隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，節(jié)能降耗已成為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要條件之一。國家發(fā)改委、能源局、財政部于2012年聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于開展燃煤電廠綜合升級改造工作的通知》，通知中明確了對節(jié)能降耗力度較大的企業(yè)給予一定的資金獎勵、優(yōu)惠貸款、優(yōu)先調(diào)度的鼓勵措施，純凝機組供熱改造（包括熱泵）被列為重點節(jié)能措施。熱泵是能夠把熱量從低溫熱源傳遞到高溫熱源的節(jié)能設(shè)備。它是以消耗一部分高品位能源為代價，從低品位熱源中獲取能量，并能同所消耗的高品位能源一起向用戶供熱，從而有效利用低品位熱能。

目前，利用熱泵技術(shù)提取發(fā)電廠凝汽器循環(huán)水余熱的節(jié)能方案，得到許多發(fā)電企業(yè)的重視，成為北方電廠一項重要節(jié)能措施。在發(fā)電廠中應用的熱泵技術(shù)主要是溴化鋰Ⅰ類吸收式熱泵。

1 溴化鋰吸收式熱泵的工作原理

溴化鋰吸收式熱泵是利用水的蒸發(fā)、冷凝，以及溴化鋰水溶液吸收及解析水蒸氣的循環(huán)過程中產(chǎn)生傳熱作用的設(shè)備。其主要組成部件有蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器及發(fā)生器。為進一步提高效率，在發(fā)生器和吸收器之間放置了溶液熱交換器。根據(jù)這些主要設(shè)備的組合情況不同，可分為Ⅰ類吸收式熱泵和Ⅱ類吸收式熱泵。

Ⅰ類吸收式熱泵，是以消耗高溫熱源作為代價，通過向系統(tǒng)輸入高溫熱能（蒸汽、燃料），提取低位熱源（廢熱）的熱能，并以中溫形式供給用戶。

Ⅱ類吸收式熱泵，是在不供給其他高溫熱源的條件下靠輸入的中溫熱能（廢熱）驅(qū)動系統(tǒng)運行，將其中一部分熱能品位提高，成為高溫熱水或蒸汽送至用戶，另一部分則排放至環(huán)境。

目前在熱電廠中主要應用溴化鋰Ⅰ類吸收式熱泵，其系統(tǒng)流程見圖1。

制冷劑液體（水）先從蒸發(fā)器的噴淋裝置噴淋到傳熱管上，吸收了傳熱管內(nèi)流動的熱源水（凝汽器循環(huán)水）的熱量而蒸發(fā)成低溫冷劑蒸汽進入吸收器，低溫冷劑蒸汽在吸收器內(nèi)被溴化鋰濃溶液噴淋吸收，成為稀溶液，在吸收過程中放出熱量加熱應用水，此應用水進入冷凝器。

稀溶液由泵輸送到發(fā)生器內(nèi)，受到外界高溫熱源的加熱，產(chǎn)生高壓冷劑蒸汽，同時溴化鋰溶液濃度提高，成為濃溶液，經(jīng)換熱器放熱進入吸收器。高壓冷劑蒸汽進入冷凝器凝結(jié)放熱成冷劑水，同時進一步加熱應用水。能效系數(shù)（COP），即：可利用的能量與輸入能量的比值。溴化鋰吸收式Ⅰ類熱泵的COP大約在1.5～1.7 之間。其可以利用15～40℃的廢熱源，將20～50 ℃的應用水加熱成50～90℃的熱水。

圖1 溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)流程圖

2 溴化鋰Ⅰ類吸收式熱泵相關(guān)參數(shù)的選擇

2.1 驅(qū)動汽源壓力

蒸汽型第Ⅰ類溴化鋰吸收式熱泵機組的驅(qū)動熱源為0.2～0.8 MPa的蒸汽。當驅(qū)動熱源壓力升高，對應飽和溫度升高，當冷凝壓力一定的條件下發(fā)生器內(nèi)溴化鋰濃溶液濃度增大，進而使放氣范圍增大，產(chǎn)生的高溫水蒸氣量增多。當驅(qū)動熱源壓力大于0.45 MPa后，對COP的影響越來越小，因此從熱量品位和熱經(jīng)濟性上考慮，過高的驅(qū)動蒸汽壓力并不合理。

熱泵系統(tǒng)COP隨驅(qū)動熱源壓力增加而升高，先增加很快，后逐漸趨于平緩，見圖2。

圖2 驅(qū)動熱源蒸汽壓力與COP的關(guān)系

2.2 熱水出口溫度

第Ⅰ類溴化鋰吸收式熱泵機組的供熱熱水溫度與余熱水出口溫度及供熱熱水進口溫度有關(guān)，余熱水出口溫度越高，熱泵機組能夠提供的供熱熱水溫度越高。第Ⅰ類溴化鋰吸收式熱泵機組的升溫特性見圖3。

圖3 第Ⅰ類溴化鋰吸收式熱泵機組升溫特性

余熱水出口溫度須高于5℃。供熱熱水的出口溫度比余熱水出口溫度高約40～60℃，供熱熱水的溫升幅度和加熱蒸汽的壓力有關(guān)。

2.3 熱水溫升幅度

溴化鋰吸收式熱泵的熱水入口溫度（tw1）、驅(qū)動蒸汽壓力與熱水出口溫度（tw2）的關(guān)系見圖4：熱水升溫幅度越大，則對應的驅(qū)動蒸汽壓力越高。

2.4 余熱水出口溫度

余熱水溫度（電廠循環(huán)水）變化不僅影響汽輪機背壓，也對熱泵的運行產(chǎn)生影響。從熱泵蒸發(fā)器出來的余熱水溫度決定系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力，因此余熱水出口溫度對系統(tǒng)性能有較大影響。當余熱水出口溫度升高時，相應的蒸發(fā)壓力升高，使吸收器內(nèi)濃溶液吸收水蒸汽能力增強，吸收終了稀溶液中溴化鋰的質(zhì)量分數(shù)下降，放氣范圍（即發(fā)生器濃溶液與吸收器吸收終了稀溶液的濃度差）增大，故使COP 升高。余熱水出口溫度與COP的關(guān)系曲線見圖5。

圖4 第Ⅰ類吸收式熱泵熱水入口溫度與出口溫度的關(guān)系

圖5 余熱水出口溫度與COP的關(guān)系曲線

3 溴化鋰Ⅰ類吸收式熱泵在熱電廠的應用

3.1 熱電廠供熱情況

某熱電廠裝機容量為2×600 MW 亞臨界凝汽機組，后通過供熱改造實現(xiàn)對外供熱，目前承擔著約15×106m2供熱面積。當?shù)夭膳?79 天（4 296 h），采暖期室外計算溫度－26 ℃，采暖期平均溫度－9.5 ℃，采暖期室內(nèi)計算溫度18 ℃。采暖綜合熱指標為54 W/m2。

由采暖期實際一級網(wǎng)供回水數(shù)據(jù)統(tǒng)計，供熱期內(nèi)一級網(wǎng)供熱回水溫度在42～60 ℃，供水溫度在60～105℃，熱網(wǎng)循環(huán)水量約為13 000t/h。具體數(shù)值見表1。

3.2 供熱系統(tǒng)中增設(shè)熱泵方案

根據(jù)溴化鋰Ⅰ類吸收式熱泵的工作原理，擬采用熱泵機組回收發(fā)電廠凝汽器冷源損失的低溫余熱，提高發(fā)電廠熱效率，以達到節(jié)能減排的目的。采用熱泵后，在供熱量及發(fā)電量不變的情況下，由于回收了余熱，可以節(jié)省一定量的采暖抽汽，減少了鍋爐的燃煤量；鍋爐燃煤量和汽輪機發(fā)電機組發(fā)電量不變的情況下，可以增加熱電廠的供熱面積，增加熱收益。

表1 供熱參數(shù)

熱泵機組在熱電廠內(nèi)系統(tǒng)流程見圖6：廠外熱網(wǎng)循環(huán)水回水首先經(jīng)熱泵機組升溫后，進入尖峰熱網(wǎng)加熱器加熱后送出。在供暖初期和末期如果熱泵機組出口的水溫滿足熱用戶要求，可以直接送出至熱用戶。

3.3 熱泵選型參數(shù)的確定

3.3.1 熱網(wǎng)循環(huán)水流量

熱網(wǎng)循環(huán)水流量的選取應按照供暖期實際運行的、穩(wěn)定的熱網(wǎng)循環(huán)水流量選擇。如果實際運行的熱網(wǎng)循環(huán)水流量與熱泵機組設(shè)計的熱網(wǎng)循環(huán)水流量差別較大，將會影響熱泵機組的能效指標。

采暖系統(tǒng)的一級網(wǎng)一般采用變流量－質(zhì)調(diào)節(jié)的運行方式，其中在采暖初期和末期熱網(wǎng)循環(huán)水流量略有變化，而在采暖期的大部分時間內(nèi)，熱網(wǎng)循環(huán)水流量基本恒定，通過調(diào)節(jié)熱網(wǎng)首站的送出溫度來調(diào)節(jié)供熱量。如果供暖初末期的熱網(wǎng)循環(huán)水流量變化較大，則選擇熱泵時要充分考慮熱泵機組的變工況能力，或在配置熱泵時，熱泵的單臺容量不宜過大，使運行中可通過改變熱泵運行數(shù)量來適應熱網(wǎng)循環(huán)水流量的變化。

熱網(wǎng)循環(huán)水流量的數(shù)值應通過分析近幾年熱網(wǎng)實際運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)后合理確定。本工程的熱網(wǎng)循環(huán)水流量確定為13 000t/h。

3.3.2 熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度

圖6 溴化鋰吸收式熱泵供熱方式系統(tǒng)流程圖

熱網(wǎng)運行時，熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度是隨著室外溫度的改變而變化的。在供暖的初期和末期室外溫度高，用戶要求的供水溫度較低，因此回水溫度相對也較低；而在供暖中期，回水溫度變化不大。熱泵選型時的設(shè)計熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度應合理選取，盡量使熱泵長時間工作在額定工況范圍內(nèi)，使其具有較高的能效指標，一般根據(jù)近幾年熱網(wǎng)循環(huán)水供回水溫度變化曲線確定。圖7為本工程采暖期的熱網(wǎng)循環(huán)水供回水溫度變化曲線，供熱期內(nèi)一級網(wǎng)回水溫度在42～60 ℃，供水溫度在60～105 ℃，大部分時間內(nèi)的回水溫度接近60℃，最終確定熱泵選型時熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度為59 ℃。

圖7 采暖期熱網(wǎng)循環(huán)水溫度曲線

3.3.3 驅(qū)動汽源參數(shù)

熱泵的驅(qū)動汽源來自汽輪機采暖抽汽，一般供熱汽輪機的采暖為可調(diào)整抽汽，即：采暖抽汽的壓力和流量可通過汽輪機的供熱調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)，以維持穩(wěn)定的蒸汽參數(shù)和流量變化需求。

本工程的600 MW 凝汽機組通過改造后，采暖抽汽也為可調(diào)整抽汽。根據(jù)采暖期運行時電網(wǎng)調(diào)度的發(fā)電需求及發(fā)電廠供暖期的實際運行數(shù)據(jù)：600 MW 機組在采暖期發(fā)電功率不低于400 MW，采暖抽汽參數(shù)通過調(diào)節(jié)機構(gòu)可維持在0.6 MPa（a），300 ℃。

因此，本工程熱泵驅(qū)動汽源參數(shù)確定為在0.6 MPa（a）、300 ℃。

3.3.4 余熱水參數(shù)

發(fā)電廠冬季供暖期運行時，由于進入凝汽器排汽量減少，同時冬季凝汽器入口循環(huán)水溫度低，考慮循環(huán)水的經(jīng)濟運行方式，相比非采暖期時循環(huán)水總量近乎減半運行。除供暖初末期，循環(huán)水溫度循環(huán)水溫度在30～35℃區(qū)間外，其余階段循環(huán)水溫度基本在22～28 ℃區(qū)間波動。

綜合考慮采暖期凝汽器出口循環(huán)水實際運行溫度、熱泵選型時合理的余熱水溫度及凝汽器出口循環(huán)水溫度升高后對發(fā)電的影響等因素，本工程熱泵選型時熱源水入口溫度確定為32 ℃。

4 熱泵選型方案

4.1 配置原則及熱泵選型參數(shù)

熱網(wǎng)循環(huán)水全部經(jīng)過熱泵機組，熱泵機組只利用一臺600 MW 機組的凝汽器循環(huán)水余熱。熱泵機組承擔最小熱負荷，以使整個采暖期熱泵機組始終處于滿負荷、高效運行狀態(tài)。當熱泵出口的熱網(wǎng)循環(huán)水溫度不滿足供熱要求時，啟用尖峰熱網(wǎng)加熱器。熱泵選型的邊界條件為：熱網(wǎng)循環(huán)水量為13 000t/h，熱網(wǎng)回水溫度為59 ℃，驅(qū)動汽源壓力為0.6 MPa（a），余熱水溫度為32 ℃等。

該方案共配置8臺熱泵，制熱量為32 127kW，泵出口的熱網(wǎng)循環(huán)水溫度為76℃，溫升為17℃，熱泵參數(shù)見表2。

此種熱泵配置方案，在整個采暖期熱泵均可處于滿負荷運行，熱泵設(shè)備利用率高，設(shè)備投資少。

4.2 運行經(jīng)濟性

電廠采用熱泵機組后，提取了凝汽器循環(huán)水余熱對外供熱，提高了發(fā)電機組熱效率，在供熱量和發(fā)電量不變的前提下，節(jié)省了鍋爐的燃煤消耗。測算的運行經(jīng)濟指標見表3，采暖期年總供熱量是熱泵機組提取的余熱和采暖蒸汽供熱量之和。采暖期機組發(fā)電量與供熱量相同時節(jié)約的標煤量，已考慮采用熱泵時采暖期凝汽器背壓提高對汽輪機運行指標的影響。

5 結(jié)論

由于溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)具有投資高、占地面積大、變工況性能較差等問題，因此在選型時要綜合考慮，此外還應注意下列問題。

表2 熱泵參數(shù)

表3 運行經(jīng)濟指標

a.掌握溴化鋰吸收式熱泵的原理、性能特點等；掌握驅(qū)動蒸汽參數(shù)、熱網(wǎng)回水溫度、熱源參數(shù)等對熱泵性能參數(shù)及能效的影響。

b.掌握熱網(wǎng)及發(fā)電機組運行參數(shù)及特點，為熱泵機組的選型提供詳實數(shù)據(jù)資料，如：整個供暖期間熱網(wǎng)運行參數(shù)的變化規(guī)律、發(fā)電機組采暖期的發(fā)電負荷、汽輪機背壓變化、凝汽器循環(huán)水運行方式及水溫變化等。

c.選型時要先合理確定邊界條件，如：熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度、驅(qū)動蒸汽參數(shù)、熱網(wǎng)循環(huán)水流量、熱源參數(shù)等數(shù)值，使熱泵工作時盡量維持額定參數(shù)運行，維持較高的能效水平。

d.配置的容量越大，采暖期回收的余熱越多，發(fā)電廠的熱效率越高，但是由于隨著熱泵容量的增大，其投資及日常運行、維護費用也隨之增加，因此，熱泵的綜合經(jīng)濟效益，需同時考慮投資及運行經(jīng)濟性，泵的配置方案需進行綜合經(jīng)濟比較后確定。