電廠循環(huán)水水源熱泵供熱系統(tǒng)的熱經濟性研究

張國柱1，李 恒，張鈞泰1，邱寅晨1，王進仕

(1．大唐(北京)能源管理有限公司，北京 10097； 2.西安交通大學 能動學院，陜西 西安 710049)

0 前言

水源熱泵技術是利用以水為載熱介質的低溫低品位熱能資源，基于壓縮式熱泵原理，通過少量的高品位電能的輸入，實現低品位熱能向高品位熱能轉移的一種技術，具有占地小、設置靈活、運行簡單的特點[1]。以火電廠的冷卻循環(huán)水為低溫熱源的水源熱泵供熱技術，在英國曾作為節(jié)能技術進行推廣。近年來，我國電力和熱力事業(yè)迅猛發(fā)展，為推廣熱泵供熱創(chuàng)造了有利條件。

國內不少學者對此開展了研究。朱鍇鍇[2-3]分析了各因素對熱泵性能的影響，并用實驗進行了驗證；同時研究了熱泵系統(tǒng)在大溫差運行條件下的能耗特性。柳玉春等[4]提出將兩種不同工質的熱泵系統(tǒng)進行串聯(lián)，分兩級加熱熱網水，進而提高供水溫度，提高系統(tǒng)整體的經濟性。袁方等[5]對比了循環(huán)水水源熱泵、循環(huán)水-江水水源熱泵、吸收式熱泵等三種集中供熱技術方案的可行性與收益。馬闖等[6-7]對單機水源熱泵、雙機水源熱泵串聯(lián)機組和并聯(lián)機組三種方式進行了研究，得出水源熱泵串聯(lián)機組整體能耗低、更節(jié)能的結論；此外對比了直接抽氣供熱與循環(huán)水水源熱泵供熱兩種方式的熱經濟性，計算分析認為當抽氣溫度達到188℃時，采用水源熱泵供熱比抽氣供熱更為節(jié)能。劉傳玲和宋昂[8]給出了火電廠采用循環(huán)水水源熱泵供熱的臨界供熱溫度計算模型，在現有的熱泵技術條件下，只有末端采用低溫輻射采暖的用戶可以考慮采用循環(huán)水水源熱泵進行供熱。張赟和朱斌帥[9]對比了吸收式熱泵與壓縮式熱泵用于電廠供熱改造的經濟性；孫天宇等[10]從工程實例進行計算分析，發(fā)現600 MW機組應用水源熱泵回收汽輪機排汽余熱的回收期在3.96年。綜合來看，目前的相關研究主要集中在熱泵性能、連接方式、供熱可行性、熱經濟性和技術經濟性等方面，其中有關熱經濟性的研究還不全面，有待加強。

循環(huán)水水源熱泵供熱方式利用了火電廠冷源損失，但消耗了電能；抽汽供熱方式減小了冷源損失，但損失了蒸汽的做功。因此，火電廠循環(huán)水水源熱泵供熱的熱經濟性可歸結為熱泵供熱耗功與供熱抽汽做功損失之間的比較，該比較體現了熱功轉化中能量品質的差異。本文基于此提出了電廠采用循環(huán)水水源熱泵進行供熱的可行性判據，為壓縮式熱泵在供熱領域工程應用提供理論指導。

1 電廠循環(huán)水水源熱泵供熱系統(tǒng)計算模型

考慮目前電廠循環(huán)水系統(tǒng)的布置方式和熱泵系統(tǒng)的特點，提出如圖1所示循環(huán)水水源熱泵供熱系統(tǒng)：從機組凝汽器出來的循環(huán)水分別經過電廠冷卻塔及熱泵蒸發(fā)器，構成并聯(lián)的冷卻方式。熱泵系統(tǒng)通過蒸發(fā)器從循環(huán)水吸收低品位熱量，再經過熱泵壓縮機提質，最后經冷凝器釋放熱量加熱熱網給水從而對外供熱。

圖1 電廠循環(huán)水水源熱泵供熱系統(tǒng)示意圖

在圖1所示的系統(tǒng)中，采用制熱系數COP來表征熱泵的性能，其定義式為

(1)

式中Qh——熱泵的供熱量/kW；

Pe——熱泵供熱耗電量/kW。

理想壓縮式熱泵循環(huán)為逆卡諾循環(huán)，由兩個等溫和兩個等熵過程組成，低溫熱源與高溫熱源的溫度在循環(huán)中始終保持不變，為恒溫熱源；另外整個循環(huán)中無熵增，為可逆過程。逆卡諾循環(huán)制熱系數為

(2)

式中te——熱泵蒸發(fā)溫度/℃；

tc——熱泵冷凝溫度/℃；

COPc——熱泵逆卡諾循環(huán)制熱系數。

實際熱泵性能系數COP總小于相同熱源條件下理想熱泵循環(huán)的性能系數COPc，采用制熱循環(huán)效率ηci表征實際熱泵制熱循環(huán)的熱力學完善度，定義為

(3)

將式(2)、式(3)代入式(1)得熱泵供熱耗功為

(4)

從式(4)可以看出，影響熱泵供熱耗功的因素包括熱泵的供熱量、制熱循環(huán)效率、熱泵的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，其中熱泵的供熱量取決于用戶，制熱循環(huán)效率取決于熱泵設備技術水平。

1.1 熱泵蒸發(fā)溫度計算模型

對于如圖1所示的系統(tǒng)，熱泵蒸發(fā)溫度滿足如下關系

te=twe1-Δtwe-δte
Δtwe=twe1-twe2
te=twe1-Δtwe-δte

(5)

式中 Δtwe——循環(huán)水在經過熱泵蒸發(fā)器時的溫降/℃；

twe1——熱泵蒸發(fā)器入口循環(huán)水溫度/℃；

twe2——熱泵蒸發(fā)器出口循環(huán)水溫度/℃；

δte——熱泵蒸發(fā)器換熱端差/℃。

熱泵蒸發(fā)器負荷為

Qe=Qh·(1-1/COP)

(6)

式中Qe——熱泵蒸發(fā)器從循環(huán)水中吸收的熱量/kW。

循環(huán)水在熱泵蒸發(fā)器中的溫降為

(7)

熱泵蒸發(fā)器端差

(8)

式中Cw——水比熱容/kJ·(kg·℃)-1；

Gwe——流經熱泵蒸發(fā)器的循環(huán)水流量/kg·s-1。

因此熱泵蒸發(fā)溫度可按照式(9)計算

(9)

1.2 熱泵冷凝溫度計算模型

熱泵冷凝溫度為

tc=th+δtc

(10)

式中th——熱泵供熱溫度/℃；

δtc——熱泵冷凝器換熱端差/℃。

熱網水在熱泵冷凝器中的溫升Δtwn為

(11)

式中Gwc——流經熱泵冷凝器的熱網水流量/kg·s-1。

熱泵冷凝器端差

(12)

因此熱泵冷凝溫度可按式(13)計算

(13)

1.3 電廠循環(huán)水水源熱泵供熱系統(tǒng)可行性判據

汽輪機抽汽供熱損失了供熱蒸汽在汽輪機中繼續(xù)做功的能力，用Peh來表示，而壓縮式熱泵供熱則要以消耗電能Pe為代價，所以兩種供熱方式熱經濟性比較的實質就在于Pe與Peh的比較。

循環(huán)水熱泵供熱耗功Pe如式(4)所示，而抽汽導致的汽輪機做功能力損失為

(14)

式中hcn——供熱抽汽焓值/kJ·kg-1；

hn——汽輪機排汽焓值/kJ·kg-1；

tj——№j加熱器抽口焓/kJ·kg-1；

ηj+1——№j+1能級的抽汽效率；

τr——水在r級加熱器的焓升/kJ·kg-1；

ηr——r級加熱器的抽汽效率；

ηm——機械效率；

ηg——電機效率。

引入單位供熱負荷功耗差表征兩種供熱方式熱經濟性的差異

(15)

式中,Δη表示兩種供熱方式單位供熱負荷功耗差。Δη>0，意味著抽汽供熱更節(jié)能，在滿足該條件的工況區(qū)間內建議采用抽汽供熱；Δη<0，則熱泵供熱更節(jié)能，在滿足該條件的工況區(qū)間內建議采用水源熱泵供熱；Δη=0，則抽汽供熱和水源熱泵供熱經濟性相同，可根據需要采用任一方式。

2 案例研究

本文選取某200 MW機組作為案例機組，對其采用抽汽供熱和循環(huán)水水源熱泵供熱兩種方式的熱經濟性進行對比，其主要參數如表1所示。其中機組額定供熱工況對應的同負荷熱泵供熱工況為熱泵運行基準工況，此時熱泵蒸發(fā)溫度與熱泵蒸發(fā)器入口循環(huán)水溫差及冷凝器端差均取為10℃。

圖2所示為抽汽壓力0.245 MPa、制熱循環(huán)效率0.4時，不同供熱負荷下Δη隨熱泵供熱溫度的變化。由圖2可以看出，供熱負荷越小時Δη越小，這是因為供熱負荷越小時，在熱泵蒸發(fā)器及冷凝器循環(huán)水不變的情況下，熱泵蒸發(fā)溫度越大而冷凝溫度越小，此時熱泵單位供熱負荷耗功越小，從而使Δη越小。

表1案例機組主要參數表

項目數值額定功率/MW200主蒸汽壓力/MPa12.7主蒸汽溫度/℃535主蒸汽流量/t·h-1610.8供熱抽汽額定壓力/MPa0.245抽汽焓值/kJ·kg-13164.3冷凝器壓力/MPa0.0052循環(huán)水溫度/℃20

圖2 不同供熱負荷下Δη隨熱泵供熱溫度的變化

圖3所示為在額定供熱負荷下制熱循環(huán)效率0.4時，不同供熱抽汽壓力下Δη隨熱泵供熱溫度的變化。由圖3可知，供熱抽汽級數越大即供熱抽汽壓力越大時，Δη越小，這是因為供熱抽汽壓力越大所引起的抽汽做功損失越大，而熱泵單位供熱負荷耗功不變，從而使得Δη越小。另一方面，在部分電負荷下，供熱抽汽壓力將降低，抽汽導致的汽輪機做功能力損失將隨著抽汽壓力的降低而減小，而熱泵消耗電能不變，因此部分電負荷下熱泵供熱的經濟性將變差。

圖3 不同抽汽壓力下Δη隨熱泵供熱溫度的變化

圖4所示為在額定供熱負荷下抽汽壓力0.245 MPa時，不同制熱循環(huán)效率下Δη隨熱泵供熱溫度的變化。由圖4可知，熱泵制熱循環(huán)效率越高即熱力學完善度越大，Δη越小，這是因為熱力學完善度越大時，熱泵單位供熱負荷耗功越小，從而使得Δη越小。

圖4 不同制熱循環(huán)效率下Δη隨熱泵供熱溫度的變化

從圖2～圖4還可以看出，隨著供熱溫度的增大，Δη持續(xù)增大，僅僅在供熱溫度較低的情況下Δη<0，這意味著供熱溫度越低，采用熱泵供熱的熱經濟性越好。

3 結論

(1)建立了電廠循環(huán)水水源熱泵供熱系統(tǒng)計算模型，通過對供熱抽汽做功損失與循環(huán)水水源熱泵供熱耗功的比較，引入單位供熱負荷功耗差指標定量表征熱泵供熱的熱經濟性，提出了電廠采用循環(huán)水水源熱泵進行供熱的可行性判據：在單位供熱負荷功耗差大于零即熱泵供熱耗功大于供熱抽汽做功損失的工況區(qū)間內建議采用抽汽供熱；在單位供熱負荷功耗差小于零即熱泵供熱耗功小于供熱抽汽做功損失的工況區(qū)間內建議采用熱泵供熱；且單位供熱負荷功耗差越小，意味著循環(huán)水水源熱泵供熱經濟性越好；

(2)以某200 MW典型機組為案例進行了計算，發(fā)現供熱溫度越低、供熱負荷越小、供熱抽汽壓力越大、熱泵制熱循環(huán)效率越高，火電廠采用循環(huán)水水源熱泵供熱的可行性越好。