供熱工程循環余熱利用技術優化研究

楊瑞波 佟震 楊明昊

收稿日期：2023-11-30

作者簡介：楊瑞波（1983—），男，河北邯鄲人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：集中供熱、熱電聯產。

摘 要：為提高供熱工程的熱效率，以某供熱工程為例，開展循環余熱利用技術優化方法的設計研究。采用定義熱泵變量和參數的方式，根據熱力學第一定律，參照能量平衡方程，建立供熱工程循環熱泵數學模型。根據供熱工程循環熱泵數學模型中不同參數之間的關系，調整供熱工程熱網水壓力。通過熱泵驅動蒸汽與疏水器改造，實現供熱工程循環余熱利用技術的優化。實驗結果表明，優化后的供熱工程循環余熱利用率高于優化前的供熱工程循環余熱利用率，說明設計的技術在實際應用中效果良好，按照規范優化供熱工程，可以提高供熱工程熱效率，即提升工程循環余熱利用率。

關鍵詞：供熱工程；疏水器；數學模型；循環余熱

中圖分類號：TK115? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2024）03-0117-03

0 引言

隨著全球能源結構的轉型，清潔能源的開發和利用成為了重點。供熱工程作為傳統能源消耗的重要領域，其能源利用方式和效率對清潔能源的發展有著重要影響。通過優化余熱利用技術，可以推動供熱工程的能源結構轉型，促進清潔能源的發展。供熱工程作為能源消耗的重要部分，通過余熱利用技術的優化，可以減少能源浪費，降低溫室氣體排放，為應對氣候變化作出貢獻[1]。隨著社會能源價格不斷上漲，提高能源利用效率成為了企業生存和發展的關鍵。優化余熱利用技術，可以提高供熱工程的能源利用效率，降低運營成本，提高企業的競爭力。

在供熱工程中，循環余熱通常是指在供熱過程中未被充分利用的熱量，這些熱量會隨著廢氣或冷卻水排出系統，造成能源的浪費。然而，隨著能源節約和環境保護意識的增強，有效利用循環余熱已經成為了一個重要的研究課題。時國華等人[2]提出基于降低熱網回水溫度的鋼廠余熱回收供暖系統，根據余熱回收流程，確定余熱回收單元及內部換熱網絡的原則，通過計算循環水余熱回收量、煙氣余熱回收量、乏汽余熱回收量，降低余熱回收率影響要素。通過引入等效性能系數評估鋼廠低品位余熱回收系統余熱量，完成鋼廠余熱回收供暖分析。為了提高供熱系統的可靠性，李永田等人[3]提出基于熱泵技術的電廠余熱利用方法，在分析熱泵技術工作原理的基礎上，研究噴射式熱泵技術、吸收式熱泵技術和徑向熱管技術的基本概念和特點。根據電廠乏氣的溫度和壓力條件，設計相應的熱泵系統結構，實現了對乏氣的能量回收。在深入此方面內容的研究中發現，供熱工程中的余熱利用主要是通過回收供熱系統中的廢棄熱量，將其轉化為有用的能源，以減少能源的浪費[4]。

然而，在實際應用中，由于技術、設備和管理等方面的問題，余熱的利用效率并不高。本文以某供熱工程為例，開展循環余熱利用技術優化方法的設計研究，旨在通過此次設計，有效地提高供熱工程的能源利用效率，減少能源浪費，實現可持續發展目標。

1建立供熱工程循環熱泵數學模型

為滿足供熱工程循環余熱利用技術優化需求，需在設計方法前，建立供熱工程循環熱泵數學模型。在此過程熱泵是一種能夠將低位熱源中的熱量轉移到高位熱源中的裝置。在供熱工程中，熱泵通常被用來從低位熱源（例如地下水、空氣等）中提取熱量，然后通過制冷劑循環將熱量傳遞給高位熱源（例如供熱管道、散熱器等）。通常采用定義熱泵變量和參數的方式，用來描述熱泵的工作狀態，例如制冷劑的流量、進出口溫度、熱負荷等[5]。根據熱力學第一定律，建立供熱工程循環熱泵數學模型，參照能量平衡方程，根據熱泵工作過程中能量轉換方式，建立如下計算公式所示的熱泵數學模型。模型表達式如式（1）所示。

qm，shs1=qm，xlhxl+Q? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：qm，s表示參與供熱工程的水蒸氣質量流量，單位為kg/s；hs1表示發生器出口位置溴化鋰溶液濃度，單位為kJ/kg；qm，xl表示熱網水質量流量，單位為kg/s；hxl表示王水等壓比熱容，單位為kg/（kg·℃）；Q表示吸收器中發生的換熱量，單位為kJ/s。

式（1）中Q為未知條件，計算公式如式（2）所示。

Q=qm，rc（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：qm，r表示冷劑水蒸氣初始值，單位為kJ/kg；c表示熱水網中水流的質量分數，單位為%；t2表示吸收器熱水網的出水溫度，單位為℃；t1表示吸收器熱水網的進水溫度，單位為℃。

將式（2）的計算結果Q代入公式（1），以此實現供熱工程循環熱泵數學模型的構建。

2 供熱工程熱網水壓力調整

為進一步深化供熱工程的循環余熱利用，應根據供熱工程循環熱泵數學模型中不同參數之間的關系，進行供熱工程熱網水壓力的調整。

在供熱工程中，對熱網水壓力的調整，可以影響供熱系統的穩定性和供熱效率。在此過程中，通過改變水泵的運行參數，可以改變水在管道中的流速和壓力。根據實際需要調整水泵的轉速或葉片角度，以實現水壓力的調整。如果需要提高管道壓力，可以通過增加水泵的數量，使水流的速度加快，從而提高管道的壓力。如果需要降低管道的壓力，可以通過減少水泵的數量，使水流的速度減慢，從而降低管道的壓力[6]。還可以通過改變管道的直徑，改變水在管道中的流速和壓力。如果需要提高管道的壓力，可以將管道的直徑減小。這樣可以使水流的速度加快，從而提高管道的壓力。

在必要的條件下，可以在熱網中安裝減壓閥或增壓閥，調整管道壓力。通過調整減壓閥或增壓閥的開度，控制水在管道中的流量和壓力。在此基礎上，如果供熱系統的熱源是鍋爐或熱電聯產機組，可以通過調整供熱量來改變水在管道中的壓力。如果需要提高管道的壓力，可以增加供熱量，使水流的速度加快，從而提高管道的壓力。如果需要降低管道的壓力，可以減少供熱量，使水流的速度減慢，從而降低管道的壓力。

在實際操作中，根據實際情況選擇合適的方法調整，以確保供熱工程對循環余熱的規范化利用。在調整供熱工程時，需保證供熱系統的穩定性和安全性。

3 熱泵驅動蒸汽與疏水器改造

對熱泵驅動蒸汽與疏水器進行改造，是提高蒸汽系統能源利用效率的關鍵。其中熱泵驅動蒸汽改造是一種將熱泵技術應用于蒸汽系統的節能技術，通過將熱泵與蒸汽系統相結合，可以將低位熱源中的熱量轉化為高位熱源中的熱量，提高蒸汽系統的能源利用效率。在熱泵驅動蒸汽改造中，通常需要將熱泵系統與蒸汽系統集成。

熱泵系統包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器等部件，可以吸收低位熱源中的熱量并將其轉化為壓縮機的機械能。蒸汽系統包括蒸汽管道、蒸汽設備等，需要將改造前的蒸汽系統進行優化和升級[7]。在此過程中，應根據實際需要，選擇合適的熱泵系統，包括熱泵的數量、型號和容量等。并調研和分析蒸汽系統，確定需要改造的部位和方案，安裝熱泵系統（包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器等部件）。將熱泵系統與蒸汽系統集成，調整系統的運行參數和控制系統，對改造后的系統進行測試和調試，可確保系統的正常運行和能源利用效率。改造過程中，需要保證施工安全和質量，避免出現事故和質量問題。須遵守相關法律法規和標準規范，確保改造方案合法和合規。

完成熱泵驅動蒸汽改造后，應改造供熱工程中的疏水器。新型疏水器具有更高的能源利用效率和更好的性能，根據工程需求，將常規的疏水器更換為新型浮球式疏水器。這種疏水器可以更好地控制蒸汽泄漏，提高能源利用效率。在蒸汽系統中，根據需要增加疏水器的數量。在疏水器的使用過程中，通過調整疏水器的開度，可更好地控制蒸汽泄漏，實現對供熱工程循環余熱的利用。

4 實例應用分析

供熱工程中不可避免地會產生余熱，這些余熱如果得不到有效的利用，就會造成大量的能源浪費。優化余熱利用技術可以使供熱工程的系統效率得到提高。通過回收余熱，可以減少新增熱源的需求，從而降低系統的能耗。優化技術還可以提高系統的穩定性，確保供熱工程的穩定運行。

為落實此項技術，深化此方面內容，本文開展了供熱工程循環余熱利用技術優化方法的設計研究。為實現對該優化方法在實際應用中的檢驗，以某地區大型供熱工程項目為例，采用設計對比實驗的方式，進行該方法的檢驗與測試。實驗前，對供熱工程的循環水管布置示意圖進行分析，相關內容如圖1所示。

在上述內容的基礎上，對選用的供熱工程運行中主要數據進行分析，相關內容如表1所示。

掌握供熱工程機組運行的基本情況后，需要確定供熱工程中的各項能耗數據，包括燃料消耗量、燃料熱值、電能消耗量等。在此基礎上，統計所有能源輸入量之和，明確機組總能耗量，以此為依據，計算機組總發電量與總能耗量的比值（熱效率），計算公式如式（3）所示。

（3）

式中：f表示供熱工程熱效率（供熱工程循環余熱利用率），單位為%；Φ1表示機組總發電量；Φ2表示機組總能耗量。為排除實驗中相關因素的影響，在上述內容的基礎上，按照表2，設計供熱工程循環余熱利用測試條件。

在確保供熱工程在運行中機組條件一致的前提下，對優化前、優化后的供熱工程循環余熱利用率計算，將其作為檢驗供熱工程循環余熱利用技術優化效果的關鍵指標，其結果如圖2所示。

從圖2所示的實驗結果可以看出，在相同的條件下，優化后的供熱工程循環余熱利用率高于優化前的供熱工程循環余熱利用率。這是因為設計技術通過熱泵工作過程，將低溫的余熱源中的熱量壓縮提升至較高的溫度級別，完成能量高效回收和轉換，以此提高了供熱能力。

通過構建供熱工程循環熱泵數學模型，在考慮熱泵的效能特性基礎上，準確計算供熱工程中的熱量輸入與熱量輸出之間的關系，使供熱工程中余熱的利用效率最大化，從而有效提高余熱利用率及熱泵供熱系統穩定性。該技術在實際應用中效果良好，按照規范進行供熱工程的優化，可以提高供熱工程熱效率，即提升工程循環余熱利用率，降低能源消耗。

5結束語

隨著全球能源結構的轉變和能源價格的上漲，能源的合理利用和效率提升成為了關注的焦點。供熱工程能源利用效率不僅關系到企業的運營成本，還對整個社會的能源消耗和環境質量產生深遠影響。因此，對供熱工程循環余熱利用技術進行優化研究，具有十分現實的意義。

為落實此項工作，本文以某供熱工程項目為例，通過建立供熱工程循環熱泵數學模型、供熱工程熱網水壓力調整、熱泵驅動蒸汽與疏水器改造，開展了循環余熱利用技術的優化設計研究。隨著科技的發展，一些先進的余熱利用技術已經廣泛應用。例如，熱泵技術可以將低品位余熱轉化為高品位熱能?？梢酝ㄟ^推廣這些先進的技術，提高供熱工程的能源利用效率。

參考文獻

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[2] 時國華，林俊華，田志敏，等.降低熱網回水溫度的鋼廠余熱回收供暖分析[J].科學技術與工程，2021，21（35）：15035-15042.

[3] 李永田，張歡，王軍，等.基于熱泵技術的電廠余熱利用研究[J].熱科學與技術，2022，21（3）：297-303.

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