水源热泵在燃气供热锅炉烟气余热回收中的应用张明泉

水源热泵在燃气供热锅炉烟气余热回收中的应用张明泉

张明泉

身份证号码：37062419720807xxxX山东招远265400

摘要：针对现有燃气锅炉用烟气余热回收装置受供热系统回水温度较高限制、难以回收烟气余热中大量潜热的问题，提出了一种应用水源热泵的燃气锅炉烟气余热深度回收技术。介绍了该技术的方法和原理，并对某锅炉房改造工程运行数据进行了分析。结果表明，采用该技术可将排烟温度降至30℃以下，降低供暖燃气消耗量10％，极大地减少了燃气锅炉排烟中水蒸气含量，有助于缓解供暖季雾霾的产生。

关键词：燃气锅炉潜热水源热泵深度回收排烟温度烟气余热

引言

燃气锅炉排烟热损失是影响锅炉效率的最主要因素，经计算可知，烟气温度每降低20℃，锅炉效率提高１％。在用燃气锅炉的排烟温度均在100℃以上；此外，排烟中包含大量的水蒸气，排放后遇冷凝结以“白烟”的形式排放到大气中，成为雾霾的诱因之一。因此，虽然燃气锅炉排放相对清洁，但仍存在热量损失和污染的问题，需要进一步的处理。供水温度不高于60℃的燃气锅炉应设置烟气余热回收装置。一般做法是利用供热系统回水作为冷却介质吸收烟气中的热量。但受系统回水温度限制，经过烟气余热回收装置后，排烟温度约为60～70℃，比烟气露点温度高，常规烟气余热回收装置只能回收烟气中的显热，大量的潜热未被回收利用。

一、系统原理

图１给出了燃气锅炉效率与排烟温度的关系曲线。由图１可见：对应不同的过量空气系数ａ，烟气的露点温度不同，过量空气系数为1.1时，露点温度约为55℃；排烟温度高于露点温度时，排烟温度每降低20℃，锅炉热效率提高１％，排烟温度降低到露点温度以下时，锅炉效率呈大幅增长趋势，理论值最大可达到110％。普通燃气锅炉排烟温度约为100～150℃（大火运行），通过加装烟气余热回收装置，利用系统回水可将烟气温度降低到60～70℃，锅炉效率为95％左右。系统原理如图２所示。

图２常规烟气余热回收利用系统示意图

水源热泵烟气余热深度回收利用系统采用双级烟气余热回收的方式，在锅炉尾部烟道加装两级烟气余热回收装置。一级烟气余热回收装置与常规烟气余热回收系统相同，利用供热系统二次网回水降低排烟温度、回收烟气显热；二级烟气余热回收装置利用自来水作为冷媒进一步降低排烟温度、回收烟气潜热。升温后的自来水作为水源热泵的低温热源进入蒸发器放热，二次网回水进入热泵冷凝器吸热，升温后输送至二次网。一级烟气余热回收装置和水源热泵均与供热系统板式换热器并联运行。自来水温度升高5℃，排烟温度降低到30℃以下，系统回水温度升高5℃。

二、工程案例及节能分析

（一）工程概况

某小区锅炉房内有３台７ＭＷ燃气热水锅炉，既有供暖面积约为10万ｍ２，

小区全部建成后，总供暖面积为30万ｍ２。由于部分楼栋处于低温运行阶段，目前１台锅炉中火运行即可满足供暖需求。锅炉排烟温度为90℃左右，经过一级烟气余热回收装置后，烟气温度降到50℃。经现场勘查，锅炉房内富余电容量约为30ｋＷ，为避免因电力增容产生的投资和项目实施难度增加，依据现有富余电容量选择水源热泵机组该项目中一级烟气余热回收装置装设在锅炉尾部，型号为YR－7.0，额定热回收量为454KW。

二级烟气余热回收装置装设在总烟道处，型号为YR－2.1，额定热回收量为136ｋＷ。

（二）系统控制方式

水源热泵机组负荷调节分为３挡，分别为负荷率33％，66％和100％。控制方式以控制蒸发器出水温度为主，控制冷凝器出水温度为辅。蒸发器出水温度过低时，水源热泵机组减载，反之，加载；蒸发器出水温度在设定范围内时，判断

冷凝水出水温度，冷凝水出水温度低于设定温度时，水源热泵机组加载，反之，减载。

（三）节能分析

水源热泵实际运行测试数据如图４所示。

图４热泵蒸发器进出水温度变化

从图４可以看出，系统运行状况与锅炉负荷变化紧密相关。原因是锅炉负荷变化影响二级烟气余热回收装置的回收热量：当锅炉负荷小时，二级烟气余热回收装置回收的热量小于蒸发器吸收的热量，蒸发器出水温度逐渐降低，当温度降低到设定温度（如15℃）时，热泵减载，使得热泵蒸发器吸热量小于二级烟气余热回收装置回收的热量，蒸发器出水温度逐渐升高，当升高至热泵的正常运行温度（20～30℃）时，判断冷凝器出水温度，当冷凝器出水温度低于设定温度时，热泵加载，使得蒸发器出水温度降低，如此循环，如图４中ａ段所示；当二级烟气余热回收装置回收的热量与热泵蒸发器的吸热量相等时，蒸发器进出水温度维持稳定状态，如图４中ｂ段所示。

三、存在问题及解决方法

经过对应用水源热泵燃气锅炉烟气余热回收系统的实际工程的分析可知，该系统具有很强的可实施性，具有非常可观的节能效果和环境效益，但同时也存在以下问题：

１）电价峰值运行时，系统不具备经济性，投资回收期增长。

２）既有燃气锅炉房富余电容量有限，而进行锅炉房电力增容投资较大，根据既有锅炉房的富余电容量选择热泵，不能充分发挥该系统深度回

收烟气余热的技术优势。本文工程案例中，烟气温度只能降低到40℃。

３）使用普通中低温水源热泵（要求蒸发器侧出水温度低于25℃，冷凝器侧出水温度为55℃）、热泵停止运行后，经过二级烟气余热回收装置后水温持续升高，蒸发器侧水温超过25℃时，热泵停运或者无法启动。

针对上述问题，需采取的措施包括：

１）对热泵进行分时控制，用电峰值阶段自动停止运行。

２）为了避免后期扩充电容量产生费用以及锅炉房富余电容量太小使热泵选型过小，应在锅炉房设计阶段考虑采用该技术，预留充足的电容量。

３）采用优化的控制算法，在电价峰段停止运行热泵，在谷段时使用低温水预先对蒸发器内存留的高温水进行冲洗置换，然后启动热泵运行；或者选用蒸发器侧水温要求较高的热泵机组，例如可选择本文案例中使用的高温热泵机组，但是其价格较中低温热泵机组价格贵，投资回收期变长。

四、结论

该技术节能效果显著，可以提高燃料利用效率10％以上。一级余热回收主要回收烟气显热，可以提高燃料利用效率约3％～5％，二级余热回收主要回收烟气潜热，可以提高燃料利用效率5％以上。

参考文献：

[1]张迪，丁琦，魏巍，王雨，穆连波.水源热泵在燃气供热锅炉烟气余热回收中的应用[J].暖通空调，2018，48（04）：57-60+70.

[2]张群力，张秋月，曹明凯，纪迎迎.燃气锅炉烟气余热回收利用技术研究[J].建筑科学，2016，32（06）：133-141.

[3]胡俊生，石莹，李慧星，谷海玲，王春海.水源热泵技术在沈阳地区供热空调工程中的应用[J].节能，2007（09）：25-28+3.