热泵技术在燃机电厂的运用

刘明涛

热泵技术在燃机电厂的运用

刘明涛

（江苏省电力设计院有限公司，江苏南京211102）

针对燃机电厂天然气加热的应用需求，提出运用电厂工业循环水的热泵系统，在加热天然气的同时，兼顾全厂空调制冷和加热需求。通过对常规天然气加热和空调制冷加热分别设置方式与空调制冷加热和天然气加热兼顾的热泵系统的初投资、运行维护费用分析，结果表明热泵系统的超额投资部分回收期限为1.37a，具有明显的技术经济优势。

热泵；燃机电厂；循环水；空调制冷加热；天然气加热；技术经济比较

0 引言

江苏华电仪征燃机热电联产工程建设3×200MW级燃气－蒸汽联合循环热电联产机组，采用“西气东输”的天然气，年耗气量估算约为8.70×108m3。循环水采用带自然通风冷却塔的二次循环系统。

该工程使用西气东输天然气，冬季送至厂区内的的天然气温度约为4～5℃。进入厂内调压站后还需要将5.0MPa以上的天然气减压至燃机要求的入口压力（约2.2MPa），减压过程将导致天然气温度进一步降低。根据燃机对入口天然气温度在15～50℃间的要求，需要对天然气进行加热，天然气加热装置入口温度5℃，出口温度要求不低于35℃。经测算天然气加热冬季负荷3900kW，夏季负荷3000kW。

在燃机房、汽机房和电控楼内布置集中控制室、电子设备间和电气继电器室，需设置空气调节系统；电气设备间夏季需设置降温通风系统；化水综合楼、检修材料楼、办公综合楼等人员长期停留的场所，也需设置空气调节系统以满足运行人员对办公生产环境的舒适度要求。根据统计，全厂夏季空调冷负荷3200kW，冬季空调加热负荷1540kW。

该工程循环水采用二次循环，设置3机2塔，循环水的进塔水温与出塔水温全年变化见表1。

表1 电厂循环水运行工况

图1 空调制冷加热和天然气加热全年负荷曲线

1 常规方案

天然气加热和空调制冷从专业分工分别属于机务和暖通专业，因此常规方案中，分别由各专业设置独立的系统。天然气加热一般采用水浴炉加热；空调制冷加热一般设置集中制冷加热站。

1.1 水浴炉加热方案

水浴炉通过燃烧天然气加热热水，利用热水加热天然气。水浴炉的加热效率一般为90%。天然气低位热值按33861kJ/m3计算时，对应于天然气加热所需负荷，天然气耗量118.13m3/h/MW。

1.2 集中制冷加热站

根据冷热源机型选择的不同，集中制冷加热站有很多种选择，为便于比较，本文选择水冷冷水机组作为夏季空调系统的冷源、采用汽水热交换器作为冬季空调加热热源。

制冷系统：满足制冷负荷3200kW的要求配置。制冷机选用水冷螺杆制冷压缩机，按3×40%容量配置，在标准工况（蒸发器进出水温度12/7℃，冷凝器进出水温度：30/35℃）下，单机制冷量：1210kW。按与冷水机组采用一对一配置相应的循坏水系统，并配置相应的辅助系统。

热水系统：设计负荷1540kW。选用汽水换热机组，供回水温度55/45℃，加热水量：132t/h，加热蒸汽接自厂用辅助蒸汽。

2 工程实施方案

在工程设计阶段，为综合利用该工程的现有资源，实现空调系统、天然气加热系统的节能运行，将电厂循环水热源、空调加热、空调制冷、天然气加热等利用热泵制冷技术整合在一个系统内，通过少量的高品位电能消耗，实现空气热量、循环水中的热量、天然气中的冷量相互转移，相比常规的系统设置，可以显著地节约电能消耗和天然气消耗。

根据外部气象条件和各区域空调降温通风系统运行的时机，天然气加热与空调制冷加热的全年冷、热负荷曲线如图1所示。从图中可以发现，冬季由于空调加热负荷与天然气加热负荷叠加，导致热负荷明显高于夏季空调制冷的尖峰冷负荷，夏季热负荷仅为天然气加热负荷，其与空调制冷负荷相差不大。基于上述原因，在考虑制冷加热系统时，按冬季尖峰热负荷选择热泵设备，然后复核夏季提供的冷负荷是否满足空调制冷的需求。

2.1 热泵装置的选择

热泵是基于逆卡诺循环原理、利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的装置。热泵技术避免了直接使用一次能源或电能产生高温热源，在提高热能使用效率的同时，降低了一次能源的消耗，从而实现排放量的降低。热泵使用的条件：低位热源、高位热源、转换装置。

低位热源与高位热源。热能作为一种能量形式存在于各种介质中，当介质确定时，其热量的大小就直接体现在温度指标上。温度越高，介质所包含的热量也就越大，温度越低，其包含的热量就越小。就热能利用而言，介质温度与环境温度的差值越大，其利用价值就越高，越接近环境温度，其热能的利用就越困难，价值也就越低；一般地将大气环境温度附近的热源称之为低位热源，如大气、江河湖水、地热等；将明显高于环境温度，可以加以有效利用的热源称之为高位热源，如冬季空调加热系统的循环水供回水温度一般为50/40℃，可用于空调通风系统加热。在该工程中，工业循环水就是一个很好的低位热源，其温度为26～36℃，一年四季均高于大气环境温度，且流量很大，其蕴藏的热量也相当巨大，如冬季循环水流量16000m3/h，若温度降低1℃，所释放的热量将达到：18.58MW。

转换装置。热泵系统的关键技术在于转换装置。目前工程中普遍使用的转换装置依据其驱动力可分为电力驱动的蒸气压缩式热泵装置和热力（热水或蒸汽）驱动的吸收式热泵装置。吸收式热泵装置又分为第一类溴化锂热泵和第二类溴化锂热泵，第一类溴化锂热泵以高温热源（蒸汽、高温热水、燃油、燃气）为驱动热源，利用15～40℃的废热源，将20～50℃的被加热水加热到50～90℃，其热泵性能系数大约在1.5～1.7之间；二类溴化锂热泵使用的60～100℃的废热，冷却水温度10～40℃，输出的热水或蒸汽温度可在100～150℃之间，其性能系数在0.4～0.6之间。

蒸气压缩式热泵装置的原理和系统构成与制冷装置完全一样，由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器组成。蒸气压缩式热泵根据压缩机的种类分为涡旋式、活塞式、螺杆式和离心式等；根据压缩机形式、蒸发温度（低温热源温度）、冷凝温度（被加热介质温度）不同，蒸气压缩式热泵的制冷系数见表2，相应的热泵制热性能系数为制冷系数+1。

表2 冷水机组的名义制冷性能系数（COP）

相同工况下的制热系数为4.8～6.1。

热泵装置的选择是决定整个系统运行效能的关键。蒸气压缩式热泵的放热系数在4.8～6.1之间，按热值计算1kWh电能对应的标准煤量为123g，2012年，全国6000kW及以上电厂供电标准煤耗326g/kWh，供电效率为37.73%；全国电网输电线路损失率6.62%，综合效率为35.23%，蒸气压缩热泵的放热系数折算至一次能源的利用效率也将达到1.69～2.15；而一类吸收式热泵机组其制冷系数在1.5～1.7之间，燃气锅炉平均效率一般都在90%以上，比一般大型燃煤锅炉要高出10%～20%，折算至一次能源的利用效率为1.35～1.53（燃气）或1.2～1.36（燃煤）。基于上述分析，该系统选用蒸气压缩式热泵机组作为制冷制热主机。蒸汽压缩式热泵中有涡旋式/活塞式、螺杆式和离心式三种形式，根据该工程的冷热负荷和机组台数选择，单台机组的容量在1200kW左右，选择双机头螺杆式热泵机组较为合适。

2.2 系统配置

依据该期工程3台燃机配置实际情况，按4×33.3%配置选用螺杆式水源热泵机组，三用一备。热泵机组的运行工况及主要技术参数如下：

制冷取热运行工况：蒸发器侧进、出水温度14/7℃；蒸发器侧水流量147m3/h；制冷量1200kW；制取的冷水提供给空调和降温通风系统；冷凝器侧进出水温度40/50℃；冷凝器侧水流量132m3/h；冷凝器排热量1540kW，热水用于天然气加热。夏季运行时最大供热量4620kW；最大供冷量3600kW；

取热运行工况：蒸发器侧进、出水温度20/10℃；蒸发器侧水流量132m3/h；蒸发器侧水系统通过板式换热器从水工专业的循环水取热；冷凝器侧进出水温度40/50℃；冷凝器侧水流量147m3/h；冷凝器排热量1746kW，热水用于天然气加热和冬季空调系统加热。冬季和春秋季运行3套机组的最大供热量5238kW。

蒸发制冷和吸热系统。蒸发制冷系统由循环水泵、分集水器（包括空调末端装置）、热泵机组的蒸发器及定压补水排气装置构成。循环水泵按与热泵机组一一对应的原则配置。循环水泵采用变频控制，夏季供冷时，由于供冷范围较大，距离远，采用工频或接近工频运行，以克服空调系统末端的阻力。吸热系统由循环水泵、板式水水换热器、热泵机组蒸发器及定压补水排气装置构成。循环水泵与制冷系统共用，由于只要克服板式换热器阻力，采用变频运行，满足运行工况的要求。

冷凝供热和冷却系统。冷凝供热系统由循环水泵、热泵机组的冷凝器、燃气/水热交换器及定压补水排气装置构成。循环水泵按与热泵机组一一对应的原则配置。循环水泵采用变频控制，夏季、春秋季天然气加热时，热水回水（40℃）在冷凝器内吸收制冷剂的冷凝热后温度升高（50℃），送至天然气调压站天然气－水换热器内，加热天然气，放热后的水经循环水泵返回冷凝器再加热，完成热水循环；冬季，热水还送至空调系统的末端装置，满足空调区域冬季加热的需求，此时由于管路长，阻力大，循环水泵以工频或接近工频运行。夏季，当天然气加热需求量较小，而空调制冷负荷需求较大时，冷凝器多余的冷凝热就需要通过水/水换热器排放至冷却水中，由于只要克服板式换热器阻力，可采用变频运行，满足运行工况的要求。

蒸发制冷系统、冷凝加热系统的循环水均采用闭式循环系统，以保证系统水质。

低温热源系统。由于天然气加热的需要，该系统的年运行时间与机组的运行时间相当，其中春秋季、冬季蒸发器吸收的热量由水工专业的循环水提供。低温热源系统由循环水泵、水水板式换热器、热泵机组蒸发器和管道组成。循环水泵和板式换热器均按2×100%容量配置；板式换热器换热面积按冬季设计工况（热水供回水温度25/15℃；被加热水侧供回水温度10/20℃）下的换热量4500kW确定。为保证热泵长期稳定运行，通过板式水水换热器实现蒸发器循环水（除盐软化水）与水工循环水的换热。水工专业冷却水从汽机凝汽器的回水具有较高的温度，引入部份循环水回水，经板式换热器加热蒸发器侧的循环水，温度降低后的循环水可直接排入进塔水管或冷却塔的水池。通过热泵机组的运行，有效利用了循环水中的低品位热量，降低天然气加热的运行成本。

夏季利用蒸发器的制冷能力为空调系统提供冷水，当天然气加热量小于制冷工况的冷凝器排热时，需要补充提供冷却水。此时既可以利用原有的取热系统，向循环水放热；当水工专业的循环水系统停止运行时，通过设置在循环水泵房的循环水泵（性能参数和配置方式与上述取热水泵一致）从水工自然通风冷却塔积水池抽取部分经冷却后的水，提供板式水水换热器冷却冷凝侧的循环水，保证空调系统的制冷需求。

末端配置。空调制冷加热系统的末端配置与常规方案是一致的，所不同的是天然气加热装置。在采用热水加热时，需要在天然气调压站设置天然气/水换热装置。为保证天然气入口参数要求，该工程按2×100%配置2套全进口的气水换热装置。

2.3 系统运行

常规空调热泵系统通过设置四通阀实现制冷/加热的转换。加热负荷与制冷负荷是不会同时存在的，制冷季节没有热负荷存在，供热季节没有冷负荷存在，因此空调热泵系统的循环水系统在制冷季节是进入蒸发器冷却降温的，而在冬季供热季节是进入冷凝器吸热升温的，为了减少系统切换导致外部管路接管复杂化，热泵制造商一般在热泵内部设置四通阀，通过改变冷媒流向实现冬夏季冷凝器和蒸发器功能的切换。

该工程天然气加热需求是全年性的，空调制冷主要是夏季需要，空调加热是冬季需求，；因此该工程的空调冷水循环管路夏季是在蒸发器放热降温的，冬季则需要在外部切换至冷凝器吸热升温，而天然气加热循环水系统则一年四季均需从冷凝器侧吸热升温。综上所述，该系统热泵装置全年采用热泵运行工况，所不同的是蒸发器的进出口温度需要根据空调系统制冷需求在夏季进行调整。

3 技术经济比较

为验证热泵加热技术的经济性，将常规空调制冷加热、天然气加热分开设置的系统与两者综合设置的热泵系统从初投资和运行维护费用方面进行技术经济比较。

为了统一比较标准，设定下列比较参数：

（1）年运行小时数：5500h。按全年365d计算，平均每天运行15h。

（2）能源费用：设备运行的厂用电价格：0.606元/kWh，使用蒸汽时的供热价格：56元/GJ，折合蒸汽量价格：168元/t，天然气价格：2.26元/m3。

（3）设备运行维护费。按设备投资价格的10%估列。

（4）比较范围：集中制冷加热站范围内的常规方案与热泵方案之间设备和电控设备及其运行费用。土建费用、管道、末端装置等费用两者相等，不参与比较。

3.1 初投资分析

两种方案对应的设备投资见表3。

3.2 运行维护费用分析

该工程1～12月的空调制冷加热负荷统计见表4。

为了简化分析，采用能效比的方法进行能耗计算。

3.2.1 常规天然气加热和空调制冷加热分别设置方案

空调制冷系统：按系统配置单元其COP为单台冷水机组制冷功率与制冷机组循环水泵冷却塔等输入功率之比，其中：制冷机组制冷功率：1210kW，输入功率390kW，配套冷水循环泵55kW，冷却水循环泵30kW，冷却塔5.5kW；据此分析，其制冷COP为2.52。按每天运行15h计算，空调制冷站年运行耗电量246.67万kWh，按上网电价0.606元/kWh计算，约149.48万元。

空调加热系统使用整体式汽水换热机组，循环水泵耗电量22kW，换热量1480kW的换热机组耗气量约2.52t/h。蒸汽量按换热负荷推算为1.70t/h/MW，全年空调系统加热耗蒸汽量3460t，蒸汽单价168元/t，约58.1万元；换热机组耗电量4.14万kWh，按上网电价0.606元/kWh计算，约2.51万元。

天然气加热采用水浴炉加热，燃烧天然气。水浴炉加热效率按90%计算，天然气低位热值33861kJ/m3，单位加热量天然气耗量118.13m3/h/MW。年耗天然气总量230.11万m3，天然气价格按2.26元/m3计算，约520.06万元。

表3 两种空调加热制冷与天然气加热方案设备初投资比较

表4 该工程全年空调负荷和天然气加热负荷统计

综合空调制冷运行费用149.48万元、空调加热蒸汽费用58.1万元，电费2.51万元；天然气加热费用520.06万元；合计730.15万元。

3.2.2 热泵加热方案（空调制冷加热与天然加热共用）运行费用

该方案主要能耗是电力，按单元机组计算，分供冷取热和纯取热两种工况计算。

制冷取热工况：热泵机组制冷功率1200kW，制热功率1540kW，输入功率340kW，配套冷水循环泵45kW，冷却水循环泵45kW，冷却水水源水泵45kW，合计输入功率475kW，制冷COP为2.53；供热EER为3.24。

纯供热工况：热泵供热功率：制热功率1746kW，输入功率346kW，配套冷水循环泵（变频运行）30kW，冷却水循环泵45kW，冷却水水源水泵45kW，合计输入功率466kW，供热EER为3.75。

综合计算全年电耗714.89万kWh，上网电价0.606元/kWh，约394.5万元。

3.3 综合经济分析

为了比较方案的技术经济性，设定两个方案运行人员的配置相同，即与人员相关的费用不参与分析，得到两个方案的技术经济对比见表5。

从表中计算结果可以发现，采用热泵技术，兼顾天然气加热和空调制冷加热系统设置方案，总体上增加了一台热泵装置、天然气/水热交换器以及变频控制装置和电动控制阀门等，系统总投资增加了58.54%，但在运行方面，由于热泵技术的供热EER达到3.75，使得常年运行的天然气加热系统的运行费用显著降低，同时在供冷季节，热泵机组一机二用，将天然气提供的冷源转移到空调用冷或者将空调系统的排热转移给天然气加热，节约了空调制冷的费用。通过运行维护费用的降低，超额投资的回收期仅为1.37a，热泵加热技术联合系统的技术经济优势非常显著。

表5 空调加热与天然气加热分设方案与热泵方案技术经济性比较

4 结语

从一次能源转换效率分析，蒸气压缩式热泵技术的综合能效比为1.69～2.15，而一类吸收式热泵机组的能效比为1.35～1.53（燃气）/1.2～1.36（燃煤），在没有工业废热可用时，蒸气压缩式热泵是优选的热泵形式。

通过对燃机电厂空调系统制冷加热和天然气加热方式的分析，在有天然气加热要求的燃机电厂，与传统的水浴炉加热天然气方式相比，采用循环水为热源的热泵加热方式，有明显的技术经济优势，随着天然气价格的上涨，热泵加热经济优势将愈加显著。

[1]GB50189-2005，公共建筑节能设计标准[S].

[2]陆耀庆，等.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

Aplication of Heat Pump Technology in Gas Turbine Power Plant

LIU Ming-tao
（Jiangsu Electric Power Design Institute Co.，Ltd，Nanjing 211102，China）

A heat pump heating system，using circulating water of power plant，was proposed to heat natural gas for gas turbine plant.This heat pump system can satisfy the cooling and heating demands of air conditioning system for power plant at the same time.Compared to respectively set up coventional natural gas heating station and air conditioning refrigeration heating station，the excess investment of heating pump system recovery period is 1.37 years from the analysis of initial investment，operation and maintenance cost.Heat pump technology used in gas turbine plant has obvious economic advantages.

hea pump；gas turbine power plants；circulating water；air conditioning refrigeration and heating；natural gas heating；comparison of technical and economic

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.017

TU831

B

2095-3429（2015）01-0071-06

2014-11-24

修回日期：2015-02-25

刘明涛（1966-），男，江苏靖江人，硕士，高级工程师，从事火力发电厂及变电所暖通空调系统设计。