由专项资金给予一次性资助，其中：对合同金额高于 200 万元、项目实施后年节能量超过 500 吨标准煤的项目，给予一次性资助 5 万元；对其他项目给予一次性资助 2 万元；对由合同能源服务公司进行全额投资运行的合同能源管理项目，根据项目实施后年实际节能量，按照每吨标准煤 300 元的标准对合同能源服务公司进行专项奖励；对由合同能源服务公司与项目实施单位共同投资的合同能源管理项目，根据项目实施后年实际节能量和合同能源服务公司的投资比例，按照每吨标准煤300 元的标准对合同能源服务公司进行专项奖励。对单个项目的奖励金额最高不超过 20

24、0 万元。6）上海市建筑节能项目专项扶持暂行办法规定：符合支持范围第一项的项目，其中：新建居住建筑和公共建筑示范项目，每平方米最高补贴50元。既有居住建筑节能改造示范项目，每平方米最高补贴100元；既有公共建筑节能改造示范项目，每平方米最高补贴50元；符合支持范围第二项的项目，每平方米最高补贴50元。7）北京出台的北京市发展热泵系统指导意见中指出，热泵系统发展的基本原则是，按照北京市能源发展战略、城市供热发展规划和合理开发、利用、保护资源的原则，优先发展再生水源热泵，积极发展地源热泵，适度发展地下（表）水源热泵，逐步提高热泵系统在城市供暖中所占比例。意见还规定了支持鼓励热泵系统建设和运营的具体

25、措施。北京市鼓励新建或改造公共建筑以及居民住宅楼和农村集中建设的住宅采用热泵系统，鼓励燃煤、燃油锅炉改用热泵系统。供暖制冷系统优先选用热泵系统，所需投资从市政府固定资产投资中安排解决，在安排固定资产投资给予支持。其他在北京市辖区内建设的各类项目，供热制冷系统选用热泵系统的，根据市规划委核定的建筑面积从本市固定资产投资中安排一次性补助，补助标准为：地下（表）水源热泵35元/ m2，地源热泵和再生水源热泵50元/ m2。8）沈阳市地源热泵系统建设应用管理办法规定，对采用地源热泵系统的项目，系统用电和水资源费的收取享受市政府有关优惠政策。采用地源热泵系统供热的区域，享受市政府给予应用燃煤供热区域的全

26、部优惠政策。4、热泵应用的经济可行性1）建筑行业利用热泵实施的节能改造项目建筑行业利用热泵实施的节能改造项目从大量的成功案例可知，大部分都是通过节能服务公司采用EPC和合同能源管理模式实施，项目利用了国家和地方的节能改造的优惠政策，经济上达到双赢，足以证明在建筑行业中利用热泵实施的节能改造项目经济上可行。2）电力行业利用热泵实施的循环水热能回收项目对于已实施的项目，同建筑行业一样，其成功的案例也表明，大部分都是通过节能服务公司采用EPC和合同能源管理模式实施，项目利用了国家和地方的节能改造的优惠政策，经济上达到了双赢，项目经济上可行。以下提供三个完成前期工作的项目主要技术数据，这些数据证明项目

27、经济上是可行的。三个工程的可研的财务分析结果工程名称华电佳木斯热电华能九台电厂通辽发电厂三期建设模式业主投资EPC合同能源管理业主投资电厂装机（MW）2X30026601X600热泵容量（MW）38.3827.5110热泵台数8154实施后年均全厂热效率87.4557.6954.7增加供热面积（万m2）225.16640静态投资（万元）12322（水平年2010）37911（水平年2012）22763（水平年2012）投资方内部收益率（%）101010.2（税后）总投资收益率 ()16.717.62项目资本金的内部收益率（%）26.279.7投资回收期（年）5.67.67（税后）9.26备注+

28、热泵（循环水） 已投产凝汽改供热+热泵（循环水） 可研阶段凝汽改供热+热泵（乏汽）初步设计从上表可知，三个项目财务评价的各项指标均能满足电力行业基本要求，经济评价说明项目投产后的盈利能力是可行的，且具有较强抗风险能力。需要说明的上述工程的经济评价并未考虑可以享受的优惠政策因素。5、热泵在火电厂项目的可应用方式1）作为区域采暖供热热网的热源这是电厂主要的、节能效果最好的应用方式。视设计热负荷的数量，全部或部分利用电厂冷却循环水作为低温热源，通过吸收式热泵和热网加热器提升供水温度达到110后，向城市供热区域供暖，供热半径可达10km以上。如工程案例中京能石景山热电、华电佳木斯热电、中电投赤峰热电厂

29、、大同二热等的节能改造项目。2）作为周边居民采暖或电厂生活区供热热源如大连北海热电厂的模式，视设计热负荷的数量，全部或部分利用电厂冷却循环水作为低温热源，通过吸收式热泵提升供水温度达到50左右，向电厂周边的居民供暖，采用地热式辐射方式采暖，供热半径可达3km以内。如大连北海热电厂的模式。3）电厂内生产和附属建筑采暖热源电厂内生产和附属建筑，如控制室、生产行政综合楼、倒班宿舍，食堂、浴池等，可抽取电厂冷却循环水作为低温热源，通过热泵提供采暖热源，并可提供热水。如华电国际十里泉发电厂，为厂区内的办公区和生活区建筑供热。4）厂区外生产建筑采暖热源当电厂建设有地表水取水设施和贮灰场时，寒冷地区需要采暖

30、时取水泵房和灰场管理站可因地制宜用地源或水源热泵提供热源；冬暖夏热地区需要空调时可采用地源或水源、空气源热泵提供冷源。这种方式在风电场的升压站成功案例较多，可以借鉴。5）提供周边商用和民用建筑采暖热泵的水源将电厂循环冷却水有偿提供给电厂周边商用建筑作为采暖空调热泵的水源，如吉林省龙达热力有限公司采用外购四平热电厂循环冷却水作为低温热源，建设一座热泵站，通过热泵向建筑供暖。6）作为热泵中央空调系统的水源从北京的“城市再生水源”热泵中央空调系统为奥运村夏季制冷、冬天供暖及上海的世博园的用“江水源”热泵实现供冷/供热的中央空调系统得到启发，电厂循环冷却水水温、水质远比城市污水和黄埔江水优越，用循环冷

31、却水作为低温冷热源，通过热泵中央空调系统实现采暖空调双连供是可行的。热泵在火电厂项目的应用方式可根据工程的具体条件，通过热泵系统的参数优化和技术经济论证（可行性研究）后确定。6、热泵技术在火电厂设计中应用的障碍从以上分析可知，热泵技术应用的政策依据充分，是成熟的技术，在建筑行业有大量的成功案例，还有优惠政策支持，节能效果明显、经济和环境效益可观，已经得到广泛的推广应用。建筑行业多采用地源热泵，低温热源的获得需要靠打抽取和回灌井，或敷设地下埋管，或取用城市污水，或取用江河湖海地表水，需要一定投资，且水量、水温、水质受环境影响较大。火电厂的循环水作为热泵机组的低温热源，从水量、水温、水质等条件分析

32、，具有得天独厚的显著优点，是热泵机组最为理想的低温热源，但是，在火电厂中应用还不是很普遍，一些已投产工程案例可知，基本上是已投产电厂，通过作为示范工程或合同能源管理模式（EMCo）实施的节能技术改造项目，正在进行的也是已建成电厂的节能技术改造项目，在火电厂设计阶段应作为新技术一并采用却未见有实例。固然对已建成的项目进行节能改造是必要的，但是如果在新建或扩建项目的设计阶段就把热泵技术的应用一并考虑进去，在系统和布置上统筹规划，就可以减少后期的改造难度和工程量、施工干扰以及可能带来的系统和布置的不合理，且工程投产就可同步发挥节能效果。在项目的设计阶段就把热泵技术的应用与主体工程同步设计可实现事倍功半，可是为什么实施起来举步为艰呢？据笔者分析热泵技术在火电厂设计中应用的主要障碍有：1）设计人员对热泵技术在电厂应用存有疑虑望