周振起 崔春暉 袁 猛 王盛華 王東亮 王 碩

（東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院 吉林 132012）

吸收式熱泵回收火電廠冷凝熱供暖的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

周振起 崔春暉 袁 猛 王盛華 王東亮 王 碩

（東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院 吉林 132012）

介紹了溴化鋰吸收式熱泵的工藝流程，以某300MW抽凝供熱機(jī)組為例，分析熱泵供熱前后機(jī)組供熱能力的變化，對(duì)機(jī)組節(jié)能效益進(jìn)行計(jì)算與分析，并對(duì)電廠安裝熱泵后節(jié)能效益的算法進(jìn)行討論。結(jié)果表明：供熱機(jī)組安裝熱泵后，相同抽汽量的情況下機(jī)組對(duì)外供熱能力大大增加；并且在供熱量相同的情況下，不同的收益計(jì)算方法所得到的節(jié)能收益結(jié)果相差較大，因此，在計(jì)算溴化鋰吸收式熱泵的節(jié)能收益時(shí)，應(yīng)以供熱機(jī)組實(shí)際的運(yùn)行工況選擇合適的計(jì)算方法。

火電廠；吸收式熱泵；抽汽；供熱能力；節(jié)能收益

0 引言

利用熱電廠對(duì)用戶集中供熱是目前國(guó)內(nèi)采暖的主要方式之一。在目前大型抽凝式供熱機(jī)組生產(chǎn)過程中，絕大多數(shù)熱電廠直接將汽輪機(jī)乏汽余熱經(jīng)循環(huán)水通過冷卻塔排放出去，大量的低溫余熱資源沒能得到有效利用，造成能源的浪費(fèi)。隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的推行落實(shí)，人們?cè)絹碓街匾晫?duì)火電廠能源階梯利用，提出各種各樣的循環(huán)水余熱回收利用方式，其中溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)以高效節(jié)能和具有良好的經(jīng)濟(jì)效益而廣泛受到關(guān)注和應(yīng)用[1]。采用吸收式熱泵能較大幅度的增加供熱機(jī)組的供熱能力，其節(jié)能的本質(zhì)是因?yàn)榻档土顺槠麉?shù)與熱網(wǎng)供熱參數(shù)之間的匹配差異所帶來的熵增而導(dǎo)致的蒸汽做功能力的喪失[2]。參考有關(guān)計(jì)算吸收式熱泵供熱系統(tǒng)節(jié)能收益的資料，很多直接以熱泵實(shí)際回收的熱量為基礎(chǔ)，將熱泵回收的熱量乘以熱價(jià)或者將其折算成標(biāo)準(zhǔn)煤作為電廠的節(jié)能收益，由于供暖期各時(shí)段供熱機(jī)組的工況的變化以及能量品質(zhì)的不同，使得這種算法或多或少的放大了安裝熱泵后電廠的節(jié)能收益[3]。以某300MW抽凝供熱機(jī)組為例，分析了熱泵供熱前后機(jī)組供熱能力的變化，并在保證原抽凝機(jī)組最大供熱負(fù)荷不變的前提下，分析安裝熱泵系統(tǒng)后電廠的節(jié)能收益，并對(duì)熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的節(jié)能收益計(jì)算方法進(jìn)行討論。

1 溴化鋰吸收式熱泵供熱原理

溴化鋰吸收式熱泵以蒸汽作為驅(qū)動(dòng)能源，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[4]。吸收式熱泵主要由吸收器、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。它以汽輪機(jī)部分抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，將發(fā)生器中的溴化鋰稀溶液加熱，使溴化鋰稀溶液變成濃溶液，并產(chǎn)生高壓水蒸氣，高壓蒸汽進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中變成冷凝水，放出冷凝熱加熱熱網(wǎng)水，冷凝水經(jīng)節(jié)流降溫后流入蒸發(fā)器，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)。熱網(wǎng)回水依次在吸收器，冷凝器內(nèi)吸熱升溫后，供給用戶供暖[5-9]。

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：

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)等于熱泵輸出熱量（熱網(wǎng)水吸收熱量）與驅(qū)動(dòng)蒸汽熱量之比，即：

由上式得知，采用吸收式熱泵供熱其供熱量始終大于消耗的高溫驅(qū)動(dòng)熱源的熱量，從能量利用方面講采用吸收式熱泵供熱始終要比直接抽汽供熱節(jié)能。

2 吸收式熱泵回收電廠余熱供熱方案

以某300MW熱電機(jī)組為例，機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)見表1。在傳統(tǒng)抽汽供熱機(jī)組的基礎(chǔ)上加入吸收式熱泵設(shè)備形成新型帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機(jī)組，其系統(tǒng)示意圖如圖1所示。熱泵系統(tǒng)在原供熱抽汽的驅(qū)動(dòng)下，回收冷端潛熱，當(dāng)熱泵系統(tǒng)能夠回收循環(huán)冷卻水全部余熱時(shí)，閥門1、2關(guān)閉；當(dāng)熱泵只能回收部分廢熱時(shí)，剩余其他循環(huán)冷卻水仍需通過冷卻塔進(jìn)行冷卻，此時(shí)，閥門1、2開啟；當(dāng)外界熱負(fù)荷變化，熱泵系統(tǒng)所提供的熱量不足以滿足用戶需求時(shí)，需要開啟閥門3，由供暖抽汽提供其余熱負(fù)荷?？紤]到熱泵系統(tǒng)投資較大，為了使熱泵系統(tǒng)在機(jī)組任何抽汽量下都能滿負(fù)荷運(yùn)行，以機(jī)組抽汽量達(dá)到最大工況時(shí)選擇熱泵機(jī)組，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電廠冷源損失最小。

圖1 帶吸收式熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of heat supply system with absorption heat pump

表1 某300MW供熱機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)Table1 The main technical parameters of a 300MW heating unit

3 計(jì)算模型

常規(guī)熱電廠抽凝機(jī)組抽汽對(duì)外供熱，用戶得到的熱量：

式中：Qa為用戶得到的熱量，MW；m為抽汽流量，kg/s；h1為抽汽焓，kJ/kg；h2抽汽凝結(jié)焓，kJ/kg。

機(jī)組安裝熱泵供熱后，熱泵系統(tǒng)對(duì)外供熱量：

式中：Qb為熱泵系統(tǒng)供熱負(fù)荷，MW；Qn為熱電廠最小冷源損失，即熱泵從循環(huán)冷卻水中回收的熱量，MW；Qg為熱泵系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)熱量，MW；COP為熱泵的熱力性能系數(shù)。

假定驅(qū)動(dòng)抽汽凝結(jié)水焓值仍為h2，則熱泵所需驅(qū)動(dòng)蒸汽熱量：

式中：m1為驅(qū)動(dòng)蒸汽流量，kg/s。

安裝熱泵后的帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組對(duì)外供熱，用戶可得到的熱量：

當(dāng)外界熱負(fù)荷需求達(dá)到原抽汽機(jī)組最大供熱量Qmax且保持不變時(shí)，則帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機(jī)組所需抽汽量為：

式中：m2為帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組對(duì)外供熱Qmax時(shí)所需抽汽量，kg/s。

因?yàn)樵黾恿宋帐綗岜?，通過從循環(huán)冷卻水中提取部分熱量，最終節(jié)省一部分抽汽，節(jié)省抽汽量為：

式中：mΔ為節(jié)省抽汽量，kg/s；maxm為熱電廠供熱機(jī)組最大抽汽量，kg/s。

節(jié)省抽汽量可以在汽輪機(jī)中繼續(xù)做功，機(jī)組增加功率：

式中：WΔ為機(jī)組增加功率，MW；ch為汽輪機(jī)排汽焓，kJ/kg；mη為機(jī)組機(jī)械效率，取0.99；gη為發(fā)電機(jī)效率，取0.97。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)表1中有關(guān)參數(shù)，對(duì)安裝熱泵前后供熱機(jī)組進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果分析如下。

4.1 相同抽汽量下供熱能力分析

原抽凝供熱機(jī)組供暖抽汽量在0-550t/h，隨著抽汽量的增加，對(duì)外供熱量也成比例逐漸增加，當(dāng)機(jī)組達(dá)到最大抽汽工況，此時(shí)對(duì)外供熱量達(dá)到最大392.55MW，最大供熱面積為603.92萬m2。假定熱泵熱力性能系數(shù)為1.7，熱泵系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行，回收電廠循環(huán)水余熱，則熱泵系統(tǒng)可對(duì)外供熱151.4MW。兩種供熱方式供熱能力隨抽汽量變化如圖2所示。當(dāng)抽汽量在0-212.1t/h，即在M，N點(diǎn)之前，此時(shí)帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組只有熱泵機(jī)組運(yùn)行供熱，峰載加熱器并未運(yùn)行，可以看出該區(qū)間相同抽汽量下單獨(dú)熱泵供熱方式供熱能力明顯要比抽汽供熱方式高，并隨著抽汽量的增加，兩者之間供熱量差距越來越大，當(dāng)抽汽量達(dá)到212.1t/h（M、N點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)），熱泵機(jī)組達(dá)到最大負(fù)荷，此時(shí)兩者之間的差距達(dá)到最大為106MW；M，N點(diǎn)之后，抽汽量在212.1-550t/h區(qū)間，熱泵供熱負(fù)荷不足以滿足用戶供熱需求，用戶所需一部分熱量由附加抽汽供給，相當(dāng)于熱電聯(lián)產(chǎn)，此時(shí)帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)供熱方式和抽汽供熱方式供熱能力相同；當(dāng)抽汽量達(dá)到機(jī)組最大抽汽量，兩種供熱方式均達(dá)到自身最大供熱極限，此時(shí)帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱量為498.57MW，比抽汽供熱機(jī)組供熱量增加106MW，增加供熱面積約163萬m2。由此可見，帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱能力明顯大于傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，對(duì)于供熱量不足的機(jī)組來說，這一改造技術(shù)具有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖2 機(jī)組抽汽量與供熱能力關(guān)系圖Fig.2 Relationship between unit pumping capacity and heating capacity

4.2 相同供熱量下節(jié)能效益分析

假定原抽汽供熱機(jī)組已達(dá)到最大供熱負(fù)荷且發(fā)電負(fù)荷不變，在保證最大供熱量不變的情況下討論熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的節(jié)能效益。圖3為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組安裝吸收式熱泵后熱泵系統(tǒng)、附加供暖抽汽之間抽汽量與供熱量的關(guān)系。對(duì)外供熱負(fù)荷同是392.55MW，原機(jī)組抽汽量為152.78kg/s，熱泵驅(qū)動(dòng)抽汽量與附加供暖抽汽量之和為111.5kg/s，節(jié)省供暖抽汽量41.28kg/s，這部分抽汽可以返回汽輪機(jī)中繼續(xù)膨脹做功，汽輪機(jī)可以在不增加燃煤的情況下增加發(fā)電功率，增加發(fā)電功率17.86MW。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，提高熱泵的制熱系數(shù)可以降低機(jī)組供暖抽汽量，提高系統(tǒng)的效率，圖3中節(jié)省的供暖抽汽量并沒有隨著熱泵制熱系數(shù)的增加而變化，這是因?yàn)闊岜孟到y(tǒng)已經(jīng)達(dá)到最大負(fù)荷并且回收的機(jī)組冷端損失有限。因此，當(dāng)熱泵系統(tǒng)回收額定數(shù)量的機(jī)組冷端損失時(shí)，通過改變驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力、熱網(wǎng)水進(jìn)口溫度等參數(shù)增大熱泵制熱系數(shù)節(jié)省更多供暖抽汽的方法是不可行的。

圖3 抽汽量與供熱量關(guān)系曲線Fig.3 The relationship between pumping quantity and heating quantity

若以供熱機(jī)組平均供電煤耗330g/kWh計(jì)算，安裝熱泵系統(tǒng)后增加的發(fā)電量相當(dāng)于節(jié)省了發(fā)電煤耗，一個(gè)供暖季大約節(jié)省21200t標(biāo)準(zhǔn)煤，煤價(jià)按600元/噸，節(jié)能收益約為1272萬元；若直接以回收熱量為基礎(chǔ)計(jì)算折算標(biāo)煤46934t/a，節(jié)能收益達(dá)2816萬元。圖2為機(jī)組對(duì)外供熱量不變情況下，幾種不同計(jì)算方法得到的電廠采用熱泵供熱后的節(jié)能收益。

圖4 幾種計(jì)算方法得到的電廠節(jié)能收益Fig.4 Several computational methods are obtained for the power plant energy saving gains

從圖2中可以看出，不同的計(jì)算方法所得出的電廠節(jié)能收益結(jié)果存在很大差異，與實(shí)際節(jié)能收益最大相差達(dá)3536萬元，因此在對(duì)熱泵供熱機(jī)組的節(jié)能收益進(jìn)行實(shí)際計(jì)算時(shí)，應(yīng)該根據(jù)工程具體情況選擇適當(dāng)?shù)氖找嬗?jì)算方法計(jì)算。當(dāng)機(jī)組供熱量大于機(jī)組供熱能力時(shí)，采用熱泵供熱能增加機(jī)組對(duì)外供熱量，此時(shí)以熱負(fù)荷增加為基礎(chǔ)進(jìn)行收益計(jì)算；當(dāng)電網(wǎng)電負(fù)荷要求較高，即機(jī)組供熱能力大于供熱需求時(shí)，抽汽返回汽輪機(jī)做功增加的發(fā)電量可以上網(wǎng)，增加機(jī)組全年發(fā)電量指標(biāo)，此時(shí)以發(fā)電負(fù)荷增加為基礎(chǔ)進(jìn)行收益計(jì)算；當(dāng)機(jī)組供熱能力大于供熱需求，且機(jī)組發(fā)電功率不變時(shí)，應(yīng)以節(jié)省標(biāo)煤量來評(píng)價(jià)熱泵系統(tǒng)節(jié)能收益。

5 結(jié)論

通過對(duì)300MW帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機(jī)組計(jì)算分析，可得出如下結(jié)論：采用吸收式熱泵供熱系統(tǒng)回收電廠循環(huán)冷卻水余熱，可以在保證機(jī)組容量不變的情況下增加機(jī)組的供熱能力，有效地緩解了日益增長(zhǎng)的供熱負(fù)荷需求和有限熱源供熱能力之間的矛盾；熱泵供熱系統(tǒng)投入使用后，對(duì)于電廠而言，不同的計(jì)算方法所得出的節(jié)能收益計(jì)算結(jié)果差別較大，因此，應(yīng)根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中的具體工況選擇不同的計(jì)算方法，使得企業(yè)收益更切合實(shí)際情況。

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Technology and Economy of Condensing Heat Supply in Thermal Power Plant by Absorption Heat Pump

Zhou Zhenqi Cui Chunhui Yuan Meng Wang Shenghua Wang Dongliang Wang Shuo
( Energy Resource and power Engineering College, Northeast Dianli University, Jilin, 132012 )

Introduces the process flow of absorption heat pump, taking a 300MW pumping unit as an example, analyzes the changes of the heating capacity of the heat pump units, and calculates and analyzes the energy efficiency of the unit. The results show that the heating capacity of the unit is greatly increased with the same pumping capacity, and the difference of the energy saving results obtained by different calculation methods is different. Therefore, it is suitable for the calculation of the actual operating conditions of the heating unit.

thermal power plant; absorption type heat pump; pumping steam; heating capacity; energy saving

TB611

A

務(wù)待處理cdq

1671-6612（2017）01-077-04

作者（通訊作者）簡(jiǎn)介：周振起（1963-），男，碩士，教授，研究方向?yàn)殡姀S節(jié)能理論與節(jié)能技術(shù)，E-mail：835601579@qq.com

2015-10-26