吸收式热泵回收火电厂冷凝热供暖的技术经济性

周振起 崔春晖 袁 猛 王盛华 王东亮 王 硕

（东北电力大学能源与动力学院 吉林 132012）

吸收式热泵回收火电厂冷凝热供暖的技术经济性

周振起 崔春晖 袁 猛 王盛华 王东亮 王 硕

（东北电力大学能源与动力学院 吉林 132012）

介绍了溴化锂吸收式热泵的工艺流程，以某300MW抽凝供热机组为例，分析热泵供热前后机组供热能力的变化，对机组节能效益进行计算与分析，并对电厂安装热泵后节能效益的算法进行讨论。结果表明：供热机组安装热泵后，相同抽汽量的情况下机组对外供热能力大大增加；并且在供热量相同的情况下，不同的收益计算方法所得到的节能收益结果相差较大，因此，在计算溴化锂吸收式热泵的节能收益时，应以供热机组实际的运行工况选择合适的计算方法。

火电厂；吸收式热泵；抽汽；供热能力；节能收益

0 引言

利用热电厂对用户集中供热是目前国内采暖的主要方式之一。在目前大型抽凝式供热机组生产过程中，绝大多数热电厂直接将汽轮机乏汽余热经循环水通过冷却塔排放出去，大量的低温余热资源没能得到有效利用，造成能源的浪费。随着国家节能减排政策的推行落实，人们越来越重视对火电厂能源阶梯利用，提出各种各样的循环水余热回收利用方式，其中溴化锂吸收式热泵技术以高效节能和具有良好的经济效益而广泛受到关注和应用[1]。采用吸收式热泵能较大幅度的增加供热机组的供热能力，其节能的本质是因为降低了抽汽参数与热网供热参数之间的匹配差异所带来的熵增而导致的蒸汽做功能力的丧失[2]。参考有关计算吸收式热泵供热系统节能收益的资料，很多直接以热泵实际回收的热量为基础，将热泵回收的热量乘以热价或者将其折算成标准煤作为电厂的节能收益，由于供暖期各时段供热机组的工况的变化以及能量品质的不同，使得这种算法或多或少的放大了安装热泵后电厂的节能收益[3]。以某300MW抽凝供热机组为例，分析了热泵供热前后机组供热能力的变化，并在保证原抽凝机组最大供热负荷不变的前提下，分析安装热泵系统后电厂的节能收益，并对热泵系统实际运行中的节能收益计算方法进行讨论。

1 溴化锂吸收式热泵供热原理

溴化锂吸收式热泵以蒸汽作为驱动能源，溴化锂浓溶液为吸收剂，水作为工质，利用水在低压真空状态下低沸点的特性，回收循环水余热供热，实现热量从低温热源向高温热源的传递[4]。吸收式热泵主要由吸收器、发生器、冷凝器、蒸发器、溶液热交换器以及相应的泵和阀门等构成。它以汽轮机部分抽汽作为驱动热源，将发生器中的溴化锂稀溶液加热，使溴化锂稀溶液变成浓溶液，并产生高压水蒸气，高压蒸汽进入冷凝器，在冷凝器中变成冷凝水，放出冷凝热加热热网水，冷凝水经节流降温后流入蒸发器，蒸发器中蒸发产生的水蒸汽进入吸收器，而发生器中产生的溴化锂浓溶液则经溶液交换器预热进入发生器的稀溶液后流入吸收器，吸收来自蒸发器的水蒸汽，变成溴化锂稀溶液，如此反复循环。热网回水依次在吸收器，冷凝器内吸热升温后，供给用户供暖[5-9]。

若忽略泵功以及系统与周围环境热交换等带给系统的热量，整个系统的热平衡为：

式中：Qg为发生器热负荷，即驱动蒸汽在发生器中的放热量；Qa为吸收器热负荷，即热网水在吸收器中的吸热量；Qk为冷凝器热负荷，即热网水在冷凝器中的吸热量；Qn为蒸发器热负荷，即热泵从电厂循环冷却水中提取的热量。

吸收式热泵性能系数等于热泵输出热量（热网水吸收热量）与驱动蒸汽热量之比，即：

由上式得知，采用吸收式热泵供热其供热量始终大于消耗的高温驱动热源的热量，从能量利用方面讲采用吸收式热泵供热始终要比直接抽汽供热节能。

2 吸收式热泵回收电厂余热供热方案

以某300MW热电机组为例，机组主要技术参数见表1。在传统抽汽供热机组的基础上加入吸收式热泵设备形成新型带热泵热电联产供热机组，其系统示意图如图1所示。热泵系统在原供热抽汽的驱动下，回收冷端潜热，当热泵系统能够回收循环冷却水全部余热时，阀门1、2关闭；当热泵只能回收部分废热时，剩余其他循环冷却水仍需通过冷却塔进行冷却，此时，阀门1、2开启；当外界热负荷变化，热泵系统所提供的热量不足以满足用户需求时，需要开启阀门3，由供暖抽汽提供其余热负荷。考虑到热泵系统投资较大，为了使热泵系统在机组任何抽汽量下都能满负荷运行，以机组抽汽量达到最大工况时选择热泵机组，此时对应的电厂冷源损失最小。

图1 带吸收式热泵热电联产供热系统流程图Fig.1 Flow chart of heat supply system with absorption heat pump

表1 某300MW供热机组主要技术参数Table1 The main technical parameters of a 300MW heating unit

3 计算模型

常规热电厂抽凝机组抽汽对外供热，用户得到的热量：

式中：Qa为用户得到的热量，MW；m为抽汽流量，kg/s；h1为抽汽焓，kJ/kg；h2抽汽凝结焓，kJ/kg。

机组安装热泵供热后，热泵系统对外供热量：

式中：Qb为热泵系统供热负荷，MW；Qn为热电厂最小冷源损失，即热泵从循环冷却水中回收的热量，MW；Qg为热泵系统驱动热量，MW；COP为热泵的热力性能系数。

假定驱动抽汽凝结水焓值仍为h2，则热泵所需驱动蒸汽热量：

式中：m1为驱动蒸汽流量，kg/s。

安装热泵后的带热泵热电联产机组对外供热，用户可得到的热量：

当外界热负荷需求达到原抽汽机组最大供热量Qmax且保持不变时，则带热泵热电联产供热机组所需抽汽量为：

式中：m2为带热泵热电联产机组对外供热Qmax时所需抽汽量，kg/s。

因为增加了吸收式热泵，通过从循环冷却水中提取部分热量，最终节省一部分抽汽，节省抽汽量为：

式中：mΔ为节省抽汽量，kg/s；maxm为热电厂供热机组最大抽汽量，kg/s。

节省抽汽量可以在汽轮机中继续做功，机组增加功率：

式中：WΔ为机组增加功率，MW；ch为汽轮机排汽焓，kJ/kg；mη为机组机械效率，取0.99；gη为发电机效率，取0.97。

4 计算结果与分析

根据表1中有关参数，对安装热泵前后供热机组进行计算，结果分析如下。

4.1 相同抽汽量下供热能力分析

原抽凝供热机组供暖抽汽量在0-550t/h，随着抽汽量的增加，对外供热量也成比例逐渐增加，当机组达到最大抽汽工况，此时对外供热量达到最大392.55MW，最大供热面积为603.92万m2。假定热泵热力性能系数为1.7，热泵系统满负荷运行，回收电厂循环水余热，则热泵系统可对外供热151.4MW。两种供热方式供热能力随抽汽量变化如图2所示。当抽汽量在0-212.1t/h，即在M，N点之前，此时带热泵热电联产机组只有热泵机组运行供热，峰载加热器并未运行，可以看出该区间相同抽汽量下单独热泵供热方式供热能力明显要比抽汽供热方式高，并随着抽汽量的增加，两者之间供热量差距越来越大，当抽汽量达到212.1t/h（M、N点对应的横坐标），热泵机组达到最大负荷，此时两者之间的差距达到最大为106MW；M，N点之后，抽汽量在212.1-550t/h区间，热泵供热负荷不足以满足用户供热需求，用户所需一部分热量由附加抽汽供给，相当于热电联产，此时带热泵热电联产供热方式和抽汽供热方式供热能力相同；当抽汽量达到机组最大抽汽量，两种供热方式均达到自身最大供热极限，此时带热泵热电联产机组供热量为498.57MW，比抽汽供热机组供热量增加106MW，增加供热面积约163万m2。由此可见，带热泵热电联产机组的供热能力明显大于传统热电联产机组，对于供热量不足的机组来说，这一改造技术具有很大的技术优势。

图2 机组抽汽量与供热能力关系图Fig.2 Relationship between unit pumping capacity and heating capacity

4.2 相同供热量下节能效益分析

假定原抽汽供热机组已达到最大供热负荷且发电负荷不变，在保证最大供热量不变的情况下讨论热泵热电联产机组的节能效益。图3为热电联产机组安装吸收式热泵后热泵系统、附加供暖抽汽之间抽汽量与供热量的关系。对外供热负荷同是392.55MW，原机组抽汽量为152.78kg/s，热泵驱动抽汽量与附加供暖抽汽量之和为111.5kg/s，节省供暖抽汽量41.28kg/s，这部分抽汽可以返回汽轮机中继续膨胀做功，汽轮机可以在不增加燃煤的情况下增加发电功率，增加发电功率17.86MW。根据文献[2]，提高热泵的制热系数可以降低机组供暖抽汽量，提高系统的效率，图3中节省的供暖抽汽量并没有随着热泵制热系数的增加而变化，这是因为热泵系统已经达到最大负荷并且回收的机组冷端损失有限。因此，当热泵系统回收额定数量的机组冷端损失时，通过改变驱动蒸汽压力、热网水进口温度等参数增大热泵制热系数节省更多供暖抽汽的方法是不可行的。

图3 抽汽量与供热量关系曲线Fig.3 The relationship between pumping quantity and heating quantity

若以供热机组平均供电煤耗330g/kWh计算，安装热泵系统后增加的发电量相当于节省了发电煤耗，一个供暖季大约节省21200t标准煤，煤价按600元/吨，节能收益约为1272万元；若直接以回收热量为基础计算折算标煤46934t/a，节能收益达2816万元。图2为机组对外供热量不变情况下，几种不同计算方法得到的电厂采用热泵供热后的节能收益。

图4 几种计算方法得到的电厂节能收益Fig.4 Several computational methods are obtained for the power plant energy saving gains

从图2中可以看出，不同的计算方法所得出的电厂节能收益结果存在很大差异，与实际节能收益最大相差达3536万元，因此在对热泵供热机组的节能收益进行实际计算时，应该根据工程具体情况选择适当的收益计算方法计算。当机组供热量大于机组供热能力时，采用热泵供热能增加机组对外供热量，此时以热负荷增加为基础进行收益计算；当电网电负荷要求较高，即机组供热能力大于供热需求时，抽汽返回汽轮机做功增加的发电量可以上网，增加机组全年发电量指标，此时以发电负荷增加为基础进行收益计算；当机组供热能力大于供热需求，且机组发电功率不变时，应以节省标煤量来评价热泵系统节能收益。

5 结论

通过对300MW带热泵热电联产供热机组计算分析，可得出如下结论：采用吸收式热泵供热系统回收电厂循环冷却水余热，可以在保证机组容量不变的情况下增加机组的供热能力，有效地缓解了日益增长的供热负荷需求和有限热源供热能力之间的矛盾；热泵供热系统投入使用后，对于电厂而言，不同的计算方法所得出的节能收益计算结果差别较大，因此，应根据机组实际运行中的具体工况选择不同的计算方法，使得企业收益更切合实际情况。

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[3] 姚群力.循环水余热利用收益的算法讨论[J].科技创新与应用,2014,(20):151.

[4] 周崇波,赵明德,赵立军,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] 田泽辉,解国珍,张凡.溴化锂吸收式热泵循环理论分析与计算机模拟[J].制冷与空调,2014,28(2):116-121.

[6] 张学镭,陈海平.回收循环水余热的热泵供热系统热力性能分析[J].中国电机工程学报,2013,33(8):1-8.

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[9] 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.

Technology and Economy of Condensing Heat Supply in Thermal Power Plant by Absorption Heat Pump

Zhou Zhenqi Cui Chunhui Yuan Meng Wang Shenghua Wang Dongliang Wang Shuo
( Energy Resource and power Engineering College, Northeast Dianli University, Jilin, 132012 )

Introduces the process flow of absorption heat pump, taking a 300MW pumping unit as an example, analyzes the changes of the heating capacity of the heat pump units, and calculates and analyzes the energy efficiency of the unit. The results show that the heating capacity of the unit is greatly increased with the same pumping capacity, and the difference of the energy saving results obtained by different calculation methods is different. Therefore, it is suitable for the calculation of the actual operating conditions of the heating unit.

thermal power plant; absorption type heat pump; pumping steam; heating capacity; energy saving

TB611

A

务待处理cdq

1671-6612（2017）01-077-04

作者（通讯作者）简介：周振起（1963-），男，硕士，教授，研究方向为电厂节能理论与节能技术，E-mail：835601579@qq.com

2015-10-26