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華北電力大學孫健:多能互補系統蓄熱與超高溫熱泵耦合技術研究
發布時間: 2019-09-20 15:00:26 被閱覽數: 450 次 來源: 泰州金泰環保熱電有限公司
 
      北極星儲能網訊:在采暖季的時候熱電廠很難參與電網的調峰過程,而風電、太陽能這些電力隨機性比較強,所以北方火電廠比較集中的趨勢,和可再生能源在北方的重合,無論是時間層次、空間層次的融合,導致北方電網用來調節電網的負荷、用來消納可再生能源的時候,它的能力是非常有限的,所以我們就想在電廠側和整個系統做一個改造,就是在電廠側用熱泵和蓄熱來解決熱和電這兩個互相限制的耦合關系。—華北電力大學能源動力與機械工程學院副教授 孫建

      8月8日,由華北電力大學、中國可再生能源學會主辦的“第一屆中國儲能學術論壇暨風光儲創新技術大會”分論壇在北京召開,北極星儲能網將對論壇進行全程直播。在8日“儲冷儲熱”分論壇上,華北電力大學能源動力與機械工程學院副教授孫建作“多能互補系統蓄熱與超高溫熱泵耦合技術研究”報告。



華北電力大學能源動力與機械工程學院副教授孫建
以下為發言實錄:

      華北電力大學能源動力與機械工程學院副教授孫建:我是華北電力大學的孫建,我也是杜院長課題組的一員,我做的研究主要是傾向于熱泵自身,我今天匯報的主題主要是熱泵和蓄熱系統進行一個組合,剛才杜院長對熱電聯產背景做了介紹,這里一帶而過,我就把蓄熱想法和方案和初步研究成果向大家匯報。

      在采暖季的時候熱電廠很難參與電網的調峰過程,而風電、太陽能這些電力隨機性比較強,所以北方火電廠比較集中的趨勢,和可再生能源在北方的重合,無論是時間層次、空間層次的融合,導致北方電網用來調節電網的負荷、用來消納可再生能源的時候,它的能力是非常有限的,所以我們就想在電廠側和整個系統做一個改造,就是在電廠側用熱泵和蓄熱來解決熱和電這兩個互相限制的耦合關系。

      如果是不用于熱電廠的話,我們也可以把熱泵用在消納可再生能源的系統當中,比如廢棄掉的風電、光電都可以通過熱泵轉化成熱量存起來,滿足供熱的需求。如果脫離我們的蓄熱系統的話,這個熱泵也可以用來回收一些汽輪機的氣,包括化工行業等的余熱,實現節能減排的效果。

      我們的目的是希望來解除熱電廠發電和供熱之間互相的耦合關系,左上角這個圖是我們設想的一種流程,這個流程與常規的熱電聯產流程區別有兩點,首先第一點電源側,我們可以看到熱電廠這一側,常規的熱電廠加熱主要是靠抽水蓄能完成的,而我們這里采用了高溫的熱泵技術還有蓄熱技術進行一個組合,它怎么工作呢?當電網需要熱電廠多發電的時候,我就關閉熱泵,減少自身的供電,提升發電機組的上網發電量。如果電網給我指令要求我少上網發電,我就開啟熱泵,消耗我的電量,同時回收我的汽輪機的乏汽,帶電動熱泵還有一個好處,可以回收乏汽熱量,像我們常規的供水溫度一共是120度去、五六十度回,五六十度的水回很難回收汽輪機的乏汽熱量,而汽輪機的乏汽熱量大概占熱電廠總的熱量的30%以上,如果我們既能實現調峰、能實現乏汽回收的話就可以起到雙重的效果,所以我們加了熱泵之后配合蓄熱系統,既可以實心調峰功能,也可以實現一個降低熱電廠的供熱和發電能耗的效果。

      在熱力站側我們也做了一些改進,常規的熱力站只有一個普普通通的換熱氣,因為比如用戶家里的暖氣片,供水溫度60度、回水溫度40幾度,這個熱網水回水肯定也得50多度,很難回收這些乏汽熱量,我們在熱力站做了改進,熱力站通過一個換熱氣再加上蓄熱、再加上電動熱泵。我們這么做的目的有這么幾個。通過電動熱泵可以把電網水的溫度尤其回水的溫度大幅度降低,剛剛給大家匯報熱網水一般在五六水度左右,現在我們可以變成15度,供回水將近翻了一倍,有什么好處呢?原來管網供熱的能力,如果流量不變的話,負荷可以增加一倍。再一個,15度的回水可以非常舒服的回到電廠回收汽輪機的乏汽熱量,同時降低發電廠的能耗的效果。當然特點非常明顯,熱力站做了一些改造,需要一些設備的投資,而且還有耗電。

      熱力站由于需要電動熱泵來工作,這里需要消耗一定的電量,這是我的一個劣勢,帶來的好處是,熱電廠這側供熱成本大幅度下降,而且為了降低能耗配上了一個蓄熱罐,目的是為了熱泵只在低谷電的時候開啟、白天的時候不開啟,同樣可以保持15度的回水溫度。怎么工作的呢?原理其實也不復雜,白天的時候我通過晚上一晚上的運行,我現在這個罐子里面充滿冷水,到了晚上再把罐子里的水拿出來再和熱網水混合起來降溫,再變成冷水,晚上是熱水變冷水,白天是冷水變熱水,有了這個熱泵之后這個罐只在晚上消耗低谷點,白天高峰期不開了,可以保持這個效果。

      基于這個系統,我們在F組地下也搭了試驗臺,是兩臺小的螺旋式的熱泵,我們用了串聯的方式,可以看到,用了這個熱力站之后,它的熱網水的回水溫度可以降到20度或者更低的水平,常規的熱網回水一般在五六十度的水平。

      針對這個系統我們也可以做一下改進,比如我希望回水溫度更低,我可以做成兩級的或者三級的,它倆原理是一樣的,只不過它是一個兩級的,它是一個三級的,目的就是實現更低的熱網的回收溫度。

      上面這個系統,是由于這個系統我們額外引申的一個系統,這個系統相當于是一個完全靠可再生能源電力供熱的一個系統,這是對大氣的供熱系統,有一個一次管網和二次管網,比如在大型的風力發電或者光伏發電,當有比較多的棄風棄光的時候,我們考慮把它轉化成熱量,然后再進行供熱的時候,我們就可以采用上面的系統,這個系統這一側是熱力站、這一側是熱源廠,這邊可以接風力發電廠風力發電這些裝置,咱們把這些波動性比較強的發電變成熱量之后,在儲熱罐里邊進行儲存,熱力站我們通過換熱氣和熱泵提升熱網水的供水溫度和回水溫度的溫差,為什么這個熱泵呢,因為熱泵耗電,熱泵的好處是,雖然耗了電但是增大了供水水的溫差,如果相同的余熱,溫差大了,蓄熱罐儲存的儲熱量也會提升,會減少儲熱罐的體系,我們都是用自然分層的水的蓄熱,我們想把這個溫差拉大,溫差拉大之后雖然這里付出了代價,但是這里獲得了一定的好處。

      第一第代的熱力站,現在我們開始研究第二代的熱力站,也是實現大溫差的換熱,一次回網熱水120度過來,可能10度回,二次回網可能6度過、45度回,這個系統既采用了吸收式熱泵,也采用了電動熱泵,還采用了熱泵,在相同得勁出口下比剛才的第一代熱力站耗電量可能節省50%以上,全部依靠這四個換熱器的功勞,這是一個吸收式的循環。它的投資肯定比第一代要稍微高一些,但是它的收益也很明顯,我大幅度的降低了電熱泵的耗電。

      我們發現這些技術中比較核心的裝備,一個是蓄熱罐,一個就是熱泵,我們針對熱泵開展了大量的研究工作,首先我們搭建了比較完善的熱泵理論循環的計算平臺,這個平臺是基于EES和Refprop軟件實現的,可以方便模擬各種搭配的性能,我們之后也做了一些實驗工作,這是我們之前配的一些工具,在100度熱泵的情況下這個也用得是比較多的工況,我們混合的跟245fa做一個比較,可以看到相同的參數下我們的熱工值比245fa性能要有比較明顯的提升,同時在相同的換熱量情況下,配的工值體積也比245fa工值體積小得多。

      這也是我們計算平臺的計算結果,我們可以根據用戶的需求,他需要多少度的熱水、多少度的冷水,我們可以非常方便的進行可選用的內部循環介質的篩選。

      除了理論工作我們也做了大量的實驗研究,我們搭建了一個專業的電動熱泵的測試平臺,這個測試平臺可以測試50千瓦以下的電動熱泵,凝聚溫度150度以下,可以控制熱側和冷側溫度波動在0.1度以內。

      這個是我們搭建的一個高溫的熱泵平臺,這個是咱們的實驗樣機,這是做的第一臺實驗樣機,基本上已經測試完畢了,我們現在第二臺已經接進去了,這個系統可以給我們提供非常準確的熱水溫度,這是它的自控平臺,我們在電腦上可以非常方便的,用鼠標墊一下就可以準確的控制水溫、流量,同時測試熱泵的各種性能溫度、壓力、流量這些參數,都可以非常方便的在電腦上實時的記錄。

      這是之前測試的工況,我們也是用的混合的工值,這是熱水側80度進、85度出,冷水側是60度進、55度出,我們運行的還是比較穩定的,從上午10點多開始一直到晚上接近10點,工況還是相對比較穩定的,COP大概接近4.5的工況,各項參數都在壓縮機的安全運行范圍之內。

      除了回水的熱泵,目前我們正在做的第二臺樣機已經擺在那里了,我們現在在做的是超高溫的空氣源熱泵,這個超低溫是空氣超低溫,我說的超高溫指水側超高溫,可以在零下30度環境下制取70度的熱水,如果放在北京的環境下,北京采暖機一般按零這個來算,這個完全可以制取70度的熱水。在零下30度空氣制取70度熱水系統COP達到2.2,我們為什么要做這個?因為電鍋爐效率再高也只能1:1的換,而用熱泵用1分電就可以變成2.2份的熱,相比電鍋爐來說、電蓄熱來說優勢是很明顯的。

      基于這個理念我們考慮這么來做這件事情,包括現在綠色供熱、消納可再生能源供熱,現在比較常規的系數就是用電鍋爐加上蓄熱來實現,但是電鍋爐的能源效率只能1:1,但是用空氣源熱泵我們可以實現1:2或者更高的轉換,換句話說,滿足相同的蓄熱量,而我消耗這個量只是電鍋爐的一半,所以說它的技術優勢是比較明顯的,這是我們構建的一個消納可再生能源電力包括純電供熱的系統。

      除了空氣源熱泵我們也開發了一些新型的熱泵技術,這些熱泵技術應該市面上還沒有類似的技術,這個技術核心在于把吸收式的熱泵和電動熱泵深度的耦合,吸收式熱泵工作范圍比較有限,而電動熱泵耗電又比較大,能不能發揮兩者的優勢把它變成一個新的機組我們也做了一些嘗試,這是流程圖,時間有限不一一展開了。這幾個就是將吸收式循環和壓縮式循環深度耦合的循環,目的是極大的提升了熱泵的工作范圍,同時又降低了它的耗電量,可以適用于各種工作范圍,最高可以產生180度的熱量。

      這里給大家舉一個例子,這是前段時間東北一個化工廠委托我們給他們出的一個方案,他是用2公斤的工業廢蒸汽產生冷水,因為化工廠有比較多的需求,我們給他做了一個方案對比,跟常規的方案,常規的吸收式、常規的電動跟新的機組做一個對比,如果是制取0度以上的熱量,我們可以在消耗相同的蒸汽的時候我們所產生的制冷量要顯著的有所提升,跟純電動來比,我們的運行費大概是別人的50%,如果是制取0度以下的冷水,常規的吸收式就無法工作了地如果用純電動來做,一年運行是2千多萬,咱們這個設備運行費一年1200多萬,雖然咱們初投資高了點,但是運行費是非常有優勢的,投資回收期大概就一兩年時間,之前的項目也得到了國家很多課題的支持。跟大家匯報的系統也好、設備也好我們也申請了很多專利,大概有20幾項專利。

      我的報告就是這些。謝謝大家!(以上內容根據速記整理,未經嘉賓審核)


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