吸收式熱泵供熱系統(tǒng)的應用及經濟性分析

摘 要

摘要：探討了溴化鋰吸收式熱泵的工作原理。結合工程實例，比較了區(qū)域鍋爐房供熱系統(tǒng)與吸收式熱泵供熱系統(tǒng)的經濟性，后者的經濟性較優(yōu)。吸收式熱泵供熱系統(tǒng)除具有良好的經濟性外，還
摘要：探討了溴化鋰吸收式熱泵的工作原理。結合工程實例，比較了區(qū)域鍋爐房供熱系統(tǒng)與吸收式熱泵供熱系統(tǒng)的經濟性，后者的經濟性較優(yōu)。吸收式熱泵供熱系統(tǒng)除具有良好的經濟性外，還具有良好的環(huán)境友好性。
關鍵詞：吸收式熱泵；集中供熱；工作原理；經濟性分析
Application of Heat-supply System with Absorption-type Heat Pump and Its Economic Analysis
JIN Shu-mei
Abstract：The operating principle of lithium-bromide absorption-type heat pump is discussed. Combined with an engineering example，the economic efficiencies of heat-supply system based upon heating plant with heat-supply system based upon absorption-type heat pump are compared，in addition to good economic efficiency，the heat-supply system based upon absorption-type heat pump has a good environmental friendliness.
Key words：absorption-type heat pump；centralized heat-supply；operating principle；economic analysis
1 概述
    隨著國家節(jié)能減排力度的不斷加大，工業(yè)余熱的利用日益得到關注，熱泵技術的發(fā)展為工業(yè)余熱利用創(chuàng)造了條件。本文以某石化公司余熱利用工程為例，介紹吸收式熱泵工作原理及其提取工業(yè)余熱用于集中供熱的經濟性。
    某石化公司在催化、裂化、加氫、蒸餾等生產過程中產生大量的熱，并通過循環(huán)冷卻水帶入機力通風塔群散發(fā)到大氣中。采集數據表明，冬季冷卻水流量為8500t/h，冷卻塔進、出水溫分別為34、28℃，蘊含的熱功率達到59.3MW。該石化公司附近有建筑面積為161×104m2的新建居住建筑，全部為節(jié)能型住宅，采用地板輻射供暖系統(tǒng)，設計供暖熱指標為50W/m2，該指標已經包含各種熱損失在內，供、回水溫度為65、50℃。
2 吸收式熱泵工作原理
溴化鋰吸收式熱泵機組是一種以高溫熱源(蒸汽、高溫熱水、燃油、燃氣)為驅動熱源，溴化鋰溶液為吸收劑、水為制冷劑，利用水的閃蒸吸熱，回收利用低溫熱源的熱能，提供目標工藝所需要的熱量，實現從低溫向高溫輸送熱能的設備。溴化鋰吸收式熱泵的工藝流程見圖1。
 
    溴化鋰吸收式熱泵機組主要由吸收器、發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器4部分組成。從吸收器出來的溴化鋰稀溶液通過溶液泵升壓流經換熱器時被發(fā)生器出來的高溫溴化鋰濃溶液加熱，然后進入發(fā)生器，在發(fā)生器中被驅動蒸汽加熱至沸騰，其中的水分逐漸蒸發(fā)，溴化鋰稀溶液濃度不斷提高變成濃溶液，冷劑蒸汽被送往冷凝器。
    發(fā)生器出來的冷劑蒸汽經擋液板將夾雜的液滴分離后進入冷凝器，在冷凝器中與供熱供水換熱，冷劑蒸汽凝結成冷劑水。積聚在冷凝器下部的冷劑水經U形液封噴入蒸發(fā)器內，U形液封可防止冷凝器中的蒸汽直接進入蒸發(fā)器。
冷劑水進入蒸發(fā)器后，由于壓力降低首先閃蒸出部分低壓冷劑蒸汽。由于蒸發(fā)器采用噴淋式換熱器，噴淋量要比蒸發(fā)量大許多倍，因此大部分冷劑水聚集在蒸發(fā)器的水盤內，然后由冷劑水泵升壓后送入蒸發(fā)器的噴淋管中，經噴嘴噴淋到管簇外表面上。在吸取了流過管簇內的低溫熱源進水的熱量后，蒸發(fā)成低壓冷劑蒸汽。低壓冷劑蒸汽經擋液板將夾雜的液滴分離后進入吸收器，被均勻噴淋在吸收器管簇外表的溴化鋰濃溶液吸收，形成溴化鋰稀溶液，稀溶液聚集在吸收器底部，再由溶液泵送到發(fā)生器，如此循環(huán)。
供熱回水在流經吸收器管簇時吸收了低壓冷劑蒸汽攜帶的熱量，從而保證了吸收過程的不斷進行，同時供熱回水的溫度得到提升，并在流經冷凝器管簇時被冷劑蒸汽進一步加熱，達到設計要求溫度后經熱網循環(huán)泵送至各熱力站。低溫熱源進水在蒸發(fā)器管簇內流過時，熱量被管外的冷劑水閃蒸時帶走，溫度降低。供熱介質不但吸收了驅動蒸汽的熱量，而且通過熱泵帶走了低溫熱源的部分熱量，這也是溴化鋰吸收式熱泵供熱節(jié)能的主要原因之一。
熱泵的效率一般用能效比衡量，能效比越高系統(tǒng)的節(jié)能性越好。吸收式熱泵的能效比一般為1.6～2.0。因此，在有蒸汽熱源覆蓋的工業(yè)區(qū)，利用蒸汽驅動溴化鋰吸收式熱泵提取工業(yè)余熱并提高其品質，可實施對周邊用戶的供熱。
3 供熱方案
    ① 方案1
    方案1為溴化鋰吸收式熱泵供熱系統(tǒng)。采用1.0MPa、320℃的蒸汽作為驅動蒸汽，低溫熱源取自該石化公司的工業(yè)余熱。溴化鋰吸收式熱泵供熱系統(tǒng)采用自動控制，能效比為1.9。
    按照161×104m2供熱規(guī)模設計計算，總熱負荷為80.5MW，據此選取制熱能力為14MW的溴化鋰吸收式熱泵6臺，總供熱能力為84MW，熱泵機房占地面積為2500m2。低溫熱源供回水管道規(guī)格為DN 800mm，折算成單線長度為2.2km。一級管網管道規(guī)格為DN 700mm，折算成單線長度為4.3km。驅動蒸汽管道規(guī)格為DN 500mm，長度為2.6km。供熱系統(tǒng)補水裝置的補水能力為130t/h，人員配置總數量為17人。
    ② 方案2
    方案2為傳統(tǒng)的區(qū)域供熱鍋爐房供熱系統(tǒng)。鍋爐房選址于用戶中心區(qū)域附近，占地面積為5000m2。選擇3臺29MW的鏈條爐排熱水鍋爐，總供熱能力為87MW。3臺鍋爐共用一根煙囪，煙囪高度為90m，選取電除塵器及雙堿法的除塵脫硫工藝。燃煤采用汽車運輸方式，配套儲煤場容量為5000t。鍋爐房至各熱力站一級管網折算成單線長度約3km，配套建設補水能力為130t/h的補水裝置，人員配置總數量為50人。
4 經濟性分析
   ① 方案的基本價格
   方案的基本價格見表1。維護費用按固定資產原值的3%計取，折舊年限為14年。
表1 基本價格
項 目
價格
備注
蒸汽
66元/t
—
電
0.463元/(kW·h)
不含稅
水
4元/t
不含稅
燃煤
800元/t
低位發(fā)熱量為23.4MJ/kg
征地費
450元/m2
—
人員工資及福利
5.43×104元/(人·a)
福利按工資的40%計取
人員管理費用
3×104元/(人·a)
—
熱價
27.5元/m2
不含稅，供至熱力站價格
   ② 方案經濟性分析
   經濟性分析的對象為熱源、一級管網，不涉及小區(qū)熱力站、二級管網。兩種方案的經濟性比較見表2。由表2可知，方案1的總造價為11530×104元，遠高于方案2。主要原因在于吸收式熱泵設備造價較高，但隨著熱泵市場化進程的深入，造價將逐漸降低。在投入運營之后，兩種方案在年收入相等的情況下，由于運行成本差異較大，導致年利潤明顯不同。方案1的年利潤為2084.5×104元，方案2卻每年虧損92.7×104元。方案1的靜態(tài)回收期為3.97年，年投資利稅率為18.08%，這兩項指標均優(yōu)于供熱行業(yè)的平均水平，因此方案1是可行的。方案2由于運營虧損，項目投資無法預期回收，因此該方案是不可行的。
表2 兩種方案的經濟性比較
經濟性指標
方案1
方案2
總造fir/元
11 530×104
4900×104
年運行成本
年燃煤費用/(元·a-1)
—
3200×104
年蒸汽費用/(元·a-1)
712.8×104
—
年電費用/(元·a-1)
129.9×104
214.2×104
年補水費用/(元·a-1)
187.5×104
187.5×104
年人員工資及福利/(元·a-1)
92.3×104
271.5×104
年人員管理費用/(元·a-1)
51×104
150×104
年維護費用/(元·a-1)
345.9×104
147.0×104
年折舊費用/(元·a-1)
823.6×104
350.6×104
年運行成本合計/(元·a-1)
2343.0×104
4520.2×104
年收/k/(元·a-1)
4427.5×104
4427.5×104
年利潤/(元·a-1)
2084.5×104
-92.7×104
靜態(tài)投資回收期/a
3.97
19.04
年投資利稅率/%
18.08
-1.89
5 結論
    ① 吸收式熱泵提取工業(yè)余熱的供熱方式經濟性較好，單位供熱面積運行成本不足15元/m2，處于贏利狀態(tài)。區(qū)域供熱鍋爐房供熱系統(tǒng)的單位供熱面積運行成本約28元/m2，正常運行已經虧損。
    ② 吸收式熱泵供熱系統(tǒng)具有良好的節(jié)能減排效果，屬于國家政策支持的節(jié)能減排項目，根據相關文件規(guī)定，單位供熱面積可獲得國家財政35元/m2的資金補貼。另外，按《京都議定書》規(guī)定，采用工業(yè)余熱利用方案減排的二氧化碳可以通過清潔發(fā)展機制(Clean Development Mechanism，CDM)向發(fā)達國家轉讓，單位質量二氧化碳可獲8歐元/t的補償。在進行兩種方案的經濟比較時，未計入上述兩項補貼因素的影響，否則吸收式熱泵供熱系統(tǒng)的經濟效益更加明顯。
    ③ 吸收式熱泵供熱方式具有傳統(tǒng)區(qū)域供熱鍋爐房不可比擬的優(yōu)越性，因此會越來越受到社會的重視并不斷推向實施。但是，吸收式熱泵供熱系統(tǒng)造價較高，在一定程度限制了其推廣應用。
 
(本文作者：金樹梅 中油遼河工程有限公司 遼寧盤錦 124010)