电厂循环水吸收式热泵利用系统分析

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(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206;2.黑龙江双锅锅炉股份有限公司，黑龙江 双鸭山 155110；3.中国电力科学研究院 农电研究所，北京 100192)

电厂循环水吸收式热泵利用系统分析

程伟良1，佟海川2，勾建辉1，苗常海3

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206;2.黑龙江双锅锅炉股份有限公司，黑龙江 双鸭山 155110；3.中国电力科学研究院 农电研究所，北京 100192)

热电厂的循环水所具有的热量一般是通过冷却塔释放给大气环境，为对这部分余热回收利用，进行了水源热泵能量系统的分析研究。将热泵系统供给的热量扣除消耗的驱动蒸汽热量，再考虑导致新增的驱动电耗，及以凝汽器真空下降引起发电的热耗增加作为修正，可确定最终节能量。通过对实际热电厂4台200 MW供热机组的循环水源吸收式热泵系统进行计算，可获知年节约标准煤9 985.7 t，该方案实现了比较理想的工程节能效果。

电厂循环水；吸收式热泵；余热利用；节煤量

0 引言

随着“十二五”规划中节能减排工作的深入，如何在高耗能行业中减少废气废水的排放并充分利用相关余热资源显得尤为重要，其中利用热泵技术回收电厂循环水余热就是一个很有节能潜力的发展方向。热泵技术具有节能和环保双重效应，近年来热泵技术已经引起了许多学者和工业企业的关注。

Li Yun等[1-2]对不同吸收式热泵的系统分别建模并对系统性能进行了分析对比；郭江龙等构建了吸收式热泵在回收电厂循环水余热工程中热经济性优劣的判定模型[3]；周崇波等针对带吸收式热泵回收利用冷端潜热用于供热的新型热电联产的机组，建立了相关数学模型，并分析了机组的热经济性及投资收益[4]。还有很多学者对循环水源吸收式热泵系统的应用进行了分析[5-8]。但还没有对热泵技术回收利用电厂循环水热量带来的节能效益做定量的研究。

本文主要通过对热电厂供热机组的循环水系统节能改造方案设计，并采用吸收式热泵系统，通过进行能量平衡计算分析，提出了对于热泵系统的节能分析策略，同时对该计算方法提出了修正方案，并实现了对具体的供热机组进行测试和计算分析。

1 吸收式热泵技术方案

现代超临界600 MW的纯凝式汽轮机发电机组的能源利用效率约42%，其它亚临界机组的能源利用效率更低。 而导致纯凝式汽轮机发电机组发电效率低下的主要原因是冷源热损失，它约占火电厂消耗能源的50%。冷源热损失是指由循环冷却水散失到大气中的热量，这部分热损失数量巨大，但是品位很低，温度一般在30～40℃左右，回收利用的难度很大。利用吸收式热泵技术，能够实现将电厂循环水蕴含的低品位热量回收，并提升到60℃以上的高温热源中去，用于向用户供暖。

吸收式热泵系统是由发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、溶液泵、溶液阀、溶液换热器等组成封闭环路，内充以工质对(吸收剂和循环工质)溶液组成。具体情况如图1所示。

图1 吸收式热泵示意图

利用汽轮机抽汽(即驱动蒸汽)加热发生器中的工质对浓溶液，产生高温高压的循环工质(制冷剂)蒸气，进入冷凝器；在冷凝器中循环工质凝结放热变为循环工质液体，进入膨胀阀；经膨胀阀后变为低压的循环工质饱和气与饱和液的混合物，进入蒸发器；在蒸发器中循环工质吸收电厂循环水的热量变为蒸气，进入吸收器，在吸收器中循环工质蒸气被工质对溶液吸收。吸收了循环工质蒸气的工质对溶液经热交换器升温后被泵连续地送到发生器。同时产生了循环工质蒸气的发生器中的浓溶液，经热交换器降温后不断进入吸收器，以维持发生器和吸收器中液位、浓度和温度的稳定，最终实现吸收式热泵的连续制热。

2 电厂循环水源吸收式热泵系统

装有4台200 MW供热机组的热电厂，其承担有3200万m2的供热任务。据2009～2010年供热季节运行数据显示，这四台机组整个采暖季平均抽汽量已接近额定抽汽量。为了满足不断增加的供热需求，该热电厂采用吸收式热泵技术，以30℃左右的循环水作为低温热源，以汽轮机抽汽作为驱动热源，从低温热源回收热量并提升温度，用于加热热网回水。

针对该热电厂的实际情况，利用热泵技术可对该电厂供热机组进行供热整体设计方案重新考虑，结合热泵系统的热电厂机组供热方案如图2所示。

图2的热电厂热泵利用系统中，主要分为四台热泵机组、供热水系统、循环水系统和驱动蒸汽系统。热泵的驱动蒸汽由高压蒸汽母管引自汽轮机抽汽，蒸汽放热后其冷凝水由凝水母管回收。热泵输出热量进入供热水系统，供热进出水母管在各台热泵处设支管，供热水系统并联运行。热泵从循环水系统吸收热量，循环水进出水母管在各台热泵处也设有支管，系统也采用并联方式运行。

3 热电厂循环水吸收式热泵系统的热经济性计算分析

3.1 热泵系统的热经济性计算方法

对于热泵系统而言，所输入的能量为驱动蒸汽所带入的热量、热网回水输入热量，循环水输入热量；系统输出能量为凝水输出热量，供热水输出热量，循环水输出热量。还可以进一步以净输入或净输出热流来分析，即可分为驱动蒸汽系统带入净热量，循环水系统带入净热量和供热水系统输出净热量，则有以下热平衡：

驱动蒸汽带入净热量+循环水带入净热量=供热水输出净热量

热泵系统的节能效果一般是通过改造前后的能耗对比分析来进行。对比热泵采用改造前后的情况可知，进入热泵系统的高压驱动蒸汽为新增加的热能消耗，热泵系统输出的供热水热量为新增加的热能输出。即高压蒸汽系统带入热量为系统消耗的代价，供热水输出的热量为系统所获得的效益。改造前，循环水带入系统的热量由冷却塔散失到环境中去，其热量完全废弃，该部分热量可不计入系统改造消耗的代价。

因此，初步节能效果可标定为供热水输出的净热量扣除驱动蒸汽系统带入净热量。而两者之比即为热泵系统的能效比(COP)。

节能量=供热水输出净热量-驱动蒸汽带入净热量

(1)

3.2 热泵系统的热经济性计算方法改进

吸收式热泵不但自身会消耗一部分电能，而且会导致汽轮机发电热耗上升。这是因为采用吸收式热泵后给原有系统带来了额外能耗增加。因此，热泵系统的最终节能量需要考虑这些情况，应从节能量中扣除这些额外能耗。

首先要考虑改造后新增电机能耗情况。这些增加的能耗包括：吸收式热泵本体电机电耗(包括冷剂泵、溶液泵、喷淋泵、真空泵)、循环水升压泵电机电耗、驱动蒸汽冷凝水泵电耗。由于原有系统中并没有该部分能耗，因此应按全国平均供电煤耗折算后扣除。

其次，还要考虑凝汽器真空下降导致的能耗增加。经吸收式热泵技术改造后，汽轮发电机组循环水进出凝汽器的平均温度较原来有所升高，导致凝汽器真空下降，因而进入凝汽器的排汽焓升高，发电量减少，热电厂发电煤耗上升。在计算这部分附加能耗时，可通过热泵技术改造前后的凝汽器真空变化，计算引起的发电量减少量，具体计算方法如图3所示。

图3 真空降低节能量修正计算

首先，通过汽轮机低压缸的进汽温度、压力、比焓及比熵。并利用机组在最大抽汽工况时的相对内效率，确定其在未改造前凝汽器真空条件下的膨胀线终点焓，具体计算公式如下

ELEP=UEEP-0.87XEL

(2)

式中ELEP——膨胀线终点焓；

UEEP——有用能终点焓；

X——排汽干度；

EL——排汽损失。

计算热泵技术改造后凝汽器真空条件下的排气终点焓后，可通过对比得到机组减少的电功率，再结合冬季采暖运行小时数计算采暖季时段的发电量减少情况，按照当年全国平均供电煤耗折算为标准煤，即为真空变化引起原有系统能耗附加。

3.3 热泵系统的热经济性计算分析

根据上述介绍的节能效果计算方法，需要计算热泵输出的净供热水热量和高压驱动蒸汽带入净热量。可利用供热水流量、进出口温度及压力计算净供热水热量；结合蒸汽流量、温度和压力及凝水温度计算高压驱动蒸汽带入净热量。并可利用供热系统热平衡方程，结合循环水流量、进出口温度实现校核计算。

采用典型工况下热泵系统单位时间内的节能量，结合确定的设备运行小时数，计算相应的年节煤量。设备运行小时数可按照供暖季的相关规定，取3 000 h。

在该热电厂热泵系统中，热泵作为热网回水所经过的第一级加热器，其后串联基本加热器和尖峰加热器，热泵和基载加热器作为基本加热使用，热负荷调节由尖峰加热器完成，因此，可以保证热泵系统供热的热负荷比较稳定。

对该热泵系统分别计算的热水供热量、消耗蒸汽量、初步节能量以及热泵系统的能效比(COP)，具体的计算结果见表1。

表1 吸收式热泵节能量计算情况

从上表可看出，该吸收式热泵系统的初步年节煤量为11 045.3 t标准煤。热泵系统的能效比为1.866。如需要这个计算的节煤量更全面合理，还需要考虑其它一些影响因素，如热泵系统的自身电耗，及循环水在热泵蒸发设备中的冷却效果不如冷却塔导致的发电效率略有下降等。

在针对一个完整的采暖季考虑热泵系统新增电耗时，共计109.92万kW·h，按2012年全国平均供电煤耗(326 gce/kW·h)折算为标煤358.3 t。改造前汽轮机凝汽器压力为0.002 5 MPa,改造后凝汽器压力上升为0.004 3 MPa，排汽流量为133.55 t/h，真空变差导致发电功率减少1 719.95 kW，由于该热泵系统导致的供热机组年减少发电量总计为206.39万kW·h，折算为标煤672.8 t。

基于上述分析计算，该吸收式热泵系统改进后的年节煤量实际为初步节煤量扣除改造后新增电机能耗及凝汽器真空下降导致的能耗，最后计算得到的年节约标准煤为9 985.7 t。

4 结论

通过对热电厂供热机组的循环水源吸收式热泵系统进行方案设计，以能量平衡理论为依据，提出了对于热泵系统的节能效果计算方法，同时提出了该计算方法修正条件，即在系统自身电耗及机组真空引起经济性等不能忽略时的能量修正方法，并对具体的供热机组进行测量和计算分析。计算结果表明，采用热泵系统可节约能源，并提高整个机组的供热能力。这将为在城市供热面积不断扩大的情况下，提高供热机组的适应能力，是一种切实可行的工程应用方案。

[1]Li Yun, Song Kai. Economic analysis of the absorption heat pump in supercritical unit，Advances in Energy Science and Technology[C]. 2013，291-294: 1666-1669.

[2]Zhang Xiaoqian, Zhang Guang. Application Research on Power Plant Heat Pump Regenerative Thermal System,Progress in Renewable and Sustainable Energy[C].2013,608-609: 965-968.

[3]郭江龙，常澍平，冯爱华,等.压缩式和吸收式热泵回收电厂循环水冷凝热经济性分析[J].汽轮机技术，2012,54(5)：378-388.

[4]周崇波，赵明德，郑立军,等.新型带吸收式热泵热电联产机组的技术经济分析[J].现代电力，2012,29(2)：61-63.

[5]王达达，仇英辉，平安，等.云南节能发电调度运行问题及思考[J].电网与清洁能源,2012,28(12):34-37.

[6]王宝玉，周崇波. 热泵技术回收火电厂循环水余热的研究[J]. 现代电力，2011,28(4)：73-77.

[7]何晓红，舒斌. 火电厂低温余热利用技术应用分析[J].节能，2012(12)：31-34.

[8]刘小军，李进，曲勇.冷热电三联供(CCHP)分布式能源系统建模综述[J].电网与清洁能源，2012,28(7):63-68.

AnalysisofAbsorptionHeatPumpSystemofCirculatingWaterinPowerPlant

CHENG Wei-liang1, TONG Hai-chuan2,OU Jian-hui1, MIAO Chang-hai3

(1.School of Energy Power Andmechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2.Heilongjiang double boiler Limited Company by Share Ltd, Shuangyashan 155110,China;3.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192,China)

Generally, circulating water heat of thermal power plant is released to the atmosphere through cooling tower environment, waste heat recovery and utilization for this part, carried out a study on the energy system of the water source heat pump. Deduction of the consumption-driven heat pump system supplying steam heat, deducts new drive power consumption and amends heat losses increase caused by decline in condenser vacuum, to determine the final energy. Through actual 4×200 MW thermal power plant of circulating water absorption heat pump system evaluated have access to save 9985.74 tons of standard coal a year, works to achieve ideal energy saving effect.

circulating water in power plant; absorption heat pumps; utilization of waste heat; coal saving weight

2014-06-25修订稿日期2014-08-27

北京市自然科学基金资助项目(3132017)

程伟良(1965～),男，博士，教授，研究方向为燃煤电站污染物减排技术研究、热力设备的经济运行及节能技术等。

TQ051.5:TK11+5

A

1002-6339 (2014) 05-0430-04