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摘要：在供暖高峰期，为了保证热电厂的供电、供暖安全，需建设调峰热源。对供热锅炉热源系统与利用一次网回水的高温水源热泵系统进行经济、技术分析，发现两种热源方式的初投资较为接近，高温水源热泵系统与热电厂的组合应用型式的一次能源利用率高于集中供热锅炉房系统。
关键词：高温水源热泵；换热站；调峰；热电联产；经济分析
中图分类号：TU833文献标志码：A 文章编号：
Application analysis on peak shaving for CHP plant by using the central heating and high temperature water-source heat pump system
Zhao Fengshan1,Ge Fenghua2
(1.Baishan Heating Management Office,Baishan,Jilin,134300; 2.School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University , Zhenjiang , Jiangsu 212013)
Abstract：In order to meet the heat and power-supply security during peak-heating, heat-supply system for peak shaving need to build. Economic and technique analysis is achieved by comparing heating boiler and high temperature water-source heat pump system (HTWSP) using the primary pipeline network. The results show that the initial investment in two ways is closer, and the primary energy ratio is higher for HTWSP system than for heating boiler system.
Keywords: high temperature water-source heat pump; heat exchanger station; peak shaving; combined heat and power; economic analysis
1.引言
由于東北区域电源建设加快，尤其是风电发展迅猛，部分火电机组实行供热改造和全社会用电需求不强，东北电网在低谷时段的电力平衡成为调度运行管理的最大困难。在最冷月份时，矛盾尤为突出。为此，国家电力监管委员会东北监管局拟定了《东北电网火电厂最小运行方式》（草案）。该（草案）供热期的平均发电负荷不足设计负荷的50%，其供热负荷也将不能保证热电厂筹建时期的设计负荷。而城市的基本建设速度增快、城市规模增大，城市的供热负荷在增长，热电联产原有的供热方式不能满足新增供热负荷需求，通常需要再建区域锅炉房供热。区域锅炉房建成后，采暖期内应不间断供热，而热电厂却还没有达到满负荷运行；再建设区域锅炉房供热，占用土地面积大、运行费用高，与城市总体规划相冲突，又给城市的环保带来新的问题。如果采用高温水源热泵系统，在最冷月份（电网调峰时间一般不超过10天）利用一次网回水（60℃）的热量作热源环境，提高热媒温度（70℃）进行供热，代替建设区域锅炉房，仍利用原有一次网，相当于增大了原供热系统的供回水温差，延伸了热电厂的供热能力。在其他时段，合理调整原供热系统一次网的质调节曲线，可以满足热网系统热负荷的供热需求。
2.高温水源热泵设计方案
以浑江电厂为例进行分析，其用电、用热高峰期负荷率仅有45%，而在八道江火车站西南方向需增加
供热能力200万平方米，对原有部分二次网换热站进行改造，增设水源热泵机组，见图1。原设计一次网热媒温度为120℃/60℃；二次网热媒温度75℃/50℃。
3.技术、经济分析
为了增加供热面积，可采用两种设计方案：建设集中供热锅炉房与建设水源热泵供热站。
3.1 技术分析
利用回水温度60℃的热媒，输入一定的电能，提高较高温度（70℃以上）的热水，该项机组称为高温水源热泵机组。
近年来清华大学、上海交通大学等在这个领域进行了研究，开发了新的工质，已得到实际应用[1-3]；高温水源热泵的供热COP较高，文献[1、4]的实验数据表明，蒸发器进口水温为50℃、冷凝器出口水温为75℃时，其供热COP可达到4.5-5。
目前有关高温水源热泵的应用实例不多，主要应用于余热回收上。文献[5]利用高温水热泵回收中央空调的冷凝热制备生活热水；文献[6]分析了用高温水源热泵回收锅炉除尘污水中的余热方案的可行性。
现阶段我国东北电厂供电供热的负荷率较低，见表1。从表1可以看出热电厂的负荷率较低，都没有超过50%，而在供热高峰期，电力负荷过剩，供热负荷却不足，使电厂运行不安全。而采用高温水源热泵系统，不仅增加了供暖能力，还增加了用电负荷，解决了高峰供热期的电力平衡问题。
表1 吉林省调直调火电厂最小运行方式状况
序号 电厂装机容量（MW） 电厂最小开机方式及出力（MW） 负荷率/%
非供热期 供热初、末期供热中期
1、 国双辽发电有限公司 120（4×30 MW） 16.5 16.533 27.5%
2、 大唐长春第二热电厂 120（6×20 MW） 24 36 60 50%
3、 大唐长春第三热电厂 70（2×35 MW） 18 19 20 28.6%
4、 国电吉林热电厂 100.5 7.520.541 40.8%
5、 浑江热电厂 100（2×20＋2×30） 28.5 3045 45%
6、 二道江发电公司 60（2×10＋2×20） 18.5 2130 50%
7、 吉长电力四平热电 30 MW 6.58.5 8.5 28.3%
该设计方案利用热电厂的回水能量，提高供热的热媒温度，使热能的“质”得到了提高，增大了一次网供热的供回水温差，而一次网循环水泵的运行工况并不发生改变。实际上，增加了热电厂的供热能力，使闲置的设备与资源得到了应用。
旧城区供热需求的增加具有分散性，不可能集中于某一个区域，因此建设集中供热锅炉房也难以“集中”，而利用原分散式的换热站，在换热站内设高温水源热泵，增加其供热能力，能够与供热增加的需求相一致。水源热泵的容量可根据新增用户需求来设计，从一次网的“取”热量也可随着一次网回水温度（供回水温差）的大小进行调节。
对于夏季有供冷需求的用户，如针对设有中央空调系统的办公建筑、商业建筑等，可对小区换热站的水源热泵机组进行改造，在夏季作为中央空调系统的冷源，实现集中供冷，一机两用，节省了再建冷源设备投资和占地资源。
3.2 经济分析
以新增200万m2的供热面积为例进行分析，对两种供热方式的初投资及运行费用进行对对比。以节能建筑标准估算热负荷，热指标取45W/m2，外网热损失8%，总热负荷97.2MW。如采用燃煤锅炉供热，需采用二次管网与换热站；当采用高温水源热泵供热时，利用已有的换热站，采用新建二次管网供热。把两种供热方式相同部分撇开（如二次管网），只比较新增部分的初投资及系统的运行费用。
3.2.1 初投资
建设燃煤锅炉房的建设情况见表2，初投资为4534.00万元，设计电机装机功率为1407kW。如采用高温水源热泵机组，供选用33台3.0MW机组，单台机组的综合费用按137万元计，总投资为4521.00万元。由此可看两种方案的初投资比较接近。
表2锅炉房及设备初投资
序号 名称 规格 数量 单价/万元 合计/万元 功率/ kW
1 热水锅炉 58MW高温热水锅炉 2 350.00 700.00 11
2 鼓风机 配套 2 15.00 30.00 370
3 引风机 配套 2 30.00 60.00 630
4 除尘器 湿式脱硫 2 75.00 150.00 6
5 水处理 30t/h 1 40.00 40.00
6 循环水泵 800 m3/h40m扬程 3 1.50 45.00 320
7 定压水泵 30t/h 2 1.50 3.00 22
8 除氧设备 解析除氧 2 20.00 40.00
9 水箱 60 m3 1 2.00 2.00
10 上煤皮带机 2 70.00 140.00 30
11 除渣机 1 80.00 80.00 18
12 电器控制 360.00
13 一次管网 420.00
14 安装与管材费 414.00
15 土建费用 7000 m2×1500元/ m2 1050.00
16 土地价格 5000 m2×2000元/ m2 1000.00
17 4534.00
3.2.2 运行费用
运行费用主要包括燃料费用与电力消耗两部分。集中供热锅炉房的热效率为75%，热电厂的锅炉热效率为92%，所以热电厂热源利用比集中供热系统节省燃料消耗。但热泵机组的电耗较高，若制热COP取5，则总耗电量为19.4MW。
燃煤量可按下式计算：
（1）
式中：——燃煤量，t；
——设计热负荷，kW；
——燃煤低位發热量，kJ/kg；
——供暖期天数，天；
、、——设计室内空气温度、设计室外空气温度、供暖期平均室外空气温度；
——锅炉热效率，%。
浑江地区的设计室内空气温度为18℃，室外采暖设计温度为-24℃，供暖期平均室外空气温度-8℃，最冷月平均温度-22.3℃，调峰供热时间取30天计算；取燃料的低位发热值为16800kJ/kg,，燃料为550元/吨，供热期的天数按170天计，则可计算供热系统调峰期的燃煤量。热电厂的年燃煤量为：57181.5吨，燃料费为 3144.9万元；集中供热锅炉房年燃煤量为：70142.6吨，燃料费为：3857.8万元。集中供热锅炉房的燃料费比热电厂高712.9万元。
水源热泵系统的电耗比集中供热锅炉房的电耗多18.03×103kW,最冷月份采暖平均热负荷系数为0.96，最冷月电耗12.46×106度电字，电费按0.5元/度，相当于电费622.8万元人民币。综合计算，水源热泵系统的年运行直接费用比锅炉房系统的年运行直接费用少支出712.9-622.8=90.1万元。
如以供热为终极目标，为了实现同一目标，两种方案的外界投入的燃料量却不同，水源热泵系统与一次网的组合应用方案的一次能源利用率高于锅炉房供热系统，考虑到锅炉房的管理人员费用，运行综合费可节约100万元以上。
4.结论
利用热电厂的回水作为高温水源热泵热源，与集中供热锅炉房进行经济技术分析可得出以下结论：
4.1东北地区用电负荷偏低，是减缓东北电网在低谷时段的电力平衡调度运行管理工作困难的可行措施。
4.2建设高温水源热泵系统的初投资与建设集中供热锅炉房的初投资比较，差别不大。
4.3如以供热供电安全为目标，实现同样的供热量，热电厂的燃煤量少于供热锅炉房的燃煤量，运行综合费每年可节约100万元以上。
4.4为了保证供热供电安全，高温水源热泵供热系统与建设区域锅炉房比较，使热电厂的供热能力得到了延伸，节省了土地资源，且有利于环保，因此该方案作为热电厂调峰负荷供热是可行的。
4.5 采用水源热泵机组，在夏季可对空调用户供冷，实现一机两用，集中供冷，节省空调初投资与占地资源。
参考文献：
[1] 刘南希, 史琳, 韩礼钟, 等. 高温工质HTR01 水源热泵机组的研究[J ].暖通空调, 2004 , 34 (8) : 48-52
[2] 薛志方, 朱秋兰, 芦苇, 等. 采用中高温工质HTR02的水源热泵机组的性能试验[J ] .流体机械, 2005 , 33 (9) : 35-38.
[3]李延勋,郭开华,王如竹,等. 非共沸混合工质R22 /R141b高温热泵实验研究[ J ]. 化工学报, 2002, 53(5) : 542-545.
[4]史琳, 昝成. 中高温热泵工质的研究方法及性能分析[ J ].中国科学E辑:技术科学2009, 39(4): 603 ~ 608
[5]董明. 应用高温热泵回收中央空调冷凝热分析[ J ].节能，2005,275（6）:37-38
[6]施志钢,胡松涛,王刚,李安. 高温水源热泵回收锅炉水膜除尘污水中余热方案及运行控制策略的探讨[J]. 流体机械, 2005 , 33 (4) : 69-71.
收稿日期: 2010-06-
作者简介: 赵风山(1963—) ,男,吉林白山人,高级工程师，学士 ,
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：高温水源热泵；换热站；调峰；热电联产；经济分析
中图分类号：TU833文献标志码：A 文章编号：
Application analysis on peak shaving for CHP plant by using the central heating and high temperature water-source heat pump system
Zhao Fengshan1,Ge Fenghua2
(1.Baishan Heating Management Office,Baishan,Jilin,134300; 2.School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University , Zhenjiang , Jiangsu 212013)
Abstract：In order to meet the heat and power-supply security during peak-heating, heat-supply system for peak shaving need to build. Economic and technique analysis is achieved by comparing heating boiler and high temperature water-source heat pump system (HTWSP) using the primary pipeline network. The results show that the initial investment in two ways is closer, and the primary energy ratio is higher for HTWSP system than for heating boiler system.
Keywords: high temperature water-source heat pump; heat exchanger station; peak shaving; combined heat and power; economic analysis
1.引言
由于東北区域电源建设加快，尤其是风电发展迅猛，部分火电机组实行供热改造和全社会用电需求不强，东北电网在低谷时段的电力平衡成为调度运行管理的最大困难。在最冷月份时，矛盾尤为突出。为此，国家电力监管委员会东北监管局拟定了《东北电网火电厂最小运行方式》（草案）。该（草案）供热期的平均发电负荷不足设计负荷的50%，其供热负荷也将不能保证热电厂筹建时期的设计负荷。而城市的基本建设速度增快、城市规模增大，城市的供热负荷在增长，热电联产原有的供热方式不能满足新增供热负荷需求，通常需要再建区域锅炉房供热。区域锅炉房建成后，采暖期内应不间断供热，而热电厂却还没有达到满负荷运行；再建设区域锅炉房供热，占用土地面积大、运行费用高，与城市总体规划相冲突，又给城市的环保带来新的问题。如果采用高温水源热泵系统，在最冷月份（电网调峰时间一般不超过10天）利用一次网回水（60℃）的热量作热源环境，提高热媒温度（70℃）进行供热，代替建设区域锅炉房，仍利用原有一次网，相当于增大了原供热系统的供回水温差，延伸了热电厂的供热能力。在其他时段，合理调整原供热系统一次网的质调节曲线，可以满足热网系统热负荷的供热需求。
2.高温水源热泵设计方案
以浑江电厂为例进行分析，其用电、用热高峰期负荷率仅有45%，而在八道江火车站西南方向需增加
供热能力200万平方米，对原有部分二次网换热站进行改造，增设水源热泵机组，见图1。原设计一次网热媒温度为120℃/60℃；二次网热媒温度75℃/50℃。
3.技术、经济分析
为了增加供热面积，可采用两种设计方案：建设集中供热锅炉房与建设水源热泵供热站。
3.1 技术分析
利用回水温度60℃的热媒，输入一定的电能，提高较高温度（70℃以上）的热水，该项机组称为高温水源热泵机组。
近年来清华大学、上海交通大学等在这个领域进行了研究，开发了新的工质，已得到实际应用[1-3]；高温水源热泵的供热COP较高，文献[1、4]的实验数据表明，蒸发器进口水温为50℃、冷凝器出口水温为75℃时，其供热COP可达到4.5-5。
目前有关高温水源热泵的应用实例不多，主要应用于余热回收上。文献[5]利用高温水热泵回收中央空调的冷凝热制备生活热水；文献[6]分析了用高温水源热泵回收锅炉除尘污水中的余热方案的可行性。
现阶段我国东北电厂供电供热的负荷率较低，见表1。从表1可以看出热电厂的负荷率较低，都没有超过50%，而在供热高峰期，电力负荷过剩，供热负荷却不足，使电厂运行不安全。而采用高温水源热泵系统，不仅增加了供暖能力，还增加了用电负荷，解决了高峰供热期的电力平衡问题。
表1 吉林省调直调火电厂最小运行方式状况
序号 电厂装机容量（MW） 电厂最小开机方式及出力（MW） 负荷率/%
非供热期 供热初、末期供热中期
1、 国双辽发电有限公司 120（4×30 MW） 16.5 16.533 27.5%
2、 大唐长春第二热电厂 120（6×20 MW） 24 36 60 50%
3、 大唐长春第三热电厂 70（2×35 MW） 18 19 20 28.6%
4、 国电吉林热电厂 100.5 7.520.541 40.8%
5、 浑江热电厂 100（2×20＋2×30） 28.5 3045 45%
6、 二道江发电公司 60（2×10＋2×20） 18.5 2130 50%
7、 吉长电力四平热电 30 MW 6.58.5 8.5 28.3%
该设计方案利用热电厂的回水能量，提高供热的热媒温度，使热能的“质”得到了提高，增大了一次网供热的供回水温差，而一次网循环水泵的运行工况并不发生改变。实际上，增加了热电厂的供热能力，使闲置的设备与资源得到了应用。
旧城区供热需求的增加具有分散性，不可能集中于某一个区域，因此建设集中供热锅炉房也难以“集中”，而利用原分散式的换热站，在换热站内设高温水源热泵，增加其供热能力，能够与供热增加的需求相一致。水源热泵的容量可根据新增用户需求来设计，从一次网的“取”热量也可随着一次网回水温度（供回水温差）的大小进行调节。
对于夏季有供冷需求的用户，如针对设有中央空调系统的办公建筑、商业建筑等，可对小区换热站的水源热泵机组进行改造，在夏季作为中央空调系统的冷源，实现集中供冷，一机两用，节省了再建冷源设备投资和占地资源。
3.2 经济分析
以新增200万m2的供热面积为例进行分析，对两种供热方式的初投资及运行费用进行对对比。以节能建筑标准估算热负荷，热指标取45W/m2，外网热损失8%，总热负荷97.2MW。如采用燃煤锅炉供热，需采用二次管网与换热站；当采用高温水源热泵供热时，利用已有的换热站，采用新建二次管网供热。把两种供热方式相同部分撇开（如二次管网），只比较新增部分的初投资及系统的运行费用。
3.2.1 初投资
建设燃煤锅炉房的建设情况见表2，初投资为4534.00万元，设计电机装机功率为1407kW。如采用高温水源热泵机组，供选用33台3.0MW机组，单台机组的综合费用按137万元计，总投资为4521.00万元。由此可看两种方案的初投资比较接近。
表2锅炉房及设备初投资
序号 名称 规格 数量 单价/万元 合计/万元 功率/ kW
1 热水锅炉 58MW高温热水锅炉 2 350.00 700.00 11
2 鼓风机 配套 2 15.00 30.00 370
3 引风机 配套 2 30.00 60.00 630
4 除尘器 湿式脱硫 2 75.00 150.00 6
5 水处理 30t/h 1 40.00 40.00
6 循环水泵 800 m3/h40m扬程 3 1.50 45.00 320
7 定压水泵 30t/h 2 1.50 3.00 22
8 除氧设备 解析除氧 2 20.00 40.00
9 水箱 60 m3 1 2.00 2.00
10 上煤皮带机 2 70.00 140.00 30
11 除渣机 1 80.00 80.00 18
12 电器控制 360.00
13 一次管网 420.00
14 安装与管材费 414.00
15 土建费用 7000 m2×1500元/ m2 1050.00
16 土地价格 5000 m2×2000元/ m2 1000.00
17 4534.00
3.2.2 运行费用
运行费用主要包括燃料费用与电力消耗两部分。集中供热锅炉房的热效率为75%，热电厂的锅炉热效率为92%，所以热电厂热源利用比集中供热系统节省燃料消耗。但热泵机组的电耗较高，若制热COP取5，则总耗电量为19.4MW。
燃煤量可按下式计算：
（1）
式中：——燃煤量，t；
——设计热负荷，kW；
——燃煤低位發热量，kJ/kg；
——供暖期天数，天；
、、——设计室内空气温度、设计室外空气温度、供暖期平均室外空气温度；
——锅炉热效率，%。
浑江地区的设计室内空气温度为18℃，室外采暖设计温度为-24℃，供暖期平均室外空气温度-8℃，最冷月平均温度-22.3℃，调峰供热时间取30天计算；取燃料的低位发热值为16800kJ/kg,，燃料为550元/吨，供热期的天数按170天计，则可计算供热系统调峰期的燃煤量。热电厂的年燃煤量为：57181.5吨，燃料费为 3144.9万元；集中供热锅炉房年燃煤量为：70142.6吨，燃料费为：3857.8万元。集中供热锅炉房的燃料费比热电厂高712.9万元。
水源热泵系统的电耗比集中供热锅炉房的电耗多18.03×103kW,最冷月份采暖平均热负荷系数为0.96，最冷月电耗12.46×106度电字，电费按0.5元/度，相当于电费622.8万元人民币。综合计算，水源热泵系统的年运行直接费用比锅炉房系统的年运行直接费用少支出712.9-622.8=90.1万元。
如以供热为终极目标，为了实现同一目标，两种方案的外界投入的燃料量却不同，水源热泵系统与一次网的组合应用方案的一次能源利用率高于锅炉房供热系统，考虑到锅炉房的管理人员费用，运行综合费可节约100万元以上。
4.结论
利用热电厂的回水作为高温水源热泵热源，与集中供热锅炉房进行经济技术分析可得出以下结论：
4.1东北地区用电负荷偏低，是减缓东北电网在低谷时段的电力平衡调度运行管理工作困难的可行措施。
4.2建设高温水源热泵系统的初投资与建设集中供热锅炉房的初投资比较，差别不大。
4.3如以供热供电安全为目标，实现同样的供热量，热电厂的燃煤量少于供热锅炉房的燃煤量，运行综合费每年可节约100万元以上。
4.4为了保证供热供电安全，高温水源热泵供热系统与建设区域锅炉房比较，使热电厂的供热能力得到了延伸，节省了土地资源，且有利于环保，因此该方案作为热电厂调峰负荷供热是可行的。
4.5 采用水源热泵机组，在夏季可对空调用户供冷，实现一机两用，集中供冷，节省空调初投资与占地资源。
参考文献：
[1] 刘南希, 史琳, 韩礼钟, 等. 高温工质HTR01 水源热泵机组的研究[J ].暖通空调, 2004 , 34 (8) : 48-52
[2] 薛志方, 朱秋兰, 芦苇, 等. 采用中高温工质HTR02的水源热泵机组的性能试验[J ] .流体机械, 2005 , 33 (9) : 35-38.
[3]李延勋,郭开华,王如竹,等. 非共沸混合工质R22 /R141b高温热泵实验研究[ J ]. 化工学报, 2002, 53(5) : 542-545.
[4]史琳, 昝成. 中高温热泵工质的研究方法及性能分析[ J ].中国科学E辑:技术科学2009, 39(4): 603 ~ 608
[5]董明. 应用高温热泵回收中央空调冷凝热分析[ J ].节能，2005,275（6）:37-38
[6]施志钢,胡松涛,王刚,李安. 高温水源热泵回收锅炉水膜除尘污水中余热方案及运行控制策略的探讨[J]. 流体机械, 2005 , 33 (4) : 69-71.
收稿日期: 2010-06-
作者简介: 赵风山(1963—) ,男,吉林白山人,高级工程师，学士 ,
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。