吸收式熱泵在循環(huán)水余熱利用中的應(yīng)用
文/張鵬 魏江 曹超 華北電力科學(xué)研究院(西安)有限公司
隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)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)。在不增設(shè)新的熱源、不增加污染物排放的情況下,提高現(xiàn)有機(jī)組供熱能力已經(jīng)成為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(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,凝汽式機(jī)組約50%以上的熱能通過汽輪機(jī)排汽失散到環(huán)境中。對于濕冷機(jī)組,汽輪機(jī)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(zhì)較低,很難被直接利用。某熱電廠利用吸收式熱泵技術(shù),回收循環(huán)水中所蘊(yùn)含的熱量,大幅提高了能源的利用率,有效解決了采暖供需之間的矛盾。
某熱電廠現(xiàn)裝機(jī)容量4×200 MW,全部為供熱機(jī)組,擔(dān)負(fù)著該地區(qū)3000萬m2的供熱任務(wù)。機(jī)組熱網(wǎng)分為大熱網(wǎng)和小熱網(wǎng)兩部分(見圖1)。大熱網(wǎng)設(shè)計(jì)供水流量9000t/h,熱網(wǎng)回水采用兩級加熱,55℃的回水經(jīng)1、2號機(jī)組熱網(wǎng)加熱器加熱后,匯總到3號機(jī)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(shè)計(jì)流量3700t/h,66℃的回水采用一級加熱,使用4號機(jī)組熱網(wǎng)尖峰加熱器加熱到供水需要的135℃。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(jìn)行回收利用。
吸收式熱泵是一種以蒸汽或燃料為驅(qū)動,將熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩摧斔偷难h(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,以及溶液泵和工質(zhì)泵等輔助部分組成(見圖2)。蒸汽或燃料在發(fā)生器內(nèi)釋放熱量Qg,加熱溴化鋰稀溶液并產(chǎn)生冷劑蒸汽,冷劑蒸汽進(jìn)入冷凝器,釋放冷凝熱Qc加熱流經(jīng)冷凝器傳熱管內(nèi)的熱水,自身冷凝成液體后經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器,冷劑水經(jīng)工質(zhì)泵噴淋到蒸發(fā)器傳熱管表面,吸收流經(jīng)傳熱管內(nèi)的低溫?zé)嵩此臒崃縌e,使熱源水溫度降低后流出機(jī)組,冷劑水吸收熱量后汽化成冷劑蒸汽,進(jìn)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(jīng)吸收器傳熱管內(nèi)的熱水。熱水流經(jīng)吸收器、冷凝器升溫后,輸送給熱用戶。
圖2 吸收式熱泵工作原理
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(cè);另一部分為熱網(wǎng)側(cè)。循環(huán)水側(cè),主要對#4機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行改造,改造方案見圖3。將凝汽器出口循環(huán)水分為兩路,第一路經(jīng)回水電動閥HV005回至冷卻塔;第二路經(jīng)循環(huán)水經(jīng)升壓泵進(jìn)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(jīng)電動門HV004、調(diào)節(jié)閥Y002回至冷卻塔;另一路經(jīng)電動門HV003、調(diào)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(jīng)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(cè),經(jīng)熱泵降溫后,通過循環(huán)水泵升壓進(jìn)入凝汽器。循環(huán)水回水至凝汽器入口供水調(diào)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(diào)節(jié)閥Y002用來控制凝汽器進(jìn)水溫度。熱網(wǎng)側(cè),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號機(jī)采暖抽汽作為熱源,吸收循環(huán)水熱量,大熱網(wǎng)回水經(jīng)熱泵加熱后,再經(jīng)1~2號熱網(wǎng)基本加熱器,3號機(jī)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(jìn)入新增加熱器利用1、2號機(jī)剩余蒸汽加熱,再經(jīng)4號機(jī)尖峰加熱器,將溫度提升到135℃,供給小熱網(wǎng)用戶。
圖3 改造后的系統(tǒng)
循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)正常投運(yùn)后,兩臺循環(huán)水升壓泵出口壓力0.3MPa,8臺熱泵投入運(yùn)行,2臺熱泵備用,熱泵出口循環(huán)水至冷卻塔電動門HV004全關(guān),至冷卻塔回水調(diào)整門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)水至凝汽器電動門HV003全開,至凝汽器調(diào)節(jié)門Y001調(diào)整系統(tǒng)壓力。熱泵運(yùn)行期間,各主要參數(shù)如表1所示。
表1 熱泵運(yùn)行期間主要參數(shù)
熱泵效能系數(shù)COP是熱泵輸出熱量Qh與熱泵運(yùn)行時(shí)消耗的一次能源總量W之比,是評價(jià)熱泵經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo),吸收式熱泵能效系數(shù)COP一般在1.65~1.85之間。
式中:h1─1-4號熱泵熱網(wǎng)側(cè)出水焓值;h2─1-4號熱泵熱網(wǎng)側(cè)進(jìn)水焓值;
g1─1-4號熱泵熱網(wǎng)側(cè)流量;h3─7-10號熱泵熱網(wǎng)側(cè)出水焓值;
h4─7-10號熱泵熱網(wǎng)側(cè)進(jìn)水焓值;g2─7-10號熱泵熱網(wǎng)側(cè)流量;
h5─熱泵驅(qū)動蒸汽焓值;h6─熱泵疏水焓值;g3─熱泵驅(qū)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。
熱泵在運(yùn)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(zhì)泵、溶液泵的運(yùn)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(chǎn)多消耗的這部分電能所需的熱量之差。熱泵運(yùn)行期間,各轉(zhuǎn)動機(jī)械主要參數(shù)如表2所示。
表2 熱泵運(yùn)行期間各轉(zhuǎn)動機(jī)械主要參數(shù)
各泵運(yùn)行時(shí),所消耗的電功率:
式中:P─ 電功率;U為運(yùn)行電壓;I─運(yùn)行電流;Cosφ─功率因素。
熱泵運(yùn)行時(shí),凈回收的熱量:
式中:Q─熱泵運(yùn)行凈回收熱量;8300─發(fā)電平均熱耗kJ/kW?h。
將表1、表2數(shù)據(jù)代入公式2、公式3可得,當(dāng)熱泵運(yùn)行時(shí),凈回收熱量為241.39GJ/h。
按照綜合供熱指標(biāo)180kJ/m2計(jì)算,可增加供熱面積134.1萬m2。
4.3.1 節(jié)約用水量
機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),循環(huán)水的損失主要由蒸發(fā)損失、風(fēng)吹損失和排污損失三部分組成。當(dāng)熱泵投入運(yùn)行后,熱泵在回收循環(huán)水熱量的同時(shí),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(xiàng)損失。按每年熱泵運(yùn)行120天計(jì)算,則年節(jié)約循環(huán)水量:
式中:Qm─循環(huán)水節(jié)水量;Qm─循環(huán)水蒸發(fā)損失;Qw─循環(huán)水風(fēng)吹損失Qb─循環(huán)水排污損失;N為濃縮系數(shù),取3;Kzf當(dāng)進(jìn)塔氣溫為0℃時(shí),Kzf取0.001節(jié)約用水量;Kfc對于自然通風(fēng)冷卻塔取0.05%,Qxh─循環(huán)水流量;t─年運(yùn)行時(shí)間 。將數(shù)據(jù)代入公式4,可知每年可節(jié)約循環(huán)水量294768t。
4.3.2 節(jié)約用煤量
煤炭在燃燒時(shí),釋放出的熱量被鍋爐內(nèi)水吸收產(chǎn)生蒸汽,經(jīng)管道進(jìn)入換熱器,鍋爐效率越高煤炭的利用率越高。熱泵在投入運(yùn)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(yùn)行120天計(jì)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(biāo)煤發(fā)熱量;ηgl─鍋爐效率取91%;ηgd─管道效率取98%;t─年運(yùn)行時(shí)間,120天。
將數(shù)據(jù)帶入公式5,則每年可節(jié)約煤量26599t。
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CO22.62t,SO28.5kg NOx7.4 kg計(jì)算,每年可減少CO2排放69689t,減少SO2排放226t,減少NOx排放196t。
通過對循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)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26599t,節(jié)約用水294768t,減少CO2排放69689t,減少SO2排放226t,減少NOx排放196t。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(jīng)濟(jì)和社會效益,同時(shí)也取得了巨大的環(huán)境效益。