基于Co_ah循环的热电联产集中供热方法
ISSN 100020054CN 1122223 N 
清华大学学报(自然科学版)J T singhua U niv (Sci &Tech ),2008年第48卷第9期
2008,V o l .48,N o .91 38
137721380,1412
基于Co -ah 循环的热电联产集中供热方法
付　林1
,　江　亿1
,　张世钢
2
(1.清华大学建筑技术科学系，北京100084;2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)
收稿日期:2008206205
基金项目：国家科技支撑计划项目(2007BAB 23B 00);
北京市科技计划项目(D 07040600560701)
作者简介：付林(1968—)，男(汉)，山东，副教授。
E 2m ail :fulin @tsinghua .edu
摘　要：为了降低大型热电联产集中供热系统能耗，该文提出了一种基于Co 2ah 循环的热电联产集中供热方法。在热力站设吸收式换热机组，使热网回水温度降低至约20℃，在热电厂内经汽轮机凝汽器、吸收式热泵和调峰热源等环节将热网回水逐级加热，形成热网的吸收式(Co 2ah )循环。通过拉大供回水温差而大幅增加热网的输送能力，并通过回收汽轮机排汽余热而显著提升热电厂供热能力和能源利用效率。关键词：热电联产；集中供热；吸收式换热;Co 2ah 循环中图分类号:TU 995
文献标识码:A
文章编号:100020054(2008)0921377204
D istr ict hea ti ng system ba sed on
Co -ah cycles i n com b i ned hea ti ng and power
system s
FU L in 1,J I A NG Yi 1,ZHANG S higa ng 2
(1.D epart men t of Buildi ng Sc ience ,Tsi nghua Un iversity ,
Be ij i ng 100084,Ch i na ;
2.Un iversity of Sc ience and Technology Be ij i ng ,
Be ij i ng 100083,Ch i na )
Abstract :
A
district
heating
system
based on the
Co 2generati on 2based abso rp ti on heat 2exchange (Co 2ah )cycle in the cogenerati on system w as design to reduce energy consump ti on of district heating system s in large cogenerati on system s .In the
heating system substati ons,the return w ater temperature is reduced
to about 20℃th rough abso rp ti on heat exchangers .
In
the
cogenerati on p lant,the circulating w ater is heated by the condenser exhausted vapo r,the abso rp ti on heat pump,and the peak load heater .Compared w ith traditi onal heating system s,this system runs w ith a higher circuit temperature drop so that the heating netwo rk delivery capacity increased dram atically .
T he capacity of district
heating system and the energy efficiency of the com bined heating and pow er (CH P )system is significantly increased by the recovery of the exhausted heat from the condensers .Key words :Co 2generati on;
district
供heating;
abso rp ti on
heat
exchange;Co 2ah cycle 当前，建筑耗能占全国总能耗的比例已接近30%
[1]
，而北方地区城镇采暖能耗占我国建筑总能
源消耗的约40%，是我国建筑能耗最主要的组成部
分。目前这一地区的建筑70%以上采用集中供热方式采暖，其中一半以上以热电厂为热源。城市集中
供热当前受到2个问题的严重困扰：一是热网输送能力受限；二是热源普遍不足，难以跟上城市建设发展的需要。提高热网供热能力的一种可行方式是增
大热网供回水温差[2-3]
。为此，现有大型集中热网几乎都采用间接供热方式，如图1所示。直埋管道受聚氨酯保温材料耐温限制，供水温度最高到130℃左右，而一次管网回水温度受到二次网温度的限制
。
1—汽轮机;2—凝汽器;3—汽水换热器;4—热力站;5—热网循环水泵
图1　大型热电联产集中供热系统传统流程
为实现节能减排的目标，目前大容量高参数两用机组正陆续替代原来的小型供热机组，这种机组为了安全运行，低压缸的最小排汽量较大，这部分排汽的凝结余热最终通过冷却塔排掉。该余热品位低，无法直接用于采暖供热。如果能够回收利用这部分热量，对供热的节能减排意义重大。目前小型供热机组多采取恶化汽轮机凝汽器真空方式，即热网回水
直接进入凝汽器回收汽轮机排汽余热[4]
，温度升高到60℃以上。对于具有中间再热的大型汽轮机，从安全运行的角度，不宜采用恶化真空供热。一种简单利用电厂余热的方式是将电厂循环冷却水通过管道引至采暖负荷中心，再通过热泵将该循环水余热回收
供热[5]
，这种方式需要新建循环水余热管网，投资较大。宋之平提出一种回收冷凝余热的热电联产运行
模式[6]
，热网供水依次将热量放给传统换热器、低温散热器和热泵等，使热网回水降低到很低的温度后直接进汽轮机凝汽器回收余热。
本文提出一种基于吸收式换热的热电联产集中供热方法，也称热网的吸收式循环(Co 2generati on 2based ab so rp ti on heat 2exchange ,Co 2ah )循环，可以在不增加煤耗、不影响发电量的前提下使热电联产系统的产热量提高约50%，并提高城市热网近一倍的输送能力，有效解决上述困扰集中供热事业的两大难题。
1　新方法介绍
目前大型集中供热一次管网供回水设计温度一般取为130 70℃。二次网实际运行的供水温度为55～70℃，回水温度为40～50℃。因此，一、二次网在热力站的换热温差很大，造成很大的不可逆热损失。为此，可利用一次、二次热网之间大温差所形成的有用能作为驱动力，通过吸收式换热机组，一、二次网进行换热，可以大幅度降低热网回水温度。
1—吸收式换热;2—水-水换热
图2　吸收式换热机组简图
图2给出吸收式换热机组的一种简单流程，该机组主要由吸收式换热装置和常规换热装置2部分组成。吸收式换热装置采用吸收式制冷或热泵循环工作原理，以高温热源的热量作为驱动力，产生制冷效应，进而能够吸收低温热源的热量，并最终将这些热量以中间温度放出。一次网供水依次放热给吸收式换热装置的高温热源、常规换热和吸收式换热装
置的低温热源，温度降低至30℃以下后返回热电厂，二次网回水分别经过吸收式换热装置和常规换热器被加热升温后，供向热用户。对于二次网供回水温度为70 50℃，如果一次网供水温度为130℃，其回水温度可降至25℃左右。
采用吸收式换热机组后，会给整个热网产生如下影响:
1)大幅度提高了热网的供热能力，降低管网投资。一次网供回水温度由原来的130 70℃变为130 25℃，温差由原来的60℃增加至105℃，意味着热量输送能力增大近1倍。这对于大型热网降低投资、提升供热能力尤为重要。
2)为提高热电厂效率创造条件。由于回水温度降低到30℃以下，可以更加容易回收电厂凝汽器余热，从而为提高系统能源利用效率奠定基础。
在热源方面，一般大容量热电厂采用低压缸进汽前的抽汽作为采暖热网的加热热源，其抽汽压力一般在0.3～1.0M Pa 之间。传统供热方式下，热网回水在加热过程中由70℃加热至130℃，温升很大，受汽轮机安全条件的限制，一般不会采用在低压缸实施多级抽汽加热。这就造成汽水换热的温差很大，相应的不可逆损失也很大。为此，对一次网回水的加热，引入吸收式热泵技术，采用分阶段梯级加热的方式来提高系统的能源利用效率。
因此，针对热电联产集中供热系统，提出一次Co 2ah 循环。传统热网由3个环节组成，如图3a 所示，即，热力站中一、二次网的水水换热环节，热网回水在热电厂被汽轮机抽汽加热的基本换热环节，以及尖峰加热器或调峰锅炉的调峰环节。吸收式循环则由4个环节组成，如图3b 所示。热网供水首先经过热力站的吸收式换热环节，将热量放给二次网后返回热电厂，热网回水在热电厂经过第2个环节，即余热换热环节，通过凝汽器与汽轮机排汽换热。或者增设水水换热器，通过循环冷却水做中间介质，
使热网回水与汽轮机排汽间接换热。然后进入第3个环节，即吸收式热泵加热环节。汽轮机抽汽作为热源驱动吸收式热泵，提取凝汽器热量，实现热网回水的进一步加热。之后，进入第4个环节，即调峰环节。在该环节中，通过汽水换热器，热网被汽轮机抽汽进一步加热到要求的温度后送至各热力站。也可以由调峰锅炉来实现该环节中对热网水的加热。
在以上一次热网循环的4个环节中，第1个环节
即吸收式换热环节是放热过程，实现了一次热网的低温回水。第2、3环节分步实现了对汽轮机排汽
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731清华大学学报(自然科学版)
2008,48(9)
图3　热电联产集中供热系统的co -ah 循环
余热的回收。根据系统的不同，循环中也可以只有其中一个环节。余热换热环节可以完全回收汽轮机排汽余热，就可省去吸收式热泵环节。在有些情况下，热网回水温度接近甚至高于凝汽器冷凝温度，就不宜采用余热换热环节。调峰环节一方面起到对热负荷的调峰作用，另一方面保证吸收换热环节所需要的热网供水温度。在供热初末寒期随着热负荷的减小，调峰环节对热网的加热量逐渐减小，甚至退出循环。
图4给出了一种典型的基于Co 2ah 循环的大型热电联产系统工艺流程。该流程充分体现了Co 2ah 循环的4个环节。需要指出的是，这种循环方式的部分负荷调节除了通过调峰环节实现外，还需要对汽轮机排汽热量的调节。当供热负荷变小时，汽轮机抽
汽量减小，凝汽量随之增加，多出的凝汽热量只能通过冷却塔排出，因此应增加余热调峰环节，如图4中的换热器5。
现举例分析Co 2ah 循环热电厂加回水方案及余热回收状况，如图5所示。一次热网回水先由凝汽器加热至40℃，回收汽机凝汽热量的40.9%。然后采用双效吸收式热泵利用抽出的蒸汽作为动力，把热网循环水加热至55℃，在该阶段消耗汽机抽汽量的9%，回收凝汽热量的22.5%。接下来热网循环水分别经单效热泵和双级热泵，依次被加热至70℃和90℃，分别回收凝汽热量的22.4%和14.2%，同时消耗抽汽量的16.1%和20.2%。最终，再
由汽机抽汽直接经汽水换热器将热网水加热至
130℃，此加热过程消耗抽汽量的54.5%。整个加热过程中，抽汽量占总热量的2 3，凝汽余热占1 3。一般供热汽轮机额定凝汽份额没有这么大，但可以采用上述加热方式，增大汽轮机凝汽量，减小抽汽量以提高系统整体能效。对于300MW 机组，如果供热抽汽量与凝汽量之和为650t
h ，通过Co 2ah 循环，抽汽量380t  h ，相应的凝汽量为270t  h 。这对于凝汽机组改供热机组的情况，从机组安全高效运行角度最为合适，对新建供热机组，也不必将抽汽量设计到550t  h 的极限，使低压缸工况冬夏差别巨大，对机组效率、安全性产生较大负面影响。
1—汽轮机低压缸;2—凝汽器;3—吸收式热泵;4—汽水换热器;5—余热调峰设备;6—吸收式换热机组;
7—循环水泵
图4　Co -ah 循环工艺流程
  上述各阶段热网被加热的温度值并不是唯一的，而是根据不同系统情况具体加以确定，相应的余热回收量也会有变化。各段驱动吸收式热泵和汽水加热器的热源全部来自汽轮机抽汽，抽汽压力在
0.4M Pa 以上。如果抽汽压力降低，余热回收量会下
降。一般大型热电联产机组在供热工况下可通过Co 2al 循环回收余热而节约抽汽量50%。
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731付　林，等:　基于Co 2ah 循环的热电联产集中供热方法
图5　Co -ah 循环各加热阶段及余热回收状况
2　新方法的评价
2.
1　能效
从供热环节上看，如图1所示，存在两大热量传递不可逆损失环节，即热电厂的汽水换热和热力站
的一、二次网水水换热。图6给出环境温度为0℃，忽略热交换器散热损失时，不同抽汽压力和热网供回水平均温度下的热电厂汽水换热环节的火用效率，其中为简化起见，抽汽取为饱和蒸汽。对于目前常见的热网供回水温度为130 70℃时，热网供回水对数平均温度约为97℃，如果抽汽压力为0.5M Pa ，则热力首站的火用效率仅为73%。
图6　热电厂汽水换热环节的火用效率
图7给出了当二次网供回水温度70 50℃，环境温度为0℃，忽略散热损失时，不同一次网供回水温度下的热力站换热火用效率。当一次网供回水温度为130 70℃时，热力站火用效率为67%。因此热电厂汽轮机抽汽的热量经换热和输送至供热系统的二次网，系统的火用效率只有73%×67%=49%，可见
大部分有用能损失掉了。
采用新方法后，一次网回水温度降低至20℃，由图7可知，热力站的火用效率由67%
升高到85%。由于热电厂和热力站2个环节总火用效率仍为49%，这时热电厂环节因为一次网回水温度
低而换热温差拉大，换热火用效率仅为0.44 0.85=58%。如前面分析，采用新方法后，回收余热占抽汽量的50%，汽机抽汽加的火用效率由原来的58%提高至58%×1.5=87%。综合考虑首站和用户热力站2个环节火用效率为0.87×0.85=74%。因此与传统供热方式的49%火用效率相比，新方法的能源利用效率提高了50%。
图7　热力站换热火用效率
2.2　经济性分析
吸收式热泵和吸收式换热机组的应用一方面需要增加投资，另一方面也因此减小管网和热源的投资。吸收式换热机组使得管网供回水温度大幅度增加，增大热网输送能力，在同样供热能力的情况下，会大幅度降低管网投资，同时，余热回收利用，增大了系统的供热容量，可减少相应容量的热源投资。因此总投资与传统方法相比未必有明显增加，甚至会有所减小。
对于一次管网供回水温度分别为130 70℃和130 25℃的2个供热系统，后者热网输送能力是前者的1.75倍，再综合考虑新方法下回水管网因温度低而降低保温和补偿要求等因素，新方法的一次管网投资只有传统管网的70%以下。目前大型集中供
热一次管网投资为40～60元 m 2
。
于是采用新方法
的管网投资会降低12～18元 m 2
。而吸收式换热机
组投资小于15元 m 2
。因此，可以认为，热网投资的降低基本上会抵消因热力站采用吸收式换热机组带来的投资增加。
参考文献　(References)
[1]Ho rton R    E.E ro si onal developm ent of stream s and their
drainage basins:H ydrophysical app roach to quantitative mo rpho logy[J].Geolog ica l S ociety of A m erica B u lletin, 1945,56:275-370.
[2]Strahler A N.Q uantitative analysis of w atershed
geomo rpho logy[J].EOS T rans,1957,38(6):913-920.
[3]Schumm S A.Evo luti on of drainage system s and slopes in
badlands at perth am boy[J].Geolog ical S ociety of A m erica
B u lletin,1956,67:597-646.
[4]C iccacci S,D’A lessandro L,F redi P,et al.R elati on
betw een mo rphom etric characteristics and denudati on p rocesses in som e drainage basins of Italy[J].Z eitsch rif t
f uer Geo m orp holo
g ic,1992,N.F.36(1):53-67.
[5]K inner D A,M oody J A.D rainage netwo rks after w ildfire
[J].Interna tiona l J ou rna l of S ed i m en t R esea rch,2005, 20(3):194-201.[6]Shreve R L.Statistical L aw of Stream N um bers[J].J Geol,
1966,74:17-37.
[7]刘家宏，王光谦，王开.大流域数字高程模型数据管理系统
[J].清华大学学报(自然科学版),2004,44(12):1646-
1649.
L I U J iahong,W AN G Guangqian,WAN G Kai.D ata m anagem ent system of digital elevati on model fo r a large river basin[J].J T sing hua U n iv(S ci&T ech),2004, 44(12):1646-1649.(in Ch inese)
[8]K irchner J W.Statistical inevitability of Ho rton’s law s and
the apparent random ness of stream channel netwo rk s[J].
Geolog y,1993,21:591-594.
[9]How ard A D.D rainage analysis in geo logical interp retati on:
A summ ati on[J].
B u ll A m er A ssoc P etroleum Geolog ists,
1967,51:2246-2259.
[10]Stankiew icz J.F ractal river netwo rk s of Southern A frica[J].
S ou th A f rican J ou rna l of Geolog y,2005,108:333-344.
(上接第1380页)
  回收余热的吸收式热泵投资较大，回收单位余热投资大约800元 k W。如果冷凝器和热泵回收的余热各占总回收量的50%，则从系统整体投资看，由于热泵设备增加的系统投资折合单位余热约400元 k W。产出同样热量的锅炉房，锅炉设备投资约150元 k W。因此，与锅炉房相比，在不考虑土建等其他投资的情况下，热电厂回收单位汽机排热比增设锅炉增加投资约250元 k W。如果系统年运行3000h，则k W容量一年可回收余热约11GJ，如果热价按照20元 GJ计算，则系统所增加的投资只需要1.2年即可回收。这说明新方法下热电联产集中供热系统具有显著的经济效益。
另外，汽轮机余热的回收利用，还可以大幅减少循环水消耗量，同样产生显著社会效益。
3　结　论
1)目前热电联产集中供热系统具有巨大的余热利用潜力;
2)在热力站采用吸收式换热机组，可大幅度降低一次热网回水温度，提高热网输送能力，有效缓解我国城市热网目前普遍存在的热量输配能力不足的问题;
3)新流程通过降低热网回水温度直接回收凝汽器余热及利用吸收式热泵逐级提升回水温度，可以使热电联产系统供热能力提高50%以上，并具有显著节能效益和经济效益。同时，也可以在很大程度上缓解我国目前普遍面临的城市热网热源严重不足的问题。
参考文献　(References)
[1]清华大学建筑节能研究中心.2008中国建筑节能研究报告
[R].北京：中国建筑工业出版社,2008.4:12.
Building Energy R esearch Center,T singhua U niversity.
A nnual repo rt on China building energy efficiency in2008
[R].Beijing:China A rchitecture&Building P ress,2008:
12.(in Ch inese)
[2]D anila N.H eat p roducti on in co2generati on p lants and its
transpo rt over large distances[C]  P roceedings of the
Sympo sium w ith Internati onal Partici pati on on Energy
Conservati on and Internati onal Cooperati on.Bucharest,
Rom.1982:89-96.
[3]Zsebik A.H eat exchanger connecti on in substati ons2a too l of
decreasing return temperature in district heating netw o rk s
[J].E nerg y E ng ineering,2001,98(5):20-28.
[4]谢鸣，朱振军，赵肃铭，等.凝汽式汽轮机低真空供热参数
的确定[J].热能动力工程,1994,9(1):32-36.
X IE M ing,ZHU Zhenjun,ZHAO Sum ing,et al.
D eterm inati on of low2vacuum heat steam turbines[J].
J ou rna l of E ng ineering f or T her m al E nerg y and P o w er,
1994,9(1):32-36.(in Ch inese)
[5]高岩，付林，燕达，等.利用电厂循环冷却水的暖通空调方
案比选[J].暖通空调,2007(1):52-54.
GAO Yan,FU L in,YAN D a,et al.Comparison and
selecti on of HVA C schem es app lying recycling coo ling w ater
from pow er p lants[J].H ea ting V entila ting&A ir
C ond itioning,2007(1):52-54.(in Ch inese)
[6]SON G Zh i p ing.To tal energy system analysis of heating[J].
E nerg y(O x f ord),2000,25(9):807-822.

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