兩種熱泵回收循環(huán)水熱量的經濟性分析

張 虎，鞏志強

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

集中供熱是由集中熱源所產生的蒸汽、熱水，通過管網供給一個城市（鎮(zhèn)）或部分區(qū)域生產、采暖和生活所需的熱量的方式。

熱電聯(lián)產是火電廠在生產電能的同時利用在汽輪機中做過功的蒸汽對用戶供熱的生產方式，熱電聯(lián)產的電廠是集中供熱重要的熱源。調節(jié)抽汽式供熱機組是熱電聯(lián)產生產方式中的主力機組。部分在汽輪機中做過功的蒸汽被抽出送至熱網首站，在熱網加熱器中被用來加熱熱網循環(huán)水，通過熱網循環(huán)水這個媒介將蒸汽攜帶的熱量傳遞給熱用戶。在調節(jié)抽汽式供熱機組的生產過程中仍將產生大量的余熱，通常的處理方式是通過凝汽器、冷卻塔將這部分余熱最終釋放到自然環(huán)境中，這就是汽輪機的冷源損失。這部分余熱的數量很大，但是品位很低，要從這部分余熱中獲得機械功通常是不可能的，但是卻可以將這部分余熱用于采暖供熱，以實現(xiàn)能量的梯級利用，提高能量的利用效率。熱泵技術在余熱利用方面具有重要作用，熱泵的工作原理是基于逆“卡諾循環(huán)”，消耗少量的循環(huán)凈功，自凝汽器循環(huán)冷卻水中提取熱量，并將其輸送至熱網循環(huán)水以實現(xiàn)余熱利用的目的。利用熱泵回收凝汽器循環(huán)水的熱量用于采暖供熱一方面可通過回收余熱提高供熱系統(tǒng)的供熱能力，另一方面可提高熱網加熱器的進水溫度，減小熱網加熱器的換熱溫差，降低熱網加熱器的不可逆損失從而提高供熱抽汽的使用效率。

回收凝汽器循環(huán)水的熱量用于供熱既可采用溴化鋰吸收式熱泵也可采用壓縮式熱泵［1?2］。溴化鋰吸收式熱泵機組利用溴化鋰溶液的吸收特性，以蒸汽的汽化潛熱為驅動能量驅動低溫低壓的水蒸氣在蒸發(fā)器中提取凝汽器循環(huán)冷卻水中的熱量，這兩部分的熱量合并后變?yōu)槲帐綗岜玫闹茻崃?，并由水蒸氣攜帶在冷凝器中放熱給熱網循環(huán)水。壓縮式熱泵的工質在蒸發(fā)器中吸收凝汽器循環(huán)冷卻水中的熱量，流經熱泵壓縮機吸收壓縮功后，在冷凝器中被熱網循環(huán)水冷卻，凝結成液體，放出汽化潛熱，將熱網循環(huán)水加熱，然后進入蒸發(fā)器開始下一個循環(huán)。

熱泵最主要的性能指標是制熱系數（CCOP），其定義為：用戶獲得的能量與驅動熱泵消耗的能量的比值。根據熱泵的工作原理可知，壓縮式熱泵與吸收式熱泵的CCOP恒大于1。當前技術條件下，壓縮式熱泵的CCOP一般在3.0～6.0 左右，吸收式熱泵的CCOP一般在1.65～1.85 左右［3］。在文獻［4?6］中運用等效熱降法對電驅動壓縮式熱泵系統(tǒng)、蒸汽驅動壓縮式熱泵系統(tǒng)及吸收式熱泵系統(tǒng)的經濟性分別進行了分析，文獻［7?9］結合實際案例說明了吸收式熱泵系統(tǒng)對節(jié)能減排的貢獻。可以看出，無論采用吸收式熱泵系統(tǒng)還是壓縮式熱泵系統(tǒng)其節(jié)能效益都遠大于直接抽汽供熱的生產方式。

吸收式熱泵系統(tǒng)與壓縮式熱泵系統(tǒng)有各自的適用條件和優(yōu)缺點。單看熱泵的制熱系數，壓縮式熱泵的制熱系數遠高于吸收式熱泵，但是電驅動壓縮式熱泵在生產過程中需消耗大量的高品位的電能，文獻［10?11］分別對比了CCOP為1.7 的吸收式熱泵系統(tǒng)與CCOP為4.5 及CCOP為6.0 的電驅動壓縮式熱泵系統(tǒng)經濟性的差異，得出吸收式熱泵的經濟性優(yōu)于壓縮式熱泵的結論。文獻［12］結合電廠實際運行參數分析對比，同樣得出吸收式熱泵的經濟性優(yōu)于電驅動壓縮式熱泵的結論。文獻［3］引入電能轉換系數對比了吸收式熱泵與電驅動壓縮式熱泵的經濟性差異，得到電驅動壓縮式熱泵系統(tǒng)的經濟性高于吸收式熱泵系統(tǒng)經濟性的臨界條件。但是這些分析中只考慮了熱泵系統(tǒng)對系統(tǒng)發(fā)電量的改變或計算復雜不夠直觀，且都沒有考慮熱泵系統(tǒng)在節(jié)水方面的貢獻因而不夠全面。本文綜合考慮各種熱泵系統(tǒng)在系統(tǒng)發(fā)電量、供熱及節(jié)水方面的差異，全面、直觀地對比電驅動壓縮式熱泵及蒸汽驅動壓縮式熱泵與吸收式熱泵的經濟性，討論壓縮式熱泵與吸收式熱泵的經濟性差異。

1 經濟性分析模型

在不使用熱泵的原系統(tǒng)中，加熱熱網循環(huán)水所需的熱量完全由供熱抽汽在熱網加熱器中提供。通常熱泵制取的熱水出水溫度無法達到所需的熱網循環(huán)水供水溫度，在本文列舉的熱泵生產方式中供熱系統(tǒng)均采用熱泵與熱網加熱器串聯(lián)運行的模式。來自汽輪機中壓缸排汽的供熱抽汽在熱網加熱器中將熱泵制取的熱水進一步加熱至所需的熱網供水溫度后供入市政管網。

為了更簡便更直觀地對比壓縮式熱泵與吸收式熱泵的經濟性做以下幾點假設：汽輪發(fā)電機組的各項參數一致；熱網循環(huán)水的供回水溫度一致；熱網循環(huán)水的流量一致；熱泵的制熱量相等；凝汽器循環(huán)冷卻水流經熱泵的蒸發(fā)器后溫降均為5 ℃；發(fā)電機效率ηd為0.99。

由于熱泵的制熱量相等，各種熱泵生產方式中熱網加熱器的運行參數相同，經濟性對比分析中不必考慮熱網加熱器及相應的回熱系統(tǒng)，從而簡化了計算。

1.1 吸收式熱泵

吸收式熱泵系統(tǒng)如圖1 所示，采用吸收式熱泵供熱的生產方式中驅動熱泵的汽源取自中壓缸排汽，利用軸加出口凝結水作為減溫水將來自中壓缸排汽的抽汽減溫減壓至飽和蒸汽后作為驅動蒸汽送入吸收式熱泵的發(fā)生器。在發(fā)生器中放熱后產生的凝結水流經水?水加熱器被軸加出口的凝結水回收部分熱量后回流至凝汽器。

圖1 吸收式熱泵系統(tǒng)

冷卻1 kg/s抽汽所需的減溫水量為

式中：hzp、hbh、hzj.out分別為中排焓、飽和蒸汽焓、軸加出水焓。

抽取1 kg/s中壓缸排汽會使發(fā)電量減少

式中：hc為汽輪機排汽焓。

驅動蒸汽在發(fā)生器中的放熱量為

式中：hbh.s為飽和水焓。

工質在蒸發(fā)器中的吸熱量為

式中：CCOPx為吸收式熱泵的制熱系數。

吸收式熱泵的制熱量為

8 號低加的抽汽效率為α8，飽和水在水?水加熱器中的放熱量利用于8 號低加，因排擠部分八抽抽汽，汽輪機發(fā)電量增加值為

式中：hgl為過冷水焓。

抽取1 kg/s 的中壓缸排汽后機組發(fā)電量減少值為

電費收益減少

式中：ed為上網電價。

流經蒸發(fā)器的凝汽器循環(huán)水流量為

式中：Cp為水的定壓比熱4.186 8 kJ（/kg ℃）；Δt為循環(huán)水在蒸發(fā)器中的溫降。

每小時循環(huán)水蒸發(fā)損失減少值為

式中：kzf為蒸發(fā)損失系數，取值為0.001。水費減少

式中：es為工業(yè)水水價。

1.2 壓縮式熱泵

采用壓縮式熱泵的生產方式可分為兩種：方式1，抽取部分中壓缸排汽在凝汽式小汽輪機中膨脹做功，小汽輪機的排汽回收至凝汽器，小汽輪機通過聯(lián)軸器驅動熱泵的壓縮機；方式2，利用廠用電驅動熱泵的壓縮機。

1.2.1 蒸汽驅動壓縮式熱泵方式

蒸汽驅動壓縮式熱泵系統(tǒng)如圖2 所示，驅動壓縮式熱泵的凝汽式小汽輪機的汽源來自中壓缸排汽，與吸收式熱泵相等的制熱量所需抽取的中壓缸排汽量為

圖2 蒸汽驅動壓縮式熱泵系統(tǒng)

式中：hxj.c、CCOPy1分別為小機排汽焓、壓縮式熱泵的制熱系數。

汽輪機的發(fā)電量減少值為

電費收益減少

每小時循環(huán)水蒸發(fā)損失減少

水費減少

1.2.2 電能驅動壓縮式熱泵方式

電能驅動壓縮式熱泵如圖3 所示，驅動熱泵所需的電能為

圖3 電能驅動壓縮式熱泵系統(tǒng)

式中：CCOPy2為壓縮式熱泵的制熱系數。

電費收益減少

每小時循環(huán)水蒸發(fā)損失減少

1.3 熱泵系統(tǒng)的收益

在供熱量相等的前提下，使用熱泵可減少供熱抽汽的流量。熱泵對電廠收益的貢獻可從以下三個方面分析：收益1 排擠供熱抽汽帶來的發(fā)電量增加；收益2 驅動熱泵產生的發(fā)電損失；收益3 凝汽器循環(huán)冷卻水蒸發(fā)損失減少。各熱泵系統(tǒng)的收益如表1所示。

表1 各熱泵系統(tǒng)的收益

1.4 經濟性比較

因系統(tǒng)的熱負荷相等且熱泵的制熱量相等，各種熱泵的生產方式中排擠供熱抽汽的數量相等，這部分蒸汽返回汽輪機做功，系統(tǒng)因此增加的發(fā)電量相等。即

由式（21）—式（23）可得壓縮式熱泵生產方式所獲得的系統(tǒng)收益大于吸收式熱泵生產方式時對應的臨界CCOP值。

2 計算實例

以某超超臨界600 MW 機組為例，額定負荷時中壓缸排汽壓力為1.171 MPa，溫度為394.4 ℃，焓hzp為3 249.7 kJ/kg，汽輪機排汽焓hc為2 316.4 kJ/kg，上網標桿電價ed為0.4 元/kWh，工業(yè)水價es為2 元/t。計算所需的相關參數如表2所示。

表2 計算所需的相關參數

根據相關標準，電廠使用的吸收式熱泵的CCOP不得低于1.7，取吸收式熱泵的CCOP為1.7。將CCOP的值與上表中的數值代入式（1）—式（11），得到吸收式熱泵的相關數據，如表3所示。

表3 吸收式熱泵的計算數據

將Qc及W1的數值分別帶入式（12）—式（20）并進一步聯(lián)立求解式（21）—式（23）得CCOPy1≥5.67 及CCOPy2≥4.98。

通過對比計算可知，對于電能驅動的壓縮式熱泵，只有在CCOP大于4.98 時電能驅動壓縮式熱泵系統(tǒng)的收益才大于吸收式熱泵系統(tǒng)，而對于凝汽式小汽輪機驅動的壓縮式熱泵系統(tǒng)只有當CCOP大于5.67時壓縮式熱泵系統(tǒng)的收益才大于吸收式熱泵系統(tǒng)。

凝汽式小汽輪機驅動的壓縮式熱泵的收益不如電能驅動的壓縮式熱泵是因為前者仍然存在冷源損失。

以上所述只是為說明問題提供的一種案例，吸收式熱泵與壓縮式熱泵的經濟性差異受電價、水價、系統(tǒng)連接方式及熱泵的制熱系數影響。

3 結語

因為熱泵的CCOP恒大于1，所以從能量利用的角度出發(fā)，無論采用何種型式驅動的熱泵回收凝汽器循環(huán)冷卻水的余熱都可以實現(xiàn)不增加熱電廠容量情況下擴大供熱能力降低集中供熱的能耗的目的，相對于直接抽汽供熱都有良好的節(jié)能效果，同時減少凝汽器循環(huán)冷卻水蒸發(fā)損失，減少熱電廠對環(huán)境造成的熱污染，節(jié)省水資源，保護生態(tài)環(huán)境。具有顯著的經濟、社會與環(huán)境效益以及具有顯著的節(jié)能減排效果，符合國家節(jié)能減排的政策要求。

壓縮式熱泵的CCOP大于吸收式熱泵的CCOP，相同制熱量的條件下，壓縮式熱泵可以回收更多的凝汽器循環(huán)冷卻水的余熱，凝汽器循環(huán)冷卻水的蒸發(fā)損失更少。因此壓縮式熱泵回收余熱的能力強于吸收式熱泵，節(jié)水量大于吸收式熱泵，對于某些水資源缺乏的地區(qū)有重要意義。

吸收式熱泵的運行成本低于壓縮式熱泵，壓縮式熱泵的結構簡單，更方便控制。實際運行中隨著熱網回水溫度、凝汽器循環(huán)冷卻水溫度的變化，熱泵的性能會有所變化，壓縮式熱泵的性能對水溫的變化比吸收式熱泵更加敏感。因此在集中供熱領域使用熱泵系統(tǒng)應根據現(xiàn)場的實際生產情況選擇最合適的熱泵技術應用方案。