郭東奇

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

我國北方火力發(fā)電廠大多為空冷機(jī)組，空冷機(jī)組在電廠節(jié)水方面優(yōu)勢顯著，但與濕冷機(jī)組相比也有不足，如直接空冷機(jī)組，運(yùn)行背壓高，空冷風(fēng)機(jī)耗電量大。冬季空冷系統(tǒng)需要采取防凍措施，夏天空冷系統(tǒng)的冷卻能力會受到限制，空冷系統(tǒng)背壓可達(dá)50 kPa，限制機(jī)組約10%～20%的額定出力，嚴(yán)重制約機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

為提高空冷機(jī)組夏季運(yùn)行的安全穩(wěn)定性以及機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，本文在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上提出一種新型吸收式熱泵—空冷復(fù)合系統(tǒng)，為降低空冷機(jī)組運(yùn)行背壓，改善空冷機(jī)組夏季運(yùn)行工況提供一種可行方案。

1 吸收式熱泵—空冷復(fù)合系統(tǒng)介紹

圖1 為新型吸收式熱泵—空冷復(fù)合系統(tǒng)原則性熱力系統(tǒng)簡圖，該系統(tǒng)以某電廠2×300 MW 亞臨界直接空冷機(jī)組為依據(jù)，機(jī)組選用亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽直接空冷凝汽式汽輪機(jī)。本系統(tǒng)在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上新增一套吸收式熱泵系統(tǒng)和一臺換熱器，改善機(jī)組運(yùn)行工況。

系統(tǒng)運(yùn)行時，機(jī)組一部分排汽進(jìn)入空冷散熱器，一部分引入熱泵蒸發(fā)器，熱泵蒸發(fā)器中的乏汽凝結(jié)水接至排汽裝置。利用汽輪機(jī)六段抽汽作為熱泵系統(tǒng)的驅(qū)動蒸汽。機(jī)組的乏汽凝結(jié)水接至熱泵冷凝器吸收熱量。經(jīng)熱泵加熱的較高溫度的乏汽凝結(jié)水再進(jìn)入末級回?zé)峒訜崞髦欣^續(xù)吸收熱量。當(dāng)熱泵負(fù)荷較高，除滿足加熱乏汽凝結(jié)水外還有多余熱量時，可以投入新增的換熱器對外供熱。

圖1 新型吸收式熱泵—空冷復(fù)合系統(tǒng)原則性熱力系統(tǒng)簡圖

通過熱泵系統(tǒng)吸收一部分機(jī)組乏汽，降低空冷散熱器的負(fù)荷，將機(jī)組的背壓維持在設(shè)計(jì)背壓或降低至設(shè)計(jì)背壓以下，達(dá)到提高機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的，同時也提高機(jī)組整體的運(yùn)行效率。

2 系統(tǒng)熱力學(xué)分析指標(biāo)

空冷發(fā)電機(jī)組引入該系統(tǒng)后，可以通過調(diào)節(jié)熱泵蒸發(fā)器中吸收劑的蒸發(fā)溫度，調(diào)節(jié)乏汽冷凝溫度，進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)組背壓。乏汽進(jìn)入熱泵可減少空冷島的散熱負(fù)荷，降低廠用電率，提高機(jī)組循環(huán)熱經(jīng)濟(jì)性。本系統(tǒng)使發(fā)電機(jī)組不再需要增設(shè)尖峰冷卻系統(tǒng)或加裝噴霧降溫等系統(tǒng)，可降低廠用電率以及建設(shè)費(fèi)用。利用熱泵加熱乏汽凝結(jié)水，降低末級回?zé)峒訜崞鞯呢?fù)荷，進(jìn)而減少末級抽汽量，機(jī)組出力得到提高。

由以上分析可知，熱泵蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度和熱泵系統(tǒng)吸收機(jī)組乏汽的比例會對整個機(jī)組有較大的影響，為此采用熱量法和火用方法對機(jī)組進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性分析。

熱力學(xué)分析計(jì)算的參數(shù)依據(jù)為汽輪機(jī)廠家提供的汽輪機(jī)夏季工況熱平衡圖，只對改造部分進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，其余部分維持機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)不變。針對機(jī)組背壓和乏汽分配比例兩個因素對機(jī)組性能的影響，主要考察機(jī)組發(fā)電量、發(fā)電標(biāo)煤耗、發(fā)電效率、全廠汽耗率、全廠熱耗率、全廠熱效率以及全廠效率等熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

假設(shè)汽輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)穩(wěn)定，工質(zhì)參數(shù)設(shè)定與汽機(jī)熱平衡圖保持一致；空冷島僅考慮散熱量，不進(jìn)行空冷散熱器耗電量的計(jì)算；各個換熱器的換熱效率為100%；熱泵的COP 為1.7；熱泵加熱乏汽凝結(jié)水的最高溫度為90 ℃；環(huán)境溫度取25 ℃。

汽輪機(jī)排汽背壓的計(jì)算范圍為27.5～5 kPa，其中27.5 kPa 為機(jī)組背壓的夏季設(shè)計(jì)工況；空冷散熱器與熱泵吸收汽輪機(jī)排汽的比例變化范圍為1～0.9。

3 系統(tǒng)熱力學(xué)計(jì)算

進(jìn)入空冷散熱器的乏汽比例α

式中：Mc為進(jìn)入空冷散熱器的乏汽流量，kg/h；Mhp為進(jìn)入熱泵的乏汽流量，kg/h。

發(fā)電效率np

式中：P為機(jī)組發(fā)電量，kW；Q為輸入機(jī)組的熱量，kJ/h。

發(fā)電熱耗率qp

發(fā)電汽耗率dp

式中：M0為新蒸汽質(zhì)量流量，kg/h。

發(fā)電標(biāo)煤耗bp

全廠熱效率nh

式中：Qs為對外供熱量，MW。

全廠火用效率ne

式中，Es為對外輸出熱量所含火用，kW；E0為輸入循環(huán)系統(tǒng)的火用，kW。

以Pe為基準(zhǔn)，所考察的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)中np與Pe成正比；qp、dp以及bp與Pe成反比，nh和ne與Pe成正相關(guān)的關(guān)系。

4 系統(tǒng)熱力學(xué)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 熱泵負(fù)荷Qhp 分布圖

圖2 為Qhp隨α 和機(jī)組背壓pc的變化關(guān)系圖，圖中虛線及其下方為熱泵僅用作加熱乏汽凝結(jié)水的工況。虛線部分為熱泵將乏汽凝結(jié)水加熱到90 ℃的工況，由于熱泵出口水溫最高能夠達(dá)到90 ℃，當(dāng)熱泵將乏汽凝結(jié)水加熱至90 ℃以后還可以對外提供熱量。虛線可以認(rèn)為是熱泵只加熱乏汽凝結(jié)水與熱泵可對外供熱兩種工況的分界線。

圖2 pc 和α 對Qhp 的影響

由圖2 可以看出，熱泵分擔(dān)的機(jī)組乏汽量越大，機(jī)組背壓就越低。當(dāng)背壓不變時，熱泵分擔(dān)機(jī)組乏汽的比例越大，對外提供的熱量越大。

為便于機(jī)組運(yùn)行調(diào)節(jié)，將pc和α 之間的變化關(guān)系擬合為一個多項(xiàng)式函數(shù)，如式（8） 所示。

4.2 機(jī)組發(fā)電量Pe 和發(fā)電效率np

圖3 為Pe隨α 和pc的變化趨勢。從圖3 中可以看出，當(dāng)α 保持不變時，Pe隨著pc的降低而逐漸上升。當(dāng)pc不變時，Pe隨著α 值的降低先逐漸上升達(dá)到一個最大值，然后逐漸下降，且下降速度要大于上升速度，該最大值隨著α 的降低逐漸升高。不同pc的Pe的最大值工況對應(yīng)圖2 的分界線。

計(jì)算結(jié)果顯示，Pe最大為311.846 MW，對應(yīng)的工況α 值為0.927，pc為5 kPa，比機(jī)組原有出力提高了3.925%。當(dāng)pc達(dá)到5 kPa 時，避免了由于夏季環(huán)境溫度過高，機(jī)組背壓過高的影響，機(jī)組可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，節(jié)能效益顯著。

圖3 pc 和α 對Pe 的影響

由計(jì)算公式可以看出np與Pe成正比，故np的變化趨勢與Pe一致。np的最大值為0.423，對應(yīng)的工況α 值為0.927，背壓pc為5 kPa。

從圖3 中還可以看出，熱泵只加熱乏汽凝結(jié)水有利于提高發(fā)電效率，而當(dāng)熱泵對外供熱時，機(jī)組的發(fā)電效率會有所減少。兩種工況的不同變化趨勢可能是由于六段抽汽的品質(zhì)較高，用于熱泵的驅(qū)動蒸汽量較大時導(dǎo)致進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽做功能力降低。

4.3 發(fā)電熱耗率qp、發(fā)電汽耗率dp、發(fā)電標(biāo)煤耗bp

圖4 為qp隨著α 和pc的變化關(guān)系圖。由圖4 可以看出，當(dāng)α 不變時，qp隨pc的降低而逐漸降低。當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組的排汽背壓相同時，qp隨α 的減小先逐漸減小然后逐漸增大。每個背壓均有一個α 使得qp最低，而不同背壓下qp最低值對應(yīng)的α 值隨著背壓的降低也逐漸減小。當(dāng)機(jī)組背壓為5 kPa，α為0.927 時，qp達(dá)到最低值8 502.62 kJ/(kW·h)。

從式（4）、式（5） 可以看出，dp、bp均與qp成正比，qp最低工況也對應(yīng)dp與bp的最低值，當(dāng)機(jī)組背壓為5 kPa，α 為0.927 時，dp為3.196 kg/(kW·h)，bp為0.291 kg/(kW·h)。

圖4 pc 和α 對qp 的影響

4.4 全廠熱效率nh 和火用效率ne

圖5 為nh隨α 和pc的變化關(guān)系圖。從圖5 可以看出，當(dāng)pc一定時，nh隨α 的降低而逐漸上升，熱泵對外供熱以后，nh的上升速度增加；當(dāng)α 保持不變時，隨著pc的降低，nh的變化趨勢有3 種情況：當(dāng)0.97≤α＜1 時，熱泵僅僅加熱乏汽凝結(jié)水，nh隨pc的降低而逐漸上升；當(dāng)熱泵0.927＜α＜0.97時，熱泵不僅加熱乏汽凝結(jié)水，還要對外供熱，nh隨著pc的降低先逐漸降低而后逐漸上升；而當(dāng)α≤0.927 時，nh隨pc的降低而逐漸降低。最佳工況下nh并不是最高值，該工況下熱泵并不對外提供熱量，最佳工況下nh為0.423。

圖5 pc 和α 對nh 的影響

從圖5 還可以看出，由于原空冷機(jī)組的冷源熱損失較大，引入熱泵系統(tǒng)后對于nh有明顯的提高作用。熱泵僅用于加熱乏汽凝結(jié)水時，機(jī)組熱效率的提高幅度要明顯小于熱泵對外供熱以后的熱效率提高幅度。從這一點(diǎn)也可以看出，本系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際情況尋求外部熱用戶以提高全廠熱效率。

ne與Pe和nh均成正相關(guān)的關(guān)系。ne的變化趨勢與nh的變化趨勢基本一致，當(dāng)α 保持不變時，隨著pc的降低，ne逐漸上升；當(dāng)pc為定值時，ne隨α 的減小而逐漸上升，且當(dāng)熱泵對外提供熱量時，ne上升的速率要比單獨(dú)加熱乏汽凝結(jié)水工況的上升速度快。在熱泵只加熱乏汽凝結(jié)水的工況下，α 為0.927，pc為5 kPa 時，ne最高，達(dá)到0.791。當(dāng)熱泵開始對外供熱時，pc越低，α 越低的工況對應(yīng)ne越高。

綜上，吸收式熱泵—空冷復(fù)合系統(tǒng)可以通過熱泵降低機(jī)組背壓，提高機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，進(jìn)而提高全廠的循環(huán)性能，對全廠能源效率的提高具有積極作用。

5 結(jié)論

著眼于改善空冷機(jī)組夏季運(yùn)行工況，提升機(jī)組運(yùn)行安全穩(wěn)定性和運(yùn)行效率，提出一種吸收式熱泵-空冷復(fù)合系統(tǒng)。利用吸收式熱泵蒸發(fā)器的制冷作用，通過吸收一部分汽輪機(jī)乏汽熱量降低機(jī)組背壓，達(dá)到提高機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

a） 本系統(tǒng)最佳運(yùn)行工況可以將機(jī)組背壓pc降低至5 kPa，此時熱泵分擔(dān)機(jī)組乏汽的比例為7.3%，機(jī)組發(fā)電量Pe為311.846 MW，比機(jī)組原有出力提高了3.925%，發(fā)電效率np提高了4%，發(fā)電熱耗率qp上升了3.9%，全廠熱效率nh提高了4%，全廠火用效率ne提高了4%，發(fā)電標(biāo)煤耗bp降低了3.8%。

b） 得到背壓pc與空冷乏汽分配比例α 之間的擬合函數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組在不同環(huán)境溫度下都能達(dá)到最佳運(yùn)行工況。

c） 如果電廠周圍存在熱用戶，可以將熱泵多余的熱量對外輸出，以提高全廠效率，一定程度上還可以提高機(jī)組的運(yùn)行效率。