張 鵬，魏 江，王 濤，曹 超

(華北電力科學研究院(西安)有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快和居民生活水平的提高，冬季城鎮(zhèn)采暖需求不斷增加，采暖需求與供暖能力的矛盾也日趨凸現(xiàn)［1］。在不增設新熱源、不增加污染物排放的情況下，提高現(xiàn)有機組供熱能力已經成為我們迫切需要解決的問題。從火電廠能源利用的角度來看，燃料燃燒發(fā)熱量中只有40%左右轉變?yōu)殡娔?，凝汽式機組約50%以上的熱能通過汽輪機排汽失散到環(huán)境中［2］。對于濕冷機組，汽輪機排汽中的熱量被循環(huán)水帶走，這部分熱量巨大，但能量品質較低，很難被直接利用。某熱電廠利用吸收式熱泵回收循環(huán)水中所蘊含的熱量，加熱熱網(wǎng)回水，減少供熱用汽量［3－4］，大幅提高了機組供熱能力，有效解決了采暖供需之間的矛盾。

1 設備系統(tǒng)概況

某熱電廠現(xiàn)裝機容量4×200 MW，全部為供熱機組，擔負著該地區(qū)3 000萬m2的供熱任務。機組熱網(wǎng)分為大熱網(wǎng)和小熱網(wǎng)兩部分，如圖1所示。

圖1 改造前熱網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

大熱網(wǎng)設計供水流量9 000 t/h，熱網(wǎng)回水采用兩級加熱，55℃的回水經#1、#2機組熱網(wǎng)加熱器加熱后，匯總到#3機組熱網(wǎng)尖峰加熱器加熱到供水需要的135℃。小熱網(wǎng)供水設計流量3 700 t/h，66℃的回水采用一級加熱，使用#4機組熱網(wǎng)尖峰加熱器加熱到供水需要的135℃［5］。2009年，城市采暖需求已經達到機組額定供熱能力，預計2010年供熱缺口將達100萬m2。針對電廠供熱能力不足的問題，決定采用吸收式熱泵對循環(huán)水余熱進行回收利用。

2 吸收式熱泵工作原理

吸收式熱泵是一種以蒸汽或燃料為驅動，將熱量從低溫熱源向高溫熱源泵送的循環(huán)系統(tǒng)。它由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器及換熱器等主要部件及溶液泵和工質泵等輔助部分組成［6］，如圖2所示。蒸汽或燃料在發(fā)生器內釋放熱量Qg，加熱溴化鋰稀溶液并產生冷劑蒸汽，冷劑蒸汽進入冷凝器，釋放冷凝熱Qc加熱流經冷凝器傳熱管內的熱水，自身冷凝成液體后經節(jié)流閥進入蒸發(fā)器，冷劑水經工質泵噴淋到蒸發(fā)器傳熱管表面，吸收流經傳熱管內的低溫熱源水的熱量Qe，使熱源水溫度降低后流出機組，冷劑水吸收熱量后汽化成冷劑蒸汽，進入吸收器，被發(fā)生器濃縮后的溴化鋰溶液返回吸收器后噴淋，吸收從蒸發(fā)器過來的冷劑蒸汽，并放出吸收熱Qa，加熱流經吸收器傳熱管內的熱水。熱水流經吸收器、冷凝器升溫后，輸送給熱用戶。

3 改造方案介紹

圖2 吸收式熱泵工作原理1－發(fā)生器;2－冷凝器;3－蒸發(fā)器;4－吸收器;5－溶液熱交換器

循環(huán)水余熱利用改造主要包括兩部分，一部分為循環(huán)水側，另一部分為熱網(wǎng)側。循環(huán)水側，主要對#4機組循環(huán)水系統(tǒng)進行改造，改造方案如圖3所示。

圖3 改造后的系統(tǒng)

將凝汽器出口循環(huán)水分為兩路，第一路經回水電動閥HV005回至冷卻塔，第二路經循環(huán)水經升壓泵進入10臺吸收式熱泵，用以回收循環(huán)水的熱量。熱泵出口循環(huán)水一路經電動閥HV004、調節(jié)閥Y002回至冷卻塔;另一路經電動閥HV003、調節(jié)閥Y001回至凝汽器。非供暖工況下，隔離熱泵系統(tǒng)，循環(huán)水直接經回水電動閥HV005回至冷卻塔;供暖工況下，循環(huán)水切換至熱泵側，經熱泵降溫后，通過循環(huán)水泵升壓進入凝汽器。循環(huán)水回水至凝汽器入口供調節(jié)閥Y001用來控制升壓泵出口壓力，循環(huán)水回水至冷卻塔調節(jié)閥Y002用來控制凝汽器進水溫度。熱網(wǎng)側，大熱網(wǎng)回水由原來的兩級加熱增加為三級加熱。小熱網(wǎng)回水由原來的一級加熱增加為兩級加熱。吸收式熱泵利用#4機采暖抽汽作為熱源，吸收循環(huán)水熱量，大熱網(wǎng)回水經熱泵加熱后，再經#1～#2熱網(wǎng)基本加熱器，#3機尖峰加熱器將熱水提升到135℃，供給大熱網(wǎng)用戶。小熱網(wǎng)回水新增加兩臺低壓熱網(wǎng)加熱器，由原來的一級加熱增加為兩級加熱，回水首先進入新增加熱器利用#1、#2機剩余蒸汽加熱，再經#4機尖峰加熱器，將溫度提升到135℃，供給小熱網(wǎng)用戶。

4 改造效果評價

循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)正常投運后，兩臺循環(huán)水升壓泵出口壓力0.3 MPa，8臺熱泵投入運行，2臺熱泵備用，熱泵出口循環(huán)水至冷卻塔電動閥HV004全關，至冷卻塔回水調整閥Y002投自動，用來控制凝汽器出口循環(huán)水溫度在31.5～33℃之間，熱泵出口循環(huán)水至凝汽器電動閥HV003全開，至凝汽器調節(jié)閥Y001調整系統(tǒng)壓力。熱泵運行期間，各主要參數(shù)如表1所示。

表1 熱泵運行期間主要參數(shù)

4.1 熱泵效能系數(shù)COP

熱泵效能系數(shù)COP是熱泵輸出熱量Qh與熱泵運行時消耗的一次能源總量W之比，是評價熱泵經濟性的重要指標，吸收式熱泵能效系數(shù)COP一般在1.65～1.85之間［7－9］。

式中 h1——#1～#4熱泵熱網(wǎng)側出水焓值;

h2——#1－#4熱泵熱網(wǎng)側進水焓值;

g1——#1～#4熱泵熱網(wǎng)側流量;

h3——#7～#10熱泵熱網(wǎng)側出水焓值;

h4——#7～#10熱泵熱網(wǎng)側進水焓值;

g2——#7～#10熱泵熱網(wǎng)側流量;

h5——熱泵驅動蒸汽焓值;

h6——熱泵疏水焓值;

g3——熱泵驅動蒸汽流量。

將表1數(shù)據(jù)代入公式(1)可得，熱泵效能系數(shù)COP為1.85。

4.2 熱泵凈回收熱量

熱泵在運行過程中，不僅吸收了循環(huán)水的熱量，也增加了循環(huán)水升壓泵、疏水泵及熱泵工質泵、溶液泵的運行，增大了廠用電量的消耗。熱泵凈回收熱量為熱泵吸收循環(huán)水的熱量與生產多消耗的這部分電能所需的熱量之差。熱泵運行期間，各轉動機械主要參數(shù)如表2所示。

表2 熱泵運行期間各轉動機械主要參數(shù)

各旋轉機械運行時，所消耗的電功率。

式中 P——電功率;

U——運行電壓;

I——運行電流;

cosφ——功率因素。

熱泵運行時，凈回收的熱量。

式中 Q——熱泵運行凈回收熱量;

Qrh——平均供電熱耗取8 300 kJ/kWh。

將表1、表2數(shù)據(jù)代入式(2)、式(3)可得，熱泵運行時，凈回收熱量為241.39 GJ/h。按照綜合供熱指標180 kJ/m2·h計算［10］，可增加供熱面積134.1萬m2。

4.3 節(jié)能減排量

4.3.1 節(jié)約用水量

機組正常運行時，循環(huán)水的損失主要由蒸發(fā)損失、風吹損失和排污損失三部分組成［11－12］。當熱泵投入運行后，熱泵在回收循環(huán)水熱量的同時，降低了循環(huán)水的溫度，減少了循環(huán)水在冷卻塔中的各項損失。按每年熱泵運行120天計算，則年節(jié)約循環(huán)水量。

式中 Qm——循環(huán)水節(jié)水量;

Qe——循環(huán)水蒸發(fā)損失;

Qw——循環(huán)水風吹損失;

Qb——循環(huán)水排污損失;

N——濃縮系數(shù)取3;

Kzf——當進塔氣溫為0℃時，Kzf取0.001節(jié)

約用水量;

Kfc——對于自然通風冷卻塔取0.05%;

Qxh——循環(huán)水流量;

t——年運行時間;

Δt——循環(huán)水進、回水溫差。將數(shù)據(jù)代入式(4)，可知每年可節(jié)約循環(huán)水量294 768 t。

4.3.2 節(jié)約用煤量

煤炭在燃燒時，釋放出的熱量被鍋爐內水吸收產生蒸汽，經管道進入換熱器，鍋爐效率越高煤炭的利用率越高。熱泵在投入運行后，回收了大量的熱量，可減少鍋爐出力，節(jié)約大量的煤炭。按照熱泵年運行120天計算，則每年節(jié)約用煤量。

式中 Gm——節(jié)省煤量;

Q——凈回收熱量;

Qb——標煤發(fā)熱量;

ηgl——鍋爐效率取91%;

ηgd——管道效率取98%;

t——年運行時間取120天。

將數(shù)據(jù)帶入式(5)，則每年可節(jié)約煤量26 599 t。

4.3.3 減排量

煤炭在燃燒的過程中，會釋放出大的廢氣，按照每噸煤排放CO22.62 t，SO28.5 kg NOx7.4 kg計算［13］，每年可減少CO2排放69 689 t，減少SO2排放226 t，減少NOx排放196 t。

5 結論

通過對循環(huán)水系統(tǒng)進行余熱回收利用，增加了134萬m2的供熱面積，每年節(jié)約煤炭26 599 t，節(jié)約用水294 768 t，減少CO2排放69 689 t，減少SO2排放226 t，減少NOx排放196 t。通過改造不僅有效解決了電廠供熱能力不足的問題，取得了較大的經濟和社會效益，同時也取得了巨大的環(huán)境效益。

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