中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司 魏宏博

熱泵是一種消耗部分能量使熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體的能量利用裝置，在熱電廠可用于汽輪機(jī)排汽熱量的回收利用。熱電廠汽輪機(jī)熱量50%以上是以乏汽形式排放到環(huán)境中的，也就是通常所說的冷源損失，采用熱泵技術(shù)可以汽輪機(jī)抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，將此部分熱量進(jìn)行回收用于加熱采暖熱水，這樣不僅提高了熱電機(jī)組的供熱能力，還可提高電廠的熱效率，在相同發(fā)電功率、相同供熱負(fù)荷條件下可降低發(fā)電廠煤耗量，從而減少污染物排放。

國(guó)內(nèi)熱泵技術(shù)發(fā)展迅速，2008年我國(guó)率先將熱泵技術(shù)用于熱電廠供熱，目前已有100多個(gè)熱電廠采用吸收式熱泵進(jìn)行供熱[1]。熱泵發(fā)展主要是體現(xiàn)在其單機(jī)容量增大，現(xiàn)在用于熱電廠的吸收式熱泵單機(jī)容量可達(dá)到70MW 以上；其次是性能提高，用于熱電廠的吸收式熱泵COP 可以達(dá)到1.7以上，最重要的是其價(jià)格越來越低。國(guó)內(nèi)各大高校、研究院及設(shè)計(jì)單位在供熱電廠采用熱泵進(jìn)行余熱回收利用方面做了大量研究工作，2017年11月國(guó)家能源局發(fā)布了《發(fā)電廠熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T5535-2017），該規(guī)定給出了用于熱電廠余熱回收進(jìn)行采暖的熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型的一般規(guī)定。

1 用于熱電廠的熱泵技術(shù)方案

1.1 用于熱電廠的熱泵技術(shù)方案概述

熱泵根據(jù)其原理不同，可分為壓縮式熱泵和吸收式熱泵，壓縮式熱泵根據(jù)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式不同，可分為蒸汽驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵、電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵、燃?xì)鈮嚎s式熱泵等（圖1）。吸收式熱泵根據(jù)系統(tǒng)流程及使用用途不同，分為第一類吸收式熱泵和第二類吸收式熱泵。第一類吸收式熱泵是以高溫?zé)嵩礊轵?qū)動(dòng)熱源，把低溫?zé)嵩吹臒崃刻嶂林袦責(zé)嵩矗丛鰷匦蜔岜?圖2）；第二類吸收式熱泵是利用中溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩吹臏夭?，制取溫度高于中溫?zé)嵩吹臒崃?，即升溫型熱泵?/p>

圖1 壓縮式熱泵原理圖

圖2 第一類吸收式熱泵原理圖

熱泵用于熱電廠余熱回收利用進(jìn)行采暖主要是以汽輪機(jī)抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，回收汽輪機(jī)乏汽余熱，熱泵大多數(shù)采用第一類吸收式熱泵，通常以溴化鋰為吸收劑，也可采用背壓機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵或電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵。

1.2 熱泵技術(shù)方案比較

對(duì)以上三種可用于熱電廠進(jìn)行汽輪機(jī)乏汽回收的熱泵技術(shù)方案進(jìn)行對(duì)比：背壓機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵。蒸汽驅(qū)動(dòng)背壓機(jī)、背壓機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，系統(tǒng)主要設(shè)備有背壓機(jī)、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流元件等，適應(yīng)場(chǎng)合為驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力大于0.6MPa（a），熱泵COP 約5，設(shè)備價(jià)格相對(duì)較高，在熱力發(fā)電廠供熱應(yīng)用較少；電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，主要有電動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流元件等，適用于供熱機(jī)組調(diào)峰，熱泵COP 約5，價(jià)格相對(duì)較高，在熱力發(fā)電廠供熱應(yīng)用較少；第一類吸收式熱泵。蒸汽驅(qū)動(dòng)發(fā)生器，主要有發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溶液熱交換器、節(jié)流裝置、溶液泵、冷劑泵等。適應(yīng)驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力小于或等于0.6MPa（a），熱泵COP 約1.7，價(jià)格相對(duì)較低，比壓縮式熱泵低約30%～50%，目前國(guó)內(nèi)有100多個(gè)熱電廠的應(yīng)用業(yè)績(jī)。

對(duì)于背壓機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮式熱泵，首先是背壓機(jī)消耗汽輪機(jī)抽汽的熱能獲得機(jī)械能，此過程中存在熱功轉(zhuǎn)化系數(shù)，汽輪機(jī)抽汽的熱功轉(zhuǎn)化系數(shù)約為0.3，也就是說有大約70%的能量損失，然后熱泵通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)回收汽輪機(jī)乏汽余熱，還有驅(qū)動(dòng)熱泵的背壓機(jī)排汽的供熱量[2]，在相同的驅(qū)動(dòng)蒸汽條件下，其整個(gè)熱泵系統(tǒng)的輸出熱量與吸收式熱泵系統(tǒng)輸出的熱量相當(dāng)。

對(duì)于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮式熱泵，其電能獲取可認(rèn)為比背壓機(jī)效率高一些，但也存在50%以上的能量損失，背壓機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱泵整個(gè)系統(tǒng)輸出熱量還有背壓機(jī)的排汽熱量，此部分熱量全部被用于供熱，在相同的驅(qū)動(dòng)蒸汽條件下，其整個(gè)供熱系統(tǒng)輸出的熱量比蒸汽驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵系統(tǒng)輸出的熱量少大約25%。

通過以上比較和分析可看出壓縮式熱泵的COP高于吸收式熱泵，但在工程中應(yīng)用較少，一方面是由于其造價(jià)較高，其次從整個(gè)熱泵系統(tǒng)流程進(jìn)行分析可看出在相同驅(qū)動(dòng)蒸汽條件下，背壓機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵供熱系統(tǒng)輸出的熱量與吸收式熱泵系統(tǒng)相當(dāng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵供熱系統(tǒng)輸出熱量小于吸收式熱泵系統(tǒng)。

2 供熱方案選擇

供熱方案一般設(shè)計(jì)流程。在工程中進(jìn)行供熱方案選擇時(shí)，首先應(yīng)明確熱負(fù)荷及用戶對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水溫度的要求，再根據(jù)汽輪機(jī)抽汽參數(shù)、排汽參數(shù)（或循環(huán)水參數(shù)）等進(jìn)行熱泵的選型及供熱系統(tǒng)優(yōu)化，最后通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析確定最終的熱泵型式及供熱系統(tǒng)方案，如有需要也可對(duì)幾種可行的技術(shù)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定最優(yōu)的供熱方案。

圖3 供熱系統(tǒng)方案選擇設(shè)計(jì)流程圖

界區(qū)參數(shù)。熱電廠界區(qū)參數(shù)就是全廠熱負(fù)荷及熱網(wǎng)供回水參數(shù)，這些主要參數(shù)一般是在城市或區(qū)域的供熱規(guī)劃中明確的，城市供熱規(guī)劃主要內(nèi)容有：預(yù)測(cè)城市熱負(fù)荷，確定供熱能源種類、供熱方式、供熱分區(qū)、熱源規(guī)模，合理布局熱源、熱網(wǎng)系統(tǒng)及配套設(shè)施。本工程2×1000MW 熱電機(jī)組供熱熱負(fù)荷為600MW，其中熱泵提供熱負(fù)荷為300MW。城市熱網(wǎng)供回水溫度通常為130/70℃或120/60℃，實(shí)際運(yùn)行時(shí)供回水溫度低于設(shè)計(jì)溫度，熱網(wǎng)供回水溫度較低時(shí)有利于擴(kuò)大余熱利用回收規(guī)模，優(yōu)化熱泵設(shè)計(jì)[2]，本工程熱網(wǎng)供回水溫度確定為120/60℃，熱網(wǎng)水流量為8600t/h。

供熱系統(tǒng)擬定及熱泵選型。根據(jù)熱泵的特點(diǎn)，熱泵系統(tǒng)的熱網(wǎng)水出口與余熱低溫?zé)嵩闯隹跍夭畈灰诉^大，目前工程應(yīng)用中溫差一般為40℃左右，如溫差增加10℃設(shè)備價(jià)格增加50%以上。目前熱泵用于熱電廠供熱，供熱系統(tǒng)一般由熱泵與熱網(wǎng)加熱器兩部分組成，熱泵將熱網(wǎng)回水加熱后進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器，經(jīng)熱網(wǎng)加熱器加熱后供城市熱網(wǎng)。本工程2×1000MW 空冷機(jī)組采用熱泵來利用汽輪機(jī)乏汽熱量，熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽及熱網(wǎng)加熱器加熱蒸汽來自汽輪機(jī)低壓缸抽汽，抽汽口參數(shù)為0.522MPa（a）、270℃，低溫?zé)嵩词瞧啓C(jī)排汽，排汽口參數(shù)為11kPa、45.8℃，根據(jù)熱泵特點(diǎn)及同類工程應(yīng)用情況，本工程選用第一類吸收式熱泵，熱網(wǎng)供回水溫度確定為120/60℃，熱泵將熱網(wǎng)回水由60℃加熱到90℃，熱網(wǎng)加熱器將熱網(wǎng)水繼續(xù)加熱至120℃供城市熱網(wǎng)。

圖4 以乏汽為低溫?zé)嵩吹奈帐綗岜迷瓌t性熱力系統(tǒng)圖

參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)熱泵系統(tǒng)，分別對(duì)低溫?zé)嵩?、中溫介質(zhì)（熱網(wǎng)水）及驅(qū)動(dòng)熱源參數(shù)進(jìn)行分析。對(duì)于低溫?zé)嵩矗蜏責(zé)嵩吹臏囟炔灰诉^低，低溫?zé)嵩吹臏囟仍礁邿岜霉崮芰υ酱骩5]，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中溫度在30～45℃較為經(jīng)濟(jì)；對(duì)于被加熱的熱網(wǎng)水，首先其回水溫度不宜過高，熱網(wǎng)回水溫度越低熱泵的能效就越高，同時(shí)驅(qū)動(dòng)熱泵的蒸汽參數(shù)也可以更低；其次熱網(wǎng)水供水溫度也不宜過高，一般不宜超過90℃；對(duì)于驅(qū)動(dòng)熱源，針對(duì)第一類吸收式熱泵，其壓力無過高要求，一般只需要高于0.3MPa（a），溫度也無需過高，過熱溫度宜小于15℃[4]，這樣有利于熱量的梯級(jí)利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能效果。在工程實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)工程的實(shí)際情況，遵循以上原則對(duì)熱泵的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，選取經(jīng)濟(jì)性高、造價(jià)合理的最佳方案。

3 熱經(jīng)濟(jì)性分析及節(jié)能減排分析

3.1 熱經(jīng)濟(jì)性分析

熱泵設(shè)計(jì)熱負(fù)荷按式（1）進(jìn)行計(jì)算。式中Qrb為熱泵設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW；Gfrb為熱泵乏汽流量，t/h；Gqrb為熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽流量，t/h；hf為乏汽焓值，kJ/kg；hfs為乏汽疏水焓值，kJ/kg；hq為驅(qū)動(dòng)蒸汽焓值，kJ/kg；hqs為熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽疏水焓值，kJ/kg；ηrb為熱泵傳熱效率，%。

表1 熱泵系統(tǒng)介質(zhì)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果表

本工程單臺(tái)機(jī)組2臺(tái)熱泵系統(tǒng)介質(zhì)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如表1，可看出本工程單臺(tái)機(jī)組2臺(tái)熱泵的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為150MW。

熱網(wǎng)加熱器熱負(fù)荷按式（2）進(jìn)行計(jì)算。式中Qrj為熱網(wǎng)加熱器設(shè)計(jì)熱負(fù)荷、kW，Gcrj為熱網(wǎng)加熱器抽汽流量、t/h，hc為熱網(wǎng)加熱器抽汽焓值、kJ/kg，hcs為熱網(wǎng)加熱器抽汽疏水焓值、kJ/kg，ηrj為熱網(wǎng)加熱器傳熱效率、%。按本工程數(shù)據(jù)，計(jì)算得本工程單臺(tái)機(jī)組熱網(wǎng)加熱器設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為150MW；熱電廠設(shè)計(jì)熱負(fù)荷按Q=Qrb+Qrj進(jìn)行計(jì)算。式中Q 為熱電廠設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW。按本工程數(shù)據(jù)，計(jì)算得本工程單臺(tái)機(jī)組2臺(tái)熱泵及熱網(wǎng)加熱器的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為300MW，全廠兩臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為600MW。熱泵的熱力經(jīng)濟(jì)性一般采用性能系數(shù)COP 來表示，其定義為熱泵制熱量與輸入熱量的比值按式（3）計(jì)算。式中COP 為熱泵的性能系數(shù)。按本工程數(shù)據(jù)計(jì)算可得本工程熱泵的COP 為1.725。

3.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

3.2.1 工程造價(jià)估算

本文是分析在熱電廠采用熱泵利用汽輪機(jī)乏汽余熱進(jìn)行采暖的經(jīng)濟(jì)性，故在此僅對(duì)熱泵相關(guān)系統(tǒng)工程進(jìn)行造價(jià)估算，其主要包含設(shè)備材料費(fèi)用，廠房等建筑物造價(jià)，設(shè)備安裝費(fèi)用及其它有關(guān)項(xiàng)目建設(shè)費(fèi)用（萬元）：熱泵設(shè)備4000，其它設(shè)備及管道閥門等2000，電氣、熱控專業(yè)300，建筑工程1000，地基處理400，設(shè)備安裝1000，其它費(fèi)用500，合計(jì)9200。

3.2.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

本工程采用熱泵利用汽輪機(jī)乏汽余熱進(jìn)行采暖，收益主要是供熱收益，運(yùn)營(yíng)成本包括折舊費(fèi)、經(jīng)營(yíng)成本，經(jīng)營(yíng)成本主要是熱泵系統(tǒng)耗電費(fèi)用，還有運(yùn)行人員薪酬、維護(hù)費(fèi)用等。用平均年限法計(jì)算熱泵系統(tǒng)工程年折舊率，將熱泵系統(tǒng)的投資按年折舊率分?jǐn)偟筋A(yù)計(jì)使用壽命期（年），以此計(jì)算采用熱泵系統(tǒng)工程投資分?jǐn)偟矫磕甑馁M(fèi)用。年折舊率=1-預(yù)計(jì)凈殘值/預(yù)計(jì)使用壽命×100%。

本工程殘值率取5%，預(yù)計(jì)使用壽命按15年計(jì)算，則年折舊率為6.33%，按年折舊率將工程投資分?jǐn)偟筋A(yù)計(jì)使用壽命期，則每年分?jǐn)傎M(fèi)用約為583萬元。本工程為熱泵回收汽輪機(jī)乏汽進(jìn)行供熱的收益，每年收益基本不變，可用靜態(tài)投資回收期法進(jìn)行評(píng)價(jià)，靜態(tài)投資回收期按Pt=K/A 進(jìn)行計(jì)算。式中Pt為靜態(tài)投資回收期，年；K 為總投資，萬元；A 為年收益，萬元/年。按本工程數(shù)據(jù)計(jì)算得本工程熱泵系統(tǒng)工程靜態(tài)投資回收期為3.2年。

熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析如下：熱泵負(fù)荷300MW，回收汽輪機(jī)乏汽熱量126MW，運(yùn)行2880小時(shí)，熱泵年回收熱量130.6×104GJ，熱價(jià)28.5元/GJ，熱泵系統(tǒng)用電負(fù)荷200kW/h，上網(wǎng)電價(jià)0.32元/kWh，折舊費(fèi)583萬元/年，運(yùn)行人員薪酬60萬元/年，維護(hù)費(fèi)用140萬元/年，靜態(tài)投資回收期3.2年。

3.3 節(jié)能減排分析

采用熱泵回收汽輪機(jī)乏汽余熱進(jìn)行采暖，相對(duì)于汽輪機(jī)抽汽直接加熱熱網(wǎng)水方案比較，在相同供熱量的條件下，熱泵回收的余熱就是節(jié)約的能源消耗，也就節(jié)約了煤炭消耗，年節(jié)煤量ΔB=(Qfq/29037ηglηgd)τ，式中ΔB 為節(jié)煤量（標(biāo)準(zhǔn)煤），kg；Qfq為利用乏汽的熱量，kJ；τ 為年運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h；ηgl為鍋爐效率，%；ηgd為管道效率，%。根據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》（GB/T2589-2008），計(jì)算綜合能耗及節(jié)能量時(shí)需將能量折合為標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量，標(biāo)準(zhǔn)煤低位發(fā)熱量按29307kJ/kg。按本工程數(shù)據(jù)計(jì)算得本工程回收汽輪機(jī)乏汽余熱進(jìn)行供熱每年節(jié)約的煤耗量為4.9×104t。

4 結(jié)語

熱泵用于熱電廠主要有背壓機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮式熱泵、電驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵及第一類吸收式熱泵三種技術(shù)方案，目前大多數(shù)熱電廠采用第一類吸收式熱泵。以某2×1000MW 熱電廠為例，采用4臺(tái)75MW 的第一類吸收式熱泵回收汽輪機(jī)乏汽余熱進(jìn)行采暖，熱泵COP 為1.725，每年可回收汽輪機(jī)乏汽余熱126MW。熱泵工程造價(jià)約為9200萬元，工程靜態(tài)投資回收期為3.2年，本工程具有良好的經(jīng)濟(jì)性。該工程采用熱泵利用汽輪機(jī)乏汽余熱進(jìn)行采暖，兩臺(tái)機(jī)組每年可以節(jié)約煤炭消耗4.9萬噸，相應(yīng)減少了煤炭燃燒引起的污染物排放，具有明顯的節(jié)能減排效益。