吸收式热泵供热系统的应用及经济性分析

摘 要

摘要：探讨了溴化锂吸收式热泵的工作原理。结合工程实例，比较了区域锅炉房供热系统与吸收式热泵供热系统的经济性，后者的经济性较优。吸收式热泵供热系统除具有良好的经济性外，还
摘要：探讨了溴化锂吸收式热泵的工作原理。结合工程实例，比较了区域锅炉房供热系统与吸收式热泵供热系统的经济性，后者的经济性较优。吸收式热泵供热系统除具有良好的经济性外，还具有良好的环境友好性。
关键词：吸收式热泵；集中供热；工作原理；经济性分析
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
    随着国家节能减排力度的不断加大，工业余热的利用日益得到关注，热泵技术的发展为工业余热利用创造了条件。本文以某石化公司余热利用工程为例，介绍吸收式热泵工作原理及其提取工业余热用于集中供热的经济性。
    某石化公司在催化、裂化、加氢、蒸馏等生产过程中产生大量的热，并通过循环冷却水带入机力通风塔群散发到大气中。采集数据表明，冬季冷却水流量为8500t/h，冷却塔进、出水温分别为34、28℃，蕴含的热功率达到59.3MW。该石化公司附近有建筑面积为161×104m2的新建居住建筑，全部为节能型住宅，采用地板辐射供暖系统，设计供暖热指标为50W/m2，该指标已经包含各种热损失在内，供、回水温度为65、50℃。
2 吸收式热泵工作原理
溴化锂吸收式热泵机组是一种以高温热源(蒸汽、高温热水、燃油、燃气)为驱动热源，溴化锂溶液为吸收剂、水为制冷剂，利用水的闪蒸吸热，回收利用低温热源的热能，提供目标工艺所需要的热量，实现从低温向高温输送热能的设备。溴化锂吸收式热泵的工艺流程见图1。
 
    溴化锂吸收式热泵机组主要由吸收器、发生器、冷凝器、蒸发器4部分组成。从吸收器出来的溴化锂稀溶液通过溶液泵升压流经换热器时被发生器出来的高温溴化锂浓溶液加热，然后进入发生器，在发生器中被驱动蒸汽加热至沸腾，其中的水分逐渐蒸发，溴化锂稀溶液浓度不断提高变成浓溶液，冷剂蒸汽被送往冷凝器。
    发生器出来的冷剂蒸汽经挡液板将夹杂的液滴分离后进入冷凝器，在冷凝器中与供热供水换热，冷剂蒸汽凝结成冷剂水。积聚在冷凝器下部的冷剂水经U形液封喷入蒸发器内，U形液封可防止冷凝器中的蒸汽直接进入蒸发器。
冷剂水进入蒸发器后，由于压力降低首先闪蒸出部分低压冷剂蒸汽。由于蒸发器采用喷淋式换热器，喷淋量要比蒸发量大许多倍，因此大部分冷剂水聚集在蒸发器的水盘内，然后由冷剂水泵升压后送入蒸发器的喷淋管中，经喷嘴喷淋到管簇外表面上。在吸取了流过管簇内的低温热源进水的热量后，蒸发成低压冷剂蒸汽。低压冷剂蒸汽经挡液板将夹杂的液滴分离后进入吸收器，被均匀喷淋在吸收器管簇外表的溴化锂浓溶液吸收，形成溴化锂稀溶液，稀溶液聚集在吸收器底部，再由溶液泵送到发生器，如此循环。
供热回水在流经吸收器管簇时吸收了低压冷剂蒸汽携带的热量，从而保证了吸收过程的不断进行，同时供热回水的温度得到提升，并在流经冷凝器管簇时被冷剂蒸汽进一步加热，达到设计要求温度后经热网循环泵送至各热力站。低温热源进水在蒸发器管簇内流过时，热量被管外的冷剂水闪蒸时带走，温度降低。供热介质不但吸收了驱动蒸汽的热量，而且通过热泵带走了低温热源的部分热量，这也是溴化锂吸收式热泵供热节能的主要原因之一。
热泵的效率一般用能效比衡量，能效比越高系统的节能性越好。吸收式热泵的能效比一般为1.6～2.0。因此，在有蒸汽热源覆盖的工业区，利用蒸汽驱动溴化锂吸收式热泵提取工业余热并提高其品质，可实施对周边用户的供热。
3 供热方案
    ① 方案1
    方案1为溴化锂吸收式热泵供热系统。采用1.0MPa、320℃的蒸汽作为驱动蒸汽，低温热源取自该石化公司的工业余热。溴化锂吸收式热泵供热系统采用自动控制，能效比为1.9。
    按照161×104m2供热规模设计计算，总热负荷为80.5MW，据此选取制热能力为14MW的溴化锂吸收式热泵6台，总供热能力为84MW，热泵机房占地面积为2500m2。低温热源供回水管道规格为DN 800mm，折算成单线长度为2.2km。一级管网管道规格为DN 700mm，折算成单线长度为4.3km。驱动蒸汽管道规格为DN 500mm，长度为2.6km。供热系统补水装置的补水能力为130t/h，人员配置总数量为17人。
    ② 方案2
    方案2为传统的区域供热锅炉房供热系统。锅炉房选址于用户中心区域附近，占地面积为5000m2。选择3台29MW的链条炉排热水锅炉，总供热能力为87MW。3台锅炉共用一根烟囱，烟囱高度为90m，选取电除尘器及双碱法的除尘脱硫工艺。燃煤采用汽车运输方式，配套储煤场容量为5000t。锅炉房至各热力站一级管网折算成单线长度约3km，配套建设补水能力为130t/h的补水装置，人员配置总数量为50人。
4 经济性分析
   ① 方案的基本价格
   方案的基本价格见表1。维护费用按固定资产原值的3%计取，折旧年限为14年。
表1 基本价格
项 目
价格
备注
蒸汽
66元/t
—
电
0.463元/(kW·h)
不含税
水
4元/t
不含税
燃煤
800元/t
低位发热量为23.4MJ/kg
征地费
450元/m2
—
人员工资及福利
5.43×104元/(人·a)
福利按工资的40%计取
人员管理费用
3×104元/(人·a)
—
热价
27.5元/m2
不含税，供至热力站价格
   ② 方案经济性分析
   经济性分析的对象为热源、一级管网，不涉及小区热力站、二级管网。两种方案的经济性比较见表2。由表2可知，方案1的总造价为11530×104元，远高于方案2。主要原因在于吸收式热泵设备造价较高，但随着热泵市场化进程的深入，造价将逐渐降低。在投入运营之后，两种方案在年收入相等的情况下，由于运行成本差异较大，导致年利润明显不同。方案1的年利润为2084.5×104元，方案2却每年亏损92.7×104元。方案1的静态回收期为3.97年，年投资利税率为18.08%，这两项指标均优于供热行业的平均水平，因此方案1是可行的。方案2由于运营亏损，项目投资无法预期回收，因此该方案是不可行的。
表2 两种方案的经济性比较
经济性指标
方案1
方案2
总造fir/元
11 530×104
4900×104
年运行成本
年燃煤费用/(元·a-1)
—
3200×104
年蒸汽费用/(元·a-1)
712.8×104
—
年电费用/(元·a-1)
129.9×104
214.2×104
年补水费用/(元·a-1)
187.5×104
187.5×104
年人员工资及福利/(元·a-1)
92.3×104
271.5×104
年人员管理费用/(元·a-1)
51×104
150×104
年维护费用/(元·a-1)
345.9×104
147.0×104
年折旧费用/(元·a-1)
823.6×104
350.6×104
年运行成本合计/(元·a-1)
2343.0×104
4520.2×104
年收/k/(元·a-1)
4427.5×104
4427.5×104
年利润/(元·a-1)
2084.5×104
-92.7×104
静态投资回收期/a
3.97
19.04
年投资利税率/%
18.08
-1.89
5 结论
    ① 吸收式热泵提取工业余热的供热方式经济性较好，单位供热面积运行成本不足15元/m2，处于赢利状态。区域供热锅炉房供热系统的单位供热面积运行成本约28元/m2，正常运行已经亏损。
    ② 吸收式热泵供热系统具有良好的节能减排效果，属于国家政策支持的节能减排项目，根据相关文件规定，单位供热面积可获得国家财政35元/m2的资金补贴。另外，按《京都议定书》规定，采用工业余热利用方案减排的二氧化碳可以通过清洁发展机制(Clean Development Mechanism，CDM)向发达国家转让，单位质量二氧化碳可获8欧元/t的补偿。在进行两种方案的经济比较时，未计入上述两项补贴因素的影响，否则吸收式热泵供热系统的经济效益更加明显。
    ③ 吸收式热泵供热方式具有传统区域供热锅炉房不可比拟的优越性，因此会越来越受到社会的重视并不断推向实施。但是，吸收式热泵供热系统造价较高，在一定程度限制了其推广应用。
 
(本文作者：金树梅 中油辽河工程有限公司 辽宁盘锦 124010)