350 MW機(jī)組熱泵供熱系統(tǒng)關(guān)鍵可調(diào)參數(shù)對系統(tǒng)制熱能效影響的試驗研究

李 響，馮 征，王恩鎮(zhèn)

（1.國電龍山發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 邯鄲056400；2.北京源深能源科技有限責(zé)任公司，北京100142）

0 引言

熱泵由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溶液熱交換器、節(jié)能裝置、溶液泵、冷劑泵等組成，熱泵是一種通過輸入少量的高品位能源，從環(huán)境介質(zhì)中獲取一部分低品位能量，從而提供可被利用的中、高品位能源的技術(shù)。熱泵技術(shù)自2001年以來發(fā)展迅速[1]，在建筑、電力、工業(yè)、化工等領(lǐng)域均有應(yīng)用，在電力行業(yè)中主要的應(yīng)用形式為蒸汽溴化鋰式機(jī)組。余熱利用方式主要有循環(huán)水余熱型熱泵、煙氣余熱型熱泵2種，循環(huán)水余熱型熱泵利用汽輪機(jī)的循環(huán)水作為低品位能量，煙氣余熱型熱泵利用燃?xì)忮仩t或燃煤鍋爐的煙氣作為低品位能量，提供50～70℃的熱水替代部分市政供熱。自2008年6月內(nèi)蒙古赤峰電廠35 MW循環(huán)水余熱利用小試項目投運(yùn)以來，國內(nèi)在大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組上進(jìn)行循環(huán)水余熱泵利用的項目已有不少，但通過對部分在運(yùn)項目的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多項目難以達(dá)到正常工況運(yùn)行，并且大部分熱泵系統(tǒng)偏離設(shè)計工況運(yùn)行，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性更是無暇顧及。為此，我們針對某350 MW燃煤間接空冷機(jī)組熱泵梯級供熱系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行試驗[2]，分析熱網(wǎng)循環(huán)水量、動力蒸汽壓力、機(jī)組運(yùn)行背壓、熱泵循環(huán)水流量等對制熱性能系數(shù)COP（coefficient of performance）的影響，得出增大熱網(wǎng)循環(huán)水流量和熱泵循環(huán)水流量，制熱性能COP隨之增大，但增大至一定幅度后，影響逐漸降低；機(jī)組運(yùn)行背壓對制熱性能COP影響較大，動力蒸汽壓力對制熱性能COP影響較小的結(jié)論。機(jī)組實際運(yùn)行時，建議熱網(wǎng)水流量和余熱水流量應(yīng)優(yōu)先安排。

1 熱泵供熱系統(tǒng)

1.1 機(jī)組概況

某廠的350 MW機(jī)組汽輪機(jī)為CJK350-24.2/0.45/566/566型，超臨界、中間再熱、四缸四排汽、間接空冷抽汽凝汽式汽輪機(jī)。鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行，墻式對沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼構(gòu)架的∏型直流鍋爐，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 288 t/h。全廠共2臺機(jī)組承擔(dān)供熱，單臺機(jī)組額定抽汽量550 t/h，設(shè)計最大采暖抽汽量570 t/h，額定抽汽壓力0.45 MPa，最大采暖熱負(fù)荷約740 MW，汽機(jī)采暖抽汽加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，采用并聯(lián)加熱的方式，每臺機(jī)組疏水直接返回本機(jī)的系統(tǒng)中。

1.2 熱泵供熱系統(tǒng)配置及供熱方式

機(jī)組基建時期即對機(jī)組進(jìn)行熱泵系統(tǒng)設(shè)計，熱泵系統(tǒng)隨電廠基建一并建造，采用二級供熱方式，采用2種熱源分別加熱熱網(wǎng)循環(huán)水回水，第一級采用熱泵加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，第二級則采用中排抽汽加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，待溫度達(dá)到熱用戶需要溫度后供出。其中，熱泵系統(tǒng)共配置9臺熱泵，1～8號熱泵為一制造廠商生產(chǎn)，其設(shè)計性能規(guī)范為（額定工況下）：供熱量能20.9 MW，熱網(wǎng)水機(jī)組入口溫度55℃，熱網(wǎng)水機(jī)組出口溫度73℃，熱網(wǎng)水流量1 000 m3/h，熱網(wǎng)水壓力損失55.86 kPa，驅(qū)動蒸汽壓力（絕對壓力）0.35 MPa，驅(qū)動蒸汽流量18.5 m3/h，凝結(jié)水出口溫度90℃；9號熱泵為另一制造廠商生產(chǎn)，設(shè)計性能規(guī)范為（額定工況下）：供熱量能39.272 MW，熱網(wǎng)水機(jī)組入口溫度55℃，熱網(wǎng)水機(jī)組出口溫度71.9℃，熱網(wǎng)水流量2 000 m3/h，熱網(wǎng)水壓力損失68.6 kPa，循環(huán)水機(jī)組入口溫度43.2℃，循環(huán)水機(jī)組出口溫度37.9℃，循環(huán)水流量3 200 m3/h，循環(huán)水壓力損失53.9 kPa，驅(qū)動蒸汽壓力（絕對壓力）0.35 MPa，驅(qū)動蒸汽流量33.15 m3/h，凝結(jié)水出口溫度80℃。9臺熱泵共同并聯(lián)運(yùn)行，共同承擔(dān)熱網(wǎng)系統(tǒng)第一級加熱的功能。

2 熱泵系統(tǒng)制熱性能指標(biāo)分析

某些外部因素的擾動對熱泵系統(tǒng)制熱性能指標(biāo)影響較大，如熱網(wǎng)回水溫度、熱網(wǎng)循環(huán)水量、動力蒸汽壓力、機(jī)組運(yùn)行背壓的變化及其幅度，以上變量最終影響輸入驅(qū)動能量與總體的制熱量的大小，進(jìn)而影響制熱性能COP[3]。以下對系統(tǒng)制熱性能指標(biāo)進(jìn)行分析。

a）熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)COP。熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)COP是指整個系統(tǒng)整體的制熱量與輸入能量的比值[4]，計算公式為

其中，Qrw為熱泵系統(tǒng)總制熱功率，MW；Qqd為熱泵系統(tǒng)消耗驅(qū)動功率，MW。

b）熱泵系統(tǒng)的總制熱功率。熱泵系統(tǒng)的總制熱功率從熱網(wǎng)水側(cè)的溫升計算，通過熱網(wǎng)水側(cè)的流量、溫升計算總制熱功率[5]，計算公式為

其中，cp為水的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；m為通過熱泵系統(tǒng)的熱網(wǎng)水流量，t/h；Δt為熱網(wǎng)水在熱泵系統(tǒng)內(nèi)部的溫升，℃。

c）熱泵系統(tǒng)消耗的驅(qū)動功率。熱泵系統(tǒng)消耗的驅(qū)動功率從蒸汽側(cè)計算，通過蒸汽流量和蒸汽的焓降核算消耗功率[6]，計算公式為

其中，mq為驅(qū)動蒸汽的流量，t/h，此處根據(jù)凝結(jié)水流量平均得出；hqd為驅(qū)動蒸汽比焓，kJ/kg；hss為蒸汽疏水比焓，kJ/kg。

由于熱泵供熱系統(tǒng)整體制熱性能指標(biāo)COP是一個決定性的指標(biāo)，可以代表整體系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，所以我們將熱泵供熱系統(tǒng)制熱性能COP作為試驗調(diào)整目標(biāo)。

3 關(guān)鍵可調(diào)參數(shù)對系統(tǒng)能耗影響的研究

采用單因素試驗法，分別按以下計劃進(jìn)行試驗，得出的試驗數(shù)據(jù)按式（1）、式（2）、式（3）計算得出熱泵系統(tǒng)制熱性能COP。由于影響熱泵制熱性能的參數(shù)較多，所以我們只對關(guān)鍵可調(diào)影響因素對系統(tǒng)能耗指標(biāo)的影響進(jìn)行試驗分析。2020年—2021年供熱初、中期，在該電廠進(jìn)行350 MW熱泵供熱系統(tǒng)試驗研究，主要分析熱網(wǎng)循環(huán)水量、動力蒸汽壓力、機(jī)組凝汽器運(yùn)行背壓、主機(jī)循環(huán)水量，分別在其他邊界條件不變的情況下改變關(guān)鍵參數(shù)，分析其對熱泵供熱系統(tǒng)制熱性能COP的影響[7]。

3.1 熱網(wǎng)循環(huán)水量影響分析

在其他參變量不變的前提下改變熱網(wǎng)循環(huán)水流量，試驗其對熱泵供熱系統(tǒng)制熱性能COP的影響，結(jié)果如圖1所示。通過試驗數(shù)據(jù)可以看出，在熱泵系統(tǒng)熱網(wǎng)水流量逐漸增大的情況下，系統(tǒng)的制熱性能COP逐漸增大，但熱網(wǎng)循環(huán)水達(dá)到一定流量后，影響速率逐步降低。這說明在外部條件允許的情況下，盡可能提高熱網(wǎng)循環(huán)水量使系統(tǒng)處于較高的制熱性能狀態(tài)。

圖1 熱網(wǎng)循環(huán)水量對制熱性能的影響

3.2 動力蒸汽壓力影響分析

在其他參變量不變的前提下改變動力蒸汽壓力，試驗其對熱泵供熱系統(tǒng)制熱性能COP的影響，結(jié)果如圖2所示。通過試驗數(shù)據(jù)可以看出，在不同驅(qū)動蒸汽壓力下，驅(qū)動蒸汽的壓力越高則熱泵性能系數(shù)COP就越好，但驅(qū)動蒸汽壓力影響COP的速率較小。

圖2 動力蒸汽壓力對制熱性能的影響

3.3 機(jī)組凝汽器運(yùn)行背壓影響分析

在其他參變量不變的前提下改變機(jī)組凝汽器運(yùn)行背壓，試驗其對熱泵供熱系統(tǒng)制熱性能COP的影響，結(jié)果如圖3所示。通過試驗數(shù)據(jù)可以看出，在不同的機(jī)組凝汽器運(yùn)行背壓值下，在一定范圍內(nèi)主機(jī)的凝汽器背壓值越高，系統(tǒng)內(nèi)的制熱性能COP越好，影響速率較大。機(jī)組實際運(yùn)行時，在不影響其他因素變動的情況下，建議使循環(huán)水保持在設(shè)計溫度下運(yùn)行，從而獲得較好的制熱性能。

圖3 機(jī)組凝汽器運(yùn)行背壓對制熱性能的影響

3.4 主機(jī)循環(huán)水至熱泵流量影響分析

在其他參變量不變的前提下改變主機(jī)循環(huán)水至熱泵系統(tǒng)流量，試驗其對熱泵供熱系統(tǒng)制熱性能COP的影響，結(jié)果如圖4所示。通過試驗數(shù)據(jù)可以看出，在不同的凝汽器循環(huán)水至熱泵水量下，主機(jī)凝汽器循環(huán)水量至熱泵水量越大，系統(tǒng)的制熱性能COP越好，但余熱水量達(dá)到一定流量規(guī)模后，影響速率逐步降低。因此在系統(tǒng)實際運(yùn)行時，保持余熱水量在設(shè)計流量狀態(tài)是最合適的，此時整個系統(tǒng)的制熱性能最高。反之流量過大會增大附屬設(shè)備電耗，系統(tǒng)的制熱性能也降低，起到反向作用。

圖4 主機(jī)循環(huán)水至熱泵流量對制熱性能的影響

3.5 各關(guān)鍵可調(diào)參數(shù)對COP影響速率分析

通過以上分析可以看出，熱泵驅(qū)動蒸汽壓力提高、熱網(wǎng)循環(huán)水流量增加、機(jī)組凝汽器運(yùn)行背壓值提升、凝汽器循環(huán)水至熱泵水量增加均可提高熱泵COP，各因素影響速率分析結(jié)果如表1所示。

表1 各因素影響速率分析表

通過4個關(guān)鍵可調(diào)參數(shù)對熱泵COP影響速率分析可知，目前對9臺熱泵整體運(yùn)行COP影響最大的是凝汽器循環(huán)水至熱泵水量，熱網(wǎng)循環(huán)水量影響次之，機(jī)組凝汽器運(yùn)行背壓值影響第三，熱泵驅(qū)動蒸汽壓力影響最小[8]。

4 結(jié)束語

通過對熱泵系統(tǒng)不同邊界條件的擾動，核算整個熱泵系統(tǒng)的制熱性能變化。通過分析，熱網(wǎng)水量、動力蒸汽壓力、運(yùn)行背壓、余熱水量變化均對制熱性能有影響。當(dāng)前熱網(wǎng)水量、余熱水量尚未達(dá)到設(shè)計狀態(tài)，由試驗數(shù)據(jù)可知，熱網(wǎng)水量和余熱水量越大，整體的制熱系數(shù)越好。在冬季采暖季中，盡量保證熱泵系統(tǒng)各項參數(shù)達(dá)到設(shè)計值。根據(jù)電廠當(dāng)前的實際運(yùn)行情況，建議今后在熱泵系統(tǒng)運(yùn)行中，在邊界條件允許情況下，優(yōu)先調(diào)整凝汽器循環(huán)水至熱泵水量，最好可調(diào)整至熱泵設(shè)計水量；其次，可改變電廠供熱運(yùn)行方式為以量調(diào)節(jié)為主、質(zhì)調(diào)節(jié)為輔，熱負(fù)荷增加優(yōu)先增加熱網(wǎng)循環(huán)水量，機(jī)組運(yùn)行背壓與驅(qū)動蒸汽壓力作為最后調(diào)節(jié)手段。