吸收式熱泵供熱系統(tǒng)的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性分析

摘 要

摘要：探討了溴化鋰吸收式熱泵的工作原理。結(jié)合工程實(shí)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(jīng)濟(jì)性，后者的經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。吸收式熱泵供熱系統(tǒng)除具有良好的經(jīng)濟(jì)性外，還
摘要：探討了溴化鋰吸收式熱泵的工作原理。結(jié)合工程實(shí)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(jīng)濟(jì)性，后者的經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。吸收式熱泵供熱系統(tǒng)除具有良好的經(jīng)濟(jì)性外，還具有良好的環(huán)境友好性。
關(guān)鍵詞：吸收式熱泵；集中供熱；工作原理；經(jīng)濟(jì)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(guó)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(guān)注，熱泵技術(shù)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(jīng)濟(jì)性。
    某石化公司在催化、裂化、加氫、蒸餾等生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱，并通過(guò)循環(huán)冷卻水帶入機(jī)力通風(fēng)塔群散發(fā)到大氣中。采集數(shù)據(jù)表明，冬季冷卻水流量為8500t/h，冷卻塔進(jìn)、出水溫分別為34、28℃，蘊(yùn)含的熱功率達(dá)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(shè)計(jì)供暖熱指標(biāo)為50W/m2，該指標(biāo)已經(jīng)包含各種熱損失在內(nèi)，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(jī)組是一種以高溫?zé)嵩?蒸汽、高溫?zé)崴?、燃油、燃?xì)?為驅(qū)動(dòng)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?zé)嵩吹臒崮?，提供目?biāo)工藝所需要的熱量，實(shí)現(xiàn)從低溫向高溫輸送熱能的設(shè)備。溴化鋰吸收式熱泵的工藝流程見(jiàn)圖1。
 
    溴化鋰吸收式熱泵機(jī)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(lái)的溴化鋰稀溶液通過(guò)溶液泵升壓流經(jīng)換熱器時(shí)被發(fā)生器出來(lái)的高溫溴化鋰濃溶液加熱，然后進(jìn)入發(fā)生器，在發(fā)生器中被驅(qū)動(dòng)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(lái)的冷劑蒸汽經(jīng)擋液板將夾雜的液滴分離后進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中與供熱供水換熱，冷劑蒸汽凝結(jié)成冷劑水。積聚在冷凝器下部的冷劑水經(jīng)U形液封噴入蒸發(fā)器內(nèi)，U形液封可防止冷凝器中的蒸汽直接進(jìn)入蒸發(fā)器。
冷劑水進(jìn)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(nèi)，然后由冷劑水泵升壓后送入蒸發(fā)器的噴淋管中，經(jīng)噴嘴噴淋到管簇外表面上。在吸取了流過(guò)管簇內(nèi)的低溫?zé)嵩催M(jìn)水的熱量后，蒸發(fā)成低壓冷劑蒸汽。低壓冷劑蒸汽經(jīng)擋液板將夾雜的液滴分離后進(jìn)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(jīng)吸收器管簇時(shí)吸收了低壓冷劑蒸汽攜帶的熱量，從而保證了吸收過(guò)程的不斷進(jìn)行，同時(shí)供熱回水的溫度得到提升，并在流經(jīng)冷凝器管簇時(shí)被冷劑蒸汽進(jìn)一步加熱，達(dá)到設(shè)計(jì)要求溫度后經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)泵送至各熱力站。低溫?zé)嵩催M(jìn)水在蒸發(fā)器管簇內(nèi)流過(guò)時(shí)，熱量被管外的冷劑水閃蒸時(shí)帶走，溫度降低。供熱介質(zhì)不但吸收了驅(qū)動(dòng)蒸汽的熱量，而且通過(guò)熱泵帶走了低溫?zé)嵩吹牟糠譄崃?，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(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式熱泵提取工業(yè)余熱并提高其品質(zhì)，可實(shí)施對(duì)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(qū)動(dòng)蒸汽，低溫?zé)嵩慈∽栽撌镜墓I(yè)余熱。溴化鋰吸收式熱泵供熱系統(tǒng)采用自動(dòng)控制，能效比為1.9。
    按照161×104m2供熱規(guī)模設(shè)計(jì)計(jì)算，總熱負(fù)荷為80.5MW，據(jù)此選取制熱能力為14MW的溴化鋰吸收式熱泵6臺(tái)，總供熱能力為84MW，熱泵機(jī)房占地面積為2500m2。低溫?zé)嵩垂┗厮艿酪?guī)格為DN 800mm，折算成單線長(zhǎng)度為2.2km。一級(jí)管網(wǎng)管道規(guī)格為DN 700mm，折算成單線長(zhǎng)度為4.3km。驅(qū)動(dòng)蒸汽管道規(guī)格為DN 500mm，長(zhǎng)度為2.6km。供熱系統(tǒng)補(bǔ)水裝置的補(bǔ)水能力為130t/h，人員配置總數(shù)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(tái)29MW的鏈條爐排熱水鍋爐，總供熱能力為87MW。3臺(tái)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(yùn)輸方式，配套儲(chǔ)煤場(chǎng)容量為5000t。鍋爐房至各熱力站一級(jí)管網(wǎng)折算成單線長(zhǎng)度約3km，配套建設(shè)補(bǔ)水能力為130t/h的補(bǔ)水裝置，人員配置總數(shù)量為50人。
4 經(jīng)濟(jì)性分析
   ① 方案的基本價(jià)格
   方案的基本價(jià)格見(jiàn)表1。維護(hù)費(fèi)用按固定資產(chǎn)原值的3%計(jì)取，折舊年限為14年。
表1 基本價(jià)格
項(xiàng) 目
價(jià)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(fèi)
450元/m2
—
人員工資及福利
5.43×104元/(人·a)
福利按工資的40%計(jì)取
人員管理費(fèi)用
3×104元/(人·a)
—
熱價(jià)
27.5元/m2
不含稅，供至熱力站價(jià)格
   ② 方案經(jīng)濟(jì)性分析
   經(jīng)濟(jì)性分析的對(duì)象為熱源、一級(jí)管網(wǎng)，不涉及小區(qū)熱力站、二級(jí)管網(wǎng)。兩種方案的經(jīng)濟(jì)性比較見(jiàn)表2。由表2可知，方案1的總造價(jià)為11530×104元，遠(yuǎn)高于方案2。主要原因在于吸收式熱泵設(shè)備造價(jià)較高，但隨著熱泵市場(chǎng)化進(jìn)程的深入，造價(jià)將逐漸降低。在投入運(yùn)營(yíng)之后，兩種方案在年收入相等的情況下，由于運(yùn)行成本差異較大，導(dǎo)致年利潤(rùn)明顯不同。方案1的年利潤(rùn)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(xiàng)指標(biāo)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(yùn)營(yíng)虧損，項(xiàng)目投資無(wú)法預(yù)期回收，因此該方案是不可行的。
表2 兩種方案的經(jīng)濟(jì)性比較
經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)
方案1
方案2
總造fir/元
11 530×104
4900×104
年運(yùn)行成本
年燃煤費(fèi)用/(元·a-1)
—
3200×104
年蒸汽費(fèi)用/(元·a-1)
712.8×104
—
年電費(fèi)用/(元·a-1)
129.9×104
214.2×104
年補(bǔ)水費(fèi)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(fèi)用/(元·a-1)
51×104
150×104
年維護(hù)費(fèi)用/(元·a-1)
345.9×104
147.0×104
年折舊費(fèi)用/(元·a-1)
823.6×104
350.6×104
年運(yùn)行成本合計(jì)/(元·a-1)
2343.0×104
4520.2×104
年收/k/(元·a-1)
4427.5×104
4427.5×104
年利潤(rùn)/(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(jié)論
    ① 吸收式熱泵提取工業(yè)余熱的供熱方式經(jīng)濟(jì)性較好，單位供熱面積運(yùn)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(yùn)行成本約28元/m2，正常運(yùn)行已經(jīng)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(guó)家政策支持的節(jié)能減排項(xiàng)目，根據(jù)相關(guān)文件規(guī)定，單位供熱面積可獲得國(guó)家財(cái)政35元/m2的資金補(bǔ)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(guò)清潔發(fā)展機(jī)制(Clean Development Mechanism，CDM)向發(fā)達(dá)國(guó)家轉(zhuǎn)讓，單位質(zhì)量二氧化碳可獲8歐元/t的補(bǔ)償。在進(jìn)行兩種方案的經(jīng)濟(jì)比較時(shí)，未計(jì)入上述兩項(xiàng)補(bǔ)貼因素的影響，否則吸收式熱泵供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(huì)越來(lái)越受到社會(huì)的重視并不斷推向?qū)嵤?。但是，吸收式熱泵供熱系統(tǒng)造價(jià)較高，在一定程度限制了其推廣應(yīng)用。
 
(本文作者：金樹(shù)梅 中油遼河工程有限公司 遼寧盤錦 124010)