热泵系统与空冷冬季防冻的探讨

池必文高利智

（1.华电大同第一热电厂，山西大同 037039； 2.大同电力高级技工学校，山西大同 037039）

热泵系统与空冷冬季防冻的探讨

池必文1高利智2

（1.华电大同第一热电厂，山西大同 037039； 2.大同电力高级技工学校，山西大同 037039）

在北方地区干旱少雨，水资源匮乏，在不影响机组容量的情况下，空冷机组以其节水效果明显成为这些地区的首选。然而北方地区冬夏季气温相差很大，空冷系统受气温的影响较大，特别对于热泵改造后的供热机组冬季的防冻压力更大，根据我厂热泵机组冬季运行的情况，总结出以下结论，供同类型机组运行参考。

空冷系统 热泵系统 防冻措施

1 热泵系统技术简介

目前，吸收式热泵余热回收技术以其高效节能和具有显著经济效益的特点，尤为引人注目。吸收式热泵常以溴化锂溶液作为工质，对环境没有污染，不破坏大气臭氧层。配备溴化锂吸收式热泵，回收电厂部分通过直接空冷系统排放到大气中的热量，达到节能、减排、降耗的目的。同时作为集中供热主热源的热电厂而言，存在两个关键问题有待解决。一是电厂抽汽供热能力普遍不足，而新增热电厂、大型燃煤锅炉房又带来环境问题，为各地环保部门所严格控制。二是目前大型抽凝式供热机组存在大量的汽轮机凝汽余热通过冷却塔或空冷散热器排放掉，该部分热量可占燃料燃烧总发热量的20%，以保证汽轮机末端的正常工作。将这部分凝汽用于供热，相当于在不增加电厂容量，不增加当地排放，耗煤量和发电量都不变的情况下，扩大了热源的供热能力，为集中供热系统增加了热量，提高了电厂的综合能源利用效率，具有非常显著的经济、社会与环境效益。

吸收式热泵以高温热源驱动，把低温热源的热量提高到中温，从而提高系统能源的利用效率。溴化锂吸收式热泵包括蒸发器、吸收器、冷凝器、发生器、热交换器、屏蔽泵和其他附件等见图1。

以蒸汽为驱动热源，在发生器内释放热量Qg，加热溴化锂稀溶液并产生冷剂蒸汽；冷剂蒸汽进入冷凝器，释放冷凝热Qc加热流经冷凝器传热管内的热水，自身冷凝成液体后节流进入蒸发器；冷剂水经冷剂泵喷淋到蒸发器传热管表面，吸收流经传热管内低温热源水的热量Qe，使热源水温度降低后流出机组，冷剂水吸收热量后汽化成冷剂蒸汽，进入吸收器；被发生器浓缩后的溴化锂溶液返回吸收器后喷淋，吸收从蒸发器过来的冷剂蒸汽，并放出吸收热Qa，加热流经吸收器传热管的热水；热水流经吸收器、冷凝器升温后，输送给热用户的热量Q，显然Q=Qe+Qa=Qg+Qc。

图1 吸收式热泵原理图

对于电厂乏汽余热回收吸收式热泵，驱动热源是汽轮机抽汽，低位热源是汽轮机乏汽，被加热的热水（中温热源）是集中供热的热网回水。如图3，以汽轮机抽汽为驱动能源QH，产生制冷效应，回收乏汽余热QL，加热热网回水。得到的有用热量（热网加热量）为消耗的蒸汽热量与回收的乏汽余热量之和QH+QL。热泵的性能系数（COPh）定义为得到的有用热量与消耗的蒸汽热量之比，即COPh= （QH+QL）/ QL。如单效吸收式热泵COPh =1.7，即消耗1份汽轮机采暖抽汽热量，回收0.7份乏汽余热，为热网提供1.7份热量。由此可见，吸收式热泵供热量始终大于消耗的高品位热源的热量，具有较显著的节能优势。

2 运行方式/方法描述

本项改造工程应用由清华大学提出的“基于吸收式循环的热电联产集中供热（简称基于吸收式循环）”技术，流程如图2所示。

在电厂内安装两台HRU85型电厂余热回收机组，其原理系基于吸收式热泵，以部分汽轮机采暖抽汽为驱动能源，产生制冷效应，回收低温乏汽余热，得到的有用热量（热网供热量）为消耗的蒸汽热量与回收的乏汽余热量之和，将4000t/h 、37℃的一次网返厂回水“温度对口”的一级加热至73℃，再利用尖峰热网加热器二级加热至120℃。

系统示意图（如图3）：

两台汽轮机的乏汽进入相对应的余热回收机组，放热降温后凝结水由汽轮机回热系统的各级加热器加热后返回锅炉。当负荷变化时（如采暖季初、末寒期），供热负荷小，汽机排热负荷增加，电厂余热回收机组不能回收全部的余热，可将过剩的乏汽排热通过空冷岛散到大气环境，以保持汽机正常的背压。本项目需要采暖抽汽390t/h（折合热量263MW），并回收200t/h乏汽（折合热量131.5MW）余热，考虑到3%加热环节的热损失后，总供热量达到383MW。

3 冬季空冷运行情况

图2 蒸汽型吸收式热泵的工作原理

2010年热泵投入运行后，空冷已连续4年不同程度的冻结，真空被迫维持在50-60kpa之间。虽然采取了许多防冻措施，比如解列空冷部分单列、散热管束加盖棉垫子，封堵风机风口等等，但都没有从根本上解决空冷冻结这个难题。当时普遍认为是由于热泵消耗了部分乏汽，致使空冷上的乏汽量减少，造成空冷结冰。按理空冷乏汽量减少后真空本应提高，但实际情况是机组真空较投热泵前还低，不加风机转速，真空起不来，一加风机转速，抽气温度及凝水温度就往低走。每年空冷冻结就是因为想提高真空增加风机转速造成的。

图3

今年热泵投运后，#2机真空由投前70kpa降至63kpa，空冷抽气温度及凝水温度大幅下降至0℃-20℃之间，增加真空泵的运行台数后真空稍有增长，但仍较低。真空泵工作水温达50℃，超工作水温报警值10℃。此现象若在冬季肯定判断为空冷部分管束冻结，但当时环境温度在零上，不可能冻结。就地检查真空泵吸入管管壁温度较高，判断有蒸汽吸入真空泵，而空冷抽气温度仅为10℃左右，因此排除空冷抽出蒸汽的可能性，从而怀疑真空泵是抽出了热泵前置换热器内的部分乏汽，造成工作水温升高，出力下降。将#2热泵抽气门关至20%，#2机真空由63kpa上升至74kpa，抽气和凝水温度升高至正常。

热泵安装有前置换热器，也就是利用汽轮机乏汽来加热热网循环水的换热器，相当于凝汽器。前置换热器抽气管接在真空泵入口管上，与空冷抽气管共用一根抽气母管，且管径较大（159mm），抽气电动门全开状态。

4 分析

（1）热泵前置换热器安装位置低且抽气管较短，抽气阻力要比空冷的抽气阻力小，从而造成真空泵的抽吸能力有部分首先消耗在前置换热器上。

（2）前置换热器容量较小，漏入空气量很小，而抽气管径又较大，造成真空泵将前置换热器内的部分乏汽抽出，工作水温升高，水泵性能下降。

最终结果是造成空冷的抽气能力下降，漏入空冷系统的空气无法及时排出，随着不凝结气体的增多，空冷换热效果变差，机组真空下降，为提高机组真空增加风机转速造成空冷结冰。

控制热泵前置换热器抽气电动门后，空冷的抽气能力得到提高，真空泵工作水温降低，空冷换热效果变好，机组真空提高。风机转速随着环境温度的降低可逐渐减小直至停运，很好的起到了空冷的防冻作用。

5 目前运行情况

（1）控制#1、#2热泵抽气电动门20%的开度，维持前置换热器的真空，两热泵运行正常，各相关参数正常。

（2）机组真空可调范围大，夜间气温低（-20℃）时，空冷顺流风机全停，逆流风机逆转防冻，真空可达设计值75kpa以上，为了空冷防冻人为的将真空降至70kpa左右。白天稍开顺流风机真空即可达70KPa。同时空冷抽气温度及凝水温度正常，过冷度在正常范围内。

（3）空冷未采取以往任何防冻措施，就地检查空冷未有冻结管束。

6 结语

通过对华电大同第一热电厂2×135MW空冷机组热泵投运后冬季工况的分析，对于北方地区低温条件下，经过上述方法的调整，没有发生冬季空冷系统冻结现象，机组安全稳定运行。

［1］华电大同第一热电厂乏汽余热利用运行规程.

池必文（1966.11—），男，山西大同人，大学专科，工程师、技师，研究方向：发电厂集控运行。

高利智（1966.4—），女，山西大同人，大学本科，高级讲师，研究方向：发电厂热能动力。