本文提出以电厂循环水为低位热源、利用热泵技术升温后供热的一种城市集中供热新形式。经过多方的配合和努力完成了北京市多家热电厂循环水余热潜力的调研，提出了电厂循环水区域供热的系统总体构想；分析了采用该技术的经济性以及给北京市带来的节能效益和环保效益。---北京热力集团有限责任公司吴星；清华大学建筑学院建筑节能研究中心付林胡鹏
绪论：尽管三十年来中国经济发展迅猛，但是我们却不得不面对这样一个现实，当下中国经济成果的取得一定程度上是以牺牲资源环境为代价换来的。由此产生了经济发展的可持续性问题以及越来越大的国际舆论压力。“节能减排”政策方针正是基于我国面临的经济可持续性发展因素、环境因素、国际政治因素而制定，是一项长期坚定不移执行的国策。
北京是一个高耗能城市。随着能源供需形势的变化、经济社会的发展，为了确保北京能源发展和社会经济发展相适应，保障首都经济社会安全，北京市制定了以改善环境质量为基本出发点的能源规划和政策，这些规划和政策的实施有赖于大力发展高效清洁能源技术。
相关资料显示，北京2004年建筑采暖用能占全市能源消费量的17.3%。今后几年新建采暖建筑面积的扩大，北京冬季供暖能源需求将继续增加。预计到2010
年建筑采暖能耗需求为1519
万吨标准煤，占北京市能源消费总量的23.4%。目前北京五大热电厂和热力集团所属六个供热厂的供热能力都将达到极限，将满负荷甚至超负荷运行。而新建大型热源投资高、建设周期长，并受到城市环境容量的强烈制约。因此，开展能源的高效利用和循环利用，是降低建筑采暖能耗的重要途径。
目前北京热电厂普遍采用大容量的抽凝式汽轮发电机组，即使在冬季最大供热工况下，也必须有占电厂总能耗10～20％的热量由循环水（一般通过冷却塔）排放到环境。图1所示为高井热电厂3＃机组在冬季最大供热工况下的能流图，可以看出仍然有19％的热量由循环水排放到环境中。根据调研，北京并入城市热网的四大热电厂冬季可利用的循环水余热资源量就达1000MW以上，远期规划余热资源量将达约1700MW。如果利用热泵技术将这些余热加以利用，仅仅考虑有效利用现有余热量，就相当于在不新增电厂装机容量和不增加当地污染物排放的情况下，可新增供热面积3000万平方米以上。同时节约大量因为蒸发而损失的循环冷却水；因此这是一种极具吸引力的城市集中供热新形式。
循环水供热系统技术方案：
由于正常情况下循环水的温度比较低（一般冬季20～35℃），达不到直接供热的要求，要用其供热，必须想办法适当提高其温度。中小型凝汽式汽轮机可以通过降低排汽缸真空从而提高循环水温度（60～80℃）的方法进行供热，即低真空运行循环水供热，该技术在理论上可以实现很高的能源利用效率，国内外都有很多研究和成功运行的实例，技术已很成熟，特别在我国一些北方城市得到了广泛的应用与推广。但传统的低真空运行机组类似于热电厂中的背压机组，其通过的蒸汽量决定于用户热负荷的大小，所以发电功率受用户热负荷的制约，不能分别地独立进行调节，即其运行也是“以热定电”，因而只适用于用户热负荷比较稳定的供热系统。另外，机组低真空运行须对机组结构进行相应的改造，仅适应于小型机组和少数中型机组，对现代大型机组则是完全不允许的。在具有中间再热式汽轮机组的大型热电联产系统中，凝汽压力过高会使机组的末级出口蒸汽温度过高，且蒸汽的容积流量过小，从而引起机组的强烈振动，危及运行安全。
大型汽轮机组的循环冷却水进口温度一般要求不超过33℃（相应的出口温度在40℃左右），如果供热温度在此范围之内，则机组结构不需作任何改动，且适应于任何容量和类型的机组。但目前适应于该温度范围的供热装置只有地板低温辐射采暖，因此其应用范围受到比较大的限制。因此，针对北京市目前大型热电厂内均为大型机组，不易改造的现状，低真空运行提高循环水温度的方法并不具备大规模应用的条件。
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提高电厂循环水温度用于供热的另一个方法是采用热泵技术，即以电厂循环冷却水为低位热源、利用热泵技术提取其热量后向用户供热。电厂循环水与目前常用的热泵热源相比，具有热量巨大、温度适中而稳定、水质好、安全环保等优点，是一种优质的热泵热源。以电厂循环水作为热泵低位热源进行供热，可以方便灵活的实现供热量与用户需求之间的“质”与“量”的匹配，也不会对发电厂原热力系统产生较大影响。因此电厂循环水源热泵是回收利用电厂循环水余热进行供热的一种较理想方式。
目前常用的热泵装置，根据驱动能源的类型分类，主要有以热能为驱动能源的吸收式热泵和以电能（或机械能）为驱动能源的压缩式热泵。循环水供热由于供回水温差较小（为10～15℃左右），同样供热负荷下较城市热网需要更大的管网投资和水泵电耗。因此循环水供热的适用范围为电厂周边半径3～5公里以内。理论上热泵既可以设置在热源端（电厂内），也可以设置在用户端。但从减少管网输送热损失和热泵规格的角度考虑，热泵应尽量设置在靠近用户端。循环水供热系统基本方案如图2所示，将热电厂的循环冷却水通过一次循环水管网输送到设立在各个用户处的热力站，热力站内分别安装有吸收式热泵机组或者电动压缩式热泵机组。电厂循环水在相应的热泵机组中放热降温后，返回电厂凝汽器吸热升温后再输送到热力站。如此循环往复地将电厂凝汽器余热输送到用户热力站，热泵机组从循环水吸热并加热二次侧热媒，通过二次管网输送到用户处的采暖末端设备。
热力站具体采用哪种形式的热泵，需要结合电厂周边用户地区的能源供应状况而定。吸收式热泵技术主要是采用高温热水（120℃～130℃）、蒸汽（6bar）或天然气驱动，吸收电厂循环水的低位热量，产生45℃～55℃的中温热量用于采暖。对于电厂周边热水网采暖的用户以及具备燃气或蒸汽条件的用户，可以将循环水通过管道引到热力站，并在热力站增设吸收式热泵，从而实现相应地区周边的高效供热，节约用能一倍以上。蒸汽或天然气没有到达同时电力容量不受限制的电厂周边地区，可采用压缩式热泵技术回收电厂循环水热量。压缩式热泵系统综合能源利用率略低于吸收式热泵，但是压缩式热泵的一个优势就是占地小，设置灵活，可以设施在热力站甚至是设置在住户家中，实现设备冬夏两用，降低设备初投资。
北京市循环水供热潜力分析：
表1分别给出北京市热电厂现状和规划发电、供热以及循环水余热潜力的数量统计。如综合考虑建筑采暖热指标45W/m2，考虑高位能量以及一定的调峰容量，现状循环水供热潜力可实现3000～4000万平米的供热面积，规划循环水供热潜力可实现6000～7000万平米的供热面积。
北京的热电厂有着得天独厚的优势，周边的负荷密度很大，像国华，郑常庄这样的热电厂，供热半径3公里范围内的热负荷，就足以使循环水供热发挥优势了。
循环水供热成本分析：
循环水供热节能环保分析以下对热水型吸收式热泵、蒸汽型吸收式热泵、电动压缩式热泵等不同循环水供热方式与传统的燃煤锅炉、燃气锅炉及城市热网供热的能效和能源成本进行比较，如表2所示。可以看出，采用吸收式热泵提取循环水热量供热成本接近于热网和燃煤锅炉房；而采用电动压缩式热泵提取循环水余热供热成本明显高于燃煤锅炉房，但远低于燃气锅炉房的供热成本。
循环水供热节能环保分析：
假设按照40％余热采用电动压缩式热泵利用，其余60％采用吸收式热泵利用的方案。以北京市现有循环水余热量为计算依据：整个采暖季实现供热量1859万GJ，回收循环水余热约943万GJ，共计消耗电能29935万度，消耗蒸汽量为320.7万吨，将该种方式与相同规模的燃煤锅炉房和燃气锅炉房比较。由于三个方案所消耗的能源种类不同，为了能够进行统一比较，需折算成同一种能源。北京市采用循环水供热后年采暖节能量如表3所示。
相对与燃煤锅炉和燃气锅炉房，现状循环水余热供热全部利用后，每年可以节约标煤33.9万吨或节气2.76亿立方米；而规划的循环水余热全部利用后，每年可以节约标煤49.5万吨或者节气4.04亿立方米。同时，考虑现状循环水余热全部利用，一个采暖季提取循环水余热943万GJ，每年可以减少的循环水蒸发损失1000～1200万吨。
本文主要通过对比各种污染物的排放量来评价不同供热采暖方式的环保效益。主要的污染物有烟尘、SOx、NOx、CO2。循环水供热方案中消耗的蒸汽属于电厂原供热能力的一部分，因此也不会额外增加北京市的当地污染物排放。根据一个采暖季供热耗能量，可计算得到因采暖而造成的污染物排放总量见表4。
可以看出，相对于燃煤锅炉房，每年将减少CO2排放880507吨，减少SOx排放12918吨，减少NOx排放3830吨，减少烟尘排放5042吨；相对于燃气锅炉房，每年将减少CO2排放586672吨，减少SOx排放3吨，减少NOx排放334吨。另外因热泵对循环水的冷却作用可减小冷却塔负荷，每年可减少电厂循环水蒸发损失1000～1200万吨，弱化了循环水热湿排放对电厂周边环境的影响，因此该技术推广后的环境效益非常显著。
结论及建议：
循环水供热技术先进，节能环保效益突出，对于北京城区热电厂更有着应用上的优势，且完全符合当前国家关于节能减排的方针政策，同时满足北京市当前对“清洁高效”能源的迫切需求，能有效的缓解北京市突出的供热能源供需矛盾。在推广应用中，政府要加强引导，并给予强有力的政策支持与激励机制做保障。应通过关键技术研发与科学合理的规划，尽快有序地实施推广电厂循环水余热利用技术。
