利用热泵回收循环水余热的系统建模及分析

常仁杰，张志勇

（华能营口热电有限责任公司，辽宁 营口 115003）

利用热泵回收循环水余热的系统建模及分析

常仁杰，张志勇

（华能营口热电有限责任公司，辽宁 营口 115003）

利用吸收式热泵回收循环水余热，能够提高火力发电厂的能源利用效率。以某300 MW供热机组为例，搭建了基于吸收式热泵回收循环水余热的系统流程，建立了热泵各关键部件的数学模型，得到了系统的主要性能参数。结果表明，该热泵系统供热系数为1.67，采用热泵可节约低压调节抽汽32.1 t／h，机组可增加出力5.12 MW或增加供热面积90.5万m2。采用吸收式热泵回收循环水余热，具有较高的经济效益和社会效益。

热泵；循环水；余热利用；性能

0 引言

目前，一般大型火力发电厂实际热效率为38%～40%，55%以上的输入能量散失到环境中。对于湿冷机组，主要的能量损失是凝汽器循环水带走的热量［1，2］。因此，对循环水余热加以回收利用，是提高发电厂能源利用效率的重要手段。

为了回收凝汽器循环水余热，通常采用两种途径：一是提高凝汽器压力，低真空运行使循环水温度升高到60～80℃，并利用循环水供热，多用于小机组［3～6］；二是采用热泵技术吸取电厂循环水余热实现供热，即以电站循环水为低温热源，利用热泵提高其品位实现向用户供热。目前，利用电厂循环水余热的热泵供热方式已引起国内学者专家的关注。倪龙等人［5］采用能流图分析了不同驱动能源的热泵站回收循环水废热的一次能源利用系数；宰相等人［7］对以电厂循环水为热泵低温热源的联产供热的冷端系统进行了优化，得到了冷端系统的最优参数；吕炜等人［8］以某机组为例，介绍了循环水余热利用的设计方案和使用情况，并分析了项目的经济性。

本文以某300 MW供热机组为例，建立了吸收式热泵回收循环水余热的系统流程，通过系统建模得到了主要性能参数，并进行了节能分析，以期为基于吸收式热泵回收循环水余热系统的设计和运行提供参考。

1 吸收式热泵回收循环水余热系统

溴化锂吸收式热泵回收循环水余热的原理如图1所示。利用汽轮机抽汽，将进入发生器的溴化锂稀溶液加热，由于溴化锂的沸点很高，因此发生器空间主要是水蒸气。工质汽化后，溴化锂稀溶液变为浓溶液。溴化锂浓溶液通过溶液热交换器预热进入发生器的溴化锂稀溶液，而后进入吸收器，在吸收器中吸收来自蒸发器的水蒸气工质而变成稀溶液。在吸收过程中放出的热量用于加热热网水，溴化锂稀溶液被泵打入发生器，从而完成溶液的循环。发生器中受热汽化

图1 吸收式热泵回收循环水余热系统Fig.1 Circulating water heat recovery system based on absorption heat pump

的水蒸气进入冷凝器被冷凝成液态，其放出的热量也被用于加热热网水。水蒸气在冷凝器凝结形成的液态水经节流阀降压后进入蒸发器，在蒸发器中被来自于凝汽器出口的循环水加热成饱和蒸汽，而后进入吸收器，被从发生器来的浓溶液吸收，如此反复循环。

2 系统建模

2.1 系统建模条件

为简化计算，建模时作了如下假设：（1）整个系统处于热平衡和稳定流动状态；（2）离开蒸发器的工质为干饱和蒸汽，离开冷凝器的工质为饱和水；（3）离开吸收器、发生器的溴化锂溶液为饱和溶液；（4）换热器热损失忽略不计；（5）节流前后工质的焓相等；（6）忽略溶液泵泵功。

溴化锂溶液物性参数根据文献 ［9］中的拟合公式进行计算。

2.2 蒸发器模型

由节流部件来的低压、低温湿饱和蒸汽吸收循环水的余热，使湿饱和蒸汽加热为饱和水。根据能量平衡：

式中：Dw，Ds分别为循环水和工质 （水或水蒸气）的质量流量，kg／s；tw2，tw1分别为循环水进出口水温，℃；h″s，hx分别为蒸发器出口干饱和蒸汽的焓、蒸发器进口湿饱和蒸汽的焓，kJ／kg；cp为水的定压比热，kJ／kg·℃。

2.3 吸收器模型

在吸收器中，利用溴化锂浓溶液对水蒸气较强的吸收能力，抽吸蒸发器中产生的循环工质蒸汽，吸收过程中放出的热量用于加热热网水。根据能量平衡：

式中：DRLB为进入吸收器浓溶液流量，kg／s；DLLB为离开吸收器稀溶液流量，kg／s；hLB5为进入吸收器浓溶液焓值，k J／kg；hLB1为离开吸收器稀溶液焓值，k J／kg；D r为热网水流量，kg／s；tr2为热网水出吸收器温度，℃；tr2为热网返回水温度，℃。

根据质量守恒：

式中：ξLB5为进入吸收器浓溶液质量浓度；ξLB1为离开吸收器稀溶液质量浓度。

2.4 发生器模型

发生器中，利用汽轮机高温抽汽加热工质对溶液，使得其中的低沸点循环工质变成蒸汽排出，根据能量平衡：

式中：hs为发生器产生过热蒸汽焓值，kJ／kg；hLB4为发生器出口浓溶液焓值，kJ／kg；hLB3为进入发生器的稀溶液焓值，kJ／kg；Dj为汽轮机抽汽量，kg／s；hj，hwj为抽汽焓和返回热力系统疏水焓，kJ／kg。

根据LiBr质量守恒：

式中：ξLB3为进入发生器稀溶液质量浓度；ξLB4为离开发生器浓溶液质量浓度。

2.5 溶液热交换器模型

在溶液热交换器中，流出吸收器的稀溶液与流出发生器的浓溶液进行热交换，使进入发生器的稀溶液温度升高，节省发生器中的高温热能消耗；使得进入吸收器中的浓溶液温度降低，提高吸收器中溶液的吸收能力。根据能量守恒：

式中：hLB2为进入溶液热交换器的稀溶液焓值，kJ／kg；若忽略泵功，有hLB2＝hLB1。根据LiBr质量守恒：

2.6 冷凝器模型

由发生器来的过热水蒸气在冷凝器中冷凝为液体，并放出热量用于加热热网水，根据能量平衡：

式中：h′s为冷凝器压力下饱和水的焓，kJ／kg；tr3为热网供水温度，℃。

3 计算结果及节能分析

3.1 计算工况

以某300 MW供热机组为例，对采用吸收式热泵回收循环水余热的系统进行了计算。该机组低压调节抽汽量为80 t／h，利用基载加热器将热网水从60℃升高到90℃。吸收式热泵系统设计工况参数如表1所示。

表1 设计工况参数Tab.1 Design condition parameters

3.2 计算结果

根据本文所建吸收式热泵各部件数学模型，得到了溴化锂吸收式热泵回收循环水余热系统的计算结果，如表2所示。

表2 计算结果Tab.2 Calculation results

3.3 节能分析

热泵供热系数为：

式中：COP为热泵供热系数；Qz为蒸发器热负荷，k W；Qf为发生器热负荷，k W。

根据表2计算结果，可得该热泵系统供热系数为1.67，该值与文献 ［10］报道的数据是吻合的，验证了本文所建模型的正确性。

若采用基载加热器将热网水从60℃升高到90℃，需要80 t／h低压调节抽汽；采用热泵后，则只需要47.9 t／h，可节约低压调节抽汽32.1 t／h。若这部分抽汽进入汽轮机内做功，低压缸相对内效率取88%，排汽焓取2 320 kJ／kg，则机组可增加出力5.12 MW。若这部分抽汽用于供热，新建节能型住宅建筑冬季平均供热指标取25 W／m2，则可增加供热面积90.5万 m2。同时，利用吸收式热泵回收电厂循环水的热量，可减少循环水的蒸发损失以及对环境造成的热污染，能较好地实现能源的梯级利用，具有良好的社会效益。

4 结论

（1）得到了系统各关键物流的性能参数及流量，得出该热泵系统供热系数为1.67。

（2）采用热泵可节约低压调节抽汽32.1 t／h。若这部分抽汽进入汽轮机内做功，机组可增加出力5.12 MW；若这部分抽汽用于供热，则可增加供热面积90.5万m2。

（3）利用吸收式热泵回收电厂循环水的热量，可减少循环水的蒸发损失以及对环境造成的热污染，能较好地实现能源的梯级利用，具有良好的社会效益。

［1］周兰欣，林琦，周玉.水环式真空泵工作水温度过高对机组真空的影响及应对措施 ［J］.电力建设，2010，31 （12）：98-101.

Zhou Lanxin，Lin Qi，Zhou Yu.Influence of over-high water temperature of water-ring vacuum pumpon vacuum system of generator unit and response［J］.Electric Power Construction，2010，31 （12）：98-101.

［2］周兰欣，华敏，杨艳春，等.基于EED M方程凝汽式机组背压与功率微增关系研究 ［J］.汽轮机技术，2010，52 （6）：415-417，466.Zhou Lanxin，Hua Min，Yang Yanchun，et al.Study on a slight increased relationshipbetween condensing steam exhaust pressure change and turbine power based on EED Mequation ［J］.Turbine Technology，2010，52（6）：415-417，466.

［3］Grohnheit P E， Mortensen B O G.Competition in the market for space heating：district heating as the infrastructure for competition among fuels and technologies［J］.Energy Policy，2003，31 （9）：817-826.

［4］Yan Junjie，Shao Shufeng，Liu Jiping，et al.Experiment and analysis on performance of steam-driven jet injector for district-heating system ［J］.Applied Thermal Engineering，2005，25 （8，9）：1153-1167.

［5］倪龙，姚杨，姜益强，等.利用凝汽器循环水废热的热泵站用能分析 ［J］.哈尔滨工业大学学报，2011，43（10）：67-70.

Ni Long，Yao Yang，Jiang Yiqiang，et al.Energy utilization analyses of heat pumpplant using waste heat of circulating water in a steam condenser［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2011，43 （10）：67-70.

［6］蔚鹏飞，齐向军.利用电厂热量进行供暖的两种方式的比 较 ［J］.电 力 科 学 与 工 程，2010，26 （12）：57-60.

Yu Pengfei，Qi Xiangjun.Comparison of two heating methods by using the plant heat［J］.Electric Power Science and Engineering，2010，26 （12）：57-60.

［7］宰相，张光.以电厂循环水为热泵低温热源的联产供热系统的冷端优化 ［J］.现代电力，2011，28 （1）：62-65.

Zai Xiang，Zhang Guang.Optimization of cold end system of CHP with WSHP using circulating water of power plant［J］. Modern Electric Power，2011，28 （1）：62-65.

［8］吕炜，陈晓峰，左川.循环水余热利用在火力发电厂的应用 ［J］.华北电力技术，2011，（11）：27-28，39.

Lv Wei，Chen Xiaofeng，Zuo Chuan.Utilization of recycled water waste heat in thermal power plant ［J］.North China Electric Power，2011，（11）：27-28，39.

［9］贾明生.溴化锂溶液的几个主要物性参数计算方程［J］.湛江海洋大学学报，2002，22 （3）：52-58.

Jia Mingsheng.Several main calculating equations of properties parameter of LiBr-H2O［J］.Journal of Zhanjiang Ocean University，2002，22 （3）：52-58.

［10］韩吉才.吸收式热泵技术在热电联供中的应用研究［D］.青岛：中国石油大学，2009.

Modeling and Analysis of Circulating Water Heat Recovery System by Using Heat Pump

Chang Renjie，Zhang Zhiyong
（Huaneng Yingkou Thermal Power Limited Liability Company，Yingkou 115003，China）

Heat recovery from circulation water based on absorption heat pumpcan increase energy utilization efficiency of power plant.Take a certain 300 MWcogeneration unit as an example，the flow sheet of circulating water heat recovery system based on absorption heat pumpwas built，and the mathematics models of key equipments were also established.The main parameters of heat recovery system were obtained.The results show that the coefficient of performance is 1.67，and 32.1t／h low pressure extraction steam can be saved by absorption heat pump.The output power can be increased by 5.12 MW，or heat supply area may be enhanced by 0.905 million square meters.

heat pump；circulating water；heat recovery；performance

TK264

A

2012－05－17。

常仁杰 （1964-），男，工程师，研究方向为热力系统节能分析及优化运行。