火電廠采用循環(huán)水水源熱泵供熱經(jīng)濟(jì)性研究

劉傳玲，宋　昂

（華電電力科學(xué)研究院山東分院，濟(jì)南　250011）

火電廠采用循環(huán)水水源熱泵供熱經(jīng)濟(jì)性研究

劉傳玲，宋昂

（華電電力科學(xué)研究院山東分院，濟(jì)南250011）

從熱功轉(zhuǎn)化效率的角度，對(duì)火電廠采用抽汽及循環(huán)水水源熱泵兩種供熱方式進(jìn)行比較，推導(dǎo)出火電廠采用循環(huán)水水源熱泵供熱的臨界供熱溫度計(jì)算模型；針對(duì)國內(nèi)200MW以下容量機(jī)組，計(jì)算出各容量機(jī)組額定供熱工況下采用循環(huán)水水源熱泵供熱的臨界供熱溫度；通過分析得出，在現(xiàn)有的熱泵技術(shù)條件下，只有末端采用低溫輻射采暖的用戶可以考慮采用循環(huán)水水源熱泵進(jìn)行供熱，且循環(huán)水水源熱泵宜并聯(lián)連接。

熱功轉(zhuǎn)化效率；抽汽供熱；循環(huán)水水源熱泵供熱；臨界供熱溫度

0　引言

火電廠抽汽供熱就是將汽輪機(jī)中還有做功能力的蒸汽抽出系統(tǒng)對(duì)外供熱；循環(huán)水水源熱泵供熱則是通過消耗一部分電能，將火電廠循環(huán)水中的低品位的熱能轉(zhuǎn)化為高品位的熱能進(jìn)行供熱。兩種供熱方式一種是減小了由循環(huán)水帶走的火電廠冷源損失；另一種則是利用了火電廠冷源損失，消耗了電能。本文將火電廠采用循環(huán)水水源熱泵進(jìn)行供熱的經(jīng)濟(jì)性研究，歸結(jié)為供熱抽汽做功損失與水源熱泵供熱耗功的比較，這種方法與之前研究方法［1-3］相比，優(yōu)點(diǎn)是能從量和質(zhì)兩個(gè)角度反映能源的利用效率。

1　抽汽供熱做功損失計(jì)算模型

汽輪機(jī)抽汽供熱實(shí)現(xiàn)了能量的梯度利用，提高了能量的利用率。假設(shè)機(jī)組總的供熱負(fù)荷為Qgr，通過等效焓降的方法［4］，計(jì)算該過程中供熱抽汽的做功損失為

式中：Pe0cq、Qgr、hcn、hno、Icn、Ij、ηj＋1、τr、ηr、ηjx、ηd分別為抽汽供熱做功損失、供熱負(fù)荷、供熱抽汽焓值、汽輪機(jī)純凝工況下排汽焓值、供熱回水焓值、j級(jí)加熱器出口水焓、j+1級(jí)抽汽效率、r級(jí)加熱器給水焓升、r級(jí)抽汽效率、汽輪機(jī)機(jī)械效率、發(fā)電機(jī)電機(jī)效率。

當(dāng)純凝機(jī)組改造為抽汽供熱機(jī)組，純凝汽流經(jīng)過供熱抽汽旋轉(zhuǎn)隔板，將產(chǎn)生壓力損失ΔP，此時(shí)純凝汽流的膨脹線將發(fā)生偏移，排汽焓值由hn0變?yōu)閔′n，同時(shí)由于對(duì)外供熱抽汽不再進(jìn)入凝汽器冷凝，使凝汽器負(fù)荷降低，在火電廠凝汽器循環(huán)水流量不變的情況下，引起凝汽器溫度的下降，進(jìn)而使汽輪機(jī)排汽壓力降低，排汽焓值降低，最終排汽焓值為hn，如圖1所示。

純凝機(jī)組改造為抽汽供熱機(jī)組時(shí)，除了供熱抽汽的做功損失外，還應(yīng)考慮由蒸汽膨脹線偏移引起的焓降的變化［5］。故純凝機(jī)組改造為抽汽供熱機(jī)組后，其做功損失為

式中：Pecq、hn、Dncq分別為修正后的抽汽供熱做功損失、汽輪機(jī)抽汽供熱工況下排汽焓值、汽輪機(jī)抽汽供熱工況下排汽量。

圖1　純凝機(jī)組抽汽供熱后的蒸汽膨脹過程線

2　循環(huán)水水源熱泵供熱耗功計(jì)算模型

2.1火電廠循環(huán)水水源熱泵連接方式

根據(jù)火電機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)的布置方式及循環(huán)水水源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)，有以下兩種連接方式［1］。

方式一，凝汽器出口循環(huán)水先經(jīng)過冷卻塔，然后進(jìn)入水源熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器，構(gòu)成串聯(lián)式的連接方式，如圖2所示。

圖2　熱泵串聯(lián)形式

方式二，凝汽器出口循環(huán)水分別經(jīng)過冷卻塔及水源熱泵蒸發(fā)器，構(gòu)成并聯(lián)式的冷卻方式，如圖3所示。

圖3　熱泵并聯(lián)形式

并聯(lián)連接時(shí)循環(huán)水水源熱泵蒸發(fā)溫度明顯大于串聯(lián)連接，故并聯(lián)連接時(shí)水源熱泵制熱效果較好，但該連接方式下水源熱泵蒸發(fā)器的管外側(cè)介質(zhì)不再是封閉的循環(huán)水，可能會(huì)由于循環(huán)水中的污物沉積而導(dǎo)致?lián)Q熱效果下降；雖然串聯(lián)時(shí)水源熱泵制熱效果不如并聯(lián)連接，但串聯(lián)連接的方式會(huì)使進(jìn)入火電機(jī)組凝汽器的循環(huán)水溫度降得更低，從而降低凝汽器的溫度，進(jìn)而增加機(jī)組的發(fā)電量。

2.2循環(huán)水水源熱泵供熱耗功計(jì)算模型

循環(huán)水水源熱泵供熱需要消耗電能，由熱泵工作原理［6］推導(dǎo)得出其供熱耗功為

式中：Pe0rb、tcon、te、ηci分別為循環(huán)水水源熱泵供熱耗功、水源熱泵冷凝溫度、水源熱泵蒸發(fā)溫度、水源熱泵熱力學(xué)完善度。水源熱泵熱力學(xué)完善度為熱泵實(shí)際制熱循環(huán)制熱系數(shù)與可逆循環(huán)制熱系數(shù)的比值。

循環(huán)水水源熱泵冷凝溫度，可通過供熱溫度計(jì)算得出

式中：tgr、δtn分別為循環(huán)水水源熱泵供熱溫度、循環(huán)水水源熱泵冷凝器端差。

循環(huán)水水源熱泵蒸發(fā)溫度，因連接方式的不同而不同，采用并聯(lián)連接時(shí)：

式中：txho、δte分別為凝汽器出口循環(huán)水溫度、循環(huán)水水源熱泵入口循環(huán)水溫度與蒸發(fā)溫度的差值。

采用串聯(lián)連接時(shí)：

式中：t′xho為冷卻塔出口循環(huán)水溫度。

在串聯(lián)連接時(shí)，進(jìn)入凝汽器的循環(huán)水由于經(jīng)過熱泵的再次冷卻使得溫度進(jìn)一步下降，從而引起凝汽器溫度的降低，蒸汽膨脹線下移，如圖4所示。汽輪機(jī)排汽焓值由hno變?yōu)閔nrb，增加了火電機(jī)組發(fā)電量。因此在串聯(lián)連接時(shí)，循環(huán)水水源熱泵供熱耗功還應(yīng)減去火電機(jī)組發(fā)電量的變化，此時(shí)循環(huán)水水源熱泵耗功為

式中：Dnrb、hnrb分別為采用循環(huán)水水源熱泵供熱時(shí)汽輪機(jī)排汽量、采用循環(huán)水水源熱泵供熱時(shí)汽輪機(jī)排汽焓值。

圖4　機(jī)組串聯(lián)接入水源熱泵時(shí)的蒸汽膨脹過程線

3　采用循環(huán)水水源熱泵供熱的可行性判據(jù)

在進(jìn)行兩種供熱方式的比較時(shí)，取相同的供熱負(fù)荷。兩種供熱方式的比較即是供熱抽汽做功損失Pecq與循環(huán)水水源熱泵耗功Perb的比較，從而得出循環(huán)水水源熱泵供熱可替代抽汽供熱的臨界條件為

滿足式（8）的供熱溫度，即為火電廠可采用循環(huán)水水源熱泵供熱的臨界供熱溫度。

由式（9）可以看出循環(huán)水水源熱泵臨界供熱溫度與參數(shù)ηcn、ηci、te有關(guān)，其中ηcn主要受供熱抽汽參數(shù)的影響；ηci受熱泵技術(shù)的限制；te為循環(huán)水水源熱泵蒸發(fā)溫度，與水源熱泵的連接方式及火電廠循環(huán)水溫度有關(guān)，此外還受供熱負(fù)荷的影響，本文中暫不考慮變工況的情況。

當(dāng)tgr＞時(shí)，即用戶要求的供熱溫度大于循環(huán)水水源熱泵臨界供熱溫度，此時(shí)水源熱泵供熱耗功大于抽汽供熱做功損失，宜采用抽汽供熱的方式；

當(dāng)tgr=時(shí)，即用戶要求的供熱溫度等于循環(huán)水水源熱泵臨界供熱溫度，此時(shí)水源熱泵供熱耗功等于抽汽供熱做功損失，可根據(jù)熱用戶要求靈活選用供熱方式；

當(dāng)時(shí)tgr＜即用戶要求的供熱溫度小于循環(huán)水水源熱泵臨界供熱溫度，此時(shí)水源熱泵供熱耗功小于抽汽供熱做功損失，宜采用循環(huán)水水源熱泵供熱的方式。

4　采用循環(huán)水水源熱泵供熱經(jīng)濟(jì)性分析實(shí)例

4.1機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)及計(jì)算條件假設(shè)

目前國內(nèi)抽汽供熱機(jī)組許多為200MW以下容量的機(jī)組，因此選用參與計(jì)算的機(jī)組容量分別為50MW、100MW、125MW、200MW，其主要參數(shù)如表1所示。

表1　各機(jī)組主要參數(shù)表

為方便研究，作以下假設(shè)。

1）在計(jì)算中假定冷卻塔出水溫度始終為20℃。循環(huán)水量在機(jī)組工況發(fā)生變化時(shí)不改變，始終等于機(jī)組設(shè)計(jì)值。在循環(huán)水水源熱泵并聯(lián)連接時(shí)，假定冷卻塔出口循環(huán)水與熱泵蒸發(fā)器出口循環(huán)水混合后的溫度也始終為20℃。

2）假設(shè)機(jī)組用中排抽汽對(duì)外供熱時(shí)的工況為機(jī)組額定供熱工況，在額定供熱工況下，熱泵蒸發(fā)溫度與熱泵蒸發(fā)器入口循環(huán)水溫差為10℃，冷凝器端差均為5℃。

4.2循環(huán)水水源熱泵臨界供熱溫度計(jì)算

在以上假設(shè)的前提下，對(duì)選用的純凝機(jī)組改造為抽汽供熱及循環(huán)水水源熱泵供熱的情況進(jìn)行了計(jì)算，得出在不同的熱力學(xué)完善度下，各機(jī)組額定供熱工況下采用循環(huán)水水源熱泵供熱的臨界供熱溫度。

由表2可以看出，當(dāng)時(shí)，各容量機(jī)組額定供熱工況所對(duì)應(yīng)的循環(huán)水水源熱泵臨界供熱溫度處于30～60℃之間，由JGJ 142—2004《地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程》3.1.1條可知［7］，對(duì)末端采用低溫輻射采暖的用戶可以采用循環(huán)水源熱泵進(jìn)行供暖；當(dāng)時(shí)，各機(jī)組額定供熱工況所對(duì)應(yīng)的臨界供熱溫度值均高于60℃，宜采用循環(huán)水源熱泵進(jìn)行供熱。由于目前熱泵技術(shù)的局限，熱泵循環(huán)熱力學(xué)完善度在0.4左右，因此現(xiàn)階段只有末端采用低溫輻射采暖的用戶可以考慮采用循環(huán)水水源熱泵進(jìn)行供熱。從表2還可以看出，并聯(lián)連接時(shí)臨界供熱溫度要大于串聯(lián)，因此循環(huán)水水源水源熱泵宜采用并聯(lián)連接。

5　結(jié)語

基于等效焓降及熱泵原理的理論基礎(chǔ)，分別建立了火電廠采用抽汽供熱的做功損失及循環(huán)水水源熱泵供熱的耗功計(jì)算模型。通過對(duì)供熱抽汽做功損失與水源熱泵耗功的比較，得出了火電廠采用循環(huán)水水源熱泵進(jìn)行供熱的臨界供熱溫度計(jì)算模型。將推導(dǎo)出的計(jì)算模型應(yīng)用于200MW以下容量機(jī)組，計(jì)算得出各容量機(jī)組可采用循環(huán)水水源熱泵供熱的臨界供熱溫度，為各容量機(jī)組能否采用循環(huán)水水源熱泵供熱提供了參考，在現(xiàn)階段只有末端采用低溫輻射采暖的用戶可以考慮采用循環(huán)水水源熱泵進(jìn)行供熱，且循環(huán)水水源熱泵宜采用并聯(lián)連接。

［1］季杰，劉可亮，裴剛，等.以電廠循環(huán)水為熱源利用熱泵區(qū)域供熱的可行性分析［J］.暖通空調(diào)，2005，35（2）：104-107.

［2］馮永華，徐文忠，孫始財(cái).火電廠循環(huán)冷卻水廢熱回收利用問題研究［J］.節(jié)能，2007（3）：17-19.

［3］藍(lán)玉.利用電廠余熱的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2005.

［4］林萬超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1994.

［5］劉繼平，嚴(yán)俊杰，陳國慧，等.等效熱降理論的擴(kuò)展研究［J］.熱力發(fā)電，1998（5）：11-15.

［6］吳業(yè)正，韓寶琦.制冷原理與設(shè)備［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1997.

［7］JGJ 142—2004地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程［S］.

Econom ic Research of Heating Supply Using Circulating Water-source Heat Pumps in Thermal Power Plant

LIU Chuanling，SONG Ang
（Shandong Branch of Huadian Electric Power Research Institute，Jinan 250011，China）

Extraction steam heating and water source heat pump heating used in thermal power plants were compared from the perspective of thermal power conversion efficiency.F or thermal power plants in which circulating water-source heat pumps were adopted，a model used to calculate critical heating temperature was acquired.The critical heating temperature of every unit under the rated heating condition was calculated for the domestic condensing unit with less than 200MW.Through analyzing，under the condition of existing heat pump technology，only users whose terminal used low-temperature radiant heating could consider to adopt circulatingwater-source heat pump which is advised to be connected in parallel.

thermal power conversion efficiency；extraction heating；heating with circulating-water-source heat pump；critical heating temperature

TK11

A

1007－9904（2016）03－0030－04

2016-01-02

劉傳玲（1985），女，工程師，從事電站機(jī)組熱力系統(tǒng)節(jié)能分析和檢測(cè)等專業(yè)工作。