方豪1,2,夏建军2,☆,李叶茂2,赵海峰3

1 同方股份有限公司;2 清华大学建筑节能研究中心;3 迁西热力公司


摘要】我国北方地区冬季按4个月计算低品位工业余热量约折合有1亿吨标煤,可以满足北方供暖地区一半以上的供暖热量需求。在工业节能势在必行、大气环境亟待改善、供暖热源建设迫在眉睫的历史当口,低品位工业余热应用于城镇集中供暖这一供暖理念已经得到了各级政府和全社会的广泛关注和认可。2015年10月由住建部和发改委联合发布的《余热暖民工程实施方案》明确指出到2020年,要以低品位工业余热替代燃煤供热20亿平米以上,同时要选择150个示范市(县、区)建成余热供暖项目。在开展低品位工业余热集中供暖实践过程中,需要解决余热高效采集、整合、输配、调节等关键问题。解决这些关键问题的实质就是将热源、热网、末端用户三者视为整体,统筹优化,系统化的打破低品位工业余热应用于城镇集中供暖的技术障碍,使得更多的低品位工业余热从工厂更经济地输配出去,更安全、可靠地被末端用户所利用。本文从理论分析切入,重点针对可以用于解决关键问题的技术和方法展开研究,紧密结合已实施的成功工程实例进行论证,以期对未来低品位工业余热应用于城镇集中供暖的大量实践提供指导与参考。

关键词】低品位余热  集中供暖  火积分析法  余热采集  降低回水温度  系统调节

 


  1、背景

  我国是全球第一大制造业国家,焦炭、黑色金属冶炼(钢铁)、有色金属冶炼、非金属制造、化工等行业数量众多,产品产量巨大。这些行业都是典型的高耗能工业部门,生产过程中有大量余热排放,品位不尽相同,但绝大多数是工业部门自身难以利用的低品位余热,包括有200℃以下的烟气、100℃以下的液体(特别是30-40℃的低温循环水)和需要冷却的固体产品等[1]

  根据宏观能耗和工业水耗数据进行的估算表明,我国北方供暖地区冬季平均时长按照4个月计算,上述高能耗工业部门排放的余热量可大约折合1亿吨标煤,造成工业水耗30亿立方米(与南水北调中线输水量规模相当)[2]。这些余热相当于2013年北方供暖总能耗的50%以上[3],因此可以满足供暖的基础负荷需求。

  2014年底,国家发改委能源所、中国节能协会节能服务产业委员会、能源基金会(中国)、清华大学建筑节能研究中心联合对我国工业大省河北省的低品位工业余热开展调研工作,重点调研对象为175家具有较大生产规模的钢铁、水泥、焦炭企业,如图1所示。这些企业主要分布于石家庄、唐山、邯郸三个城市及周边地区。其中,唐山、邯郸两地钢铁企业云集,石家庄、邢台、唐山三地水泥企业密布。整个河北省的高耗能工业企业一东一南,呈掎角之势包围京、津。2015年10月清华大学建筑节能研究中心就调研分析结果发布了《河北省低品位工业余热调研报告》[4]。该报告指出,就调研对象而言,钢铁行业低品位工业余热量约4.4万MW,炼铁的余热量最大,占总余热量的49%,其次是炼钢,余热量占到总余热量的18%,炼焦、烧结、轧钢三个工序余热量差别不大,分别占总余热量的10%左右。水泥行业低品位工业余热量约2155MW,中高温余热发电的乏汽余热量最大,占总余热量的53%,窑尾烟气占18%,窑头排气占16%,回转窑壁面占13%。按照河北省平均供暖热指标40W/m2,基础负荷则为20W/m2,若仅仅回收4.6万MW钢铁、水泥行业余热中的50%,可以承担近12亿平米建筑的基础负荷供暖需求,远远大于河北省当地的用热需求,若能形成有效的区域性的联网,则可以为京、津两地输送热量。


  

图1  河北省主要高耗能工业企业分布


  2015年10月29日,住房城乡建设部和国家发展改革委联合发布了《余热暖民工程实施方案》[5](以下简称《方案》),该文件首次从中央政府层面鼓励并规范了低品位工业余热供暖工程的实施。《方案》对低品位工业余热进行了定义,规定低品位工业余热包括100℃以下的液体、乏汽余热、200℃的烟气余热、400℃左右的固体显热,以及其他因热源分散、回收成本高等原因尚未充分利用的中高品位余热资源等。鉴于低品位工业余热供暖的特点,《方案》提出了要在全面了解当地供暖概况、余热资源的情况下,充分运用适用于余热暖民工程的优化技术和方法——多热源的匹配优化方法、高效余热采集技术、输配技术、末端降低回水温度技术、热源调节备用策略等,目标到2020年利用低品位工业余热替代传统燃煤供热达到20亿平方米以上规模,减少供暖用原煤5000万吨以上,并在150个市(县、区)建立示范工程。

  目前,国内已有相当数量的余热供暖项目建成并运行。例如宣钢、济钢的高炉冲渣水供暖项目[6,7]、石家庄石化工业冷却循环水供暖项目[8]等。绝大多数低品位工业余热供暖系统的形式主要可分为两类:(1)利用特殊换热设备回收低品位余热中较高温度热源(如钢铁行业的高炉冲渣水)的热量,用于厂区或周边小区的供暖;(2)利用电热泵、吸收式热泵等热功转换设备回收低品位余热中较低温度热源(如冷却循环水)的热量,提升温度后进行供暖。

  总的来看,多数已有的工业余热供暖系统多数存在以下不足:(1)供暖规模较小,以小区规模为主,只利用了工厂内少部分余热。由于工厂内部的供暖需求并不大,而工业余热量巨大,只满足周边小区的供暖会导致仍有大量的低品位工业余热不能得到有效的利用。(2)取热过程相对单一,仅仅回收单个热源的热量,或是并联回收多个热源的热量,再将取热热水混合后供出。这种粗放的余热供热方式往往导致供水温度较低或供热量不足,无法满足大规模供热的需要。(3)基本不涉及热量的远距离输配,回收的热量只为厂区或相邻小区供暖。绝大部分工业企业都位于城镇周边,与集中供暖用户距离10km甚至更远,目前近距离的供暖无法将更多的城镇用户纳入余热利用系统,不利于低品位余热的规模化回收(4)没有根据末端负荷需求对系统进行合理调节,或是简单的利用工厂内原有冷却设备(例如冷却塔)进行散热。对于目前工厂内部小规模使用问题不大,一旦涉及低品位工业余热用于集中供暖,则必须要解决好系统运行调节的问题,既保证工业生产的安全,又确保供暖过程的可靠。

  在未来推广低品位工业余热集中供暖的实践过程中,必须克服上述不足,做好单个热源的高效采集及多个不同品位热源的整合优化,提升余热利用率;并提高输配效率,力争将城镇周边50公里甚至100公里半径内的低品位工业余热都纳入集中供暖系统;多家工厂和热电联产、锅炉等多热源联合供暖,大幅度提高集中供暖的保障程度。

  在低品位工业余热采集问题方面,关于热泵技术、低温循环发电技术、相变/热管技术等工业余热采集技术的实验或工程应用研究方面的文献众多。然而大多数余热采集技术在余热品位较低时采集效率低下或由于余热热源的腐蚀性等诸多特性而影响采集过程的正常进行。既有研究欠缺针对不同性质余热热源的特点的分析,缺少对于采集过程核心问题、解决方向、技术难点等的归纳与总结,很难为工业余热采集技术的开发应用和改善提供导向性的参考。

  在低品位工业余热整合与输配问题方面,夹点分析法[9]常用于解决化工领域换热网络优化的问题,可以被借鉴应用于工业余热整合与输配问题中。但两者在多个方面存在不同,一是化工领域的夹点分析法的优化目标是实现余热回收率的最大化,而余热整合与输配问题中取热水的热量与流量均待求,优化目标待定;二是化工领域的夹点分析法一般仅讨论换热情形,而余热整合问题不可避免的存在利用热泵提升余热品位的情形;三是有别于化工领域,余热取热的根本目的是供热,整合问题与输配问题是密不可分的。

  在低品位工业余热供暖系统运行调节问题方面,文献少有研究,而已有的工程案例中基本不涉及运行调节。

  本文首先从理论分析切入,简明剖析低品位工业余热供暖各关键问题的本质及其内在联系,然后重点研究可以用于解决关键问题的技术和方法,最后结合已实施的成功工程案例进行论证。

  2、低品位工业余热供暖关键问题的本质研究

  低品位工业余热应用于城镇集中供暖存在若干关键问题需要解决,包括宏观层面的低品位工业余热信息统计和微观层面的低品位工业余热采集、整合与输配、系统运行调节等[2],如图2所示。其中,微观层面的关键问题看似独立存在,实则通过供暖系统中物质(供暖热水)与能量(供暖热量)的流动和传递而紧密相连。余热的采集、整合与输配过程相互影响和制约,“牵一发而动全身”:每一个环节都有各自的优化目标,不同环节的优化结果会改变相应的温度和热量参数,从而会对其它环节产生影响。这就给低品位工业余热供暖系统整体的设计与优化带来一系列问题:如何确定优化目标?每一个环节优化的实质是什么,优化结果会产生怎样的实际影响?应用于任意环节的优化方法、技术与设备对于该环节乃至整个系统的优化在本质上起到了怎样的作用?



图2  低品位工业余热供暖关键问题


  图3给出了低品位工业余热供暖过程的T-Q图。对于一个低品位工业余热供暖系统而言,余热热源的性质(热量与品位)与末端的热需求(热量与室温)一旦确定,在不考虑热量传递过程中的损失时,热源(图2中实线段所示)与室温(虚线段所示)之间围合的面积就固定下来。火积分析理论指出,换热过程中T-Q图上冷、热流体之间围合的面积即为热量传递过程中的火积耗散,且面积越大时火积耗散越大,反之亦然。因此在上述条件下,整个低品位工业余热供暖过程的总火积耗散是一定的,即ΔEnz为固定值。

  热网一次侧热水线(双点划线,斜率表征热容流量的倒数)将总火积耗散划分为两部分:热网一次侧热水线上方至余热热源线所围合的面积表示余热采集、整合过程中的火积耗散ΔEn1,对应热量的传递过程发生于工厂内;热网一次侧热水线下方至末端用户室温线所围合的面积为余热输配及末端传热过程(以下以“输配”代指)的火积耗散ΔEn2。显然,总火积耗散为两部分火积耗散之和,即包括采集、整合和输配、末端传热的火积耗散:

  

                    (式1)


图3  低品位工业余热供暖过程的T-Q图


  对于一个低品位工业余热供暖系统,用于回收余热的取热热网水回水温度由热网外界决定,不随取热流程而改变。此时改变取热热水的流量(即热容),在取热过程能够实现的情况下,供水温度(工厂取热热水的出口温度)就会相应改变。对应在T-Q图上,改变热网一次侧热水线的斜率即可改变一次侧供水温度。此时总火积耗散不变,但两部分火积耗散ΔEn1与ΔEn2的大小发生改变,一方减小的同时另一方增大,两者在总火积耗散ΔEnz中所占的比例相应发生变化。

  火积分析理论指出,减少任意环节的火积耗散都要在此环节付出代价,而增加任意环节的火积耗散则可使该环节获得收益。例如,减少输配环节的火积耗散意味着输配温差或者末端传热温差的减小,在传递相同的热量时,用于循环水泵的输配电耗将会增加,或是需要建设直径更大的管网、在末端安装更大面积的散热器才可实现输配与末端传热的水力及热力需求。再例如,增加采集、整合环节的火积耗散,意味着余热采集、整合过程可以在余热热源与取热热网水之间更大的温差下实现,因此可以减少在工厂内的余热采集设备的换热面积投入,或采用成本更为低廉的采集设备。

  应用火积分析理论可以对低品位工业余热供暖关键问题(如图2所示)进行梳理和系统化的理论解读。

  首先,低品位工业余热供暖过程的前提是确定余热热源性质与末端热用户的需求。末端热用户的需求由室温及建筑室内需热量决定,这两项参数一般可以通过查阅供热规划或模拟计算得到;而对于不同的工业部门,或者同一工业部门内不同的工厂,余热热源的热量与品位则不尽相同,千差万别。需要对余热热源的基本信息展开详细调研,这就对应了低品位工业余热信息统计的关键问题。

  其次,通过余热信息统计的方式获得余热热源信息后,热量从余热热源传递至末端热用户过程中总火积耗散就得以确定,设计和优化的问题就转变为分配火积耗散的问题。分配火积耗散的过程实际上是就是在各个环节对投入进行分配,给某一环节分配较少的火积耗散即是在该环节增加投入,反之亦然。对于任意一个环节,若能在较小的火积耗散情况下传递一定热量,那么在给该环节分配较多的火积耗散时该环节必然可以顺利实现。因此关键是要寻求减少各环节火积耗散的方法与技术,这就对应了余热采集、整合与输配的关键问题。

  最后,余热采集、整合与输配的优化都是解决单点设计工况的问题,因此还要对系统全工况运行调节进行研究。

  3、余热采集与整合

  3.1  余热采集技术

  对于低品位工业余热的采集,减少采集过程的火积耗散,就是要针对某一个(类)余热热源的具体特点采用合理的技术、应用合适的设备,尽可能在较高品位下、较多的回收余热。而实际工业生产过程中的余热种类繁多(低品位工业余热的分类可参见图4)[3],每一类余热都有鲜明的特点。举例来说,工业烟气含尘、含酸性气体成分、体积流量大,回收余热时容易发生酸腐蚀、设备体量过大难以现场安装等问题;冷却循环水、洗涤水等工业循环水的余热热量大、品位低、水质差,回收余热时余热采集设备和管路可能发生磨损、堵塞或腐蚀,且需要提升品位后才能用于供暖系统。



图4  低品位工业余热分类系统


  对低品位工业余热在采集过程中常见的问题进行归纳和总结,主要是两类共性突出问题:(1)腐蚀性、磨损性和堵塞性;(2)余热采集过程的损失,包含热量损失和品位损失。针对第一类问题,解决方法包括:换热设备材料选择、换热表面加工处理、换热设备流道结构优化、过滤方式设计及过滤装置选择、取热系统管路布置优化、非接触式取热技术开发等。值得一提的是,非接触式取热技术区别于其他方法,避免了热源介质与余热采集设备的直接接触,且设计得当的话可以在较高品位下回收余热,因此在未来冲渣水等工业废水的余热回收中必将发挥更大的作用。对于第二类问题,解决方法有:在不影响工厂正常生产工艺前提下,改善取热系统与装置的密闭性和保温性;对于存在闪蒸蒸汽放散的环节,应设法予以利用;改善品位不匹配造成的损失,例如梯级取热;对于固体产品余热,同时满足在高品位下采集余热、余热采集经济性、保证产品质量等多方面要求;对于生产末端环节的余热,衡量在何种品位下采集余热与采集经济性、运行经济性(主要体现在冷却设备投资、寿命)之间的利弊等。

  3.2  应用案例

  运用上述原理,可以对常规的接触式回收冲渣水余热的方式(如宽流道板换换热、螺旋扁管换热等)进行改良。图5所示为一种采用非接触式换热的冲渣水余热梯级取热系统。在出渣口和冲渣槽建有若干个高烟囱(高度大于10m),烟囱顶部维持一定的真空度,烟囱底部附近设有排渣口。顺渣水流动方向真空度逐渐增大,对应沸点降低。渣水沿途闪蒸,蒸汽在汽-水换热器内加热热网水,凝水经凝水管流入渣槽。滤池内的渣水在渣水-水换热器内加热热网水,再经渣水泵提升至出渣口循环冲渣。热网水则经渣水-水换热器、多级汽-水换热器逐级加热升温后供出。该余热采集系统充分利用了闪蒸蒸汽余热,蒸汽与渣水梯级加热热网水,尽可能利用了冲渣水的品位,热网水可被加热至80℃以上,远远高于现行采用接触换热方式的出水温度(一般约55-60℃),有效减少了采集过程的火积耗散。此外,采用非接触式换热技术与方法,通过沿途闪蒸,最大程度避免了堵塞、腐蚀和磨损的问题,且渣水-水换热器也采用了防腐、过滤等措施。此系统需要依靠真空泵维持烟囱的真空度,只要烟囱密封性良好,真空泵间歇运行消耗的电能及所需电费相比于额外回收的闪蒸蒸汽热量及带来的效益很微小。



  图5  一种采用非接触式换热的冲渣水余热梯级取热系统


  3.2  余热整合技术与方法

  余热采集技术解决了单一热源余热的高效采集问题,而多个余热之间存在相互配合的可能。通过不同的串、并联组合,再由余热采集设备加以整合,可以演化出多种多样的取热流程,对应多种换热网络的拓扑结构。不同的取热流程或换热网络拓扑结构会得到不同的余热取热量和供水温度,有些热量和供水温度参数可以满足供暖过程输配及末端传热的需要,有些则不能满足。优化余热整合过程的技术和方法包括夹点优化法、弃热、热泵等,运用T-Q图和火积分析理论可以定量刻画出上述技术起到的作用和适用的条件。

  3.2.1  夹点优化法

  夹点优化法是一种仅采用换热设备时的余热整合方法[10]。主要分为两个步骤:1)热复合曲线合成;2)夹点确定。

  首先,在T-Q图上将所有热源按照起点温度由低至高依次排列,将具有相同温度区间段的热源合并为一个复合热源,复合热源的热量与重合温度区间内两个热源热量之和相等。如图6所示,热源a与b在50-60℃的温度区间内重合,将其合并为一个新的复合热源“a2+b1”。

  然后,固定热网水线的左侧端点(即确定取热热网水的回水温度)并旋转热网水线。只存在换热的情况下,取热热网水线应始终处于热复合曲线的下方。如图7(a)所示,旋转热网水线直至其恰好与热复合曲线相切,即产生了夹点,此时得到了仅存在换热情况下的最高供水温度。图7(b)为考虑了采集温差后的情形,采集温差的增大将导致夹点向正下方偏移,供水温度降低。图7(c)为采用夹点优化法后的取热流程,热源a与b均在两个串联的换热器(低温冷却器与高温冷却器)内被冷却。热网回水先进入热源a的低温冷却器,换热后分为两股分别进入热源a的高温冷却器与热源b的低温冷却器,两股热网水的流量之比等于热源a与热源b在重合温度区间的热量之比。分别换热后合为一股热网水依次进入热源b的高温冷却器及热源c的冷却器内,最终供出。

  

                           

                                        (a)  热复合曲线                            (b)  换热网络拓扑结构

图6  夹点优化法:热复合曲线的合成


                        

                   (a)  确定夹点                                     (b)  考虑采集温差               (c)  取热流程

图7  夹点优化法:夹点的确定


  但是在中低温余热热源热容过大的情况下,取得夹点时取热热网水线较为平坦(即取热热网水流量较大),使得供水温度受到制约无法提高。解决的思路有两种:一是弃热,即以牺牲中低温余热的回收率为代价,提高供水温度;二是热泵,即利用高温热源提取低温热源。以下通过一个简单的例子来说明其作用。

  3.2.2  合理“弃热”和热泵技术的应用案例

  某工业企业的低品位余热热源及品位信息如表1所示。


表1  余热整合方法案例余热信息

余热热源

起点温度/℃

终点温度/℃

热流量/MW

A

35

45

10

B

55

65

10

C

85

100

5

D

150

150

5

总计

 

 

30


  换热设备采集温差为3℃,吸收式热泵视为包含两级采集温差(6℃),电热泵视为一级温差(3℃)。取热热网水的回水温度为30℃。热网对工厂提出如下四种情形的供暖参数要求, 四种情形对于余热整合过程的参数要求逐渐提高。

  (1)情形1:Q = 20MW,τg = 60℃

  (2)情形2:Q = 25MW,τg = 70℃

  (3)情形3:Q = 30MW,τg = 75℃

  (4)情形4:Q = 30MW,τg = 100℃

  对于情形1,根据夹点优化法,全部回收30MW余热时最高供水温度可达64℃,因此完全可以仅利用换热设备满足供暖要求。

  对于情形2,舍弃5MW低温热源A的热量,再利用夹点优化法时最高供水温度可达83℃左右,利用换热设备可以满足供暖要求。

  对于情形3,75℃的供水温度高于夹点优化法能得到的最高供水温度64℃。利用吸收式热泵,分别以热源C和D作为热泵发生器的驱动热源,回收提升热源A的热量,最终可以满足供暖要求。限于篇幅,吸收式热泵的参数设计在本文中不予叙述。

  对于情形4,仅利用吸收式热泵也无法满足要求,必须补充电功(即利用电热泵)才能满足供暖要求。取热过程的T-Q图以及对应的流程图分别如图8(a),8(b)所示。

  从热源介质侧看,热源A介质依次进入1#电热泵和吸收式热泵的蒸发器,逐级降温至36.5℃后再进入常规换热器,与热网回水逆流换热降温至35℃。热源B介质在2#电热泵蒸发器内降温至55℃。热源C介质在常规换热器内与热网水逆流换热被冷却至85℃。热源D介质在吸收式热泵的发生器内等温冷凝释放出热量。

  从取热热网水侧看,30℃的热网回水先进入第一组(台)常规换热器回收热源A的一部分热量,升温至33.5℃后依次进入吸收式热泵的吸收器和1#电热泵的冷凝器,被加热至约54℃;再进入2#电热泵的冷凝器,升温至80℃;然后进入第二组(台)常规换热器回收热源C的热量,升温至约92℃;最后进入吸收式热泵的冷凝器,升温至约103℃供出。


                                  

                              (a)     T-Q图                                                    (b)    流程图

图8  取热过程分析

  4、余热输配与系统调节

  4.1  降低回水温度提高余热输配效率

  余热的输配过程是利用有限的管网流量和有限的末端换热面积将热量从余热热源处输送至末端并满足其供暖需求的过程。减少输配过程的火积耗散可以通过降低一次网回水温度的方式实现。降低回水温度,不仅可以降低水泵输配电耗,更可以显著提高低品位余热的回收率。

  适用于低品位工业余热集中供暖系统的可以有效降低热网一次侧回水温度的技术方法主要包括以下几种:(1)梯级供暖末端;(2)热力站吸收式末端;(3)楼宇多级立式吸收式热泵;(4)热力站电热泵末端等,如图9所示。

  梯级供暖末端由间连的散热器末端、直连的散热器末端与低温辐射末端(如辐射地板末端)依次串联组成,对一次侧热水的热量进行梯级利用,热水最终可以降低至低温辐射末端的回水温度水平,即约30-35℃。由于三种末端串联连接,假设不同末端的单位建筑面积耗热量相等,那么三者的供暖面积之比应该与其对应的供回水温差大致相等。为了满足热力调节的需要,在每一种末端的一次侧主供水管和主回水管之间都安装有旁通管和旁通阀。通过旁通阀的启闭和调节,以量调节的方式进行热力调节。此外,在安装直连散热器末端及地板辐射末端的楼栋入口都安装混水泵,以满足热力及水力调节的需要。


          

(a)  梯级供暖末端                                 (b)  热力站吸收式末端


          

(c)  多级立式吸收式热泵                                   (d)  热力站电热泵末端

图9  降低一次侧回水温度的技术与方法

  热力站吸收式末端的设备主体为安装于热力站内的吸收式热泵及附属板式换热器。一次侧高温供水作为吸收式热泵的驱动源,对一次侧回水进行降温,热水最终可以降低至低于末端散热设备回水温度的水平。

  多级立式吸收式热泵,或多级立式大温差吸收式变温器,在上述吸收式热泵的基础之上,通过改善流程内部的不合理的“三角形”传热过程,从而消除原吸收式热泵的不匹配传热,在相同制冷量(或制热量)下可以显著减小机组的传热面积,从而使得机组结构更为紧凑,占地面积更小,可以分散布置安装于居民小区的楼栋口[10]。研究还表明在供暖系统中,多级立式吸收式热泵可制取的最低一次侧回水温度可以降低至20℃以下,较传统的吸收式热泵性能更优。

  热力站电热泵末端主要应用于供水温度不够高,无法驱动吸收式热泵有效降低回水温度的场合,其设备主体为安装于热力站内的电热泵及附属板式换热器。电热泵与板式换热器串联连接[12],通过两台或多台电热泵串联的方式可以提高电热泵机组的平均蒸发温度从而提升热泵性能系数。由于电热泵蒸发压力、冷凝压力差较小,因此性能系数COP较高;特别是在供暖季的初末寒期,两器压差更小,COP更高,具有很显著的经济性。

  4.2  系统运行调节

  以上探讨了余热采集技术并构建了整合优化工具,从而建立起可以用于指导低品位工业余热供暖系统设计与优化的方法体系。对于全采暖季工况的运行和调节,尚需要阐述说明适宜的系统运行调节方法。

  相比于锅炉、热电联产等常规供暖热源,工业余热具有稳定性差、调节性差的特点。因此从增强系统的稳定性和调节性的角度来看,工业余热的热量在末端热需求中占的比例越低,则稳定性越高;工业余热的热量参与末端负荷调节的比例越低时,安全性也越高。但是供暖系统节能减排要求尽可能的多回收利用低品位工业余热。

  根据理论和经验的分析,低品位工业余热在集中供暖系统中应承担末端基础负荷的供暖需求,即满足30%-50%的末端负荷率。可以将低品位工业余热直接并入城镇集中供暖热网,此时其供热量比例以占全部热量的50%为宜,由锅炉承担调峰负荷。当城市周边有多家工厂可提供余热时,可以适当提高此比例,通过协调各家工厂的供热量,使其相互配合从而提高系统的调节性和稳定性。

  5、迁西钢铁厂余热供暖案例简介

  迁西县低品位工业余热供暖项目于2014年9月开始建设,于2015年2月投入运行。项目计划回收津西、万通两座钢铁厂的余热,为厂区和县城提供集中供暖服务[13]。迁西低品位工业余热管网示意图如图10所示,津西厂区距离县城约8公里,万通厂区距离县城约4公里。

  

图10  迁西项目管网示意及关键设备图


  两厂的低品位余热主要包括:高炉冷却循环水(90MW)、高炉冲渣水(79MW)、25MW余热发电机组抽气(30MW)、50MW余热发电机组抽气(124MW)等,总计323MW。余热的T-Q图如图11所示,关键的取热设备如图10右侧所示。

  为了降低一次侧回水温度,在迁西县城安装了楼宇式吸收式末端(如图12),可将回水温度降低至30℃以下。利用余热整合工具,设计出下述余热取热方案。

  热网取热水依次回收部分高炉冷却循环水、高炉冲渣水的余热,温度提高至60℃;然后利用部分抽气驱动吸收式热泵(AHP)回收剩余高炉冷却循环水余热,温度提高至74℃;再利用抽气加热,最高供水温度可达90℃左右。



图11  余热供热方案T-Q图



图12  某小区内的多级立式吸收式热泵机组


  在全采暖季(11月15日至次年3月14日,共120天)内,系统运行调节策略可由图13所示的延时负荷曲线图展示。大部分的高炉冷却循环水和高炉冲渣水余热承担供热基础负荷,吸收式热泵承担基础负荷和约50MW调峰负荷,抽气承担绝大部分的调峰负荷。