舒 斌，劉舒巍，賀國念

(國家電投集團遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司重慶科技分公司，重慶 401122)

習(xí)近平總書記在2020年9月22日召開的聯(lián)合國大會上莊嚴(yán)承諾：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭2030年前達(dá)到峰值，努力爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和?！北娝苤紵茉词嵌趸籍a(chǎn)生的主要途徑，我國能源結(jié)構(gòu)中，煤炭仍然占60%左右。據(jù)統(tǒng)計，截至2020年末，我國火力發(fā)電裝機總?cè)萘考s12億千瓦，在該背景下，火力發(fā)電企業(yè)深入做好節(jié)能降耗工作即是履行“碳達(dá)峰、碳中和”承諾的有效手段之一。在火力發(fā)電廠中，特別是在具有集中供熱需求的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠中，吸收式熱泵供熱技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，即通過設(shè)置熱泵裝置回收汽輪機冷端排汽余熱，同時將回收的熱量作為集中供熱熱源，熱泵技術(shù)使機組綜合熱效率得到了提高，同時還產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益。在不進(jìn)行機組擴容改造的條件下，若輸出相同供熱負(fù)荷，可減少煤炭的使用量，相當(dāng)于機組煤耗下降，成本降低。本文針對熱電聯(lián)產(chǎn)機組，從供熱角度分析吸收式熱泵技術(shù)的“降耗”作用，從而加深對該技術(shù)的理解，便于更好地將其應(yīng)用于節(jié)能減排實踐，同時也期望起到拋磚引玉作用，助推火電企業(yè) “深度挖潛”和“節(jié)能降耗”工作的開展，為早日實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)做出努力。

1 供熱機組煤耗計算原則和方法

1.1 煤耗計算原則

煤耗是考核火電機組運行性能好壞的主要指標(biāo)之一，計算方法歸納起來主要有以下3種：熱量法、實際焓降法和分析法[1-5]。

根據(jù)“大火規(guī)”和電力行業(yè)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，我國火力發(fā)電企業(yè)對發(fā)電及供電煤耗的計算方法采用熱量法[6-8]，熱量法建立在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)之上，是從熱能“量”的觀點來分配總熱量的，即按照熱電廠生產(chǎn)電能的數(shù)量比例來分配，發(fā)電耗熱量等于總輸入熱量減去總輸出熱量，是屬于“好處歸電”的分配方法。該方法被大多數(shù)研究人員和工程技術(shù)人員采用。

嚴(yán)格意義上而言，火電廠煤耗應(yīng)先通過正平衡算法計算，再利用反平衡算法進(jìn)行數(shù)據(jù)修正和校核。但隨著火力發(fā)電企業(yè)節(jié)能減排工作的進(jìn)一步需要，反平衡算法計算煤耗因能夠便捷、直觀地反映火力發(fā)電企業(yè)的能耗狀況特點[9]，被更多的企業(yè)采納和應(yīng)用于生產(chǎn)統(tǒng)計。因此，本文通過反平衡算法來分析采用熱泵回收汽輪機冷端排汽余熱后對機組煤耗的影響。

1.2 煤耗計算方法

供熱比是熱電聯(lián)產(chǎn)機組計算熱耗、煤耗的重要技術(shù)指標(biāo)之一，即汽輪機向外供出的熱量與輸入總熱量之比，即

(1)

式中：αr為供熱比，%；Qgz為汽輪機供熱量，GJ/h；Qz為汽輪機輸入熱量，GJ/h。

結(jié)合供熱比和機組發(fā)電量可求得汽輪機發(fā)電熱耗量，即

(2)

式中：Hr為汽輪機發(fā)電熱耗，kJ/(kW·h)；Wf為汽輪機發(fā)電量，kW·h。

發(fā)電煤耗和供電煤耗計算公式分別為

(3)

(4)

式中：bfd為發(fā)電煤耗，g/(kW·h)；bgd為供電煤耗，g/(kW·h)；ηgl為鍋爐效率，%；ηgd為管道效率，%；rn為廠用電率，%。

機組直接抽汽供熱示意圖如圖1所示。

圖1 機組直接抽汽供熱示意圖

2 接帶熱泵后供熱機組煤耗分析

2.1 熱泵余熱回收原理

在熱電聯(lián)產(chǎn)電廠中，熱泵通常采用的是以蒸汽驅(qū)動的吸收式熱泵裝置，其中以增熱為目的的熱泵被稱為第一類吸收式熱泵。其基本工作原理為：利用少量的高溫?zé)嵩矗a(chǎn)生大量的中溫有用熱能，即利用高溫?zé)崮茯?qū)動，回收低溫?zé)嵩吹臒崮懿⑻岣叩街袦兀瑥亩岣邿崮艿睦眯?。第一類吸收式熱泵的性能系?shù)(即COP值)大于1，范圍一般為1.5～2.5。吸收式熱泵使用的工質(zhì)為LiBr—H2O或NH3—H2O，但大多為LiBr—H2O，其中溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑。熱泵升溫能力ΔT一般為30～50 ℃，輸出的最高溫度不超過150 ℃。原理如圖2所示。

圖2 吸收式熱泵原理圖

如圖2 所示，吸收式熱泵機組本體主要由吸收器、蒸發(fā)器、發(fā)生器、冷凝器、溶液熱交換器及溶液泵等輔助部分構(gòu)成，機組內(nèi)部需維持高度真空狀態(tài)，由設(shè)置的真空抽氣裝置抽除熱泵內(nèi)的空氣等不凝性氣體。

熱電聯(lián)產(chǎn)機組的工藝基本流程是，設(shè)置單獨的吸收式熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)包括熱泵機房、高溫驅(qū)動熱源(蒸汽)、低溫?zé)嵩?循環(huán)冷卻水、乏汽)、疏水系統(tǒng)等部分，即利用汽輪機采暖供熱蒸汽作為驅(qū)動熱源(熱負(fù)荷Q1)，回收循環(huán)冷卻水(或乏汽)熱量(余熱負(fù)荷Q2)，通過熱泵的增熱作用對外供出Q1+Q2的熱量。熱泵內(nèi)部包含了溶液循環(huán)和熱力循環(huán)兩層循環(huán)，即溶液循環(huán)為能量的轉(zhuǎn)移提供載體，熱力循環(huán)則實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移和品質(zhì)提升。

2.2 接帶熱泵后供熱機組的煤耗分析

在常規(guī)抽汽供熱基礎(chǔ)上，熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機組接帶熱泵后，將回收的汽輪機冷端排汽余熱作為集中供熱熱源向熱力網(wǎng)輸出，據(jù)“熱量法”理論，在不新增化石燃料輸入的條件下，獲得了更多的熱能輸出，相當(dāng)于降低了汽輪機發(fā)電熱耗，使得發(fā)電煤耗大幅下降。圖3是機組接帶熱泵的供熱流程圖。

圖3 熱泵回收余熱流程圖

接帶熱泵后的機組供熱比，應(yīng)為原直接抽汽供熱負(fù)荷加上熱泵回收的余熱負(fù)荷與機組總輸入熱的比值，即

(5)

汽輪機綜合能效計算公式及簡化公式分別為

(6)

(7)

式中：η′為接帶熱泵后綜合能效，%；η為未接帶熱泵綜合能效，%；Q′為熱泵回收的汽輪機余熱，GJ/h。

據(jù)式(5)和式(7)，不論能效是供熱比還是汽輪機綜合能效，機組在接帶熱泵后能效都大于未接帶熱泵的情況。因此可以推定，機組在發(fā)電負(fù)荷基本不變的情況下，會因接帶熱泵增大供熱輸出，從而使得發(fā)電熱耗下降、機組能效提升，煤耗下降。

3 案例分析

3.1 項目概況

某熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱電廠，安裝有2臺同型的125 MW濕冷機組，汽輪機規(guī)格：高壓、單軸、雙排汽、雙抽反動式、凝汽式汽輪機，型號為CC125-9.5/1.3/0.25。項目設(shè)計方案為：兩臺汽輪機的采暖供熱蒸汽作為吸收式熱泵高溫驅(qū)動熱源(互為備用)；其中一臺機組的循環(huán)冷卻水余熱作為低溫?zé)嵩?另一臺備用)；熱網(wǎng)循環(huán)水回水先進(jìn)入熱泵，升溫后再進(jìn)入尖峰加熱器。圖4為項目現(xiàn)場實景圖。圖5為項目設(shè)置吸收式熱泵系統(tǒng)工藝流程示意圖，以下結(jié)合工藝流程項目運行數(shù)據(jù)分析。

圖4 項目現(xiàn)場實景

圖5 某125 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱泵供熱系統(tǒng)示意圖

3.2 降耗分析

表1為125 MW汽輪機接帶熱泵后機組運行主要數(shù)據(jù)統(tǒng)計表。

表1 機組主要運行數(shù)據(jù)表

結(jié)合表1機組運行數(shù)據(jù)，全廠主要經(jīng)濟性指標(biāo)計算對比如表2所示。

表2 全廠主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)對比

據(jù)表2，機組在接帶熱泵后，供熱條件下，供熱比由30.68%提高至38.66%，全廠總的熱效率由63.5%進(jìn)一步提高至71.46%，全廠供電煤耗綜合下降約35.72 g/ (kW·h)，可折算出單臺機組煤耗下降可達(dá)70 g/(kW·h)。由以上指標(biāo)折算，年可實現(xiàn)節(jié)約標(biāo)煤3.2萬t、同比減排二氧化碳8.5萬t?？梢姛岜脤犭娐?lián)產(chǎn)機組的節(jié)能降耗作用非常明顯。

4 結(jié)論

吸收式熱泵技術(shù)應(yīng)用于火力發(fā)電廠熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機組，通過回收汽輪機冷端排汽熱提高了機組供熱比，按“熱量法”原理，相當(dāng)于降低了機組發(fā)電熱耗，降低了冷端損失，從而實現(xiàn)煤耗大幅下降。本文結(jié)合某廠125 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組設(shè)置吸收式熱泵的具體案例，很好地驗證了上述結(jié)論，即熱泵技術(shù)是一項可應(yīng)用于火電廠的經(jīng)濟、適用、高效的節(jié)能減排技術(shù)，值得大力推廣應(yīng)用。