李 響,馮 征,王恩鎮(zhèn)
(1.國電龍山發(fā)電有限責(zé)任公司,河北 邯鄲056400;2.北京源深能源科技有限責(zé)任公司,北京100142)
熱泵由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溶液熱交換器、節(jié)能裝置、溶液泵、冷劑泵等組成,熱泵是一種通過輸入少量的高品位能源,從環(huán)境介質(zhì)中獲取一部分低品位能量,從而提供可被利用的中、高品位能源的技術(shù)。熱泵技術(shù)自2001年以來發(fā)展迅速[1],在建筑、電力、工業(yè)、化工等領(lǐng)域均有應(yīng)用,在電力行業(yè)中主要的應(yīng)用形式為蒸汽溴化鋰式機(jī)組。余熱利用方式主要有循環(huán)水余熱型熱泵、煙氣余熱型熱泵2種,循環(huán)水余熱型熱泵利用汽輪機(jī)的循環(huán)水作為低品位能量,煙氣余熱型熱泵利用燃?xì)忮仩t或燃煤鍋爐的煙氣作為低品位能量,提供50~70℃的熱水替代部分市政供熱。自2008年6月內(nèi)蒙古赤峰電廠35 MW循環(huán)水余熱利用小試項(xiàng)目投運(yùn)以來,國內(nèi)在大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組上進(jìn)行循環(huán)水余熱泵利用的項(xiàng)目已有不少,但通過對(duì)部分在運(yùn)項(xiàng)目的調(diào)研發(fā)現(xiàn),很多項(xiàng)目難以達(dá)到正常工況運(yùn)行,并且大部分熱泵系統(tǒng)偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行,系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性更是無暇顧及。為此,我們針對(duì)某350 MW燃煤間接空冷機(jī)組熱泵梯級(jí)供熱系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)[2],分析熱網(wǎng)循環(huán)水量、動(dòng)力蒸汽壓力、機(jī)組運(yùn)行背壓、熱泵循環(huán)水流量等對(duì)制熱性能系數(shù)COP(coefficient of performance)的影響,得出增大熱網(wǎng)循環(huán)水流量和熱泵循環(huán)水流量,制熱性能COP隨之增大,但增大至一定幅度后,影響逐漸降低;機(jī)組運(yùn)行背壓對(duì)制熱性能COP影響較大,動(dòng)力蒸汽壓力對(duì)制熱性能COP影響較小的結(jié)論。機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí),建議熱網(wǎng)水流量和余熱水流量應(yīng)優(yōu)先安排。
某廠的350 MW機(jī)組汽輪機(jī)為CJK350-24.2/0.45/566/566型,超臨界、中間再熱、四缸四排汽、間接空冷抽汽凝汽式汽輪機(jī)。鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行,墻式對(duì)沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼構(gòu)架的∏型直流鍋爐,鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 288 t/h。全廠共2臺(tái)機(jī)組承擔(dān)供熱,單臺(tái)機(jī)組額定抽汽量550 t/h,設(shè)計(jì)最大采暖抽汽量570 t/h,額定抽汽壓力0.45 MPa,最大采暖熱負(fù)荷約740 MW,汽機(jī)采暖抽汽加熱熱網(wǎng)循環(huán)水,采用并聯(lián)加熱的方式,每臺(tái)機(jī)組疏水直接返回本機(jī)的系統(tǒng)中。
機(jī)組基建時(shí)期即對(duì)機(jī)組進(jìn)行熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì),熱泵系統(tǒng)隨電廠基建一并建造,采用二級(jí)供熱方式,采用2種熱源分別加熱熱網(wǎng)循環(huán)水回水,第一級(jí)采用熱泵加熱熱網(wǎng)循環(huán)水,第二級(jí)則采用中排抽汽加熱熱網(wǎng)循環(huán)水,待溫度達(dá)到熱用戶需要溫度后供出。其中,熱泵系統(tǒng)共配置9臺(tái)熱泵,1~8號(hào)熱泵為一制造廠商生產(chǎn),其設(shè)計(jì)性能規(guī)范為(額定工況下):供熱量能20.9 MW,熱網(wǎng)水機(jī)組入口溫度55℃,熱網(wǎng)水機(jī)組出口溫度73℃,熱網(wǎng)水流量1 000 m3/h,熱網(wǎng)水壓力損失55.86 kPa,驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力(絕對(duì)壓力)0.35 MPa,驅(qū)動(dòng)蒸汽流量18.5 m3/h,凝結(jié)水出口溫度90℃;9號(hào)熱泵為另一制造廠商生產(chǎn),設(shè)計(jì)性能規(guī)范為(額定工況下):供熱量能39.272 MW,熱網(wǎng)水機(jī)組入口溫度55℃,熱網(wǎng)水機(jī)組出口溫度71.9℃,熱網(wǎng)水流量2 000 m3/h,熱網(wǎng)水壓力損失68.6 kPa,循環(huán)水機(jī)組入口溫度43.2℃,循環(huán)水機(jī)組出口溫度37.9℃,循環(huán)水流量3 200 m3/h,循環(huán)水壓力損失53.9 kPa,驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力(絕對(duì)壓力)0.35 MPa,驅(qū)動(dòng)蒸汽流量33.15 m3/h,凝結(jié)水出口溫度80℃。9臺(tái)熱泵共同并聯(lián)運(yùn)行,共同承擔(dān)熱網(wǎng)系統(tǒng)第一級(jí)加熱的功能。
某些外部因素的擾動(dòng)對(duì)熱泵系統(tǒng)制熱性能指標(biāo)影響較大,如熱網(wǎng)回水溫度、熱網(wǎng)循環(huán)水量、動(dòng)力蒸汽壓力、機(jī)組運(yùn)行背壓的變化及其幅度,以上變量最終影響輸入驅(qū)動(dòng)能量與總體的制熱量的大小,進(jìn)而影響制熱性能COP[3]。以下對(duì)系統(tǒng)制熱性能指標(biāo)進(jìn)行分析。
a)熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)COP。熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)COP是指整個(gè)系統(tǒng)整體的制熱量與輸入能量的比值[4],計(jì)算公式為
其中,Qrw為熱泵系統(tǒng)總制熱功率,MW;Qqd為熱泵系統(tǒng)消耗驅(qū)動(dòng)功率,MW。
b)熱泵系統(tǒng)的總制熱功率。熱泵系統(tǒng)的總制熱功率從熱網(wǎng)水側(cè)的溫升計(jì)算,通過熱網(wǎng)水側(cè)的流量、溫升計(jì)算總制熱功率[5],計(jì)算公式為
其中,cp為水的定壓比熱容,kJ/(kg·℃);m為通過熱泵系統(tǒng)的熱網(wǎng)水流量,t/h;Δt為熱網(wǎng)水在熱泵系統(tǒng)內(nèi)部的溫升,℃。
c)熱泵系統(tǒng)消耗的驅(qū)動(dòng)功率。熱泵系統(tǒng)消耗的驅(qū)動(dòng)功率從蒸汽側(cè)計(jì)算,通過蒸汽流量和蒸汽的焓降核算消耗功率[6],計(jì)算公式為
其中,mq為驅(qū)動(dòng)蒸汽的流量,t/h,此處根據(jù)凝結(jié)水流量平均得出;hqd為驅(qū)動(dòng)蒸汽比焓,kJ/kg;hss為蒸汽疏水比焓,kJ/kg。
由于熱泵供熱系統(tǒng)整體制熱性能指標(biāo)COP是一個(gè)決定性的指標(biāo),可以代表整體系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,所以我們將熱泵供熱系統(tǒng)制熱性能COP作為試驗(yàn)調(diào)整目標(biāo)。
采用單因素試驗(yàn)法,分別按以下計(jì)劃進(jìn)行試驗(yàn),得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)按式(1)、式(2)、式(3)計(jì)算得出熱泵系統(tǒng)制熱性能COP。由于影響熱泵制熱性能的參數(shù)較多,所以我們只對(duì)關(guān)鍵可調(diào)影響因素對(duì)系統(tǒng)能耗指標(biāo)的影響進(jìn)行試驗(yàn)分析。2020年—2021年供熱初、中期,在該電廠進(jìn)行350 MW熱泵供熱系統(tǒng)試驗(yàn)研究,主要分析熱網(wǎng)循環(huán)水量、動(dòng)力蒸汽壓力、機(jī)組凝汽器運(yùn)行背壓、主機(jī)循環(huán)水量,分別在其他邊界條件不變的情況下改變關(guān)鍵參數(shù),分析其對(duì)熱泵供熱系統(tǒng)制熱性能COP的影響[7]。
在其他參變量不變的前提下改變熱網(wǎng)循環(huán)水流量,試驗(yàn)其對(duì)熱泵供熱系統(tǒng)制熱性能COP的影響,結(jié)果如圖1所示。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,在熱泵系統(tǒng)熱網(wǎng)水流量逐漸增大的情況下,系統(tǒng)的制熱性能COP逐漸增大,但熱網(wǎng)循環(huán)水達(dá)到一定流量后,影響速率逐步降低。這說明在外部條件允許的情況下,盡可能提高熱網(wǎng)循環(huán)水量使系統(tǒng)處于較高的制熱性能狀態(tài)。
圖1 熱網(wǎng)循環(huán)水量對(duì)制熱性能的影響
在其他參變量不變的前提下改變動(dòng)力蒸汽壓力,試驗(yàn)其對(duì)熱泵供熱系統(tǒng)制熱性能COP的影響,結(jié)果如圖2所示。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,在不同驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力下,驅(qū)動(dòng)蒸汽的壓力越高則熱泵性能系數(shù)COP就越好,但驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力影響COP的速率較小。
圖2 動(dòng)力蒸汽壓力對(duì)制熱性能的影響
在其他參變量不變的前提下改變機(jī)組凝汽器運(yùn)行背壓,試驗(yàn)其對(duì)熱泵供熱系統(tǒng)制熱性能COP的影響,結(jié)果如圖3所示。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,在不同的機(jī)組凝汽器運(yùn)行背壓值下,在一定范圍內(nèi)主機(jī)的凝汽器背壓值越高,系統(tǒng)內(nèi)的制熱性能COP越好,影響速率較大。機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí),在不影響其他因素變動(dòng)的情況下,建議使循環(huán)水保持在設(shè)計(jì)溫度下運(yùn)行,從而獲得較好的制熱性能。
圖3 機(jī)組凝汽器運(yùn)行背壓對(duì)制熱性能的影響
在其他參變量不變的前提下改變主機(jī)循環(huán)水至熱泵系統(tǒng)流量,試驗(yàn)其對(duì)熱泵供熱系統(tǒng)制熱性能COP的影響,結(jié)果如圖4所示。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,在不同的凝汽器循環(huán)水至熱泵水量下,主機(jī)凝汽器循環(huán)水量至熱泵水量越大,系統(tǒng)的制熱性能COP越好,但余熱水量達(dá)到一定流量規(guī)模后,影響速率逐步降低。因此在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí),保持余熱水量在設(shè)計(jì)流量狀態(tài)是最合適的,此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的制熱性能最高。反之流量過大會(huì)增大附屬設(shè)備電耗,系統(tǒng)的制熱性能也降低,起到反向作用。
圖4 主機(jī)循環(huán)水至熱泵流量對(duì)制熱性能的影響
通過以上分析可以看出,熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力提高、熱網(wǎng)循環(huán)水流量增加、機(jī)組凝汽器運(yùn)行背壓值提升、凝汽器循環(huán)水至熱泵水量增加均可提高熱泵COP,各因素影響速率分析結(jié)果如表1所示。
表1 各因素影響速率分析表
通過4個(gè)關(guān)鍵可調(diào)參數(shù)對(duì)熱泵COP影響速率分析可知,目前對(duì)9臺(tái)熱泵整體運(yùn)行COP影響最大的是凝汽器循環(huán)水至熱泵水量,熱網(wǎng)循環(huán)水量影響次之,機(jī)組凝汽器運(yùn)行背壓值影響第三,熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力影響最小[8]。
通過對(duì)熱泵系統(tǒng)不同邊界條件的擾動(dòng),核算整個(gè)熱泵系統(tǒng)的制熱性能變化。通過分析,熱網(wǎng)水量、動(dòng)力蒸汽壓力、運(yùn)行背壓、余熱水量變化均對(duì)制熱性能有影響。當(dāng)前熱網(wǎng)水量、余熱水量尚未達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài),由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,熱網(wǎng)水量和余熱水量越大,整體的制熱系數(shù)越好。在冬季采暖季中,盡量保證熱泵系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值。根據(jù)電廠當(dāng)前的實(shí)際運(yùn)行情況,建議今后在熱泵系統(tǒng)運(yùn)行中,在邊界條件允許情況下,優(yōu)先調(diào)整凝汽器循環(huán)水至熱泵水量,最好可調(diào)整至熱泵設(shè)計(jì)水量;其次,可改變電廠供熱運(yùn)行方式為以量調(diào)節(jié)為主、質(zhì)調(diào)節(jié)為輔,熱負(fù)荷增加優(yōu)先增加熱網(wǎng)循環(huán)水量,機(jī)組運(yùn)行背壓與驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力作為最后調(diào)節(jié)手段。