王培斌，耿 寧，李 源，桑政軍

(1.沈陽工程學(xué)院 能源與動力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136； 2.沈陽皇姑熱電有限公司，遼寧 沈陽 110035；3.遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司 發(fā)電部，遼寧 鐵嶺 112700)

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吸收式熱泵回收熱電廠余熱的經(jīng)濟分析

王培斌1，耿 寧2，李 源1，桑政軍3

(1.沈陽工程學(xué)院 能源與動力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136； 2.沈陽皇姑熱電有限公司，遼寧 沈陽 110035；3.遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司 發(fā)電部，遼寧 鐵嶺 112700)

熱電廠汽輪機的排汽中含有大量熱能，采用吸收式熱泵可以對其回收，并可以利用該熱能來加熱熱網(wǎng)水，提高熱電廠的供熱能力，還可以減少冷水塔的汽水損失，減少燃煤消耗量和污染物的排放量。通過分析計算可知，供熱機組采用吸收式熱泵進行改造后，可以有效的提高機組的能源利用率和效率，同時電廠的經(jīng)濟效益也有明顯的提高。

吸收式熱泵；循環(huán)水余熱；經(jīng)濟分析；節(jié)能減排

能源和環(huán)境污染問題一直是困擾和制約中國發(fā)展的主要問題。大部分的熱電廠采用容量較小的燃煤機組，其供熱能力和經(jīng)濟效益均受到一定的限制，且部分熱電廠的供熱能力已經(jīng)滿足不了城市的快速發(fā)展。因為供暖機組多為抽凝式，汽輪機的排汽帶走了大量的低品位熱量，而采用熱泵循環(huán)可以回收這部分熱能，既可以增加熱電廠的供熱能力，又可以達到節(jié)能減排的作用并增加熱電廠的經(jīng)濟效益。

1 吸收式熱泵工作原理

熱泵的工作形式有壓縮式和吸收式。壓縮式熱泵主要包括蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置和壓縮機等設(shè)備，壓縮機工作時需要消耗電能；吸收式熱泵主要包括蒸發(fā)器、吸收器、發(fā)生器、膨脹閥、冷凝器、熱交換器和溶液泵等設(shè)備[2]。吸收式熱泵采用熱能作為動力源，將低溫?zé)嵩吹臒崮芩偷礁邷責(zé)嵩矗捎糜诨厥掌髽I(yè)的余熱資源來加熱熱水。例如，采用水-溴化鋰作為工質(zhì)的吸收式熱泵主要由兩部分組成：一部分為熱泵子系統(tǒng)，其設(shè)備包括蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置；另一部分為熱機子系統(tǒng)，其作用與壓縮機相似，如圖1所示。低壓水制冷劑進入蒸發(fā)器中吸收循環(huán)冷卻水的余熱Qe，之后生成的低溫水蒸氣進入吸收器，溴化鋰濃溶液在吸收器中將水蒸氣吸收之后變?yōu)殇寤囅∪芤?，同時被熱網(wǎng)水冷卻，其放熱量為Qa。溴化鋰稀溶液經(jīng)過溶液泵升壓后進入發(fā)生器，被來自汽輪機的抽汽(在發(fā)生器中的放熱量為Qg)進行加熱。制冷劑在發(fā)生器中先蒸發(fā)，再進入冷凝器，在冷凝器中的放熱量(向熱網(wǎng)水Qe中提供的熱量)為Qc，從熱泵冷凝器出來的高壓制冷劑液體通過膨脹閥減壓后進入蒸發(fā)器。在發(fā)生器中沒有蒸發(fā)的溴化鋰變?yōu)闈馊芤?，冷卻減壓后回流到吸收器繼續(xù)吸收由蒸發(fā)器出來的制冷劑蒸汽。

圖1 吸收式熱泵工作原理

2 吸收式熱泵回收熱電廠循環(huán)水項目方案

2.1 機組概況

某熱電廠有3臺12 MW供熱發(fā)電機組和2個熱水鍋爐，其中一臺進行了低真空改造,另一臺為雙抽凝汽式機組，共承擔(dān)近1 200萬m2的供熱負荷。該區(qū)域的新建建筑較多，為了節(jié)約能源、提高電廠的經(jīng)濟效益，現(xiàn)采用吸收式熱泵機組回收汽輪機凝汽器的冷凝熱，既可以增加電廠的供熱能力，又可以達到節(jié)能減排的效果。

該機組型號為 CC12-4.9/0.98/0.294，供暖抽汽額定壓力為0.294 MPa，最小抽汽量為40 t/h，最大抽汽量為70 t/h。在冬季運行期間，其乏汽流量平均為20 t/h，最小為15 t/h，循環(huán)水流量為1 600～1 700 m3/h，凝汽器出口循環(huán)水溫介于7.5～31.55 ℃。供熱南區(qū)熱網(wǎng)水流量為3 000～5 000 t/h，平均流量為4 200 t/h，平均供、回水溫度分別為70 ℃和43 ℃。

2.2 改造方案

采用循環(huán)冷卻水余熱回收技術(shù)對供暖系統(tǒng)進行改造，如圖2所示。1#機組凝汽器的冷卻水作為吸收式熱泵機組的冷源，該供熱機組的低壓抽汽作為熱泵發(fā)生器的熱源，利用吸收式熱泵系統(tǒng)的冷凝器做為一級熱網(wǎng)水的預(yù)熱器，將升溫后的中溫水送到熱網(wǎng)加熱器繼續(xù)加熱，以達到供暖的水溫要求。因為該機組在冬季的時候排汽壓力較低，熱泵的效率也低，對熱網(wǎng)水的加熱能力也不大，所以通過提高凝汽器背壓的方法來提高循環(huán)冷卻水的溫度，進而可以提高吸收式熱泵的COP。為了更有效的利用熱泵提高系統(tǒng)運行的效率，回收更多的熱量，在冬季時保證1#機組在設(shè)計負荷下運行，通過調(diào)整其他機組的負荷來適應(yīng)外界供暖負荷的變化。在外界溫度較高的情況下，可以不啟用熱水鍋爐，這樣可以最大限度的利用供熱機組和熱泵機組來提高能量的利用品質(zhì)和利用效益。

圖2 采用熱泵的熱網(wǎng)水系統(tǒng)

2.3 熱量平衡計算

吸收式熱泵機組的熱平衡方程為

Qc+Qa=Qg+Qe

其中，Qc為制冷劑蒸汽在熱泵冷凝器中的放熱量，Qg為蒸汽在發(fā)生器中的發(fā)熱量，Qe為制冷劑在熱泵蒸發(fā)器中的吸熱量，Qa為制冷劑在吸收器中的熱負荷。

在熱泵機組中，冷凝器的放熱量與吸收器的放熱量之和為向熱網(wǎng)水中提供的熱量：

Qrw=Qa+Qc=Qg+Qe

系統(tǒng)熱平衡及質(zhì)量平衡的關(guān)系式分別如下。

1)汽輪機冷凝器中乏汽的放熱量為

Qn=Dgn(hn-hn′)

2)循環(huán)冷卻水的吸熱量為

QCW=Qn=DCWCpw(tcwo-tcwi)

3)熱泵機組蒸發(fā)器的吸熱量(即從發(fā)電廠循環(huán)冷卻水放出的熱量)為

Qe=Qn=DCWCpw(tcwo-tcwi)

4)選取吸收式熱泵的COP為1.7，且COP=Qrw/Qg=1+Qe/Qg，則驅(qū)動熱泵需要的抽汽熱量為

Qg=Qe/(COP-1)

5)熱泵向熱網(wǎng)的放熱量為

Qrw=Qa+Qc=Gg+Qe。

其中，Dn為汽輪機的排汽量；Dg為汽輪機中用于熱泵的抽汽量，Dnetw為熱網(wǎng)水的流量(熱泵冷凝器中的工質(zhì)流量)，DCW為發(fā)電廠循環(huán)冷卻水的流量(熱泵蒸發(fā)器中的工質(zhì)流量)。

該機組冬季的平均排氣量為20 t/h，可以回收的冷凝水熱量為13.2 MW，循環(huán)冷卻水流量為1 600 m3/h，在熱泵蒸發(fā)器中循環(huán)冷卻水溫度下降7 ℃，驅(qū)動熱泵的蒸汽放熱量為18.86 MW，其對應(yīng)的抽汽量為27.2 t/h，則熱泵向熱網(wǎng)水提供的總熱量為31.1 MW，可使1 500 m3/h的熱網(wǎng)水溫度升高18.4 ℃。若取熱網(wǎng)回水溫度為45 ℃，則熱網(wǎng)回水通過熱泵加熱后，溫度可以達到63.4 ℃。

2.4 經(jīng)濟分析

該項目擬采用2臺16 MW的吸收式熱泵，回收1#機組循環(huán)冷卻水中的13.2 MW余熱，預(yù)計每年可回收余熱17.2萬GJ。該供暖區(qū)域的新建住宅較多，其平均供熱負荷為50 W/m2，通過系統(tǒng)回收的熱量可滿足26.6萬m2的供熱負荷。熱泵設(shè)備、廠房及輔助設(shè)備的總投資為2 200萬元。該地區(qū)住宅采暖和商用采暖價格分別為28元/m2和32元/m2，若按85%收費率計算，年增熱費為(28×0.7 + 32×0.3)×0.85×26.5=657.7萬元。如果采用效率為85%的熱水鍋爐直接供熱，滿負荷運行時，煤耗量為6 900 t，按實際運行的平均負荷為50%計算，在1個采暖季節(jié)可以節(jié)煤3 450 t。

因為該系統(tǒng)新增了熱泵系統(tǒng)、循環(huán)水泵及熱網(wǎng)水泵，電耗勢必會增加。其中，熱泵系統(tǒng)中的溶液泵耗電為80 kW，水泵耗電為240 kW，該熱電廠的上網(wǎng)電價為0.56元/(kW·h)，則需要多支出電費。因為汽輪機的排汽背壓提高了，發(fā)電量減少了400 kW。采用熱泵回收循環(huán)水的熱量后，循環(huán)冷卻水不經(jīng)過冷卻塔，可以減少循環(huán)冷卻水的損失(一般上塔循環(huán)水損耗率為1%)，則在1個采暖期可以節(jié)水55 800 t，按水價2元/t計算，可以節(jié)省資金11.16萬元。其他的支出包括維護費、稅費、管理費及采暖期內(nèi)的人工費用等。

采用熱泵循環(huán)后，該熱電廠年凈收入為481.6萬元，總投資為2 200萬元，不考慮貸款及利息的情況下,其資金靜態(tài)回收年限為4.57年，若按銀行貸款利率為6.5%計算，資金動態(tài)回收年限為5.62年。

表1 年運行收益表

3 機組發(fā)電效率，能量利用系數(shù)和效率分析

表2和表3是不同工況下的火用平衡和熱平衡計算結(jié)果。由此可見，汽輪機的進汽量和凝汽器的排汽量保持不變，采用熱泵后，系統(tǒng)回收了凝汽器中冷卻水的熱量。熱泵發(fā)生器中的蒸汽來自原供暖抽汽，現(xiàn)在保持該熱泵改造機組的供暖抽汽量不變，因為回收了余熱，則該機組總的供熱能力提高。采用熱泵回收凝汽器循環(huán)水的熱量后，其機組的能量利用系數(shù)相對提高了19.5%。因為汽輪機的排汽壓力提高了，其發(fā)電效率相對減少了3.36%，但是其機組總的效率相對提高了0.33%，所以不論從能量的數(shù)量,還是從能量的能級利用上來分析,采用熱泵技術(shù)回收熱電廠循環(huán)冷卻水的低溫余熱是有利的。與純凝汽工況比較,機組采用抽汽供暖運行和熱泵回收技術(shù)后,其效率有更顯著的提高，其社會效益也非常顯著：每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3 450 t，還可以減少二氧化碳、二氧化硫、灰渣和氮氧化物的排放。采暖期間可以節(jié)約冷水塔循環(huán)水近5萬t，也提高了熱電廠的供熱能力。

表2 不同工況下機組火用平衡比較

表3 不同工況下機組熱平衡比較

通過對其他工況進行計算，因為采用不同的新蒸汽流量和不同的供暖及工業(yè)抽汽量，其機組的發(fā)電熱效率和能量利用系數(shù)是有一定的區(qū)別。采用熱泵后，機組的發(fā)電熱效率有較小的下降，因為汽輪機的排汽壓力提高之后，其蒸汽在汽輪機中的焓降減小，但是機組的能量利用系數(shù)有較大的提高，效率變化不明顯，所以采用熱泵后可以有效的提高機組的經(jīng)濟效益和社會效益。圖3為采用熱泵前機組的發(fā)電熱效率，圖4為采用熱泵前機組的能量利用系數(shù)。

圖3 機組的發(fā)電熱效率

圖4 機組的能量利用系數(shù)

4 結(jié) 語

通過采用吸收式熱泵回收熱電廠汽輪機排汽的余熱，在投資和占地不大的情況下，可以提高電廠的供熱能力和經(jīng)濟效益，減少了燃煤的消耗及環(huán)境污染。通過對已完成改造的熱電廠的運行結(jié)果分析可知，回收冷凝器余熱后，供熱機組的能量利用系數(shù)有較大的提高，其能量的能級利用也有部分提高，不僅提高了經(jīng)濟效益，也創(chuàng)造了較好的社會效益。采用吸收式熱泵是一種非常好的改造熱電廠的方式，如果有冷量的需求，可以采用熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)的方式充分地對能源進行階梯利用，特別是長期需求熱能的工商業(yè)，可以全年運行，其效率將更高。

[1]藍 玉.利用電廠余熱的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究[D].大連.大連理工大學(xué)，2005.

[2]馬最良,姚 楊，姜益強，等.熱泵技術(shù)應(yīng)用理論基礎(chǔ)與實踐[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] 趙 虎，閻維平，郭江龍，等.利用吸收式熱泵回收電廠循環(huán)水余熱大的方案研究[J].電力科學(xué)與工程，2012，28(8)：64-68.

[4]劉鳳友,高建民.600 MW亞臨界空冷機組倉汽余熱回收供熱改造研究[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，10(3)：225-227.

(責(zé)任編輯 張 凱 校對 佟金鍇)

Economic Analysis for Absorption Heat Pump Recycling the Waste Heat in Thermal power Station

WANG Pei-bin1，GENG Ning2，LI Yuan1,SANG Zheng-jun3

(1.College of Energy and Power,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136; 2. Shenyang Huanggu Thermal Electrical Co Ltd,Shenyang 110035;3.Generating Department,Liaoning DiaoBingshan Coal Gangue Power Plant Co.,Ltd,Tieling 112700,Liaoning Province)

Steam turbine exhausted steam discharges a large amount waste heat into the atmosphere in thermal power station. The absorption heat pump can recover the waste heat and heat the heating net water,increase the capacity of heat supply,reduce water consumption in cooling tower,and reduce coal consumption as well as emission pollution. After reformed with absorption heat pump,the unit's thermal efficiency and exergy efficiency increase effectively through analysis and calculation,in the same time the economic efficiency increase significantly.

Absorption Heat Pump; Waste Heat of Circulation Water; Economic Analysis; Energy Saving and Emission Reduction

2015-01-14

王培斌(1961-)，男，山東龍口人，副教授，碩士。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.006

TU833

A

1673-1603(2015)03-0219-04