周振起，崔春暉

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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電廠循環(huán)水吸收式熱泵供熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

周振起，崔春暉

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

摘要：利用吸收式熱泵回收電廠循環(huán)水余熱，能夠提高機(jī)組的熱效率和供熱能力，降低機(jī)組的冷源損失。以某300MW供熱機(jī)組為例，確定兩種計(jì)算方案，對抽汽供熱與循環(huán)水吸收式熱泵供熱的聯(lián)產(chǎn)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比分析。計(jì)算結(jié)果表明：利用熱泵回收電廠循環(huán)水余熱具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：吸收式熱泵；循環(huán)水；余熱利用；經(jīng)濟(jì)性

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對能源的需求也越來越多。由于煤、石油、天然氣等儲(chǔ)量有限，而且燃燒會(huì)帶來環(huán)境問題。近幾年，新能源的開發(fā)與各種節(jié)能技術(shù)越來越受到人們的重視。其中，溴化鋰吸收式熱泵因具有制熱溫度高、能效比高、可靠性和環(huán)保性好等特點(diǎn)，尤為引人注目[1]。

當(dāng)前，火力發(fā)電廠能源綜合利用率較低，大量的低溫余熱被汽輪機(jī)乏汽攜帶，通過冷卻塔排入大氣或隨循環(huán)水排入江河，造成能源的浪費(fèi)以及對環(huán)境的熱污染，這部分能量約占電廠總能耗的30%以上[2-4]。若利用溴化鋰吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱，將這部分熱量用于供熱，在電廠機(jī)組容量和污染物排放量不變的條件下，擴(kuò)大了熱源的供熱能力，提高了電廠的綜合能源利用效率；具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[5]。以300 MW機(jī)組為例，分別探討分析了采用熱泵供熱前后機(jī)組供熱負(fù)荷、發(fā)電負(fù)荷不變的情況下的效益測算，并對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

1回收循環(huán)水余熱的熱泵供熱方式

循環(huán)水熱泵供熱是利用熱泵直接提取循環(huán)水中的低品位熱量來進(jìn)行供熱的一種方式。如圖1所示，利用汽輪機(jī)低壓抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，電廠循環(huán)冷卻水作為低溫?zé)嵩?。通過這種方式，一方面回收低品位余熱減少了機(jī)組冷端熱損失，提高了機(jī)組熱效率；另一方面減少了供暖抽汽量，使得高品質(zhì)能量的損失減少，提高電廠能源利用效率。利用溴化鋰吸收式熱泵回收電廠循環(huán)水余熱，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的階梯利用，符合能源的“溫度對口，階梯利用”原則[6-7]。

圖1　循環(huán)水熱泵供熱示意圖

圖2　溴化鋰吸收式熱泵工作原理圖

2溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)

2.1溴化鋰吸收式熱泵原理

溴化鋰吸收式熱泵以蒸汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，溴化鋰濃溶液為吸收劑，水作為工質(zhì)，利用水在低壓真空狀態(tài)下低沸點(diǎn)的特性，回收循環(huán)水余熱供熱，實(shí)現(xiàn)熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹膫鬟f，主要由吸收器、發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、溶液熱交換器以及相應(yīng)的泵和閥門等構(gòu)成，其工作原理如圖2所示。汽輪機(jī)抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)入發(fā)生器，加熱溴化鋰稀溶液，使溴化鋰稀溶液變成濃溶液，并產(chǎn)生高壓水蒸汽，高壓蒸汽進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中變成冷凝水，放出冷凝熱，經(jīng)節(jié)流降溫后流入蒸發(fā)器，冷凝水在蒸發(fā)器中蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸汽進(jìn)入吸收器，而發(fā)生器中產(chǎn)生的溴化鋰濃溶液則經(jīng)溶液交換器預(yù)熱進(jìn)入發(fā)生器的稀溶液后流入吸收器，吸收來自蒸發(fā)器的水蒸汽，變成溴化鋰稀溶液，如此反復(fù)循環(huán)。

2.2熱力性能評價(jià)

若忽略泵功以及系統(tǒng)與周圍環(huán)境熱交換等帶給系統(tǒng)的熱量，整個(gè)系統(tǒng)的熱平衡為

Qg+Qn=Qk+Qa，

(1)

式中：Qg為發(fā)生器熱負(fù)荷，即驅(qū)動(dòng)蒸汽在發(fā)生器中的放熱量；Qa為吸收器熱負(fù)荷，即熱網(wǎng)水在吸收器中的吸熱量；Qk為冷凝器熱負(fù)荷，即熱網(wǎng)水在冷凝器中的吸熱量；Qn為蒸發(fā)器熱負(fù)荷，即熱泵從電廠循環(huán)冷卻水中提取的熱量。

吸收式熱泵性能系數(shù)等于熱網(wǎng)水吸收熱量與驅(qū)動(dòng)蒸汽熱量之比，即

(2)

根據(jù)不同的工況條件，且當(dāng)前技術(shù)條件下，第一類吸收式熱泵的COP一般為1.65 -1.85[8]。

2.3與抽凝供熱機(jī)組比較

熱電廠直接抽汽對外供熱，用戶得到的熱量

Qc=m(hj-hj1)ηlηh，

(3)

式中：Qc為用戶得到的熱量，kW；m為抽汽流量，kg/s；hj為抽汽焓，kJ/kg；hj1為抽汽疏水焓，kJ/kg；ηl為熱網(wǎng)效率；ηh為熱網(wǎng)加熱器效率。

采用吸收式熱泵供熱，用戶得到的熱量

Qb=Qg·COP·ηl=m(hj-hj1)·COP·ηl，

(4)

式中：Qb為熱泵供熱用戶得到的熱量，kW；Qg為驅(qū)動(dòng)蒸汽熱量，kW；COP為吸收式熱泵熱力性能系數(shù)。

由公式(3)、公式(4)式可知，相同抽汽量的情況下，采用熱泵供熱方式供熱量要高于直接抽汽供熱方式供熱量。

當(dāng)供熱負(fù)荷不變時(shí)，安裝熱泵系統(tǒng)后，由于回收了部分循環(huán)水余熱量，使汽輪機(jī)組供暖抽汽量減少，節(jié)省的抽汽可在汽輪機(jī)低壓缸中繼續(xù)做功，使機(jī)組功率增加

ΔW=ΔDj(hj-hc)ηmηg，

(5)

式中：ΔW為節(jié)省抽汽所做的功，kW；ΔDj為節(jié)省的抽汽量，kg/s；hj為抽汽焓，kJ/kg；hc為汽輪機(jī)的排汽焓，kJ/kg；ηm為機(jī)組機(jī)械效率；ηg為發(fā)電機(jī)效率。

3實(shí)例計(jì)算與經(jīng)濟(jì)性分析

某熱電廠300 MW供熱機(jī)組，采用原抽汽供熱方式可以為用戶提供熱量55 000 kW，供熱面積達(dá)84.6萬m2，機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)見表1?，F(xiàn)采用吸收式熱泵設(shè)備回收電廠溫度為38℃ 的循環(huán)水余熱進(jìn)行供熱，將熱網(wǎng)水從60 ℃加熱到75 ℃，循環(huán)水溫度降至28 ℃，表2列出了吸收式熱泵系統(tǒng)的一些重要參數(shù)。設(shè)該地區(qū)供暖期為150天，對采用熱泵供熱前后機(jī)組供熱負(fù)荷和發(fā)電負(fù)荷不變的兩種工況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3、表4。

表1　300MW機(jī)組采用抽汽方式供暖運(yùn)行參數(shù)

表2　溴化鋰吸收式熱泵的主要參數(shù)

表3　機(jī)組供熱負(fù)荷不變工況下計(jì)算結(jié)果

表4　機(jī)組發(fā)電負(fù)荷不變工況下計(jì)算結(jié)果

4經(jīng)濟(jì)投資及效益分析

4.1投資情況

采用動(dòng)態(tài)投資回收期法對熱泵供熱系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，動(dòng)態(tài)投資回收期是指在考慮投資資金的時(shí)間價(jià)值情況下，項(xiàng)目凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值累計(jì)為零時(shí)的時(shí)間。計(jì)算公式為

(6)

式中：PBP為動(dòng)態(tài)投資回收期；x為累計(jì)凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值開始出現(xiàn)正值的年份；Ft為第t年的凈現(xiàn)金流量；i為基準(zhǔn)收益率。當(dāng)PBP

溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組的使用年限按照15年計(jì)算，殘值率取5%，維修費(fèi)按設(shè)備折舊費(fèi)的25%計(jì)算，其他主要費(fèi)用包括日常管理費(fèi)、水費(fèi)、稅金等，按照系統(tǒng)初投資的2.5%計(jì)算。吸收式熱泵機(jī)組操作較容易，維護(hù)保養(yǎng)方便，由于之前熱電廠已經(jīng)有專人負(fù)責(zé)供熱機(jī)組的運(yùn)行與維護(hù)工作，因此改造后不需要增加專業(yè)的機(jī)組運(yùn)行人員進(jìn)行操作，節(jié)省了運(yùn)行人員費(fèi)用。根據(jù)有關(guān)資料，該項(xiàng)目中的熱泵單臺價(jià)格為300萬左右，吸收式熱泵供熱系統(tǒng)綜合分析見表5。

表5　吸收式熱泵供熱系統(tǒng)的綜合分析

綜合系統(tǒng)初投資、運(yùn)行費(fèi)用以及收益的計(jì)算分析，可以看出雖然吸收式熱泵系統(tǒng)初投資較高，但運(yùn)行費(fèi)用相對較低，兩種不同工況計(jì)算下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)投資回收期分別為9.2 a和7.6 a。

4.2效益分析

從表3中可以看出，供熱量相同的情況下，采用吸收式熱泵供熱可節(jié)省抽汽11.55 kg/s，這部分抽汽不再被抽出供暖而是繼續(xù)在汽輪機(jī)低壓缸中膨脹做功，使得機(jī)組發(fā)電量增加62 687 520 MW/a，可增加發(fā)電收入923萬元/a，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益；從表4中可以看出，保證機(jī)組發(fā)電負(fù)荷不變的情況下，原供暖抽汽全部作為驅(qū)動(dòng)熱量驅(qū)動(dòng)熱泵對外供熱，使得機(jī)組供熱能力明顯增加，可增加供熱量498 960 GJ/a，增加供暖收益達(dá)1 746.4萬元；當(dāng)?shù)夭膳娣e熱指標(biāo)按65 w/m2計(jì)算，可在現(xiàn)有供熱基礎(chǔ)上增加供熱面積59萬m2，有利于緩解城市熱網(wǎng)熱源不足，滿足人們的供熱需求，提高人們的生活水平，具有良好的社會(huì)效益。

5結(jié)語

采用吸收式熱泵回收電廠循環(huán)水余熱供熱，在回收電廠余熱的同時(shí)，無需消耗新的能源，有效減少電廠排放物對環(huán)境的污染，能較好的實(shí)現(xiàn)能源的階梯利用。以300 MW機(jī)組為例，對采用熱泵供熱前后機(jī)組供熱負(fù)荷和發(fā)電負(fù)荷不變兩種工況計(jì)算，當(dāng)機(jī)組供熱負(fù)荷不變時(shí)，采用熱泵供熱使機(jī)組抽汽量減少，節(jié)省抽汽繼續(xù)在汽輪機(jī)中膨脹做功，增加發(fā)電功率，一個(gè)供暖季機(jī)組可增加發(fā)電量62 687 520 MW；當(dāng)機(jī)組發(fā)電負(fù)荷不變時(shí)，供暖抽汽全部用來驅(qū)動(dòng)熱泵對外供熱，增加了機(jī)組的供熱能力，一個(gè)供暖季機(jī)組對外增加供熱量498 960 GJ，增加供熱面積59萬m2。

參考文獻(xiàn)

[1]肖永勤，韓世慶，劉明軍.溴化鋰吸收式熱泵在集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用及節(jié)能分析[J].制冷與空調(diào)，2012，12(4)：8-12.

[2]周崇波，俞聰，郭棟，等.大型吸收式熱泵應(yīng)用于火電廠回收余熱供熱的試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代電力，2013，30(2)：37-40.

[3]胡思科，劉如舟，陳德，等.壓縮式熱泵回收甲丁循環(huán)冷卻水余熱計(jì)算分析[J].東北電力學(xué)學(xué)報(bào)，2015,35(14):14-19.

[4]王海成.吸收式熱泵回收300MW供熱機(jī)組循環(huán)水余熱的效益分析[J].華電技術(shù)，2014，36(3)：69-72.

[5]劉明軍，葛茂清，盧尚有，等.吸收式熱泵在熱電廠乏汽余熱回收領(lǐng)域的應(yīng)用[J].流體機(jī)械，2013，41(2)：83-87.

[6]張學(xué)鐳，陳海平.回收循環(huán)水余熱的熱泵供熱系統(tǒng)熱力性能分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(8)：1-8.

[7]金紅光，王寶群.化學(xué)能梯級利用機(jī)理探討[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25(2)：181-184.

[8]撒衛(wèi)華.溴化鋰第一類吸收式熱泵的研究及應(yīng)用[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2010，(2)：21-24.

Economic Analysis of Water Absorption Heat Pump System for Power Plant Circulating Water

ZHOU Zhen-qi，CUI Chun-hui

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：Heat recovery of circulating water in power plant by absorption heat pump can improve the thermal efficiency of the unit and heat supply capacity，and reduce the cooling source loss.In a 300 MW steam turbine as an example，to determine the two computational scheme，pumping steam heating and circulating water absorption heat pump heating cogeneration unit economy were analyzed.The results show that the use of heat pump to recover the waste heat of circulating water in power plant has good social and economic benefits.

Key words：Absorption heat pump；Circulating water；Waste heat utilization；Economy

中圖分類號：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-2992(2016)01-0047-04

作者簡介：周振起(1963-)，男，吉林省白山市人，東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授，碩士，主要研究方向：電廠節(jié)能理論與節(jié)能技術(shù).

收稿日期：2015-09-12