溴化锂吸收式热泵技术在热电冷联产中的应用分析

崔明浩 强天伟 向俊 任永花

摘要：针对我国电厂存在巨大的节能潜力，阐述了溴化锂吸收式热泵技术回收利用电厂余热的原理，对溴化锂吸收式热泵技术在热电冷联产中的运用进行了分析，并结合实际案例计算了具体的节能效果和经济效益。

关键词：溴化锂;吸收式热泵;热电冷联产;节能;经济效益

中图分类号：TH38

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）4-0181-04

1 引言

我国冷凝式发电厂的发电效率不高不到40%，热量损失达50%以上，对较低品质的热量加以回收利用，可提高热电厂的能源效率。热电厂具有充足的蒸汽资源，采用吸收式热泵回收系统能发挥其资源优势，提高经济效益及能源利用率[1]。采用以溴化锂吸收式热泵技术为基础的各种蒸汽、热水、烟气驱动的吸收式冷（热）水机组代替空调系统的冷热源，与热电冷联产相结合，回收利用余热，可以提高能源利用率，达到节约能源、降低生产成本的目的[2]。在热电转换过程中，产生的大量乏汽通过凝汽器随循环冷却水排放到环境中，这部分低品位余热能量巨大[3]。因此吸收式热泵可用于对热电厂凝汽器冷凝热回收。目前这种热回收技术已有很多成功的研究成果和运行经验。本研究对溴化锂吸收式热泵技术在热电冷联产中的应用，结合实际案例对其节能效果分析其优势和特点，并计算产生的具体经济效益，为相关应用提供技术参考。

2 溴化锂吸收式热泵技术在热电冷联产中应用的工作原理

溴化锂吸收式热泵由取热器、浓缩器、加热器和再热器4个部分组成（如图1）。以蒸汽为驱动热源，溴化锂溶液为吸收剂，水为制冷剂，利用水在低压真空状态下低沸点沸腾的特性，提取低品位废热源中的热量，通过回收转换制取采暖用高品位的热水。因此制冷循环实际上是溴化锂水溶液由稀变浓再由浓变稀和冷剂水先由液态变汽态再由汽态变液态的循环过程。在溴化锂机组中，热量输入输出的媒介分别由热媒水、冷媒水、循环水三个独立循环系统组成，由其工作原理可知，热媒水和冷媒水输入的热量应等于循环水输出的热量。

电厂循环冷却水（间接空冷）或乏汽（直接空冷）带走的热量约为电厂总能耗的40%～60%，尽最大可能地回收这部分余热具有非常可观的社会和经济效益。溴化锂吸收式热泵应用于吸收循环冷却水的低温热源加热热网回水，其系统如图2。热泵与热网加热器可串联运行，也可单独运行。热泵单元系统包括：驱动蒸汽进汽系统，两路凝结水系统，余热水进、出水系统，热网水进、出水系统，抽真空系统，热泵本体等。

3 溴化锂吸收式热泵技术在电厂运用技术分析

坚持可持续发展战略思想，解决火（热）电厂生产中枢部位的空调问题必须审计使用能源和原料的方式，力求减少损失，杜绝浪费并尽量不让废物进人环境。因此，火（热）电厂所采用的空调机组及其系统应该满足以下条件：①空调机组及其系统能从火（热）电厂的生产过程中获取低火用热能（抽汽和排汽的热能），回收利用生产中废弃的低温余热（乏汽余热）。②空调机组及系统对环境极少产生污染或不产生污染，并能降低火（热）电厂生产过程所造成的环境污染，例如能降低汽轮机乏汽余热的热污染。

火（热）电厂擁有丰富的低火用热能而压缩式空调机组以高品位的电能为驱动能源。与压缩式空调机组不同的吸收式热泵机组是以热能为驱动能源，它要求驱动热能的温度和压力并不高（双效型吸收式热泵机组的加热蒸气为火用用P=0.4～0.6 MPa表压的饱和蒸汽），第一类溴化锂吸收式热泵空调机组在制热时，还有1/2左右的热能来自低温热源，低温热源的温度t_d<60℃，因此，第一类吸收式热泵空调机组能够利用低火用热能（排热、余热、废热），特别是它具有回收利用低温余热的长处。如锅炉连续排污水扩容产生的二次蒸汽、轮机的抽汽及汽轮机乏汽的余热。采用吸收式热泵空调机组，能充分地将这些低火用热能利用起来，不仅节约了能源，使能源得到了经济合理的利用，而且还改善了汽轮机的运行工况，提高了汽轮机运行的经济性能，减少了乏汽对大气环境的热污染。因此，在低火用热能丰富的火（热）电厂，使用吸收式热泵空调机组，相对于使用螺杆压缩式空调机组具有很大的节能优势。

4 溴化锂吸收式热泵技术的优势

热电厂供热最大值出现在冬季，最小值出现在夏季，夏季用热负荷骤降是普遍规律。为解决这一热规律，采用溴化锂吸收式制冷机组，既可满足余热（乏气等）回收制冷又可达到提升电力生产，同时可填补热负荷在夏季出现低谷现象，以达到节省电力，降低能耗和提高电力效益。最显著的特征如下。

（1）可利用生产工艺过程中的废（余）热制取冷水，节省了为获得低温冷水而需要消耗的电能等高品位能源，提高了能源利用率。机组同时具备制热、制冷两种功能，通过阀门和管路的的切换可以实现不同季节空调的需求，不仅方便且降低了空调系统的初投资。

（2）以水做制冷剂、溴化锂溶液为吸收剂，无臭、无毒，不存在氨或氟里昂等对环境的影响，属于绿色环保冷媒，符合国际环保要求。

（3）机组运行几乎没有运动部件，运行安全可靠，噪音小（小于80dB（A》，使用寿命长。

（4）以溴化锂吸收式制冷机组制取冷水，对汽轮机进口空气进行预冷，可有效的提高电厂的经济效益。

（5）机组操作方便，自动化程度高，易于管理[5]。

以某电厂改造后一个运行季度为例计算了各部分对供暖贡献的数据（表1）。

从表1可以看出，采用吸收式热泵可利用汽轮机乏汽向外供热量占到一个采暖季供热量的36.6%热量是由汽轮机的乏汽来实现的，若不采用吸收式热泵提取这部分余热，这部分余热是要排掉的，采用该技术有以下三方面直接优势：在机组供热抽汽量一定的工况下，能再增加一定量供热负荷。利用汽轮机的乏汽向外供热为电厂提高了经济收。此部分供热代替原来的余热锅炉供热，减少了污染物排放所以采用此种技术，不但满足社会对供热环境的要求，而且也达到了电厂利用余热增加收益的需求。

5 溴化锂吸收式热泵技术的经济性能指标

能量指标有3种，分别为：机组的性能系数COP（热力系数）、火用效率、和当量热力系数。

对于制冷装置而言，能量指标是指所制取的冷量与耗用能量的比值，它可以衡量制冷机的经济性能[6]。

热力系数是吸收式制冷机制冷量Q。与机制消耗的热量Q_g冷量之间的关系，也用于评价制冷机的经济性，也称COP值，COP仅表示了获得单位冷量需消耗的热能。

火用效率虽然考虑了能量的品位，可以判断系统或设备内有效能的利用程度和不可逆程度。

对吸收式制冷机而言，热力系数、COP性能指标无法反映热能的来源和产生过程。火用效率虽然考虑了能量的品位，可判断利用程度和不可逆过程，但由于也没有反映热能的来源和利用的过程。所以火用这种指标不能完全评价制冷机的经济性。

而我国目前利用的热能来自燃料，电能的绝大部分也是由火力发电产生。因此，用消耗单位数量的燃料可以产生的冷量——当量热力系数作为评价指标，是最合理的。

以SX26 - 115D蒸汽型双效吸收式制冷机和FLZ-1000离心压缩式制冷机两种机型为例（表2），由表2可以看出吸收式制冷机组的当量热力系数约为压缩式制冷机组的3倍。

通过气水式换热器即可冷却燃气轮机的进口空气，使空气温度降低，质量流量增加，发电效率提高[5]。额定功率100 MW的燃气轮机发电机组输出功率与环境空气温度的关系如图3所示。

由图3可知当有效降低环境温度（汽轮机进气口温度）时汽轮机组的输出功率会有所增加。

6 溴化锂吸收式热泵余热回收分析

6.1 以国电大武口热电有限公司为例

国电大武口热电有限公司装设有8台RHP- 331溴化锂吸收式热泵，热泵单元系统包括驱动蒸汽进汽系统，两路凝结水系统，余热水进、出水系统，热网水进、出水系统，抽真空系统，热泵本体等。现场运行结果表明，热泵系统工作稳定，节能效果明显。热能供热能量的分析表热如表3所示。

国电大武口热电有限公司8台溴化锂吸收式热泵机组运行一个供热期（151 d/3624 h）带来巨大的经济效益和环境效益。

（1）可回收余热量1336 TJ[供热高峰期回收余热=113.4×l0³3 kW×1087 h= 443.7（ TJ），供热非高峰期回收余热=（97.7×l0³） kW×2537 h=892.2TJ]折成标准煤约5.01×l0⁴ t。

（2）减少排放COzl.448×l05 t，减少排放S021200 t。

（3）机组按全年按5500h计算，机组全年发电标准煤耗降低5.01×10⁴×l0⁶ g/（5500×2×330×l0³ kW）=13.8 g/（kW·h）。

（4）传统供热模式供热标准煤耗为38.2 kg/GJ，热泵供热标准煤耗22.6 kg/ GJ。

6.2 以温州龙湾燃机电厂为例

温州龙湾300MW燃气一蒸汽联合发电厂选用美国通用电气公司（ GE）的PG9117E型燃机2台，每台容量为100 MW级，燃用原油，两台嫩气轮机的余热总量达1.8 TJ/h，为实现联合循环，设置了2台比利时CMI公司的余热锅炉和1台GE公司的100MW级的汽轮机。采用“2+1”方式运行（2台燃气机加1台蒸汽轮机组成一个单元）。余热锅炉为双压（低壓和中压）系统，具有旁通烟道的无补燃强制循环余热锅炉。低压蒸发器的出力40 t/h此蒸汽压力0.42 MPa（绝压），蒸汽饱和温度145.2℃。

当环境空气温度为23℃、燃机为100%负时，空气的质量流量为398.65 kg/s，干空气的比定压热容约为1.005 kJ/（kg.K）。将空气温度从39.4℃降低至23℃所需要的制冷量为：

398.65 kg/s×1.005 kj/（kg. K）×（39.4 - 23）℃=6570 kW

加热蒸汽为0.4 MPa（表压）的SX24系列蒸汽双效嗅化锉吸收式制冷机组的蒸汽消耗量约1.5 kg/（ kW.h）。故蒸汽总耗量为：6570 kW×1.5 kg/（kW.h）一9.855 kg/h

由图3可知，当环境空气温度为39.4℃时，燃气轮机的功率约83 MW，当环境空气温度为23℃时，燃气轮机的功率约95MW，发电量可提高约12 MW。

一般1t低压蒸汽的发电量可按332 kW·h估算，则由于部分低压蒸汽用于驱动溴化锂吸收式制冷机制冷而减少的发电量约为：9.855 kg/h×332 kW·h=3.272 MW。采用溴化锂吸收式制冷机产生的冷量冷却燃气轮机进口空气，可净增发电量为：12 -3.272=8.728 MW。

综上实例表明：电厂使用溴化锂吸收式热泵技术不仅可以达到能源综合利用、节能减排的作用，同时也可以提高热电冷联产的经济效益，使用溴化锂吸收式热泵技术可提高电厂的综合效益，是实现节能减排、环境友好型生产方式的重要途径，也是未来电厂实现热电冷联合发展的经典模式。

7 总结

溴化锂吸收式热泵技术可有效利用机组余热乏汽不仅可以提高电厂的经济效益，同时达到了能源综合利用和减少了污染物的排放，提高了社会经济效益。使用溴化锂吸收式机组可避免电厂夏季用热低谷现象。通过对汽轮机进气的预冷可有效提高电厂夏季的电量输出。充分利用低火用热能供冷可有效避免夏季用电高峰使用高位电能供冷的局面，从而缓解夏季电量紧张的现象，是未来区域采用电厂集中供热、供冷的主要趋势。使用溴化锂吸收式热泵技术可方便综合考虑当下电、燃料、冷热用量三者之间的经济利益，根据不同季节各自需求灵活方便的调整电厂输出，使效益最大化。

参考文献：

[1]李聪聪，双效溴化锂吸收式热泵热回收系统在热电厂中的应用[D].天津：天津大学，2012.

[2]王振铭，从节能、环保角度谈发展热电联产的重要意义[J].电力技术经济，2002（5）：39～40.

[3]李岩，付林，张世钢，等.电厂循环水余热利用技术综述[J].建筑科学，2010，26（10）：10～14.

[4]烟台荏原空调设备有限公司.溴化锂吸收式热泵可公开资料[R].烟台：荏原空调设备公司，2012

[5]姜周曙，胡亚才，屠进，等.溴化锂吸收式制冷技术在电厂节能中的应用研究[J].能源工程，1999（3）：32～34.

[6]王曙.吸收式热泵回收汽机乏汽余热技术研究[D].北京：华北电力大学，2015.