吸收式熱泵回收火電廠冷凝熱供暖的技術(shù)經(jīng)濟性

周振起 崔春暉 袁 猛 王盛華 王東亮 王 碩

（東北電力大學(xué)能源與動力學(xué)院 吉林 132012）

吸收式熱泵回收火電廠冷凝熱供暖的技術(shù)經(jīng)濟性

周振起 崔春暉 袁 猛 王盛華 王東亮 王 碩

（東北電力大學(xué)能源與動力學(xué)院 吉林 132012）

介紹了溴化鋰吸收式熱泵的工藝流程，以某300MW抽凝供熱機組為例，分析熱泵供熱前后機組供熱能力的變化，對機組節(jié)能效益進行計算與分析，并對電廠安裝熱泵后節(jié)能效益的算法進行討論。結(jié)果表明：供熱機組安裝熱泵后，相同抽汽量的情況下機組對外供熱能力大大增加；并且在供熱量相同的情況下，不同的收益計算方法所得到的節(jié)能收益結(jié)果相差較大，因此，在計算溴化鋰吸收式熱泵的節(jié)能收益時，應(yīng)以供熱機組實際的運行工況選擇合適的計算方法。

火電廠；吸收式熱泵；抽汽；供熱能力；節(jié)能收益

0 引言

利用熱電廠對用戶集中供熱是目前國內(nèi)采暖的主要方式之一。在目前大型抽凝式供熱機組生產(chǎn)過程中，絕大多數(shù)熱電廠直接將汽輪機乏汽余熱經(jīng)循環(huán)水通過冷卻塔排放出去，大量的低溫余熱資源沒能得到有效利用，造成能源的浪費。隨著國家節(jié)能減排政策的推行落實，人們越來越重視對火電廠能源階梯利用，提出各種各樣的循環(huán)水余熱回收利用方式，其中溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)以高效節(jié)能和具有良好的經(jīng)濟效益而廣泛受到關(guān)注和應(yīng)用[1]。采用吸收式熱泵能較大幅度的增加供熱機組的供熱能力，其節(jié)能的本質(zhì)是因為降低了抽汽參數(shù)與熱網(wǎng)供熱參數(shù)之間的匹配差異所帶來的熵增而導(dǎo)致的蒸汽做功能力的喪失[2]。參考有關(guān)計算吸收式熱泵供熱系統(tǒng)節(jié)能收益的資料，很多直接以熱泵實際回收的熱量為基礎(chǔ)，將熱泵回收的熱量乘以熱價或者將其折算成標(biāo)準(zhǔn)煤作為電廠的節(jié)能收益，由于供暖期各時段供熱機組的工況的變化以及能量品質(zhì)的不同，使得這種算法或多或少的放大了安裝熱泵后電廠的節(jié)能收益[3]。以某300MW抽凝供熱機組為例，分析了熱泵供熱前后機組供熱能力的變化，并在保證原抽凝機組最大供熱負荷不變的前提下，分析安裝熱泵系統(tǒng)后電廠的節(jié)能收益，并對熱泵系統(tǒng)實際運行中的節(jié)能收益計算方法進行討論。

1 溴化鋰吸收式熱泵供熱原理

溴化鋰吸收式熱泵以蒸汽作為驅(qū)動能源，溴化鋰濃溶液為吸收劑，水作為工質(zhì)，利用水在低壓真空狀態(tài)下低沸點的特性，回收循環(huán)水余熱供熱，實現(xiàn)熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹膫鬟f[4]。吸收式熱泵主要由吸收器、發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、溶液熱交換器以及相應(yīng)的泵和閥門等構(gòu)成。它以汽輪機部分抽汽作為驅(qū)動熱源，將發(fā)生器中的溴化鋰稀溶液加熱，使溴化鋰稀溶液變成濃溶液，并產(chǎn)生高壓水蒸氣，高壓蒸汽進入冷凝器，在冷凝器中變成冷凝水，放出冷凝熱加熱熱網(wǎng)水，冷凝水經(jīng)節(jié)流降溫后流入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器中蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸汽進入吸收器，而發(fā)生器中產(chǎn)生的溴化鋰濃溶液則經(jīng)溶液交換器預(yù)熱進入發(fā)生器的稀溶液后流入吸收器，吸收來自蒸發(fā)器的水蒸汽，變成溴化鋰稀溶液，如此反復(fù)循環(huán)。熱網(wǎng)回水依次在吸收器，冷凝器內(nèi)吸熱升溫后，供給用戶供暖[5-9]。

若忽略泵功以及系統(tǒng)與周圍環(huán)境熱交換等帶給系統(tǒng)的熱量，整個系統(tǒng)的熱平衡為：

式中：Qg為發(fā)生器熱負荷，即驅(qū)動蒸汽在發(fā)生器中的放熱量；Qa為吸收器熱負荷，即熱網(wǎng)水在吸收器中的吸熱量；Qk為冷凝器熱負荷，即熱網(wǎng)水在冷凝器中的吸熱量；Qn為蒸發(fā)器熱負荷，即熱泵從電廠循環(huán)冷卻水中提取的熱量。

吸收式熱泵性能系數(shù)等于熱泵輸出熱量（熱網(wǎng)水吸收熱量）與驅(qū)動蒸汽熱量之比，即：

由上式得知，采用吸收式熱泵供熱其供熱量始終大于消耗的高溫驅(qū)動熱源的熱量，從能量利用方面講采用吸收式熱泵供熱始終要比直接抽汽供熱節(jié)能。

2 吸收式熱泵回收電廠余熱供熱方案

以某300MW熱電機組為例，機組主要技術(shù)參數(shù)見表1。在傳統(tǒng)抽汽供熱機組的基礎(chǔ)上加入吸收式熱泵設(shè)備形成新型帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機組，其系統(tǒng)示意圖如圖1所示。熱泵系統(tǒng)在原供熱抽汽的驅(qū)動下，回收冷端潛熱，當(dāng)熱泵系統(tǒng)能夠回收循環(huán)冷卻水全部余熱時，閥門1、2關(guān)閉；當(dāng)熱泵只能回收部分廢熱時，剩余其他循環(huán)冷卻水仍需通過冷卻塔進行冷卻，此時，閥門1、2開啟；當(dāng)外界熱負荷變化，熱泵系統(tǒng)所提供的熱量不足以滿足用戶需求時，需要開啟閥門3，由供暖抽汽提供其余熱負荷。考慮到熱泵系統(tǒng)投資較大，為了使熱泵系統(tǒng)在機組任何抽汽量下都能滿負荷運行，以機組抽汽量達到最大工況時選擇熱泵機組，此時對應(yīng)的電廠冷源損失最小。

圖1 帶吸收式熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of heat supply system with absorption heat pump

表1 某300MW供熱機組主要技術(shù)參數(shù)Table1 The main technical parameters of a 300MW heating unit

3 計算模型

常規(guī)熱電廠抽凝機組抽汽對外供熱，用戶得到的熱量：

式中：Qa為用戶得到的熱量，MW；m為抽汽流量，kg/s；h1為抽汽焓，kJ/kg；h2抽汽凝結(jié)焓，kJ/kg。

機組安裝熱泵供熱后，熱泵系統(tǒng)對外供熱量：

式中：Qb為熱泵系統(tǒng)供熱負荷，MW；Qn為熱電廠最小冷源損失，即熱泵從循環(huán)冷卻水中回收的熱量，MW；Qg為熱泵系統(tǒng)驅(qū)動熱量，MW；COP為熱泵的熱力性能系數(shù)。

假定驅(qū)動抽汽凝結(jié)水焓值仍為h2，則熱泵所需驅(qū)動蒸汽熱量：

式中：m1為驅(qū)動蒸汽流量，kg/s。

安裝熱泵后的帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)機組對外供熱，用戶可得到的熱量：

當(dāng)外界熱負荷需求達到原抽汽機組最大供熱量Qmax且保持不變時，則帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機組所需抽汽量為：

式中：m2為帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)機組對外供熱Qmax時所需抽汽量，kg/s。

因為增加了吸收式熱泵，通過從循環(huán)冷卻水中提取部分熱量，最終節(jié)省一部分抽汽，節(jié)省抽汽量為：

式中：mΔ為節(jié)省抽汽量，kg/s；maxm為熱電廠供熱機組最大抽汽量，kg/s。

節(jié)省抽汽量可以在汽輪機中繼續(xù)做功，機組增加功率：

式中：WΔ為機組增加功率，MW；ch為汽輪機排汽焓，kJ/kg；mη為機組機械效率，取0.99；gη為發(fā)電機效率，取0.97。

4 計算結(jié)果與分析

根據(jù)表1中有關(guān)參數(shù)，對安裝熱泵前后供熱機組進行計算，結(jié)果分析如下。

4.1 相同抽汽量下供熱能力分析

原抽凝供熱機組供暖抽汽量在0-550t/h，隨著抽汽量的增加，對外供熱量也成比例逐漸增加，當(dāng)機組達到最大抽汽工況，此時對外供熱量達到最大392.55MW，最大供熱面積為603.92萬m2。假定熱泵熱力性能系數(shù)為1.7，熱泵系統(tǒng)滿負荷運行，回收電廠循環(huán)水余熱，則熱泵系統(tǒng)可對外供熱151.4MW。兩種供熱方式供熱能力隨抽汽量變化如圖2所示。當(dāng)抽汽量在0-212.1t/h，即在M，N點之前，此時帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)機組只有熱泵機組運行供熱，峰載加熱器并未運行，可以看出該區(qū)間相同抽汽量下單獨熱泵供熱方式供熱能力明顯要比抽汽供熱方式高，并隨著抽汽量的增加，兩者之間供熱量差距越來越大，當(dāng)抽汽量達到212.1t/h（M、N點對應(yīng)的橫坐標(biāo)），熱泵機組達到最大負荷，此時兩者之間的差距達到最大為106MW；M，N點之后，抽汽量在212.1-550t/h區(qū)間，熱泵供熱負荷不足以滿足用戶供熱需求，用戶所需一部分熱量由附加抽汽供給，相當(dāng)于熱電聯(lián)產(chǎn)，此時帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)供熱方式和抽汽供熱方式供熱能力相同；當(dāng)抽汽量達到機組最大抽汽量，兩種供熱方式均達到自身最大供熱極限，此時帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱量為498.57MW，比抽汽供熱機組供熱量增加106MW，增加供熱面積約163萬m2。由此可見，帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供熱能力明顯大于傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機組，對于供熱量不足的機組來說，這一改造技術(shù)具有很大的技術(shù)優(yōu)勢。

圖2 機組抽汽量與供熱能力關(guān)系圖Fig.2 Relationship between unit pumping capacity and heating capacity

4.2 相同供熱量下節(jié)能效益分析

假定原抽汽供熱機組已達到最大供熱負荷且發(fā)電負荷不變，在保證最大供熱量不變的情況下討論熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)機組的節(jié)能效益。圖3為熱電聯(lián)產(chǎn)機組安裝吸收式熱泵后熱泵系統(tǒng)、附加供暖抽汽之間抽汽量與供熱量的關(guān)系。對外供熱負荷同是392.55MW，原機組抽汽量為152.78kg/s，熱泵驅(qū)動抽汽量與附加供暖抽汽量之和為111.5kg/s，節(jié)省供暖抽汽量41.28kg/s，這部分抽汽可以返回汽輪機中繼續(xù)膨脹做功，汽輪機可以在不增加燃煤的情況下增加發(fā)電功率，增加發(fā)電功率17.86MW。根據(jù)文獻[2]，提高熱泵的制熱系數(shù)可以降低機組供暖抽汽量，提高系統(tǒng)的效率，圖3中節(jié)省的供暖抽汽量并沒有隨著熱泵制熱系數(shù)的增加而變化，這是因為熱泵系統(tǒng)已經(jīng)達到最大負荷并且回收的機組冷端損失有限。因此，當(dāng)熱泵系統(tǒng)回收額定數(shù)量的機組冷端損失時，通過改變驅(qū)動蒸汽壓力、熱網(wǎng)水進口溫度等參數(shù)增大熱泵制熱系數(shù)節(jié)省更多供暖抽汽的方法是不可行的。

圖3 抽汽量與供熱量關(guān)系曲線Fig.3 The relationship between pumping quantity and heating quantity

若以供熱機組平均供電煤耗330g/kWh計算，安裝熱泵系統(tǒng)后增加的發(fā)電量相當(dāng)于節(jié)省了發(fā)電煤耗，一個供暖季大約節(jié)省21200t標(biāo)準(zhǔn)煤，煤價按600元/噸，節(jié)能收益約為1272萬元；若直接以回收熱量為基礎(chǔ)計算折算標(biāo)煤46934t/a，節(jié)能收益達2816萬元。圖2為機組對外供熱量不變情況下，幾種不同計算方法得到的電廠采用熱泵供熱后的節(jié)能收益。

圖4 幾種計算方法得到的電廠節(jié)能收益Fig.4 Several computational methods are obtained for the power plant energy saving gains

從圖2中可以看出，不同的計算方法所得出的電廠節(jié)能收益結(jié)果存在很大差異，與實際節(jié)能收益最大相差達3536萬元，因此在對熱泵供熱機組的節(jié)能收益進行實際計算時，應(yīng)該根據(jù)工程具體情況選擇適當(dāng)?shù)氖找嬗嬎惴椒ㄓ嬎?。?dāng)機組供熱量大于機組供熱能力時，采用熱泵供熱能增加機組對外供熱量，此時以熱負荷增加為基礎(chǔ)進行收益計算；當(dāng)電網(wǎng)電負荷要求較高，即機組供熱能力大于供熱需求時，抽汽返回汽輪機做功增加的發(fā)電量可以上網(wǎng)，增加機組全年發(fā)電量指標(biāo)，此時以發(fā)電負荷增加為基礎(chǔ)進行收益計算；當(dāng)機組供熱能力大于供熱需求，且機組發(fā)電功率不變時，應(yīng)以節(jié)省標(biāo)煤量來評價熱泵系統(tǒng)節(jié)能收益。

5 結(jié)論

通過對300MW帶熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機組計算分析，可得出如下結(jié)論：采用吸收式熱泵供熱系統(tǒng)回收電廠循環(huán)冷卻水余熱，可以在保證機組容量不變的情況下增加機組的供熱能力，有效地緩解了日益增長的供熱負荷需求和有限熱源供熱能力之間的矛盾；熱泵供熱系統(tǒng)投入使用后，對于電廠而言，不同的計算方法所得出的節(jié)能收益計算結(jié)果差別較大，因此，應(yīng)根據(jù)機組實際運行中的具體工況選擇不同的計算方法，使得企業(yè)收益更切合實際情況。

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Technology and Economy of Condensing Heat Supply in Thermal Power Plant by Absorption Heat Pump

Zhou Zhenqi Cui Chunhui Yuan Meng Wang Shenghua Wang Dongliang Wang Shuo
( Energy Resource and power Engineering College, Northeast Dianli University, Jilin, 132012 )

Introduces the process flow of absorption heat pump, taking a 300MW pumping unit as an example, analyzes the changes of the heating capacity of the heat pump units, and calculates and analyzes the energy efficiency of the unit. The results show that the heating capacity of the unit is greatly increased with the same pumping capacity, and the difference of the energy saving results obtained by different calculation methods is different. Therefore, it is suitable for the calculation of the actual operating conditions of the heating unit.

thermal power plant; absorption type heat pump; pumping steam; heating capacity; energy saving

TB611

A

務(wù)待處理cdq

1671-6612（2017）01-077-04

作者（通訊作者）簡介：周振起（1963-），男，碩士，教授，研究方向為電廠節(jié)能理論與節(jié)能技術(shù)，E-mail：835601579@qq.com

2015-10-26