熱泵系統(tǒng)與空冷冬季防凍的探討

池必文高利智

（1.華電大同第一熱電廠，山西大同 037039； 2.大同電力高級(jí)技工學(xué)校，山西大同 037039）

熱泵系統(tǒng)與空冷冬季防凍的探討

池必文1高利智2

（1.華電大同第一熱電廠，山西大同 037039； 2.大同電力高級(jí)技工學(xué)校，山西大同 037039）

在北方地區(qū)干旱少雨，水資源匱乏，在不影響機(jī)組容量的情況下，空冷機(jī)組以其節(jié)水效果明顯成為這些地區(qū)的首選。然而北方地區(qū)冬夏季氣溫相差很大，空冷系統(tǒng)受氣溫的影響較大，特別對(duì)于熱泵改造后的供熱機(jī)組冬季的防凍壓力更大，根據(jù)我廠熱泵機(jī)組冬季運(yùn)行的情況，總結(jié)出以下結(jié)論，供同類型機(jī)組運(yùn)行參考。

空冷系統(tǒng) 熱泵系統(tǒng) 防凍措施

1 熱泵系統(tǒng)技術(shù)簡(jiǎn)介

目前，吸收式熱泵余熱回收技術(shù)以其高效節(jié)能和具有顯著經(jīng)濟(jì)效益的特點(diǎn)，尤為引人注目。吸收式熱泵常以溴化鋰溶液作為工質(zhì)，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，不破壞大氣臭氧層。配備溴化鋰吸收式熱泵，回收電廠部分通過(guò)直接空冷系統(tǒng)排放到大氣中的熱量，達(dá)到節(jié)能、減排、降耗的目的。同時(shí)作為集中供熱主熱源的熱電廠而言，存在兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題有待解決。一是電廠抽汽供熱能力普遍不足，而新增熱電廠、大型燃煤鍋爐房又帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題，為各地環(huán)保部門所嚴(yán)格控制。二是目前大型抽凝式供熱機(jī)組存在大量的汽輪機(jī)凝汽余熱通過(guò)冷卻塔或空冷散熱器排放掉，該部分熱量可占燃料燃燒總發(fā)熱量的20%，以保證汽輪機(jī)末端的正常工作。將這部分凝汽用于供熱，相當(dāng)于在不增加電廠容量，不增加當(dāng)?shù)嘏欧牛拿毫亢桶l(fā)電量都不變的情況下，擴(kuò)大了熱源的供熱能力，為集中供熱系統(tǒng)增加了熱量，提高了電廠的綜合能源利用效率，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境效益。

吸收式熱泵以高溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)，把低溫?zé)嵩吹臒崃刻岣叩街袦?，從而提高系統(tǒng)能源的利用效率。溴化鋰吸收式熱泵包括蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、發(fā)生器、熱交換器、屏蔽泵和其他附件等見(jiàn)圖1。

以蒸汽為驅(qū)動(dòng)熱源，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(jìn)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，自身冷凝成液體后節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器；冷劑水經(jīng)冷劑泵噴淋到蒸發(fā)器傳熱管表面，吸收流經(jīng)傳熱管內(nèi)低溫?zé)嵩此臒崃縌e，使熱源水溫度降低后流出機(jī)組，冷劑水吸收熱量后汽化成冷劑蒸汽，進(jìn)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(guò)來(lái)的冷劑蒸汽，并放出吸收熱Qa，加熱流經(jīng)吸收器傳熱管的熱水；熱水流經(jīng)吸收器、冷凝器升溫后，輸送給熱用戶的熱量Q，顯然Q=Qe+Qa=Qg+Qc。

圖1 吸收式熱泵原理圖

對(duì)于電廠乏汽余熱回收吸收式熱泵，驅(qū)動(dòng)熱源是汽輪機(jī)抽汽，低位熱源是汽輪機(jī)乏汽，被加熱的熱水（中溫?zé)嵩矗┦羌泄岬臒峋W(wǎng)回水。如圖3，以汽輪機(jī)抽汽為驅(qū)動(dòng)能源QH，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，回收乏汽余熱QL，加熱熱網(wǎng)回水。得到的有用熱量（熱網(wǎng)加熱量）為消耗的蒸汽熱量與回收的乏汽余熱量之和QH+QL。熱泵的性能系數(shù)（COPh）定義為得到的有用熱量與消耗的蒸汽熱量之比，即COPh= （QH+QL）/ QL。如單效吸收式熱泵COPh =1.7，即消耗1份汽輪機(jī)采暖抽汽熱量，回收0.7份乏汽余熱，為熱網(wǎng)提供1.7份熱量。由此可見(jiàn)，吸收式熱泵供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量，具有較顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

2 運(yùn)行方式/方法描述

本項(xiàng)改造工程應(yīng)用由清華大學(xué)提出的“基于吸收式循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱（簡(jiǎn)稱基于吸收式循環(huán)）”技術(shù)，流程如圖2所示。

在電廠內(nèi)安裝兩臺(tái)HRU85型電廠余熱回收機(jī)組，其原理系基于吸收式熱泵，以部分汽輪機(jī)采暖抽汽為驅(qū)動(dòng)能源，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，回收低溫乏汽余熱，得到的有用熱量（熱網(wǎng)供熱量）為消耗的蒸汽熱量與回收的乏汽余熱量之和，將4000t/h 、37℃的一次網(wǎng)返廠回水“溫度對(duì)口”的一級(jí)加熱至73℃，再利用尖峰熱網(wǎng)加熱器二級(jí)加熱至120℃。

系統(tǒng)示意圖（如圖3）：

兩臺(tái)汽輪機(jī)的乏汽進(jìn)入相對(duì)應(yīng)的余熱回收機(jī)組，放熱降溫后凝結(jié)水由汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的各級(jí)加熱器加熱后返回鍋爐。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)（如采暖季初、末寒期），供熱負(fù)荷小，汽機(jī)排熱負(fù)荷增加，電廠余熱回收機(jī)組不能回收全部的余熱，可將過(guò)剩的乏汽排熱通過(guò)空冷島散到大氣環(huán)境，以保持汽機(jī)正常的背壓。本項(xiàng)目需要采暖抽汽390t/h（折合熱量263MW），并回收200t/h乏汽（折合熱量131.5MW）余熱，考慮到3%加熱環(huán)節(jié)的熱損失后，總供熱量達(dá)到383MW。

3 冬季空冷運(yùn)行情況

圖2 蒸汽型吸收式熱泵的工作原理

2010年熱泵投入運(yùn)行后，空冷已連續(xù)4年不同程度的凍結(jié)，真空被迫維持在50-60kpa之間。雖然采取了許多防凍措施，比如解列空冷部分單列、散熱管束加蓋棉墊子，封堵風(fēng)機(jī)風(fēng)口等等，但都沒(méi)有從根本上解決空冷凍結(jié)這個(gè)難題。當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為是由于熱泵消耗了部分乏汽，致使空冷上的乏汽量減少，造成空冷結(jié)冰。按理空冷乏汽量減少后真空本應(yīng)提高，但實(shí)際情況是機(jī)組真空較投熱泵前還低，不加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，真空起不來(lái)，一加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，抽氣溫度及凝水溫度就往低走。每年空冷凍結(jié)就是因?yàn)橄胩岣哒婵赵黾语L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速造成的。

圖3

今年熱泵投運(yùn)后，#2機(jī)真空由投前70kpa降至63kpa，空冷抽氣溫度及凝水溫度大幅下降至0℃-20℃之間，增加真空泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)后真空稍有增長(zhǎng)，但仍較低。真空泵工作水溫達(dá)50℃，超工作水溫報(bào)警值10℃。此現(xiàn)象若在冬季肯定判斷為空冷部分管束凍結(jié)，但當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度在零上，不可能凍結(jié)。就地檢查真空泵吸入管管壁溫度較高，判斷有蒸汽吸入真空泵，而空冷抽氣溫度僅為10℃左右，因此排除空冷抽出蒸汽的可能性，從而懷疑真空泵是抽出了熱泵前置換熱器內(nèi)的部分乏汽，造成工作水溫升高，出力下降。將#2熱泵抽氣門關(guān)至20%，#2機(jī)真空由63kpa上升至74kpa，抽氣和凝水溫度升高至正常。

熱泵安裝有前置換熱器，也就是利用汽輪機(jī)乏汽來(lái)加熱熱網(wǎng)循環(huán)水的換熱器，相當(dāng)于凝汽器。前置換熱器抽氣管接在真空泵入口管上，與空冷抽氣管共用一根抽氣母管，且管徑較大（159mm），抽氣電動(dòng)門全開(kāi)狀態(tài)。

4 分析

（1）熱泵前置換熱器安裝位置低且抽氣管較短，抽氣阻力要比空冷的抽氣阻力小，從而造成真空泵的抽吸能力有部分首先消耗在前置換熱器上。

（2）前置換熱器容量較小，漏入空氣量很小，而抽氣管徑又較大，造成真空泵將前置換熱器內(nèi)的部分乏汽抽出，工作水溫升高，水泵性能下降。

最終結(jié)果是造成空冷的抽氣能力下降，漏入空冷系統(tǒng)的空氣無(wú)法及時(shí)排出，隨著不凝結(jié)氣體的增多，空冷換熱效果變差，機(jī)組真空下降，為提高機(jī)組真空增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速造成空冷結(jié)冰。

控制熱泵前置換熱器抽氣電動(dòng)門后，空冷的抽氣能力得到提高，真空泵工作水溫降低，空冷換熱效果變好，機(jī)組真空提高。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著環(huán)境溫度的降低可逐漸減小直至停運(yùn)，很好的起到了空冷的防凍作用。

5 目前運(yùn)行情況

（1）控制#1、#2熱泵抽氣電動(dòng)門20%的開(kāi)度，維持前置換熱器的真空，兩熱泵運(yùn)行正常，各相關(guān)參數(shù)正常。

（2）機(jī)組真空可調(diào)范圍大，夜間氣溫低（-20℃）時(shí)，空冷順流風(fēng)機(jī)全停，逆流風(fēng)機(jī)逆轉(zhuǎn)防凍，真空可達(dá)設(shè)計(jì)值75kpa以上，為了空冷防凍人為的將真空降至70kpa左右。白天稍開(kāi)順流風(fēng)機(jī)真空即可達(dá)70KPa。同時(shí)空冷抽氣溫度及凝水溫度正常，過(guò)冷度在正常范圍內(nèi)。

（3）空冷未采取以往任何防凍措施，就地檢查空冷未有凍結(jié)管束。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)華電大同第一熱電廠2×135MW空冷機(jī)組熱泵投運(yùn)后冬季工況的分析，對(duì)于北方地區(qū)低溫條件下，經(jīng)過(guò)上述方法的調(diào)整，沒(méi)有發(fā)生冬季空冷系統(tǒng)凍結(jié)現(xiàn)象，機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］華電大同第一熱電廠乏汽余熱利用運(yùn)行規(guī)程.

池必文（1966.11—），男，山西大同人，大學(xué)專科，工程師、技師，研究方向：發(fā)電廠集控運(yùn)行。

高利智（1966.4—），女，山西大同人，大學(xué)本科，高級(jí)講師，研究方向：發(fā)電廠熱能動(dòng)力。