周崇波 鮑官軍 高 峰 葉 智 楊慶華

大型自配膠球裝置溴化鋰吸收式熱泵余熱供熱系統(tǒng)超定擬合研究

周崇波1,2鮑官軍1高 峰1葉 智2楊慶華1

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 杭州 310006；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司 杭州 310030）

以大型自配膠球裝置溴化鋰吸收式熱泵余熱供熱系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于近三個(gè)采暖季運(yùn)行數(shù)據(jù)，選取各采暖季中熱網(wǎng)循環(huán)水及余熱循環(huán)水流量接近設(shè)計(jì)值的8個(gè)工況，建立超定函數(shù)模型，并通過(guò)MATLAB采用最小二乘擬合進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果表明，熱網(wǎng)水進(jìn)水溫度每降低1℃，熱泵供熱量提高1.37%，余熱水進(jìn)水溫度每升高1℃，熱泵供熱量提高7.93%，驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力每降低0.01MPa，熱泵供熱量降低3.99%，回收余熱量降低10.33%。該定量擬合研究結(jié)果對(duì)火電廠大型吸收式熱泵余熱供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。

余熱利用；吸收式熱泵；膠球清洗；理論擬合；超定方程組

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展步入新常態(tài)，能源發(fā)展質(zhì)量和效率問(wèn)題突出，供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革刻不容緩。“十三五”能源規(guī)劃的主要目標(biāo)提出單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2015年下降15%，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2015年下降18%，煤電平均供電煤耗下降到每千瓦時(shí)310克標(biāo)準(zhǔn)煤以下。傳統(tǒng)抽汽熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組雖然較純凝機(jī)組的能源利用效率高、環(huán)保效益好，但仍有部分冷凝余熱通過(guò)冷卻或其他方式塔散失掉，以一臺(tái)300MW供熱機(jī)組為例，其可資利用冷端潛熱約占燃料耗能總量的10%，充分利用這部分余熱是傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)突破發(fā)展的新方向。

1 余熱利用技術(shù)

目前，余熱供熱已具有多種可選技術(shù)，通過(guò)壓縮式熱泵技術(shù)[1]、水冷機(jī)組吸收式熱泵技術(shù)[2]、空冷機(jī)組吸收式熱泵技術(shù)[3]、基于Co-ah循環(huán)技術(shù)[4]、高背壓真空改造技術(shù)[5]等，突破傳統(tǒng)抽汽供熱的局限，在發(fā)電功率等級(jí)不變的前提下，充分利用冷端余熱，提升供熱能力。清華大學(xué)基于吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱的大溫差供熱技術(shù)[6]先后在內(nèi)蒙古赤峰及山西大同等電廠實(shí)施，大大提高了其供熱能力；北京、黑龍江等地多家電廠采用吸收式熱泵機(jī)組回收循環(huán)水余熱用于供熱項(xiàng)目具備了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[7]。

近年來(lái)，對(duì)吸收式熱泵技術(shù)的研究方興未艾，主要從理論模擬與試驗(yàn)研究?jī)煞矫嫒胧?，如郭中旭等人采用Ebsilon軟件建立2×350MW耦合吸收式熱泵的供熱機(jī)組模型并進(jìn)行變工況分析[8]，劉剛建立吸收式熱泵熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算模型，并研究了熱泵投切的負(fù)荷轉(zhuǎn)折點(diǎn)[9]，趙璽靈等人研究評(píng)價(jià)熱泵對(duì)燃?xì)鉄煔庥酂峁岬墓?jié)能效果[10]，王斌等人對(duì)乏汽吸收式熱泵進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)[11]，周崇波等人對(duì)大型吸收式熱泵系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究[12]。本文以300MW開(kāi)式循環(huán)水自配置膠球清洗裝置吸收式熱泵余熱供熱系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)近三年采暖季歷史數(shù)據(jù)分析其供熱方式和節(jié)能效果，并建立超定函數(shù)模型探討三個(gè)主要邊界條件對(duì)熱泵功率及提取余熱能力的定量影響。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及現(xiàn)狀

本文原則性系統(tǒng)圖如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)布置圖如圖2所示，300MW開(kāi)式循環(huán)水自配膠球裝置吸收式熱泵系統(tǒng)在原300MW抽汽供熱機(jī)組基礎(chǔ)上，將部分采暖抽汽作為大型吸收式熱泵機(jī)組的驅(qū)動(dòng)熱源，驅(qū)動(dòng)熱泵回收汽輪機(jī)排汽冷凝熱，加熱市政一次熱網(wǎng)回水，供暖初末期取代原熱加熱器供熱，供暖高寒期作為基礎(chǔ)負(fù)荷供熱。本系統(tǒng)的循環(huán)水采用開(kāi)式，直接取自江水，本系統(tǒng)通過(guò)將膠球清洗裝備嵌入吸收式熱泵系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)清洗淤泥、微生物等在傳熱管中的堵塞，從而增加循環(huán)水通流量，提高換熱效率，使得大型吸收式熱泵機(jī)組提取循環(huán)水余熱量增加近一倍[13,14]。

熱泵機(jī)組啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)膠球清洗裝置，在抽汽量一定的情況下，由于新增了從循環(huán)水中回收的余熱，系統(tǒng)供熱能力增強(qiáng)，并帶來(lái)良好的節(jié)能收益和社會(huì)效益。表1列出了各采暖季每月實(shí)際回收余熱量，統(tǒng)計(jì)計(jì)算年均回收循環(huán)水余熱量169萬(wàn)吉焦，按當(dāng)?shù)亟耆紵悍N熱值計(jì)算，相當(dāng)于年節(jié)煤10.12萬(wàn)噸，按照標(biāo)煤熱值計(jì)算，相當(dāng)于節(jié)煤5.78萬(wàn)噸，根據(jù)有關(guān)資料[15]，經(jīng)計(jì)算，減少排放二氧化碳2.54萬(wàn)噸，減少排放二氧化硫1156噸，減少排放煙塵867噸，減少排放灰渣1.5萬(wàn)噸。

圖1 自配置膠球清洗裝備余熱供熱原則性系統(tǒng)圖

圖2 自配置膠球清洗裝備吸收式熱泵余熱供熱系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

表1 近三個(gè)采暖季每月實(shí)際回收余熱量（單位：GJ）

3 超定擬合研究

近三個(gè)采暖季熱泵系統(tǒng)的各邊界參數(shù)表2所示，熱網(wǎng)進(jìn)水溫度較設(shè)計(jì)值低，余熱水進(jìn)水溫度較設(shè)計(jì)值略高，都是有利于系統(tǒng)整體性能提升，但驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力偏低，降低了系統(tǒng)出力。

表2 近三個(gè)采暖季三個(gè)主要邊界條件差異表

表3列出了各月回收余熱量占熱泵供熱量的比例，平均占比36.63%，理論設(shè)計(jì)值為42.39%，差距約6%，結(jié)合表2分析原因，雖然熱網(wǎng)水及余熱水進(jìn)水條件有利于提取余熱，但由于驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力偏低造成負(fù)面影響，而且驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力要大于其余兩個(gè)邊界參數(shù)對(duì)熱泵系統(tǒng)出力及提取余熱能力的影響，因此總體回收余熱量在熱泵供熱量中還是沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)值。

表3 近三個(gè)采暖季回收余熱量占熱泵供熱量比例表

為了進(jìn)一步研究三個(gè)主要邊界條件對(duì)熱泵出力及提取余熱能力的定量影響，本文篩選出每個(gè)采暖季中熱網(wǎng)循環(huán)水及余熱循環(huán)水流量接近設(shè)計(jì)值的工況，從而最大限度排除流量對(duì)熱泵供熱量與回收余熱量的影響，共選取了8個(gè)工況，如表4所示。

表4 選取的實(shí)際運(yùn)行工況表

分別對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)水溫度降低、余熱水進(jìn)水溫度升高、驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力降低三個(gè)邊界條件參數(shù)變化引發(fā)熱泵供熱量與回收余熱量組成超定方程組，將三個(gè)邊界條件作為自變量，熱量作為因變量，構(gòu)造函數(shù)。

假設(shè)：

上式（1）中X表示選取的工況，x表示第種工況中邊界參數(shù)與設(shè)計(jì)值偏差量，Y表示第種工況熱泵供熱量或回收余熱量與設(shè)計(jì)值的偏差量。本文在以上給定的原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，擬求解一個(gè)線性依賴(lài)于某影響參數(shù)向量：

使得：

上式（3）并不存在精確解，求解過(guò)程應(yīng)使其誤差向量()的p模極小化，即求向量使得：

其中：

當(dāng)式（4）中=2，即為最小二乘解。最小二乘解雖然可使總體誤差較小，但可能使個(gè)別點(diǎn)的誤差過(guò)大，超過(guò)允許值，本文采用直接修正法[16]降低最大誤差，從而使超定方程組的解得到優(yōu)化。假設(shè)X是超定方程組的初始解，不妨設(shè)前個(gè)點(diǎn)誤差最大，即：

其中：≧1，≦。

設(shè)：

其中>0，為步長(zhǎng)因子，Δ為0的修正方向，修正量（Δ）根據(jù)下式（8）-（10）進(jìn)行選取：

其中：為符號(hào)函數(shù)。

在求解式（2）邊界參數(shù)對(duì)熱泵供熱量影響的擬合過(guò)程中，對(duì)未知數(shù)直接賦予非負(fù)條件，而在求解對(duì)回收余熱量影響的擬合過(guò)程中，對(duì)未知數(shù)需賦予不小于影響熱泵供熱量的參數(shù)值。

基于MATLAB最小二乘擬合計(jì)算，結(jié)果表明，熱網(wǎng)水進(jìn)水溫度每降低1℃，熱泵供熱量提高1.37%；余熱水進(jìn)水溫度每升高1℃，熱泵供熱量提高7.93%；驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力每降低0.01MPa，熱泵供熱量降低3.99%。熱網(wǎng)水進(jìn)水溫度降低和余熱水進(jìn)水溫度升高1℃，在輸入條件限制下，對(duì)回收余熱量的影響與對(duì)熱泵供熱量的影響一致，但驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力每降低0.01MPa，回收余熱量降低10.33%。

4 結(jié)論

本文針對(duì)300MW開(kāi)式循環(huán)水自配膠球裝備吸收式熱泵余熱供熱系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)重要邊界條件定量影響熱泵出力及提取余熱能力進(jìn)行了理論擬合分析。

（1）本系統(tǒng)自配置膠球清洗在線裝備大型吸收式熱泵系統(tǒng)尚屬?lài)?guó)內(nèi)第一次集成應(yīng)用，基于近三個(gè)采暖季的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，年均回收余熱量169萬(wàn)吉焦，按當(dāng)?shù)亟耆紵悍N熱值計(jì)算，相當(dāng)于年節(jié)煤10.12萬(wàn)噸；按照標(biāo)煤熱值計(jì)算，相當(dāng)于節(jié)煤5.78萬(wàn)噸，減少排放二氧化碳2.54萬(wàn)噸，減少排放二氧化硫1156噸，減少排放煙塵867噸，減少排放灰渣1.5萬(wàn)噸。

（2）選取每個(gè)采暖季中熱網(wǎng)循環(huán)水及余熱循環(huán)水流量接近設(shè)計(jì)值的8個(gè)工況，建立超定函數(shù)，并通過(guò)MATLAB采用最小二乘擬合計(jì)算，結(jié)果表明，熱網(wǎng)水進(jìn)水溫度每降低1℃，熱泵供熱量提高1.37%，余熱水進(jìn)水溫度每升高1℃，熱泵供熱量提高7.93%，驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力每降低0.01MPa，熱泵供熱量降低3.99%，回收余熱量降低10.33%。該結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力對(duì)提取余熱量能力的影響至為關(guān)鍵，余熱水進(jìn)水溫度對(duì)系統(tǒng)出力和提取余熱能力的影響小于驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力的影響。

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An Application Study of Waste Heat Utilization by an Absorption Heat Pump System with Self-equipped Rubber Ball Device in 300MW Thermal Power Plant

Zhou Chongbo1,2Bao Guanjun1Gao Feng1Ye Zhi2Yang Qinghua1

( 1.Zhejiang University of technology, Hangzhou, 310006; 2.Hua Dian Electric Power Research Institute, Hangzhou, 310030 )

An application study was performed for an absorption heat pump system with self-equipped rubber ball device, which can recover waste heat from open circulating water in a 300MW thermal power plant. The eight working conditions, in which the flow rates of heat-supply water and circulating water were close to the design values, were selected to make overdetermined equations. Using least squares fitting through MATLAB, the results showed that the heat pump heating load can be increased by 1.37%, as the inlet temperature of heat-supply water decreases by 1℃; the load increases by 7.93% when the inlet temperature of circulating water increases by 1℃. The heat pump heating load reduces by 3.99% and the recovery of waste heat by 10.33%, as the driven steam pressure decreases by 0.01MPa.

waste heat utilizing; absorption heat pump; rubber ball cleaning; simulation calculation; overdetermined equation

TK11+5

A

1671-6612（2019）04-351-04

周崇波（1984-），男，研究生，高級(jí)工程師，E-mail：zhouchongbo122@126.com

楊慶華（1964-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師

2018-08-06