周家輝， 鄧庚庚， 汪茹康， 徐 鋼， 劉文毅， 王永旭

(1． 華北電力大學 能源動力與機械工程學院， 北京 102206；2． 通遼發(fā)電總廠有限責任公司， 內(nèi)蒙古通遼 028000)

隨著我國城鎮(zhèn)化發(fā)展的不斷加速，北方地區(qū)冬季集中供暖面積逐年增加。為了滿足日益增長的熱負荷需求，同時減少化石能源消耗，加快實現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略目標[1-2]，近年來高背壓供熱[3]、耦合吸收式熱泵供熱[4]、蒸汽引射器供熱[5]、增設背壓機[6]等余熱余壓利用技術在熱電廠中得到了廣泛應用。

目前，國內(nèi)外學者對吸收式熱泵的研究主要包括本體熱力學模型的建立與變工況分析、系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性與調(diào)峰能力研究、耦合其他余壓余熱技術的供熱靈活性改造3個方面[7]。胡喬良等[8]使用Matlab軟件建立吸收式熱泵的熱力學模型，結果表明隨著熱負荷的增加，熱泵性能系數(shù)下降。郭中旭等[9]使用Ebsilon軟件建立熱泵與汽輪機的變工況模型，得出系統(tǒng)在初寒期余熱回收效果優(yōu)于嚴寒季的結論。戈志華等[10]提出當量抽汽壓力的概念，以此評價不同供熱模式的能耗水平。米玉鴻等[11]構建了亞臨界熱電聯(lián)產(chǎn)機組耦合吸收式熱泵系統(tǒng)，通過現(xiàn)場試驗的方法對比投切熱泵后熱電廠煤耗率、廢棄排放量等指標。張廣宇等[12]對配置吸收式熱泵的330 MW機組的熱電解耦性能及節(jié)能潛力進行研究，結果表明在相同供熱條件下耦合熱泵后可以增大機組安全運行區(qū)間，提高新能源消納比例，且隨著供熱量的增大，機組調(diào)峰性能改善效果更加明顯?？芟啾蟮萚13]建立汽輪機模型和吸收式熱泵模型，使用等效焓降法分析汽輪機抽汽壓力及循環(huán)水溫度對供熱系統(tǒng)的影響，并得到了全廠凈利潤最大時的抽汽壓力和循環(huán)水溫度?，F(xiàn)有文獻大多以含吸收式熱泵系統(tǒng)的設計工況為研究對象，對其與熱電聯(lián)產(chǎn)機組耦合后的實際運行情況分析較少。在實際運行中，600 MW純凝機組經(jīng)過供熱改造后，中壓缸抽汽壓力范圍在0.3～0.8 MPa之間。為避免熱泵現(xiàn)場運行中出現(xiàn)結晶事故[14]和減緩溴化鋰溶液對換熱設備的腐蝕[15]，進而提高機組整體運行安全性，需要加裝減溫減壓器來調(diào)整蒸汽參數(shù)[16]。一方面，由于實際熱網(wǎng)供回水溫度等參數(shù)通常低于設計值，使得熱泵機組往往在變工況下運行，雖然額定驅(qū)動熱源蒸汽壓力在0.3 MPa左右，但隨著機組出力的減小，驅(qū)動熱源蒸汽壓力需求會進一步降低至0.2 MPa以下[17]；另一方面，受制于吸收式熱泵的性能，只能將熱網(wǎng)水加熱到70～80 ℃，無法直接達到供熱要求，還需要增設尖峰加熱器[18]，使用中壓缸減溫減壓后抽汽進行換熱來提高熱網(wǎng)水溫度。吸收式熱泵本身能夠?qū)崿F(xiàn)余熱回收，但在實際運行過程中也存在抽汽能量利用不充分的問題，具有較大的節(jié)能潛力。

綜上所述，筆者針對配置吸收式熱泵的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供熱過程中損失較大的問題，使用背壓式小汽輪機回收減溫減壓器中的供熱抽汽余壓能，實現(xiàn)能量的梯級利用，并對比了改造前后系統(tǒng)的熱力學性能、節(jié)能機理及經(jīng)濟效益，以期對現(xiàn)有熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱改造提供一定借鑒。

1 案例供熱系統(tǒng)

1.1 案例供熱系統(tǒng)機組介紹

案例供熱系統(tǒng)原理如圖1所示，該系統(tǒng)配置有1臺哈爾濱汽輪機廠制造的亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、空冷凝汽式600 MW汽輪機，其中①表示供熱抽汽疏水，②表示減溫水。該機組經(jīng)過中低壓缸連通管打孔、增設減溫減壓器、加裝蝶閥等供熱改造后對外抽汽供熱，并配置有吸收式熱泵機組及尖峰加熱器。供熱運行方式為質(zhì)調(diào)節(jié)，設計熱網(wǎng)回水溫度為55 ℃，供水最高溫度為110 ℃。汽輪機的供熱抽汽(以下簡稱中排抽汽)從中壓缸排汽處抽出并分成2路:一路減溫減壓后進入熱泵機組，作為驅(qū)動蒸汽驅(qū)動溴化鋰溶質(zhì)循環(huán)，回收乏汽余熱；另一路減溫減壓后直接進入尖峰加熱器換熱，熱網(wǎng)回水依次經(jīng)過吸收式熱泵機組和尖峰加熱器后被加熱到熱網(wǎng)供水溫度。

圖1 案例供熱系統(tǒng)原理圖

1.2 案例供熱系統(tǒng)實際運行情況分析

在實際生產(chǎn)中，現(xiàn)場技術人員首先根據(jù)供熱公司的實時調(diào)度指令設置熱網(wǎng)尖峰加熱器供水溫度，再按照供熱運行規(guī)程設置熱泵機組的供水溫度。熱泵機組根據(jù)當前汽源參數(shù)自動調(diào)節(jié)各閥門開度，直至其出口溫度達到預定值并穩(wěn)定運行。根據(jù)案例供熱系統(tǒng)近三年的運行數(shù)據(jù)，得到不同環(huán)境溫度下熱泵機組和尖峰加熱器供熱分配情況，如圖2所示。當熱網(wǎng)供水溫度大于70 ℃時，尖峰加熱器介入供熱，且隨著環(huán)境溫度的降低，熱泵機組和尖峰加熱器供水溫度同步升高，根據(jù)熱泵機組實際性能，其最高可以將熱網(wǎng)回水加熱至80 ℃左右。

圖2 熱泵機組與尖峰加熱器供熱分配

從案例供熱系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫中選取2022年1月1日至2022年1月30日供熱極寒期數(shù)據(jù)進行分析。取10 K作為尖峰加熱器端差，并以該溫度的飽和壓力作為尖峰用汽壓力，得到中排抽汽壓力、驅(qū)動蒸汽壓力及尖峰用汽壓力的變化趨勢，如圖3所示。中排抽汽壓力在0.3～0.8 MPa范圍內(nèi)不斷變化，而熱泵機組驅(qū)動蒸汽及尖峰加熱器用汽所需壓力在供熱極寒期平均值分別僅為 0.14 MPa、0.11 MPa。中排抽汽分別與驅(qū)動蒸汽、尖峰用汽之間存在壓力不匹配的問題，供熱抽汽在減溫減壓過程中存在大量損失，其能量品質(zhì)利用不合理，因此案例供熱系統(tǒng)具有較大的節(jié)能優(yōu)化潛力。

圖3 案例供熱系統(tǒng)用汽壓力的變化趨勢

2 能量梯級利用系統(tǒng)設計

根據(jù)能量梯級利用原則，在案例供熱系統(tǒng)原有的熱泵機組、尖峰加熱器前分別增設背壓小汽輪機，對驅(qū)動汽源、尖峰加熱器抽汽的余壓進行回收發(fā)電。由于小汽輪機排汽還存在較高的過熱度，為保證換熱設備安全運行，還需使用原有減溫減壓器對蒸汽參數(shù)進行微調(diào)[19]。新型余壓梯級利用供熱系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 新型余壓梯級利用供熱系統(tǒng)原理圖

新型余壓梯級利用供熱系統(tǒng)的中排抽汽一路進入熱泵機組前背壓小汽輪機，做功后蒸汽壓力降低至0.20 MPa，蒸汽經(jīng)過減溫減壓器微調(diào)后進入熱泵機組；另一路進入供熱尖峰加熱器前背壓小汽輪機，做功后蒸汽壓力降低至0.13 MPa，蒸汽再經(jīng)過原有減溫減壓器進入尖峰加熱器進行換熱。2臺背壓式小汽輪機分別帶動1臺高壓異步發(fā)電裝置發(fā)電，直接并入電廠高壓廠用電系統(tǒng)。設置2臺背壓式小汽輪機進行余壓利用，可以在滿足熱泵機組和供熱尖峰加熱器不同抽汽品質(zhì)需求的前提下，減少中排抽汽在減溫減壓器中的節(jié)流損失，實現(xiàn)抽汽能級的梯級利用。

3 系統(tǒng)分析方法

3.1 熱力學第一定律分析參數(shù)

為了對比兩系統(tǒng)的能量利用情況，使用熱量法對熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供電量和供熱量進行分攤[20]。熱電聯(lián)產(chǎn)機組總熱耗量Qtp為：

(1)

式中：qm,0和qm,rh分別為主蒸汽和再熱蒸汽的質(zhì)量流量，t/h；h0、hfw、hrh,0、hrh,c分別為主蒸汽焓、給水焓、再熱蒸汽焓和冷再熱蒸汽焓，kJ/kg；ηb、ηp分別為鍋爐效率和管道效率，分別取92.0%、99.5%。

熱電聯(lián)產(chǎn)機組總供熱量包括熱泵機組供熱量Qtp,h1及尖峰加熱器供熱量Qtp,h2。

總供熱量Qtp,h為：

Qtp,h=Qtp,h1+Qtp,h2

(2)

熱泵機組供熱量為：

(3)

尖峰加熱器供熱量為：

(4)

根據(jù)熱量法可以得到分攤后的熱電聯(lián)產(chǎn)機組發(fā)電熱耗量[21]。

Qtp,e=Qtp-Qtp,h

(5)

式中：Qtp,e、Qtp,h分別為根據(jù)熱量法分配給供電和供熱的熱耗量，MW。

供電效率ηtp,e為：

(6)

式中：Pe、Pa分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機組的總發(fā)電功率和熱電聯(lián)產(chǎn)機組的廠用電，MW。

燃料利用系數(shù)ηtp,h為：

(7)

供電標準煤耗率為：

(8)

式中：btp,e為供電標準煤耗率，g/(kW·h)。

溴化鋰吸收式熱泵機組的熱平衡方程為：

Qg+Qe=Qa+Qc

(9)

(10)

式中：Qg、Qe、Qa、Qc分別為驅(qū)動蒸汽在發(fā)生器釋放的熱量、電廠空冷島乏汽在蒸發(fā)器釋放的熱量、熱網(wǎng)回水在吸收器吸收的熱量和熱網(wǎng)回水在冷凝器吸收的熱量，MW;CCOP為溴化鋰吸收式熱泵機組的制熱性能系數(shù)。

3.2 熱力學第二定律分析參數(shù)

E=(H-H0)-T0(S-S0)

(11)

式中：E為工質(zhì)流動的焓，MW；H、H0分別為穩(wěn)定流動工質(zhì)入口和出口焓，kJ/kg；S、S0分別為穩(wěn)定流動工質(zhì)進、出口的熵，kJ/(kg·K)；T0為環(huán)境溫度，K。

Ed=Ein-Eout

(12)

式中：Ed為供熱設備的損失，MW；Ein、Eout分別為系統(tǒng)的總輸入和輸出，MW。

(13)

式中：ηex系統(tǒng)總體的效率，%；Ee、Eh、Etot分別為供熱過程輸出的電能、供熱過程輸出的熱量以及供熱過程的總，MW。

3.3 經(jīng)濟分析指標

為探究系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和應用前景，采用動態(tài)投資回收周期(D)和凈現(xiàn)值(N)來評價系統(tǒng)的經(jīng)濟性[24]。

(14)

(15)

式中：k為項目的生命周期，a；y為機組生命周期中的年份；Cin和Cout分別為在第y年的現(xiàn)金流入和現(xiàn)金流出，元；idis為貼現(xiàn)率。

4 結果與討論

使用EBSILON軟件分別建立溴化鋰吸收式熱泵機組模型和熱電聯(lián)產(chǎn)機組模型[25]，并將模型仿真結果與不同工況下設計參數(shù)的平衡圖進行對比驗證，汽輪機模擬驗證結果見表1。其中THA表示熱耗率驗收。由表1可見，4個基準工況下模型仿真得到的功率與設計值相對誤差在0.42%以內(nèi)，模型具有較高的可靠性。

表1 仿真計算驗證

在熱泵機組各設備端差以及熱網(wǎng)水參數(shù)、驅(qū)動蒸汽參數(shù)、乏汽參數(shù)確定的情況下，根據(jù)溴化鋰溶液物性可以得到一組確定的熱泵性能指標。熱泵機組的技術參數(shù)結果見表2。其中，仿真得到的熱泵制熱量、COP模型值與設計值的相對誤差分別為0.82%、0.94%，均在1%以內(nèi)。

表2 單臺溴化鋰吸收式熱泵的技術參數(shù)

4.1 系統(tǒng)主要參數(shù)

綜合考慮案例供熱系統(tǒng)整個供熱期實際運行情況，選取的供熱基準工況參數(shù)如表3所示。

表3 供熱基準工況的技術參數(shù)

新型余壓梯級利用供熱系統(tǒng)中熱泵機組與尖峰加熱器前背壓式小汽輪機相對內(nèi)效率為80.0%，兩者排汽壓力分別為0.2 MPa、0.14 MPa，所帶動的高壓異步發(fā)電機效率為95.0%。取熱電聯(lián)產(chǎn)機組75%THA負荷，對案例供熱系統(tǒng)和新型供熱系統(tǒng)進行仿真計算，并分析其熱力學性能，結果見表4。

表4 案例供熱系統(tǒng)和新型余壓梯級利用供熱系統(tǒng)的熱力性能參數(shù)

4.2 熱力學第一定律分析

圖5給出了新型供熱系統(tǒng)相較于案例供熱系統(tǒng)各級抽汽質(zhì)量流量的變化對比。由于2臺背壓式小汽輪機利用供熱抽汽余壓發(fā)電，使得進入減溫減壓器的供熱抽汽壓力、溫度降低，新型系統(tǒng)減溫水的質(zhì)量流量相比于原系統(tǒng)明顯減少。在主蒸汽質(zhì)量流量和供熱量保持不變的情況下，新型系統(tǒng)中排抽汽質(zhì)量流量增加30.16 t/h，進入低壓缸的蒸汽質(zhì)量流量隨之減小，致使主機發(fā)電功率減小6.29 MW，但由于增設的熱泵機組及尖峰加熱器前背壓式小汽輪機可以帶動2臺異步發(fā)電機多發(fā)電能23.27 MW，補償廠用電后使得全廠總供電功率增加16.90 MW。新型系統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)熱效率和供電熱效率分別提高了1.40%和2.06%，全廠供電標準煤耗率下降了10.02 g/(kW·h)。可以看出，新型余壓梯級利用供熱系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能效果。

圖5 各級蒸汽質(zhì)量流量的變化

為了揭示新型余壓梯級利用供熱系統(tǒng)的節(jié)能機理，圖6和圖7給出了案例系統(tǒng)和新型系統(tǒng)的能量流動過程。在兩系統(tǒng)中，輸入汽輪機的熱量不變。在供熱負荷及熱泵性能相同的條件下，新型系統(tǒng)的總供電功率相較于原系統(tǒng)增加了16.90 MW，減溫水的能量損失減少了0.91 MW，凝汽器的能量損失減少了16.80 MW。與原系統(tǒng)相比，新型系統(tǒng)效率的提升主要在于降低了總凝汽損失。

圖6 案例供熱系統(tǒng)能流圖

圖7 新型余壓梯級利用供熱系統(tǒng)能流圖

4.3 熱力學第二定律分析

圖8 案例供熱系統(tǒng)流圖

圖9 新型余壓梯級利用供熱系統(tǒng)流圖

為進一步解釋新型余壓梯級利用供熱系統(tǒng)的節(jié)能機理，根據(jù)熱力學第二定律對配置背壓式小汽輪機后減溫減壓器內(nèi)的換熱過程進行了圖形分析，如圖10和圖11所示。相較于案例供熱系統(tǒng)，新型系統(tǒng)尖峰加熱器和熱泵機組前減溫減壓器內(nèi)損失分別由12.85 MW、11.29 MW減小至2.70 MW、2.51 MW，降幅分別為10.15 MW和8.78 MW,損失比例分別降低了78.99%和77.77%，節(jié)能效果顯著。

圖10 尖峰加熱器前減溫減壓器圖像分析

圖11 熱泵機組前減溫減壓器圖像分析

4.4 經(jīng)濟性分析

新型余壓梯級利用系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析基本參數(shù)見表5。其中，新型系統(tǒng)投資主要包括設備購置成本和運行維護成本[26]。

表5 經(jīng)濟性分析基本參數(shù)

項目的最主要收入來源為2臺背壓式小汽輪機的額外發(fā)電。新型余壓梯級系統(tǒng)方案的動態(tài)回收周期僅為3.27 a，全生命周期內(nèi)的凈現(xiàn)值有望達到13 924.22萬元，證明新系統(tǒng)具有良好的應用前景。

4.5 靈敏度分析

在供熱系統(tǒng)實際運行中，熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供電、供熱負荷經(jīng)常變化，導致中排壓力及熱網(wǎng)供回水溫度也隨之改變，這2個參數(shù)直接影響新系統(tǒng)中增設的背壓式小汽輪機及熱泵機組的性能。因此，需建立配置吸收式熱泵機組的供熱系統(tǒng)變工況模型，分析供電負荷和熱網(wǎng)供水溫度對新系統(tǒng)和案例系統(tǒng)供電標準煤耗率的影響。

圖12給出了在熱網(wǎng)供、回水溫度和熱泵出水溫度分別為85 ℃、45 ℃和73.75 ℃，且供熱負荷為358.29 MW下，案例系統(tǒng)與新系統(tǒng)供電負荷變化時的熱力性能特性。隨著供電負荷的增加，兩系統(tǒng)供電標準煤耗率均上升，但兩者差值隨著供電負荷的增加而減小，這說明隨著機組供電負荷降低，新型余壓梯級利用系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢變大。

圖12 供電負荷與供電標準煤耗率的關系曲線

圖13給出了中排抽汽壓力為0.6 MPa時，案例系統(tǒng)和新型系統(tǒng)供電標準煤耗率隨熱網(wǎng)供水溫度的變化曲線。當供熱負荷增加時，熱網(wǎng)供、回水溫度及熱泵出水溫度同時增加，兩系統(tǒng)的供電標準煤耗率均呈下降趨勢；當供、回水溫度分別由60 ℃、40 ℃增大至100 ℃、48 ℃，而熱泵出水溫度由60 ℃增大至77.5 ℃時，兩系統(tǒng)的供電標準煤耗率差值從3.52 g/(kW·h)增加至11.68 g/(kW·h)；當供水溫度高于70 ℃并啟動尖峰加熱器后，新型余壓梯級利用系統(tǒng)的節(jié)能效果進一步提高。

圖13 熱網(wǎng)供水溫度與供電標準煤耗率的關系曲線

5 結 論

(1) 在基準供熱工況下，應用新型余壓梯級利用系統(tǒng)后熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供電功率提高16.90 MW，供電標準煤耗率下降10.02 g/(kW·h)，供電熱效率升高2.06%，熱電聯(lián)產(chǎn)熱效率上升1.40%。

(2) 與案例供熱系統(tǒng)相比，新型余壓梯級利用系統(tǒng)將驅(qū)動汽源與熱網(wǎng)尖峰加熱器抽汽的過剩壓力轉(zhuǎn)化為電能，使蒸汽的能量利用更加合理，效率由60.11%提高到73.93%，尖峰加熱器和熱泵機組前減溫減壓器內(nèi)損失分別減少10.15 MW和8.78 MW。

(3) 余壓梯級利用方案的動態(tài)回收周期僅為3.27 a，全生命周期內(nèi)的凈現(xiàn)值有望達到13 924.22萬元，證明系統(tǒng)具有良好的應用前景。

(4) 隨著機組供電負荷的降低，熱網(wǎng)供、回水溫度的增加，新型余壓利梯級利用系統(tǒng)的節(jié)能效果逐漸提高。