吸收式熱泵在循環(huán)水余熱利用中的應(yīng)用

吸收式熱泵在循環(huán)水余熱利用中的應(yīng)用

文/張鵬 魏江 曹超 華北電力科學研究院（西安）有限公司

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快和居民生活水平的提高，冬季城鎮(zhèn)采暖需求不斷增加，采暖需求與供暖能力的矛盾也日趨凸現(xiàn)。在不增設(shè)新的熱源、不增加污染物排放的情況下，提高現(xiàn)有機組供熱能力已經(jīng)成為迫切需要解決的問題。從火電廠能源利用的角度來看，燃料燃燒發(fā)熱量中只有40%左右轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，凝汽式機組約50%以上的熱能通過汽輪機排汽失散到環(huán)境中。對于濕冷機組，汽輪機排汽中的熱量被循環(huán)水帶走，這部分熱量巨大，但能量品質(zhì)較低，很難被直接利用。某熱電廠利用吸收式熱泵技術(shù)，回收循環(huán)水中所蘊含的熱量，大幅提高了能源的利用率，有效解決了采暖供需之間的矛盾。

1 設(shè)備系統(tǒng)概況

某熱電廠現(xiàn)裝機容量4×200 MW，全部為供熱機組，擔負著該地區(qū)3000萬m2的供熱任務(wù)。機組熱網(wǎng)分為大熱網(wǎng)和小熱網(wǎng)兩部分（見圖1）。大熱網(wǎng)設(shè)計供水流量9000t/h，熱網(wǎng)回水采用兩級加熱，55℃的回水經(jīng)1、2號機組熱網(wǎng)加熱器加熱后，匯總到3號機組熱網(wǎng)尖峰加熱器加熱到供水需要的135℃。小熱網(wǎng)供水設(shè)計流量3700t/h，66℃的回水采用一級加熱，使用4號機組熱網(wǎng)尖峰加熱器加熱到供水需要的135℃。針對電廠供熱能力不足的問題，決定采用吸收式熱泵對循環(huán)水余熱進行回收利用。

2 吸收式熱泵工作原理

吸收式熱泵是一種以蒸汽或燃料為驅(qū)動，將熱量從低溫熱源向高溫熱源輸送的循環(huán)系統(tǒng)。它由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器及換熱器等主要部件，以及溶液泵和工質(zhì)泵等輔助部分組成（見圖2）。蒸汽或燃料在發(fā)生器內(nèi)釋放熱量Qg,加熱溴化鋰稀溶液并產(chǎn)生冷劑蒸汽，冷劑蒸汽進入冷凝器，釋放冷凝熱Qc加熱流經(jīng)冷凝器傳熱管內(nèi)的熱水，自身冷凝成液體后經(jīng)節(jié)流閥進入蒸發(fā)器，冷劑水經(jīng)工質(zhì)泵噴淋到蒸發(fā)器傳熱管表面，吸收流經(jīng)傳熱管內(nèi)的低溫熱源水的熱量Qe，使熱源水溫度降低后流出機組，冷劑水吸收熱量后汽化成冷劑蒸汽，進入吸收器，被發(fā)生器濃縮后的溴化鋰溶液返回吸收器后噴淋，吸收從蒸發(fā)器過來的冷劑蒸汽，并放出吸收熱Qa,加熱流經(jīng)吸收器傳熱管內(nèi)的熱水。熱水流經(jīng)吸收器、冷凝器升溫后，輸送給熱用戶。

圖2 吸收式熱泵工作原理

3 改造方案

循環(huán)水余熱利用改造主要包括兩部分：一部分為循環(huán)水側(cè)；另一部分為熱網(wǎng)側(cè)。循環(huán)水側(cè)，主要對#4機組循環(huán)水系統(tǒng)進行改造，改造方案見圖3。將凝汽器出口循環(huán)水分為兩路，第一路經(jīng)回水電動閥HV005回至冷卻塔；第二路經(jīng)循環(huán)水經(jīng)升壓泵進入10臺吸收式熱泵，用以回收循環(huán)水的熱量。熱泵出口循環(huán)水一路經(jīng)電動門HV004、調(diào)節(jié)閥Y002回至冷卻塔；另一路經(jīng)電動門HV003、調(diào)節(jié)閥Y001回至凝汽器。非供暖工況下，隔離熱泵系統(tǒng)，循環(huán)水直接經(jīng)回水電動閥HV005回至冷卻塔；供暖工況下循環(huán)水切換至熱泵側(cè)，經(jīng)熱泵降溫后，通過循環(huán)水泵升壓進入凝汽器。循環(huán)水回水至凝汽器入口供水調(diào)節(jié)閥Y001用來控制升壓泵出口壓力，循環(huán)水回水至冷卻塔調(diào)節(jié)閥Y002用來控制凝汽器進水溫度。熱網(wǎng)側(cè)，大熱網(wǎng)回水由原來的兩級加熱增加為三級加熱。小熱網(wǎng)回水由原來的一級加熱增加為兩級加熱。吸收式熱泵利用4號機采暖抽汽作為熱源，吸收循環(huán)水熱量，大熱網(wǎng)回水經(jīng)熱泵加熱后，再經(jīng)1～2號熱網(wǎng)基本加熱器，3號機尖峰加熱器將熱水提升到135℃，供給大熱網(wǎng)用戶。小熱網(wǎng)回水新增加兩臺低壓熱網(wǎng)加熱器，由原來的一級加熱增加為兩級加熱，回水首先進入新增加熱器利用1、2號機剩余蒸汽加熱，再經(jīng)4號機尖峰加熱器，將溫度提升到135℃，供給小熱網(wǎng)用戶。

圖3 改造后的系統(tǒng)

4 改造效果評價

循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)正常投運后，兩臺循環(huán)水升壓泵出口壓力0.3MPa，8臺熱泵投入運行，2臺熱泵備用，熱泵出口循環(huán)水至冷卻塔電動門HV004全關(guān)，至冷卻塔回水調(diào)整門Y002投自動，用來控制凝汽器出口循環(huán)水溫度在31.5～33℃之間，熱泵出口循環(huán)水至凝汽器電動門HV003全開，至凝汽器調(diào)節(jié)門Y001調(diào)整系統(tǒng)壓力。熱泵運行期間，各主要參數(shù)如表1所示。

表1 熱泵運行期間主要參數(shù)

4.1 熱泵效能系數(shù)COP

熱泵效能系數(shù)COP是熱泵輸出熱量Qh與熱泵運行時消耗的一次能源總量W之比，是評價熱泵經(jīng)濟性的重要指標，吸收式熱泵能效系數(shù)COP一般在1.65～1.85之間。

式中：h1─1-4號熱泵熱網(wǎng)側(cè)出水焓值；h2─1-4號熱泵熱網(wǎng)側(cè)進水焓值；

g1─1-4號熱泵熱網(wǎng)側(cè)流量；h3─7-10號熱泵熱網(wǎng)側(cè)出水焓值；

h4─7-10號熱泵熱網(wǎng)側(cè)進水焓值；g2─7-10號熱泵熱網(wǎng)側(cè)流量；

h5─熱泵驅(qū)動蒸汽焓值；h6─熱泵疏水焓值；g3─熱泵驅(qū)動蒸汽流量。

將表1數(shù)據(jù)代入公式1可得，熱泵效能系數(shù)COP為1.85。

4.2 熱泵凈回收熱量

熱泵在運行過程中，不僅吸收了循環(huán)水的熱量，也增加了循環(huán)水升壓泵、疏水泵及熱泵工質(zhì)泵、溶液泵的運行，增大了廠用電量的消耗。熱泵凈回收熱量為熱泵吸收循環(huán)水的熱量與生產(chǎn)多消耗的這部分電能所需的熱量之差。熱泵運行期間，各轉(zhuǎn)動機械主要參數(shù)如表2所示。

表2 熱泵運行期間各轉(zhuǎn)動機械主要參數(shù)

各泵運行時，所消耗的電功率:

式中：P─ 電功率；U為運行電壓；I─運行電流；Cosφ─功率因素。

熱泵運行時，凈回收的熱量：

式中：Q─熱泵運行凈回收熱量；8300─發(fā)電平均熱耗kJ/kW?h。

將表1、表2數(shù)據(jù)代入公式2、公式3可得,當熱泵運行時，凈回收熱量為241.39GJ/h。

按照綜合供熱指標180kJ/m2計算，可增加供熱面積134.1萬m2。

4.3 節(jié)能減排量

4.3.1 節(jié)約用水量

機組正常運行時，循環(huán)水的損失主要由蒸發(fā)損失、風吹損失和排污損失三部分組成。當熱泵投入運行后，熱泵在回收循環(huán)水熱量的同時，降低了循環(huán)水的溫度，減少了循環(huán)水在冷卻塔中的各項損失。按每年熱泵運行120天計算，則年節(jié)約循環(huán)水量：

式中：Qm─循環(huán)水節(jié)水量；Qm─循環(huán)水蒸發(fā)損失；Qw─循環(huán)水風吹損失Qb─循環(huán)水排污損失；N為濃縮系數(shù)，取3；Kzf當進塔氣溫為0℃時，Kzf取0.001節(jié)約用水量；Kfc對于自然通風冷卻塔取0.05%，Qxh─循環(huán)水流量；t─年運行時間 。將數(shù)據(jù)代入公式4，可知每年可節(jié)約循環(huán)水量294768t。

4.3.2 節(jié)約用煤量

煤炭在燃燒時，釋放出的熱量被鍋爐內(nèi)水吸收產(chǎn)生蒸汽，經(jīng)管道進入換熱器，鍋爐效率越高煤炭的利用率越高。熱泵在投入運行后，回收了大量的熱量，可減少鍋爐出力，節(jié)約大量的煤炭。按照熱泵年運行120天計算，則每年節(jié)約用煤量：

式中：Gm─節(jié)省煤量；Q─凈回收熱量；Qb─標煤發(fā)熱量；ηgl─鍋爐效率取91%；ηgd─管道效率取98%；t─年運行時間，120天。

將數(shù)據(jù)帶入公式5，則每年可節(jié)約煤量26599t。

4.3.3 減排量

煤炭在燃燒的過程中，會釋放出大的廢氣，按照每噸煤排放CO22.62t，SO28.5kg NOx7.4 kg計算，每年可減少CO2排放69689t，減少SO2排放226t,減少NOx排放196t。

5 結(jié)論

通過對循環(huán)水系統(tǒng)進行余熱回收利用，增加了134萬m2的供熱面積，每年節(jié)約煤炭26599t，節(jié)約用水294768t，減少CO2排放69689t，減少SO2排放226t,減少NOx排放196t。通過改造不僅有效解決了電廠供熱能力不足的問題，取得了較大的經(jīng)濟和社會效益，同時也取得了巨大的環(huán)境效益。