冷却水余热利用项目可行性研究报告.docx

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冷却水余热利用项目可行性研究报告

冷却水余热利用项目可行性研究报告

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1.概述

1.1项目概况

1.1.1项目名称、承办单位及可行性研究报告编制单位

项目名称：

冷却水余热利用项目

承办单位：

某某热电有限公司

单位地址：

某某经济资源开发区北江生态产业园

法定代表人：

吕某某

可行性研究报告编制单位：

某某市工程咨询中心

1.1.2企业情况

某某满族自治县位于某某省的东北部，距沈阳250km，距某某190km，距吉林省通化108km。

面积3547平方公里，人口31万人。

该县地处山区，有丰富的林业、水力、旅游和矿产资源，煤炭储量十分丰富。

镇位于该县中部，城区面积10平方公里，分镇内和泡子沿两个地区。

近年来一批新的资源开发项目和基础设施相继建成，某某至的国家二级公路已建成通车，经济的快速发展给带来美好的前景。

县热电厂的可行性研究与初步设计由水利电力部东北勘测设计院完成，初步设计于1989年10月完成，某某省计划经济委员会于1990年9月7日以辽计经发[1990]527号正式批复《关于热电厂初步设计的批复》。

热电厂于2002年正式建成投产，厂区占地面积4.7公顷，为两炉两机，有2台75吨循环流化床锅炉，2台12MW单级抽汽凝式汽轮发电机组。

2004年企业改制出售给某某某某热点股份有限公司，组建某某热电有限公司，公司现有3台75吨循环流化床锅炉，2台12MW单级抽汽凝式汽轮发电机组，供热用换热站一级换热站1处，二级换热站9处，是一个以供热为主的热电联产企业。

供热面积达180万平方米，年发电量1.5亿kw/h。

年消耗标准煤123000吨。

拥有职工276人（管理人员35人）。

1.1.3项目情况

2014年某某经济资源开发区江北生态园建设全面启动，计划开发住宅面积20万平方米以上。

园区内原无供热系统，需要建设一个完整的供热系统，目前热电公司现有供热能力无法满足要求，通过多方面考察论证最终决定在厂区内建水源热泵来完成江北区供热。

水源热泵供热，近年来在我国北方一些大城市先后引用比较成熟的供热方式，某某热电有限公司每年冬季供热发电的时候，都有大量的余热让冷却水带走排放掉。

目前厂内汽轮机冷却水量为1600t/h，锅炉冷渣机冷却水量为120t/h。

平均水温在15℃以上可以满足机组取热需求。

将这部分热量加以利用，在降低运行成本同时也符合国家关于节能减排的相关政策。

1.1.3.1项目建设规模及工程投资

项目总投资2460万元，其中设备投资1380万元（包括热泵、换热站等设备购置与安装）。

土建工程投资230万元（包括建设一座1200m³全封闭地下蓄水池、机房820m²、换热站2处700m²）。

管网工程投资850万元（包括DN529一级管网300米，DN426二级管网5260米及分支三级管网）。

1.1.3.2项目工程计划

全部工程计划分两期建设，工期2014年9月至2016年10月。

目前一期工程2台水源热泵机组及主干管网已完成，投入试运行，完成投资1600余万元。

1.1.3.3社会经济效益

（1）经济效益：

按供热面积20万㎡计算，年热费收入520万元，年节约标煤1.25万吨，按照目前每吨标煤765元计算，折合人民币956万元。

（2）社会效益：

此方案实施可节省建设锅炉供热的大面积征地和粉煤灰、炉渣等污染物排放，又节省一次能源1.25万吨标准煤的消耗量，年可减少SO2排放106吨、氮化物排放92吨、CO2排放3.3万吨。

1.2项目建设的必要性

某某热电有限公司目前供热面积达180万平米，2014年再建的和计划建设的约40万m²都需要连网。

现有的供热系统将基本达到满负荷运转，公司研究决定进行对原有供热设备进行改造，新建一座冷却水回收利用系统暨水源热泵系统建设，保证扩大供热面积的前提下对资源回收利用。

镇泡沿地区处在世界文化遗产某某下，为连片棚户区，为彻底改变城区面貌和提高棚户区居民居住条件，县政府决定解决江北城区棚户区改造问题，计划开发面积20万m²，一期工程于2013年开始建设，2014年完工和主体结构完工的住宅面10万m²，二期工程计划于2015年开工，开发面积10万m²，共计20万m²，依靠现有供热系统已无法满足这部分新建建筑的供热。

城区依山傍水，景色宜人，以其优美的自然风光和著名的世界文化遗产吸引了大批国内外游客前来观光旅游。

如对热电公司扩建或在小区内建设锅炉房供热都将增加增加污染物的排放，不但会影响城区美化，还不符合国家环保要求，破坏生态环境。

更不利于地区的经济发展。

因此，江北城区供热就要有一个即能解决供热的民生问题又要符合国家环保要求，同时还能促进经济发展的项目。

地源热泵供热，近年来在我国北方一些大城市先后引用特别是沈阳市有1000多万m²采用了此技术。

相对是比较成熟的供热方式，但是需取深层地下水，某某热电有限公司因为是热电联产。

每年冬季供热发电的时候，都有大量的余热让冷却水带走排放掉。

如果能够有效的回收这部分热量加以利用，将提高节能运行成本同时也满足国家关于节能减排的新能源政策。

将冷却水替代地下水作为水源热泵机组的热源水，再利用水源热泵的工作系统将居民冬季的采暖水进行加热，可以有效的提供源源不断的热能供应。

此方案实施可节省建设锅炉供热的大面积征地和污染物排放，又节省一次能源煤的消耗量1.25万吨（1.25万吨×765.00元=9562500.00元）。

所以为最可行的供热方式。

1.3设计依据及指导思想

1.3.1设计依据

（1）国家有关设计规范、规程及规定；

（2）热电有限责任公司的设计委托书；

（3）甲方提供的有效资料。

1.3.2设计指导思想

（1）采用水源热泵冷热水回收机组可省掉锅炉设备的投入，即省掉设备的投资又节省了锅炉房的建筑面积；

（2）在夏季可节约全部的卫生热水的加热费用，即使是在冬季运行费用也只是锅炉的1/3，每年可为用户节省非常可观的锅炉运行费用；

（3）机组可安装在屋面、平台、地面等，不用占据建筑面积，可为用户节省可观的建筑面积；

（4）可根据工程进度和投入使用的时间不同分期投入主机的安装容量，有利于工程资金的合理使用，避免闲置空调设备占据大量资金；

（5）没有冷却水系统，省掉了冷却塔、水泵和冷却水管路系统的投资和安装工作，节约了此项的费用，在平时运行时节约了大量的冷却水耗；

（6）自动化程度高，负荷调节范围宽广，在不同季节和负荷下更能符合调节上的要求，具有常规中央空调无法比拟的负荷试用性，具有非常明显的节能性。

特别是在夜间、过度季节，低负荷时更明显；

（7）单机振动和噪音小，对建筑的影响小，如设计、安装处理的好对建筑的使用不会造成任何影响；

（8）无须投入大量的运行、维修人员，节约运行费用；

1.4主要技术经济指标

主要技术经济指标见表1-4-1；1-4-2

表1-4-1主要技术经济指标表

序号

项目

技术参数

1

机组型号

WCFXHP69

2

制热量（KJ/h）

9200000

3

输入电功率KW（KW）

536

4

COP值

4.8

5

冷

凝

器

热水进出水温度（℃）

40/45

6

热水流量（m3/h）

393

7

水压降（kPa）

‹100

8

蒸

发

器

循环水进出水温度（℃）

15/8

9

循环水流量（m3/h）

260

10

水压降（kPa）

‹100

11

负荷调节范围

8.5-100%

12

压

缩

机

品牌及产地

顿布汉什/烟台

13

压缩机形式

立式全封闭

14

螺杆形式及产地

双螺杆/AISI1141棒料

15

电

动

机

品牌及产地

顿布汉什/烟台

16

启动方式

双三角

17

额定电流（A）

946

18

启动电流（A）

938/1190

19

机组重量（kg）

8100

表1-4-2主要技术经济指标表

序号

项目

技术参数

1

机组型号

WCFXHP81

2

制热量（KJ/h）

10908000

3

输入电功率KW（KW）

635.9

4

COP值

4.78

5

冷

凝

器

热水进出水温度（℃）

40/45

6

热水流量（m3/h）

457

7

水压降（kPa）

‹100

8

蒸

发

器

循环水进出水温度（℃）

15/8

9

循环水流量（m3/h）

280

10

水压降（kPa）

‹100

11

负荷调节范围

8.5-100%

12

压

缩

机

品牌及产地

顿布汉什/烟台

13

压缩机形式

立式全封闭

14

螺杆形式及产地

双螺杆/AISI1141棒料

15

电

动

机

品牌及产地

顿布汉什/烟台

16

启动方式

双三角

17

额定电流（A）

1123

18

启动电流（A）

1190

19

机组重量（kg）

8940

2.水源热泵原理与经济技术分析

2.1水源热泵原理

2.1.1工程概况

某某热电公司坐落于县北江生态产业园区浑江岸边，厂区内现有规模为“三炉二区”，即三台75t/h的循环流化床锅炉配二台12MW的抽凝式供热发电机组，并建有16KM的供热管网。

为充分利用厂区内的废热及可再生资源，计划采用水源热泵系统为县北江生态产业园区20万㎡的小区进行集中式的供暖。

本项目以河水及电厂循环水作为水源泵系统的双水源，针对该系统在供热区内的应用方案进行节能效果和技术经济分析。

2.1.2水源热泵的水源分析

项目

3月

7月

8月

10月

12月

入水水温（℃）

-8～18

22～28

26～30

18～25

1～10

出口水温（℃）

19～25

25～31

28～33

20～28

9～15

表12013年电厂循环水温度统计表

浑江是鸭绿江主要支流，全长约110公里，是地区主要河道。

某某热电公司循环水冷却水取自浑江，据统计，电厂冬季循环冷却水流量约为1600t/h，浑江江水流速为0.08m/s,流量为24m³/s（1440m³/h），因此，有大量的循环冷却水废热以及可靠的江水资源可以作为热泵系统的低位热源/热汇。

由图1和表1所示，冬季河水温度为-15～13℃，冬季电厂循环水温度为13～24℃。

由于水源热泵空调器最理想的节能运行温度为12～31℃，冬季制热的蒸发温度越高，机组制热系数越高，而电厂循环水温度比河水温度高，因此本项目冬季采用电厂循环冷却回水作为热泵的热源为小区供暖。

2.1.3气象条件

冬季采暖室外计算温度：

-21℃

冬季室外主导风向及频率：

NE,22%

冬季室外平均风速：

2.8m/s

冬季室外最大冻土深度：

143cm

冬季室外大气压力：

101.05kPa

冬季室外极端最低平均温度：

-30.7℃

2.1.4采暖热指标

根据当地建筑物的情况，按城市热力网设计规范，参照建设单位提供的有关资料，本工程采用综合热指标为70W/m2。

2.1.5供热现状及发展

按某某热电有限责任公司提供的资料，采暖期从11月1日起至翌年3月31日止，计151天。

在规划集中供热范围内，供热面积220万m2，工业用汽75T/h×3,目前已基本达到三台锅炉的计划供热负荷，如果新增供热负荷就只有增加供热锅炉和建设新的热原地。

浑江

北

西江电站

图2-1-1规划供热范围

2.2水源热泵系统设计方案

水源热泵系统全天24小时供热，负荷一致，通常容量在175KW以上的水源热泵采用水—水方式，因此，系统末端计划采用集中式大型水-水热泵机组加风机盘管系统。

为将来夏日制冷、冬季制热考虑，充分利用两个水源，采用8个阀门完成水源热泵系统的制热、制热切换，如图2所示。

冬季：

阀门A、B、C、D开，E、F、G、H关，电厂循环冷却水从凝汽器1出来后，一部分被热泵系统利用，降温后送入吸水池3，再进入凝汽器1；另一部分送至冷却塔2冷却后进入吸水池3，再进入凝汽器1.这种方式不但简化了系统，而且提高热泵的制热系数。

夏季：

阀门E、F、G、H开，阀门A、B、C、D关，热泵系统采用开式直接利用河水换热。

根据《地源热泵系统工程技术规范》中规定，开式地表水换热系统取水口应远离回水口，并宜位回水口上游，取水口应设置污物过滤装置。

因此，河水不宜直接通过热泵机组，先要进行净化处理，最后利用循环水泵11将河水通过输送管道送至冷凝器8中，而放出热量后的河水则通过排水管道直接排入河12中。

图二：

2.3水源热泵系统节能性分析

2.3.1热泵的制热性能系数

热泵将低位热源的热量品质（位）提高，需要消耗一定的高品位能量。

常用热泵的制热性能系数COP（CoefficientofPerformance）来衡量热泵的能量效率。

对于蒸汽压缩式热泵，其设计工况制热性能系数定义为：

式中，COPe为热泵的设计工况制冷性能系数；Qe为冷凝热量，kW；Qe为制冷量，kW；W为压缩机消耗的功率，kW。

通过对某某热电公司水源热泵机组冬季工况测试数据的回归分析，我们可以得到如下的COP值关系式：

COP=0.0930to×2.6812[一]

（2）

式中，to为热泵热源的入口温度。

2.3.2热泵供热燃料单耗

根据热力学第二定律，对于任一能源利用过程，其熵平衡关系可以一般性的描述为燃料熵=产品熵+熵消耗，既：

式中，eq、ef分别表示单位产品和单位燃料的火用值；P表示产品产量；B5表示燃料量；为生产过程中各环节的熵消耗所对应的煤耗。

对于任何能源利用过程，单耗分析模型都可以一般性地表示为：

式中，bmin=eq/ef为生产该产品的理论最低燃料单耗，即在无任何火用耗损存在时的产品燃料单耗；∑bi为系统各子系统设备的熵耗损引起的附加燃料单耗之和。

若热泵所耗电量来自供电燃料单耗为bΦe5的抽凝式发电机组，则其供热燃料单耗为：

该热电厂机组供电煤耗为551g/kWh，供热煤耗为40kg/GJ，则bhhy=551/COP，当COP>3.826时，热泵供热比热电厂抽汽供热节能。

代入公式

（2）中进行计算，则t0>15.2℃.由于不同厂家机组的性能不同,因此对不同的方案应分别进行分析。

2.3.3热泵的一次能源利用率

对于有同样制热性能系数的热泵若采用的驱动能源不同，则其节能意义和经济性均不相同。

因此用一次能源利用率PER（PrimaryEnergyRatio）来评价热泵的节能效果。

对于电力驱动水源热泵供暖，其一次能源利用率可表示为：

式中，ηб、ηt分别为发电效率和输配电效率。

能同时完成夏季空调和冬季采暖的系统的一次能源利用率可表示为：

式中，PERξ—制冷工况下一次能源利用率，PERξ=制冷量/一次能源量；

PERτ—供热工况下一次能源利用率，PERτ=制热量/一次能源量；

λξ—制冷工况权重，λξ=制冷天数/全年总天数

λτ—供热工况权重，λτ=制热天数/全年总天数

现以以下四种方案为例进行计算比较：

方案一：

水源热泵中央空调系统；方案二：

水冷冷水机组+电厂抽汽采暖；方案三：

蒸汽型溴化锂吸收式制冷机组+电厂抽汽采暖；方案四：

分散式空调+电厂抽汽采暖。

取水热泵制冷工况下的COP冷为5、供热工况下的COP热为4；水冷冷水机组的COP为5；燃煤锅炉效率65%，燃气锅炉效率85%，蒸汽型双效溴化锂吸收式制冷机组的热力系数为1.20，电厂供热效率为0.8，发电效率取0.32，输配电效率近似取0.95；夏季制冷天数为120天，冬季供暖天数为150天。

由以上条件计算出几种方案的一次能源利用率，结果如图3所示，水源热泵中央空调系统的一次能源利用率最高，与分散式空调+电厂抽汽采暖相比增加了79%。

2.3水源热泵系统方案技术经济分析

根据小区的负荷情况及建设情况，冬、夏季均由水源热泵机组来承担室内供暖负荷，夏季为末端提供7～12℃的冷冻水，冬季为末端提供45～50℃的热水。

系统方案经济性分析需要计算初投资和运行费用，并与小区分散式供热机组+抽汽采暖系统进行分析比较。

2.3.1设计参数

冬季

夏季

室内设计温度

热指标

供暖期

室内设计温度

冷指标

制冷期

20℃

55W/㎡

150天

26℃

100W/㎡

120天

热负荷

11000KW

冷负荷

20000KW

2.3.2设备选型

选用四台（二台WCFXHP69和二台WCFXHP81）水源热泵机组，制热量为11000KW，制冷量为10000KW，满足小区的热负荷和冷负荷要求，供暖季节热泵机组标牌负荷下运行。

2.4经济性分析

小区供热抽汽来源于汽轮机的第四级抽汽，这部分蒸汽所包含的热量并没有被充分利用，大大降低了蒸汽的品质，并且凝结水未考虑回收，从能量的角度而言是很不经济的。

能源利用过程中的任何耗损都导致实际功量的减少，而热电联产供热是以减小机组发电量为代价，若采用热泵技术对外供热，因提供Qy的热量减小机组的供电量Wy为：

式中，Wy为外供抽汽用来做功时增加的供电量，KW；h为汽轮机抽汽焓，KJ/KG；hc为汽轮机排气焓，KJ/KG；Dg为供热蒸汽量，KG/H；ηm、ηe分别为机组机械效率和电机效率；Wp为减少电厂循环水泵的泵功消耗，KW；ηp为热网效率；to为热水出水温度，

根据公式（7）、（9）进行计算，冬季供暖150天而减少机组出力177861kW。

水源热泵＋风机盘管系统定流量运行，平均使用时间按每天12小时计算，减少发电量213万KWH,上网电价为0.455元/kWh，减少发电收入97万元。

整个供暖季节的运行对比情况如表3所示。

表3冬季供热运行费用分析

设计日负荷率

设计运行天数

运行费用（元）

水源热泵系统

蒸汽管网＋散热器

100%

60

20133

75350

75%

50

13003

50%

20

3805

25%

20

2596

小计

150

39477

水源热泵系统节约电费（元）

35873

另外，供热期间将一部分循环水引入热泵系统后直接回到吸水池，可减少因冷却塔引起的水量损失。

根据2014年地表水水资源费征收标准，河水的取水价为0.35元/m3，冷却的蒸发损失率取3‰，则整个冬季节约的水、电费合计约为35913元。

综合以上所述，水源热泵系统全年节约运行费用35873元，水源热泵系统经济效益明显，不仅能有效改善室内的空气品质，而且能充分利用热电厂的废热能及可再生资源，在有条件的地区，水源热泵是最理想的空调方式。

3.冷却水余热利用项目方案及装机设备

3.1项目方案

3.1.1项目实施方案

在当今可持续发展已经成为热门话题，环境因素作为可持续发展三要素之一，已引起各个方面的关注。

可持续发展意味着维护、合理使用并且提高自然资源基础，意味着在发展计划和政策中纳入对环境的关注和考虑。

用热泵系统回收城市地下水中的热能，既开发了一种清洁能源，同时又降低了城市废热的排放，保护了环境。

冷却水余热利用项目即水源热泵是利用厂区冷却水量大，水质稳定，温度在13至15摄氏度等特点，以冷却水作为热源进行制热循环的一种装置。

水源热泵具有热量输出稳定、COP值高、换热效果好、机组结构紧凑等优点，是实现水资源合理化利用的有效途径。

水源热泵比燃煤锅炉环保，污染物的排放比空气源热泵减少40%以上，比电供热减少70%以上。

它节省能源，比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃煤锅炉节省1/2以上的燃料。

由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，其制热系数比传统的空气源热泵高出40%左右，其运行费用仅为普通的50%~60%。

因此，水源热泵有着广阔的应用前景，但其使用还需解决以下问题：

确保当地有大量的热水资源，清洁技术的选择、系统形式的选择、热源水温的问题以及其保证性和经济性问题。

水源热泵的技术状况和经济性与热源/热汇的特点密切相关。

对热泵系统来说，理想的热源/热汇应具有以下特点：

在供热季有较高且稳定的温度，可大量获得，不具有腐蚀性或污染性，有理想的热力学特性，投资和运行费用较低的热源水。

在大多数情况下，热源/热汇的性质是决定其使用的关键。

水源热泵采用冷却水做水源热泵的热源/热汇，它具有以下特点：

产生量大，几乎全年保持恒定的流量；冬季水温高于室外温度，而且在整个供暖季，水温波动不大12-15℃；含有大量的热能，厂内所有的冷却水含热量占供热比的22%。

因此为区域供热提供一种理想的热源/热汇。

水源热泵供暖系统原理。

主要由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流机构构成一个最简单的蒸汽压缩式热泵装置作为供热系统的热源。

它通过蒸发器从热源水中吸取热量Qe，在冷凝器中放出热量Qc（Qc=Qe+W）供给供热系统。

这种供热系统只要消耗少量的电能W,便可得到满足供热所需要的热量Qc平衡

3.2与其他供热系统的简单比较

将水源热泵系统和燃煤锅炉供热方式进行了比较，其结论见表2。

附表2：

供能方式的经济比较（m²）

项目

水源热泵

蒸汽锅炉

供热面积

建筑面积20万平方米

建筑面积20万平方米

热负荷指标

55W/m2

200KJ/m2

总热负荷

Q总＝20万×55W＝11000W

Q总＝20万×200kJ=4000万KJ

设备型号、数量

WCFXHP81,2台WCFXHP69，2台总制热量3000KW/台

20t锅炉1台制热量

57900000KJ

设备一次性投入

机组=187万×2＝374万元

机组=218万×2＝436万元

20t锅炉=120万×1=160万元

厂房及占地

厂内扩建：

水池300m2机房820m2投资150万元

新征地：

4200m2×150=63万建锅炉房、蓄煤棚投资300万

运行费用

630KW×24小时×60%×0.38元×4＝17236.5元/天×150天＝206.84万元/年

3.5t×380元×24小时×80%×150天=383.04万元/年

人工费用

P=1人×4班×600元/月×5个月＝12000元/年

P=4人×4班×1500元×5个月=120000元/年

维护费用

机组=1.5万元/台×4台＝6万元/5年

锅炉=5万元/5年

从设备投资上看，水源热泵供热系统比燃煤锅炉供热系统高20%。

从年运行费用上看，燃煤锅炉供热系统比水源热泵系统高。

2种供热方式的年运行成本水热泵系统仅为燃煤锅炉供热系统的46.19%。

在投资有效期内（按20年考虑），综合比较2种方案的费用，水源热泵系统的总运行费用大约是燃煤锅炉供热系统运行费用的45%左右。

由此可见，水源热泵系统比其它方案更具经济性。

3.3设备清单

附表1：

序号

设备名称

设备型号

单位

数量

单价

.金额

1

热泵机组

WCFXHP69

台

2

1870000.00

3740000.00

2

热泵机组

WCFXHP81

台

2

2180000.00

4360000.00

3

补水泵

KQL200/300

台

4

21800.00

87200.00

4

补水泵

KQL80/170

台

2

4500.00

9000.00

5

循环泵

KQSN300-N13

台

3

41000.00

123000.00

6

循环泵

KQSN350-N13

台

2

59000.00

118000.00

7

水处理设备

套

1

97500.00

97500.00

8

水箱

塑钢

个

1

2430