付文華,侯少健,劉民凱
(1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院,山西 太原 030001;2.山西杉大科能自動化科技有限公司,山西 晉中 030610)
我國電力供應(yīng)的60%以上由燃煤電廠提供,而燃煤電廠中煤炭資源的平均利用率只有40%,其余約60%大部分以冷卻塔、灰渣物理熱損失、排煙熱損失及散熱損失等形式排入了環(huán)境中。將排放的余熱加以利用,回饋入電能生產(chǎn)環(huán)節(jié),或以電能的形式送入電網(wǎng),對提高燃煤電廠效率、減少污染物排放、削減一次能源的消耗有重要的意義。
在余熱利用領(lǐng)域,以R744(CO2)為工質(zhì)的熱泵技術(shù)有很好的應(yīng)用優(yōu)勢[1]。作為壓縮工質(zhì),CO2天然、經(jīng)濟、安全、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,但是在CO2的跨臨界循環(huán)中,CO2工質(zhì)由超臨界節(jié)流到亞臨界區(qū)域,導(dǎo)致節(jié)流損失過大,因此CO2的跨臨界循環(huán)效率較氟系工質(zhì)低[2-3]。文獻《大型二氧化碳熱泵電廠余熱供熱利用》表述了研究設(shè)計高性能的MW級CO2膨脹壓縮一體機,以提高循環(huán)效率將顯得十分必要。
CO2具有環(huán)保、良好的安全性、壓縮比低、在超臨界狀態(tài)下具有優(yōu)越的流動傳熱性能等諸多特性,非常適用于熱泵系統(tǒng)[4-5];但對于高壓、大壓差的CO2壓縮機,伴隨壓縮過程會導(dǎo)致材料和零件變形、摩擦增大,嚴重時甚至造成部件損傷而無法正常工作,引起工質(zhì)泄漏;并且,目前的傳統(tǒng)系統(tǒng)中直接采用膨脹閥來節(jié)流氣體冷卻器流出的CO2工質(zhì),較大的壓損會造成能量的大量浪費,使得系統(tǒng)運行能效降低30%。本文設(shè)計了雙對式CO2熱泵壓縮膨脹一體機,對30%的膨脹功進行回收,以提高系統(tǒng)能效,使其獲得比氟系工質(zhì)更高的循環(huán)效率,如圖1所示。
圖1 雙對式CO2熱泵壓縮膨脹一體機結(jié)構(gòu)
雙對式CO2熱泵壓縮膨脹一體機由一個缸體,4個換熱器和多組管道組成。其中,缸體1分為4個部分,分別是膨脹壓縮缸A、B和液壓油缸A、B;缸體內(nèi)液壓油缸和膨脹壓縮缸體由一組連軸活塞分隔,在壓力的作用下活塞可以在缸體內(nèi)左右移動。膨脹壓縮缸體內(nèi)充滿了CO2,液壓油缸內(nèi)充滿了液壓油,工作過程如下。
a) 活塞右行程運動開始時,閥門2—7打開,壓縮膨脹缸A進氣,壓縮膨脹缸B排氣;活塞右行程到1/3~2/3時,所有閥門關(guān)閉(絕熱膨脹—壓縮);活塞右行程到2/3~3/3時,閥門4—5打開,壓縮膨脹缸A蒸發(fā),壓縮膨脹缸B加壓升溫。
b) 活塞左行程運動開始時,閥門3—6打開,壓縮膨脹缸B進氣,壓縮膨脹缸A排氣;活塞左行程到1/3~2/3時,所有閥門關(guān)閉(絕熱膨脹—壓縮);活塞左行程到2/3~3/3時,閥門1—8打開,壓縮膨脹缸B蒸發(fā),壓縮膨脹缸A加壓升溫。
雙對式CO2熱泵壓縮膨脹一體機以巨型活塞缸和液壓技術(shù)為基礎(chǔ),以液壓系統(tǒng)作為動力交換橋梁,通過閥門1—8對CO2壓縮膨脹過程進行精確控制,以得到優(yōu)化的CO2壓縮比和膨脹比。其中氣體冷卻器A/B與蒸發(fā)器A/B組成壓縮—膨脹工作組對,兩組交叉分時互換進行工作,在同一個行程中汽缸進行了“膨脹—絕熱膨脹—蒸發(fā)”過程,另一汽缸進行“排氣—絕熱壓縮—壓縮”過程,隨著活塞運動方向的改變,汽缸A/B交替進行前述2個過程。在一個完整的工作循環(huán)過程中,氣體冷卻器A/B與汽缸A/B要進行A-A、AB、B-B、B-A各接通一次,蒸發(fā)器A/B與汽缸A/B也要進行A-A、A-B、B-B、B-A各接通一次。其工作方式即雙對分時循環(huán)方式,因此將裝置命名為雙對式CO2壓縮膨脹裝置。
本裝置將CO2高壓循環(huán)介質(zhì)與液壓系統(tǒng)進行壓力能量交換,壓縮膨脹機與電機通過液壓系統(tǒng)實現(xiàn)流量控制和機械傳動,中間沒有變速齒輪,可以輕松實現(xiàn)無極調(diào)速和精確的流量控制;同時液壓系統(tǒng)和汽缸還具有“倍壓”功能,可以實現(xiàn)任何CO2熱泵工況下的運行需求。一體機系統(tǒng)構(gòu)成為模塊化結(jié)構(gòu),可以很方便地進行機組容量擴充,方便設(shè)備的制造、運輸、安裝和維護,具有良好的性價比。
圖2中搭建的換熱實驗系統(tǒng)中,以雙對式CO2熱泵壓縮膨脹一體機作為壓縮機,并由液壓驅(qū)動。系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。膨脹壓縮一體機性能實驗在室內(nèi)進行,環(huán)境溫度24℃。將CO2作為介質(zhì)封進膨脹壓縮缸,液壓系統(tǒng)提供不小于30 MPa的壓力。利用液壓系統(tǒng)對膨脹壓縮缸施壓,完成介質(zhì)CO2的壓縮膨脹,實現(xiàn)熱能與機械能之間的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)由液壓動力部分提供動力后,再由控制器控制電磁閥執(zhí)行器對膨脹機的膨脹比進行控制,壓縮機自適應(yīng)進行CO2工質(zhì)壓縮,壓縮比4.1,膨脹比控制在3.5~3.8之間,從而實現(xiàn)環(huán)境溫度24℃,熱源熱水溫度45℃的情況下,實現(xiàn)熱水輸出溫度92℃,熱泵制熱性能系數(shù)COP(coefficient of performance) 達到5.2的高效水平。
圖2 雙對式CO2熱泵壓縮膨脹一體機試驗臺
通過實際樣機的開發(fā)制作,實現(xiàn)了40℃的低溫水的熱量回收,得到高于90℃的高溫熱水,COP達到了5.2,具有很高的系統(tǒng)性能。如果將系統(tǒng)投入到燃煤電廠的冷卻塔并行運行,不但能回收低于45℃的低溫熱源,還能提高凝汽器的真空度,改善汽輪機的運轉(zhuǎn)和發(fā)電效率,為燃煤電廠節(jié)能降耗、提升效益帶來好處。
表1 雙對式CO2熱泵壓縮膨脹一體機試驗臺結(jié)構(gòu)參數(shù)
CO2循環(huán)系統(tǒng)膨脹功的回收對系統(tǒng)性能影響巨大[6],因此將膨脹功直接回收用于壓縮環(huán)節(jié),提高換熱效率是非常必要的。雙對式CO2熱泵壓縮膨脹一體機在結(jié)構(gòu)上多加了一組換熱器和一組閥門,配合第一、第二膨脹壓縮室實現(xiàn)膨脹功能,完成了壓縮機到膨脹壓縮一體機的改變,并且可以根據(jù)熱源溫差的不同,實現(xiàn)熱泵—余熱發(fā)電的運行方式無障礙互逆運行。雙對式CO2熱泵壓縮膨脹一體機的特點如下。
a) 設(shè)計CO2壓縮膨脹一體機具備高工作壓力、大壓差的工作特性,可以解決CO2的跨臨界循環(huán)中節(jié)流損失大的問題,提高其循環(huán)效率。
b)壓縮膨脹一體機由液壓驅(qū)動,動能可實現(xiàn)無極調(diào)速轉(zhuǎn)換。
c)壓縮膨脹四象限運行,提高了設(shè)備的運行效率。
雙對式CO2熱泵壓縮膨脹一體機可以廣泛應(yīng)用于燃煤電廠的余熱回收和再利用,有效提高燃煤電廠的煤炭綜合利用效率,盡可能減少一次能源的消耗。