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(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206;2.黑龍江雙鍋鍋爐股份有限公司，黑龍江 雙鴨山 155110；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院 農(nóng)電研究所，北京 100192)

電廠循環(huán)水吸收式熱泵利用系統(tǒng)分析

程偉良1，佟海川2，勾建輝1，苗常海3

(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206;2.黑龍江雙鍋鍋爐股份有限公司，黑龍江 雙鴨山 155110；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院 農(nóng)電研究所，北京 100192)

熱電廠的循環(huán)水所具有的熱量一般是通過冷卻塔釋放給大氣環(huán)境，為對(duì)這部分余熱回收利用，進(jìn)行了水源熱泵能量系統(tǒng)的分析研究。將熱泵系統(tǒng)供給的熱量扣除消耗的驅(qū)動(dòng)蒸汽熱量，再考慮導(dǎo)致新增的驅(qū)動(dòng)電耗，及以凝汽器真空下降引起發(fā)電的熱耗增加作為修正，可確定最終節(jié)能量。通過對(duì)實(shí)際熱電廠4臺(tái)200 MW供熱機(jī)組的循環(huán)水源吸收式熱泵系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，可獲知年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤9 985.7 t，該方案實(shí)現(xiàn)了比較理想的工程節(jié)能效果。

電廠循環(huán)水；吸收式熱泵；余熱利用；節(jié)煤量

0 引言

隨著“十二五”規(guī)劃中節(jié)能減排工作的深入，如何在高耗能行業(yè)中減少?gòu)U氣廢水的排放并充分利用相關(guān)余熱資源顯得尤為重要，其中利用熱泵技術(shù)回收電廠循環(huán)水余熱就是一個(gè)很有節(jié)能潛力的發(fā)展方向。熱泵技術(shù)具有節(jié)能和環(huán)保雙重效應(yīng)，近年來熱泵技術(shù)已經(jīng)引起了許多學(xué)者和工業(yè)企業(yè)的關(guān)注。

Li Yun等[1-2]對(duì)不同吸收式熱泵的系統(tǒng)分別建模并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析對(duì)比；郭江龍等構(gòu)建了吸收式熱泵在回收電廠循環(huán)水余熱工程中熱經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣的判定模型[3]；周崇波等針對(duì)帶吸收式熱泵回收利用冷端潛熱用于供熱的新型熱電聯(lián)產(chǎn)的機(jī)組，建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型，并分析了機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性及投資收益[4]。還有很多學(xué)者對(duì)循環(huán)水源吸收式熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了分析[5-8]。但還沒有對(duì)熱泵技術(shù)回收利用電廠循環(huán)水熱量帶來的節(jié)能效益做定量的研究。

本文主要通過對(duì)熱電廠供熱機(jī)組的循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造方案設(shè)計(jì)，并采用吸收式熱泵系統(tǒng)，通過進(jìn)行能量平衡計(jì)算分析，提出了對(duì)于熱泵系統(tǒng)的節(jié)能分析策略，同時(shí)對(duì)該計(jì)算方法提出了修正方案，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)具體的供熱機(jī)組進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算分析。

1 吸收式熱泵技術(shù)方案

現(xiàn)代超臨界600 MW的純凝式汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的能源利用效率約42%，其它亞臨界機(jī)組的能源利用效率更低。 而導(dǎo)致純凝式汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率低下的主要原因是冷源熱損失，它約占火電廠消耗能源的50%。冷源熱損失是指由循環(huán)冷卻水散失到大氣中的熱量，這部分熱損失數(shù)量巨大，但是品位很低，溫度一般在30～40℃左右，回收利用的難度很大。利用吸收式熱泵技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)將電廠循環(huán)水蘊(yùn)含的低品位熱量回收，并提升到60℃以上的高溫?zé)嵩粗腥?，用于向用戶供暖?/p>

吸收式熱泵系統(tǒng)是由發(fā)生器、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、溶液泵、溶液閥、溶液換熱器等組成封閉環(huán)路，內(nèi)充以工質(zhì)對(duì)(吸收劑和循環(huán)工質(zhì))溶液組成。具體情況如圖1所示。

圖1 吸收式熱泵示意圖

利用汽輪機(jī)抽汽(即驅(qū)動(dòng)蒸汽)加熱發(fā)生器中的工質(zhì)對(duì)濃溶液，產(chǎn)生高溫高壓的循環(huán)工質(zhì)(制冷劑)蒸氣，進(jìn)入冷凝器；在冷凝器中循環(huán)工質(zhì)凝結(jié)放熱變?yōu)檠h(huán)工質(zhì)液體，進(jìn)入膨脹閥；經(jīng)膨脹閥后變?yōu)榈蛪旱难h(huán)工質(zhì)飽和氣與飽和液的混合物，進(jìn)入蒸發(fā)器；在蒸發(fā)器中循環(huán)工質(zhì)吸收電廠循環(huán)水的熱量變?yōu)檎魵猓M(jìn)入吸收器，在吸收器中循環(huán)工質(zhì)蒸氣被工質(zhì)對(duì)溶液吸收。吸收了循環(huán)工質(zhì)蒸氣的工質(zhì)對(duì)溶液經(jīng)熱交換器升溫后被泵連續(xù)地送到發(fā)生器。同時(shí)產(chǎn)生了循環(huán)工質(zhì)蒸氣的發(fā)生器中的濃溶液，經(jīng)熱交換器降溫后不斷進(jìn)入吸收器，以維持發(fā)生器和吸收器中液位、濃度和溫度的穩(wěn)定，最終實(shí)現(xiàn)吸收式熱泵的連續(xù)制熱。

2 電廠循環(huán)水源吸收式熱泵系統(tǒng)

裝有4臺(tái)200 MW供熱機(jī)組的熱電廠，其承擔(dān)有3200萬m2的供熱任務(wù)。據(jù)2009～2010年供熱季節(jié)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，這四臺(tái)機(jī)組整個(gè)采暖季平均抽汽量已接近額定抽汽量。為了滿足不斷增加的供熱需求，該熱電廠采用吸收式熱泵技術(shù)，以30℃左右的循環(huán)水作為低溫?zé)嵩?，以汽輪機(jī)抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，從低溫?zé)嵩椿厥諢崃坎⑻嵘郎囟?，用于加熱熱網(wǎng)回水。

針對(duì)該熱電廠的實(shí)際情況，利用熱泵技術(shù)可對(duì)該電廠供熱機(jī)組進(jìn)行供熱整體設(shè)計(jì)方案重新考慮，結(jié)合熱泵系統(tǒng)的熱電廠機(jī)組供熱方案如圖2所示。

圖2的熱電廠熱泵利用系統(tǒng)中，主要分為四臺(tái)熱泵機(jī)組、供熱水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)蒸汽系統(tǒng)。熱泵的驅(qū)動(dòng)蒸汽由高壓蒸汽母管引自汽輪機(jī)抽汽，蒸汽放熱后其冷凝水由凝水母管回收。熱泵輸出熱量進(jìn)入供熱水系統(tǒng)，供熱進(jìn)出水母管在各臺(tái)熱泵處設(shè)支管，供熱水系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行。熱泵從循環(huán)水系統(tǒng)吸收熱量，循環(huán)水進(jìn)出水母管在各臺(tái)熱泵處也設(shè)有支管，系統(tǒng)也采用并聯(lián)方式運(yùn)行。

3 熱電廠循環(huán)水吸收式熱泵系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算分析

3.1 熱泵系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法

對(duì)于熱泵系統(tǒng)而言，所輸入的能量為驅(qū)動(dòng)蒸汽所帶入的熱量、熱網(wǎng)回水輸入熱量，循環(huán)水輸入熱量；系統(tǒng)輸出能量為凝水輸出熱量，供熱水輸出熱量，循環(huán)水輸出熱量。還可以進(jìn)一步以凈輸入或凈輸出熱流來分析，即可分為驅(qū)動(dòng)蒸汽系統(tǒng)帶入凈熱量，循環(huán)水系統(tǒng)帶入凈熱量和供熱水系統(tǒng)輸出凈熱量，則有以下熱平衡：

驅(qū)動(dòng)蒸汽帶入凈熱量+循環(huán)水帶入凈熱量=供熱水輸出凈熱量

熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果一般是通過改造前后的能耗對(duì)比分析來進(jìn)行。對(duì)比熱泵采用改造前后的情況可知，進(jìn)入熱泵系統(tǒng)的高壓驅(qū)動(dòng)蒸汽為新增加的熱能消耗，熱泵系統(tǒng)輸出的供熱水熱量為新增加的熱能輸出。即高壓蒸汽系統(tǒng)帶入熱量為系統(tǒng)消耗的代價(jià)，供熱水輸出的熱量為系統(tǒng)所獲得的效益。改造前，循環(huán)水帶入系統(tǒng)的熱量由冷卻塔散失到環(huán)境中去，其熱量完全廢棄，該部分熱量可不計(jì)入系統(tǒng)改造消耗的代價(jià)。

因此，初步節(jié)能效果可標(biāo)定為供熱水輸出的凈熱量扣除驅(qū)動(dòng)蒸汽系統(tǒng)帶入凈熱量。而兩者之比即為熱泵系統(tǒng)的能效比(COP)。

節(jié)能量=供熱水輸出凈熱量-驅(qū)動(dòng)蒸汽帶入凈熱量

(1)

3.2 熱泵系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法改進(jìn)

吸收式熱泵不但自身會(huì)消耗一部分電能，而且會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)發(fā)電熱耗上升。這是因?yàn)椴捎梦帐綗岜煤蠼o原有系統(tǒng)帶來了額外能耗增加。因此，熱泵系統(tǒng)的最終節(jié)能量需要考慮這些情況，應(yīng)從節(jié)能量中扣除這些額外能耗。

首先要考慮改造后新增電機(jī)能耗情況。這些增加的能耗包括：吸收式熱泵本體電機(jī)電耗(包括冷劑泵、溶液泵、噴淋泵、真空泵)、循環(huán)水升壓泵電機(jī)電耗、驅(qū)動(dòng)蒸汽冷凝水泵電耗。由于原有系統(tǒng)中并沒有該部分能耗，因此應(yīng)按全國(guó)平均供電煤耗折算后扣除。

其次，還要考慮凝汽器真空下降導(dǎo)致的能耗增加。經(jīng)吸收式熱泵技術(shù)改造后，汽輪發(fā)電機(jī)組循環(huán)水進(jìn)出凝汽器的平均溫度較原來有所升高，導(dǎo)致凝汽器真空下降，因而進(jìn)入凝汽器的排汽焓升高，發(fā)電量減少，熱電廠發(fā)電煤耗上升。在計(jì)算這部分附加能耗時(shí)，可通過熱泵技術(shù)改造前后的凝汽器真空變化，計(jì)算引起的發(fā)電量減少量，具體計(jì)算方法如圖3所示。

圖3 真空降低節(jié)能量修正計(jì)算

首先，通過汽輪機(jī)低壓缸的進(jìn)汽溫度、壓力、比焓及比熵。并利用機(jī)組在最大抽汽工況時(shí)的相對(duì)內(nèi)效率，確定其在未改造前凝汽器真空條件下的膨脹線終點(diǎn)焓，具體計(jì)算公式如下

ELEP=UEEP-0.87XEL

(2)

式中ELEP——膨脹線終點(diǎn)焓；

UEEP——有用能終點(diǎn)焓；

X——排汽干度；

EL——排汽損失。

計(jì)算熱泵技術(shù)改造后凝汽器真空條件下的排氣終點(diǎn)焓后，可通過對(duì)比得到機(jī)組減少的電功率，再結(jié)合冬季采暖運(yùn)行小時(shí)數(shù)計(jì)算采暖季時(shí)段的發(fā)電量減少情況，按照當(dāng)年全國(guó)平均供電煤耗折算為標(biāo)準(zhǔn)煤，即為真空變化引起原有系統(tǒng)能耗附加。

3.3 熱泵系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算分析

根據(jù)上述介紹的節(jié)能效果計(jì)算方法，需要計(jì)算熱泵輸出的凈供熱水熱量和高壓驅(qū)動(dòng)蒸汽帶入凈熱量。可利用供熱水流量、進(jìn)出口溫度及壓力計(jì)算凈供熱水熱量；結(jié)合蒸汽流量、溫度和壓力及凝水溫度計(jì)算高壓驅(qū)動(dòng)蒸汽帶入凈熱量。并可利用供熱系統(tǒng)熱平衡方程，結(jié)合循環(huán)水流量、進(jìn)出口溫度實(shí)現(xiàn)校核計(jì)算。

采用典型工況下熱泵系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)的節(jié)能量，結(jié)合確定的設(shè)備運(yùn)行小時(shí)數(shù)，計(jì)算相應(yīng)的年節(jié)煤量。設(shè)備運(yùn)行小時(shí)數(shù)可按照供暖季的相關(guān)規(guī)定，取3 000 h。

在該熱電廠熱泵系統(tǒng)中，熱泵作為熱網(wǎng)回水所經(jīng)過的第一級(jí)加熱器，其后串聯(lián)基本加熱器和尖峰加熱器，熱泵和基載加熱器作為基本加熱使用，熱負(fù)荷調(diào)節(jié)由尖峰加熱器完成，因此，可以保證熱泵系統(tǒng)供熱的熱負(fù)荷比較穩(wěn)定。

對(duì)該熱泵系統(tǒng)分別計(jì)算的熱水供熱量、消耗蒸汽量、初步節(jié)能量以及熱泵系統(tǒng)的能效比(COP)，具體的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 吸收式熱泵節(jié)能量計(jì)算情況

從上表可看出，該吸收式熱泵系統(tǒng)的初步年節(jié)煤量為11 045.3 t標(biāo)準(zhǔn)煤。熱泵系統(tǒng)的能效比為1.866。如需要這個(gè)計(jì)算的節(jié)煤量更全面合理，還需要考慮其它一些影響因素，如熱泵系統(tǒng)的自身電耗，及循環(huán)水在熱泵蒸發(fā)設(shè)備中的冷卻效果不如冷卻塔導(dǎo)致的發(fā)電效率略有下降等。

在針對(duì)一個(gè)完整的采暖季考慮熱泵系統(tǒng)新增電耗時(shí)，共計(jì)109.92萬kW·h，按2012年全國(guó)平均供電煤耗(326 gce/kW·h)折算為標(biāo)煤358.3 t。改造前汽輪機(jī)凝汽器壓力為0.002 5 MPa,改造后凝汽器壓力上升為0.004 3 MPa，排汽流量為133.55 t/h，真空變差導(dǎo)致發(fā)電功率減少1 719.95 kW，由于該熱泵系統(tǒng)導(dǎo)致的供熱機(jī)組年減少發(fā)電量總計(jì)為206.39萬kW·h，折算為標(biāo)煤672.8 t。

基于上述分析計(jì)算，該吸收式熱泵系統(tǒng)改進(jìn)后的年節(jié)煤量實(shí)際為初步節(jié)煤量扣除改造后新增電機(jī)能耗及凝汽器真空下降導(dǎo)致的能耗，最后計(jì)算得到的年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤為9 985.7 t。

4 結(jié)論

通過對(duì)熱電廠供熱機(jī)組的循環(huán)水源吸收式熱泵系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，以能量平衡理論為依據(jù)，提出了對(duì)于熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果計(jì)算方法，同時(shí)提出了該計(jì)算方法修正條件，即在系統(tǒng)自身電耗及機(jī)組真空引起經(jīng)濟(jì)性等不能忽略時(shí)的能量修正方法，并對(duì)具體的供熱機(jī)組進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，采用熱泵系統(tǒng)可節(jié)約能源，并提高整個(gè)機(jī)組的供熱能力。這將為在城市供熱面積不斷擴(kuò)大的情況下，提高供熱機(jī)組的適應(yīng)能力，是一種切實(shí)可行的工程應(yīng)用方案。

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AnalysisofAbsorptionHeatPumpSystemofCirculatingWaterinPowerPlant

CHENG Wei-liang1, TONG Hai-chuan2,OU Jian-hui1, MIAO Chang-hai3

(1.School of Energy Power Andmechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2.Heilongjiang double boiler Limited Company by Share Ltd, Shuangyashan 155110,China;3.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192,China)

Generally, circulating water heat of thermal power plant is released to the atmosphere through cooling tower environment, waste heat recovery and utilization for this part, carried out a study on the energy system of the water source heat pump. Deduction of the consumption-driven heat pump system supplying steam heat, deducts new drive power consumption and amends heat losses increase caused by decline in condenser vacuum, to determine the final energy. Through actual 4×200 MW thermal power plant of circulating water absorption heat pump system evaluated have access to save 9985.74 tons of standard coal a year, works to achieve ideal energy saving effect.

circulating water in power plant; absorption heat pumps; utilization of waste heat; coal saving weight

2014-06-25修訂稿日期2014-08-27

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(3132017)

程偉良(1965～),男，博士，教授，研究方向?yàn)槿济弘娬疚廴疚餃p排技術(shù)研究、熱力設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及節(jié)能技術(shù)等。

TQ051.5:TK11+5

A

1002-6339 (2014) 05-0430-04