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基于土壤跨季节蓄取电厂余热的热泵系统变工况特性探讨

日期:2022年04月03日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:744
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202111221852578962 论文字数:38455 所属栏目:工程硕士论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis
相关标签:工程硕士论文

本文是一篇工程硕士论文,本文从保障供热民生的重大需求出发,聚焦北方城市清洁供热的热点研究领域——燃煤热电联产乏汽余热高效利用和浅层土壤蓄热,为破解非采暖季电厂乏汽余热利用难和土壤热失衡两个技术瓶颈问题找到统一的解决方法,独辟蹊径地提出了基于土壤跨季节蓄取电厂余热的热泵供热新系统,并对新系统变工况特性进行展开了研究。


第 1 章  绪


1.1  研究背景及意义

燃煤集中供热是我国北方城市的主要供热形式,约占总供热面积的 83%。近年来,集中供热面积年均增幅达到约 6 亿 m2[1]2。截止 2019 年,北方城镇集中供热面积为 92.51 亿 m2,供热量约为 39.25 亿 GJ[2]。大型及特大型城市出现供热能力饱和甚至供热缺口的现象非常普遍。满足日益增长的民生供热需求成为集中供热发展亟待解决的重大问题。

大规模的燃煤供热是导致北方各大城市产生雾霾的重要原因之一[3]。从我国的能源利用结构来看,燃煤供热还将长期占据主导地位。目前,燃煤供热效率仍然相对较低,北方城镇供暖能耗为 2.12 亿吨标准煤,占全国建筑总能耗的 21%,北方供暖碳排放量占建筑运行碳排放量的26%[4]。为缓解燃煤污染、提高集中供热效率,2019年,国家生态环境部办公厅下发《2019 年全国大气污染防治工作要点》,要求全面淘汰35t/h 以下的燃煤锅炉。中国已向世界承诺 CO2 排放量于 2030 年前达到峰值,力争2060 年前实现碳中和。蓝天保卫战已经吹响号角,全面推进北方城市清洁供热已是必然趋势,探寻清洁高效且供热能力大的热源形式和集中供热模式成为集中供热发展亟待解决的另一个重大问题。


1.2  清洁供热应用现状

1.2.1  电厂余热回收现状

在供热过程中,为实现保护环境与成本压力相平衡,未来较长时间内,清洁燃煤集中供热仍然是最有效的方法[5]。近年来我国全面建设的 300MW 容量及以上燃煤抽凝两用机组即使在采暖季联产工况下,仍然有 30%以上的乏汽余热通过凝汽器凝结释放[6]。据统计,北方电厂仅冬季排放的乏汽余热量就超过 25 亿 GJ[7],如果能够回收用于建筑供暖,则可大幅提升电厂的供热能力及综合能效。

高效回收电厂乏汽余热是提高热源供热能力、降低系统供热能耗、替代散烧燃煤、减少污染物排放的有效途径,对于燃煤集中供热转型、构建城市清洁供热体系意义重大。目前针对电厂冬季乏汽余热利用的研究已取得了诸如机组高背压技术、吸收式热泵等技术一系列阶段性成果,另外以清华大学付林等人[8-9]为代表提出的 Co-ah技术,甚至可实现电厂多台机组乏汽余热全部回收。

在热力站处,该技术以高温热网水驱动吸收式换热机组,可将一次网回水温度降低至 25℃左右,以天然气作驱动力可将热网回水温度进一步降低至 15℃甚至以下。在热源处,在有效降低回水温度的基础上,该技术将机组高背压、吸收式热泵、热网低温回水等多种技术元素有机结合,构建起了串联梯级加热流程,实现了多台机组乏汽余热的高效甚至全部回收,大幅降低系统不可逆损失,供热能耗和供热成本显著降低[10]。通过系统集成,设置旁通水[11]和优化系统全工况运行策略[12],该系统供热能效还能得到进一步提升。Co-ah 技术降低一次网回水温度,回收电厂乏汽余热原理如图 1-1 所示。

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而夏季电厂机组纯凝发电,乏汽余热量远大于冬季,且由于室外温度较高,机组乏汽温度也明显高于冬季工况。夏季乏汽余热无论从量上还是质上均优于冬季,是更理想的潜在热源。然而,由于无法匹配合适的热用户,大量的余热只能通过冷却塔排放,造成了能源的巨大浪费,成为制约夏季电厂乏汽余热利用的瓶颈。该矛盾一旦解决,电厂供热能力还将有巨大的提升空间。


第 2 章  系统供热节能潜力分析及利用


2.1  热力学评价方法

本章以热力学第二定律为指导,对常规热电联产燃煤锅炉调峰补热集中供热系统的热力学完善度进行了分析。量化分析了常规供热系统各个环节存在的不可逆㶲损失,探讨了其节能潜力,进一步分析并探讨了降低热网水回水温度措施。提出新型乏汽余热-热水吸收式土壤源热泵系统,并对其热力学完善度进行分析,指出了新系统优越性。

能源品位不同,决定了总能量中可以转化功的比例不同,只有对能源品位有正确的认识,才能对能源进行合理利用。而热力学第二定律就从根本上揭示了不同能源的品位高低。

本文引入能质系数或称卡诺因子 对能源的品质高低进行衡量,表现为不同种能源中转化为功的可用能㶲( )与该种能源的总能量( )的比值,表征热能转换成做功能力的大小。

新系统在热电联产乏汽余热利用的框架下引入热水型吸收式土壤源热泵的元素通过既有城市热网的冬夏两用,将非采暖季稳定且温位适宜的乏汽余热作为系统补热热源,并通过集中热网输配至各热力站。在采暖季,以热水型吸收式热泵为基础配合两级水-水换热器以降低热网回水温度,为电厂梯级加热创造条件。为更有利于系统节能及降低热网回水温度,新系统采暖设备末端采用低温地面辐射供暖。


2.2  不同热电联产系统㶲分析

在设计工况下,定义换热比例 φ,用于表示系统将热网水从 加热升温至 的整个升温过程中,某时刻的换热量占总换热量的比例。

2.2.1  常规热电联产供热系统

2.2.1.1  供热流程介绍

常规热电联产供热系统在热源处将机组中、低压缸联通管 0.4MPa~0.8MPa 的抽汽引入汽-水换热器,直接将一次网回水温度由 60℃加热升高至 120℃,输送到城市热网各热力站,而后抽汽变成凝结水返回至汽轮机组。而在二次网处,45℃二次网回水经水-水换热器加热至 60℃输送到热用户。当电厂热源无法满足建筑供热负荷时,在一次网支干线上设置燃煤调峰或燃气调峰锅炉用于承担集中供热调峰负荷。常规热电联产燃煤锅炉调峰集中供热系统流程,见图 2-1。

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第 3 章  新系统数学模型构建 ..................................... 22

3.1  系统供热模型 ................................. 22

3.1.1  吸收式热泵模型 ........................................ 22

3.1.2  板式换热器模型 ......................................... 25

第 4 章  新系统换热特性分析 ............................... 35

4.1  系统参数设置 ...................................... 35

4.1.1  地埋管换热器设置 ................................. 35

4.1.2  机组热源参数设置 .......................... 37

第 5 章  工程案例分析 ................................ 51

5.1  工程案例介绍 ..................................... 51

5.2  系统对比分析 ......................................... 52


第 5 章  工程案例分析


5.1  工程案例介绍

为便于计算,本文以位于新疆伊犁自治州首府伊宁市为例,新型乏汽余热-热水吸收式土壤源热泵系统和常规热电联产燃煤锅炉调峰集中供热系统分别向 100 万 m2建筑供热。共设置 10 个热力站,每个热力站供热面积为 10 万 m2,热源热力站平均距离为 35km。该市属于寒冷ⅡA 建筑热工设计分区,年平均气温约为 9℃。单个热力站系统公共设计参数见表 5-1。

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本文从保障供热民生的重大需求出发,聚焦北方城市清洁供热的热点研究领域——燃煤热电联产乏汽余热高效利用和浅层土壤蓄热,为破解非采暖季电厂乏汽余热利用难和土壤热失衡两个技术瓶颈问题找到统一的解决方法,独辟蹊径地提出了基于土壤跨季节蓄取电厂余热的热泵供热新系统,并对新系统变工况特性进行展开了研究。

(1) 充分挖掘了常规热电联产系统供热潜力。在热力站处设置热水吸收式换热机组,利用一次网高温热水驱动吸收式热泵提取浅层土壤热能。同时配合以两级水-水换热器逐级降低热网回水温度至 25℃左右返回电厂,为电厂乏汽余热回收创造条件。此外,土壤取热后的循环水经过预热再进入吸收式热泵,提高了热泵的制热性能,系统整体能效高于常规土壤源热泵系统。针对土壤热失衡问题,新系统利用集中热网输配电厂乏汽余热为土壤蓄热,进一步提高系统采暖季运行能效。经计算,相比于常规热电联产集中供热系统,新系统热力学完善度新系统综合㶲效率由 18.9%提升至27.1%,热力学完善度得到了有效改善。 

(2) 针对新系统,构建了涵盖吸收式热泵、水-水换热器、土壤换热器数学等计算模型;引入“供热等效电”能耗评价指标,单位供热量污染物排放量指标,系统增量投资回收期经济性指标,作为新系统的评价依据。

(3) 对新系统土壤换热特性进行了分析,得到了较佳的系统运行模式。经分析,新系统埋管取热、蓄热循环水较佳流速均在 0.6~1.0m/s;为增大土壤换热量,采暖季土壤源侧分集水器采用并联形式,非采暖季可采用串联形式;在地埋管循环水进口温度方面,取热循环水温度在 5℃左右是较为适宜的,而蓄热循环水温度的选取应当考虑供热距离的影响,随着供热距离的拉大,相应的蓄水温度