費盼峰， 孫士恩， 馮亦武， 俞 聰， 徐朝陽

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州3100 30）

0 引言

目前，國內(nèi)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的供熱能力有限，聯(lián)合循環(huán)電廠在供暖高峰期采用燃燒天然氣的熱水爐來進(jìn)一步加熱熱網(wǎng)回水以達(dá)到供熱需要，而采用天然氣供熱的燃料成本很高。從近年來余熱利用技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀來看，吸收式熱泵余熱回收系統(tǒng)可有效回收聯(lián)合循環(huán)機組汽機凝汽器循環(huán)冷卻水的余熱量，用于熱網(wǎng)加熱供熱，這樣在一個采暖季的相同供熱面下，可減少天然氣的用量，實現(xiàn)較好的經(jīng)濟效益及環(huán)境效益。在實際的大型吸收式熱泵余熱回收系統(tǒng)運行中，存在著比較復(fù)雜的供熱負(fù)荷變化、驅(qū)動蒸汽調(diào)節(jié)、循環(huán)水量變化等影響因素[1]。在沒有系統(tǒng)運行的在線性能數(shù)據(jù)作為參考的情況下，缺乏經(jīng)驗的運行人員往往較難找到最佳運行方式，使吸收式熱泵余熱回收系統(tǒng)運行最優(yōu)化，達(dá)到最佳效能。因此，本文研究了聯(lián)合循環(huán)電廠大型吸收式熱泵余熱回收系統(tǒng)在線性能檢測，旨在獲取余熱利用系統(tǒng)實時運行信息，在線計算及實時顯示余熱回收系統(tǒng)運行中的各性能指標(biāo)，為運行人員提供可靠運行依據(jù)，使系統(tǒng)運行達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖1 聯(lián)合循環(huán)電廠吸收式熱泵余熱回收系統(tǒng)

1 系統(tǒng)構(gòu)架

1.1 吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱系統(tǒng)

聯(lián)合循環(huán)電廠利用吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱技術(shù)主要是將吸收式熱泵機組集中設(shè)置在電廠內(nèi)部，采用汽輪機中壓缸抽汽或余熱鍋爐的低壓補氣作為熱泵驅(qū)動熱源，回收汽輪機排汽后凝汽器循環(huán)水余熱，如圖1所示，熱網(wǎng)循環(huán)水回水進(jìn)入熱泵系統(tǒng)加熱后進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器。熱網(wǎng)加熱器的出水與余熱鍋爐熱網(wǎng)加熱器出水混合后進(jìn)入熱水爐進(jìn)一步加熱，并向用戶供出。由于該系統(tǒng)回收了部分或全部汽輪機乏汽余熱，電廠綜合能源利用效率也相應(yīng)的提高。

實際運行中，循環(huán)水余熱回收系統(tǒng)所回收的余熱量受到了各種運行工況的制約，主要的制約因素有熱網(wǎng)的熱負(fù)荷，吸收式熱泵驅(qū)動蒸汽熱量、余熱水和熱網(wǎng)水的流量及吸收式熱泵本身的COP值等[2]。而隨著環(huán)境溫度及機組負(fù)荷等各種外部因素的變化，制約熱泵的性能因素也會相應(yīng)的變化，循環(huán)水余熱回收系統(tǒng)的回收效率也將出現(xiàn)變化。如何在變化的工況下選擇合理的運行方式是一個比較關(guān)鍵的問題，運行方式的調(diào)整可以影響循環(huán)水余熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟性[3]。實際運行中，由于沒有較全面的系統(tǒng)性能信息及現(xiàn)場人員缺乏對吸收式熱泵循環(huán)水余熱回收系統(tǒng)的工作原理的透徹理解，往往難以把握最優(yōu)運行的策略。本文論述的余熱回收系統(tǒng)在線性能檢測系統(tǒng)可以較好的解決以上問題，為缺乏經(jīng)驗的運行人員提供合理的運行依據(jù)。

1.2 余熱回收系統(tǒng)的在線性能檢測系統(tǒng)構(gòu)成

余熱回收在線性能檢測系統(tǒng)如圖2所示，使用OPC技術(shù)，設(shè)立電廠DCS的OPC服務(wù)器，建立DCS對外開放數(shù)據(jù)接口，使用C++Builder軟件開發(fā)的OPC客戶程序通過連接OPC服務(wù)器獲取DCS系統(tǒng)中機組及吸收式熱泵等相關(guān)設(shè)備運行信息，并通過客戶端的性能計算模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別對系統(tǒng)回收余熱量、熱泵的COP值、系統(tǒng)運行對發(fā)電量的影響及系統(tǒng)運行的節(jié)能經(jīng)濟性進(jìn)行在線計算，并將計算結(jié)果通過顯示模塊顯示在屏幕上，同時將計算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中，便于以后查詢及調(diào)用。

圖2 余熱回收在線性能檢測系統(tǒng)構(gòu)架

2 基于OPC的數(shù)據(jù)采集

OPC（OLE for Process Control）是一個新型的工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它提供了一種開放、高效的通信機制。OPC技術(shù)完全支持分布式應(yīng)用和異構(gòu)環(huán)境下應(yīng)用程序之間的無縫集成和互操作，因而在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的實時數(shù)據(jù)通訊方面具有特別的優(yōu)勢，具有開放性、互聯(lián)性和高效性等特點。

OPC規(guī)范主要包括OPC服務(wù)器和OPC應(yīng)用程序兩部分。一個0PC客戶可以連接一個或多個OPC服務(wù)器，而多個OPC客戶也可以同時連接一個OPC服務(wù)器。OPC服務(wù)器由服務(wù)器、組和數(shù)據(jù)項三類對象組成。

OPC規(guī)范不但應(yīng)用于從DCS系統(tǒng)的物理設(shè)備中獲取最低層的原始數(shù)據(jù)，而且應(yīng)用于從DCS系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)到應(yīng)用程序中。對于分布式系統(tǒng)中的對象，OPC標(biāo)準(zhǔn)采用D CO M技術(shù)實現(xiàn)服務(wù)器和客戶程序的遠(yuǎn)程通信[4]。

國內(nèi)大型火電廠使用的主流DCS系統(tǒng)均利用OPC標(biāo)準(zhǔn)解決自身的開放性問題，大多數(shù)DCS系統(tǒng)均可安裝和設(shè)立自身的OPC服務(wù)器，向外部系統(tǒng)提供符合OPC標(biāo)準(zhǔn)的接口。在余熱回收在線檢測系統(tǒng)中，采用設(shè)立電廠DCS系統(tǒng)自身OPC服務(wù)器，用C++Builder開發(fā)的OPC客戶程序連接DCS系統(tǒng)中的OPC服務(wù)器模塊，實現(xiàn)DCS系統(tǒng)中現(xiàn)場設(shè)備運行原始數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采樣頻率可滿足性能計算要求。

3 性能計算

3.1 回收余熱量及熱泵COP計算

程序中計算公式參考標(biāo)準(zhǔn)：GB 6422－2009《用能設(shè)備能量測試導(dǎo)則》、GB 2587－2009《用能設(shè)備能量平衡通則》求取熱泵的循環(huán)水余熱回收熱功率。熱泵回收循環(huán)水余熱功率的計算公式為：

hC—驅(qū)動蒸汽疏水焓，kJ/kg。

余熱回收機組COP計算公式：

式中 COP—余熱回收機組性能系數(shù)；

GRW—熱網(wǎng)水至熱泵流量，t/h；

GWC—驅(qū)動蒸汽疏水流量，t/h；

ho—熱泵熱網(wǎng)水出水焓，kJ/kg；

hi—熱泵熱網(wǎng)水進(jìn)水焓，kJ/kg；

hWC—驅(qū)動蒸汽焓，kJ/kg；

hC—驅(qū)動蒸汽疏水焓，kJ/kg。

式中的熱網(wǎng)水至熱泵流量G R W，驅(qū)動蒸汽疏水流量G WC可以通過OPC通信從電廠DCS系統(tǒng)獲取實時測量，其它參數(shù)如熱泵熱網(wǎng)水進(jìn)出水焓值，驅(qū)動蒸汽及疏水焓值可通過從DCS系統(tǒng)讀取對應(yīng)的熱網(wǎng)進(jìn)出水、驅(qū)動蒸汽壓力及疏水測點的溫度、壓力值，運用系統(tǒng)置入的水及蒸汽性質(zhì)計算模塊計算得到。

3.2 水及蒸汽性質(zhì)計算

在線計算中水及蒸汽性質(zhì)計算采用國際通用工業(yè)用水和水蒸汽性質(zhì)公式I A P WS-I F 97，這一模型具有計算速度快、精確度高等優(yōu)點。

圖3 I A P WS-I F 97公式的分區(qū)和方程

式中 QFQ—熱泵回收余熱功率，MW；

GRW—熱網(wǎng)水至熱泵流量，t/h；

GWC—驅(qū)動蒸汽疏水流量，t/h；

ho—熱泵熱網(wǎng)水出水焓，kJ/kg；

hi—熱泵熱網(wǎng)水進(jìn)水焓，kJ/kg；

hWC—驅(qū)動蒸汽焓，kJ/kg；

如圖3所示，公式I A P WS-I F 97的有效使用范圍為：273.15 K≤T≤1073.15 K，p≤100 MPa以及1073.15 K≤T≤2273.15 K，p≤10 MPa。公式將其有效范圍分為5個區(qū)域：區(qū)域1（過冷水區(qū)）、區(qū)域2（過熱蒸汽區(qū)）、區(qū)域3（臨界區(qū)）、區(qū)域4（飽和區(qū)）、區(qū)域5（低壓高溫區(qū)）。除區(qū)域2、3之間的邊界外，其他區(qū)域邊界可從圖1直接看出。熱泵運行中，主要計算區(qū)域為1、2、4區(qū)。對于區(qū)域l、2，根據(jù)I A P WS-I F 97給定的基本方程，以溫度，壓力為自變量可以直接求取其他熱力學(xué)性質(zhì)；根據(jù)反推方程，以壓力，比焓或壓力，比熵表示的區(qū)域1和2的熱力學(xué)性質(zhì)無需迭代即可計算。對于區(qū)域4，可以根據(jù)基本方程由壓力求飽和溫度；也可以直接利用反推方程由溫度求飽和壓力[5]。

3.3 系統(tǒng)對發(fā)電量的影響計算

（1）機組真空對發(fā)電功率的影響

投運熱泵后，進(jìn)入凝汽器的循環(huán)水溫度升高，導(dǎo)致機組真空下降，真空對發(fā)電功率的影響關(guān)系：

式中 QFD—真空下降后的影響發(fā)電功率，MW；

GPQ—低壓缸排氣流量，t/h；

hbr—原真空度下排氣焓值，kJ/kg；

hnw—真空度降低后排氣焓值，kJ/kg；

GNW—汽輪機凝結(jié)水流量，t/h；

GBW—汽輪機凝結(jié)水補水流量，t/h；

hpq—排氣焓值，kJ/kg；

hbg—排氣壓力對應(yīng)飽和蒸汽焓值，kJ/kg；

hbl—排氣壓力對應(yīng)飽和水焓值，kJ/kg；

x—排氣的干度。

式中的汽輪機凝結(jié)水流量GNW，汽輪機凝結(jié)水補水流量GBW，排氣干度x均可在通過DCS系統(tǒng)獲取，排氣壓力對應(yīng)飽和蒸汽焓值hbg及排氣壓力對應(yīng)飽和水焓值hbl均可根據(jù)DCS測得排氣壓力值利用水和水蒸汽性質(zhì)公式I A P WS-I F 97計算得到[6]。根據(jù)以上公式可計算得到真空下降后的影響發(fā)電功率QFD的值。

（2）熱泵驅(qū)動蒸汽抽氣對發(fā)電功率的影響

投運熱泵后，由于抽取了汽輪機進(jìn)氣低壓蒸汽，導(dǎo)致機組出力下降，抽氣對發(fā)電功率的影響關(guān)系：

式中 QCD—抽氣影響較少的發(fā)電功率，MW；

GCQ—熱泵驅(qū)動蒸汽抽氣總流量，t/h；

hbq—熱泵驅(qū)動蒸汽抽氣焓值，kJ/kg；

hcn—采暖抽氣焓值，kJ/kg。

式中熱泵抽氣總流量GCQ、熱泵驅(qū)動蒸汽抽氣及采暖抽氣焓值對應(yīng)的壓力溫度均可通過電廠DCS采集獲得。

（3）熱泵系統(tǒng)對發(fā)電量的總影響量計算

投運熱泵后，消耗了部分廠用電量QWT，用電量可有電廠DCS采集獲得。余熱回收系統(tǒng)對總的影響發(fā)電功率為QWQ：

QWQ=QFD+QCD+QWT（7）

3.4 節(jié)能經(jīng)濟性計算

在相同熱網(wǎng)負(fù)荷下，余熱回收系統(tǒng)投入比不投入可多節(jié)約天然氣用量，同樣的，將投入熱泵后影響發(fā)電量折算成天然氣的耗量，最終可計算當(dāng)前每小時的節(jié)能的經(jīng)濟收益。

Cincome=（GFQ-GWQ）×Pr（8）

式中 Cincome—每小時節(jié)能收益，元；

GFQ—回收余熱節(jié)約天然氣流量，N m3/h；

GWQ—熱泵投入影響發(fā)電折合天然氣流量，N m3/h；

Pr—天然氣價格，元/N m3。

4 應(yīng)用

基于前文論述的余熱回收在線性能計算構(gòu)建原理，在國內(nèi)某聯(lián)合循環(huán)電廠進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用。某日系統(tǒng)分別在三個時間段對余熱回收系統(tǒng)三種不同工況進(jìn)行了在線采集及性能計算，主要采集數(shù)據(jù)及計算結(jié)果摘錄見表1、表2、表3。

表1 實例中吸收余熱量及CO P在線計算值

由于在線檢測的數(shù)據(jù)都來自DCS實際運行量，計算數(shù)據(jù)具有可靠性，計算結(jié)果經(jīng)第三方性能試驗機構(gòu)驗證后有效，且與電廠實際結(jié)算量誤差較小。

表2 實例中影響發(fā)電量及經(jīng)濟收益在線計算值

安裝在線檢測系統(tǒng)后，運行人員可以以當(dāng)前及歷史運行性能計算結(jié)果及經(jīng)濟性為依據(jù)，找出余熱回收系統(tǒng)最佳運行策略，使得在當(dāng)前工況下系統(tǒng)每小時節(jié)能收益為最佳值。在某電廠的實際使用證明，本在線系統(tǒng)具有較高的使用價值。

5 結(jié)語

使用OPC與電廠DCS系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)通訊方面具有特別的優(yōu)勢，具有開放性、互聯(lián)性和高效性等特點，在通信中OPC能夠安全地駐留在DCS運行的機器平臺上，不影響DCS的正常運行。C++ Builder對于COM/DCOM有著較好的支持，開發(fā)的OPC客戶程序運行穩(wěn)定。

表3 實例中每小時經(jīng)濟收益在線計算值

計算采用模塊化設(shè)計，高效利用I A P WS-I F 97、及熱力學(xué)公式，可以準(zhǔn)確實時地計算水和水蒸汽熱力性質(zhì)及系統(tǒng)各性能及經(jīng)濟指標(biāo)。

實際運行中，余熱回收系統(tǒng)在線性能檢測系統(tǒng)可以為缺乏經(jīng)驗的運行人員提供合理的運行依據(jù)，協(xié)助運行人員找出余熱回收系統(tǒng)最佳運行策略，使得在當(dāng)前工況下系統(tǒng)每小時節(jié)能收益為最佳值。

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