一种吸收式热泵—空冷复合系统的热力学分析

郭东奇

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

我国北方火力发电厂大多为空冷机组，空冷机组在电厂节水方面优势显著，但与湿冷机组相比也有不足，如直接空冷机组，运行背压高，空冷风机耗电量大。冬季空冷系统需要采取防冻措施，夏天空冷系统的冷却能力会受到限制，空冷系统背压可达50 kPa，限制机组约10%～20%的额定出力，严重制约机组安全、经济运行。

为提高空冷机组夏季运行的安全稳定性以及机组热经济性，本文在现有技术的基础上提出一种新型吸收式热泵—空冷复合系统，为降低空冷机组运行背压，改善空冷机组夏季运行工况提供一种可行方案。

1 吸收式热泵—空冷复合系统介绍

图1 为新型吸收式热泵—空冷复合系统原则性热力系统简图，该系统以某电厂2×300 MW 亚临界直接空冷机组为依据，机组选用亚临界、一次中间再热、单轴、双缸双排汽直接空冷凝汽式汽轮机。本系统在原系统基础上新增一套吸收式热泵系统和一台换热器，改善机组运行工况。

系统运行时，机组一部分排汽进入空冷散热器，一部分引入热泵蒸发器，热泵蒸发器中的乏汽凝结水接至排汽装置。利用汽轮机六段抽汽作为热泵系统的驱动蒸汽。机组的乏汽凝结水接至热泵冷凝器吸收热量。经热泵加热的较高温度的乏汽凝结水再进入末级回热加热器中继续吸收热量。当热泵负荷较高，除满足加热乏汽凝结水外还有多余热量时，可以投入新增的换热器对外供热。

图1 新型吸收式热泵—空冷复合系统原则性热力系统简图

通过热泵系统吸收一部分机组乏汽，降低空冷散热器的负荷，将机组的背压维持在设计背压或降低至设计背压以下，达到提高机组安全稳定运行的目的，同时也提高机组整体的运行效率。

2 系统热力学分析指标

空冷发电机组引入该系统后，可以通过调节热泵蒸发器中吸收剂的蒸发温度，调节乏汽冷凝温度，进而调节机组背压。乏汽进入热泵可减少空冷岛的散热负荷，降低厂用电率，提高机组循环热经济性。本系统使发电机组不再需要增设尖峰冷却系统或加装喷雾降温等系统，可降低厂用电率以及建设费用。利用热泵加热乏汽凝结水，降低末级回热加热器的负荷，进而减少末级抽汽量，机组出力得到提高。

由以上分析可知，热泵蒸发器的蒸发温度和热泵系统吸收机组乏汽的比例会对整个机组有较大的影响，为此采用热量法和火用方法对机组进行热经济性分析。

热力学分析计算的参数依据为汽轮机厂家提供的汽轮机夏季工况热平衡图，只对改造部分进行参数优化，其余部分维持机组设计参数不变。针对机组背压和乏汽分配比例两个因素对机组性能的影响，主要考察机组发电量、发电标煤耗、发电效率、全厂汽耗率、全厂热耗率、全厂热效率以及全厂效率等热经济性指标。

假设汽轮发电机组参数稳定，工质参数设定与汽机热平衡图保持一致；空冷岛仅考虑散热量，不进行空冷散热器耗电量的计算；各个换热器的换热效率为100%；热泵的COP 为1.7；热泵加热乏汽凝结水的最高温度为90 ℃；环境温度取25 ℃。

汽轮机排汽背压的计算范围为27.5～5 kPa，其中27.5 kPa 为机组背压的夏季设计工况；空冷散热器与热泵吸收汽轮机排汽的比例变化范围为1～0.9。

3 系统热力学计算

进入空冷散热器的乏汽比例α

式中：Mc为进入空冷散热器的乏汽流量，kg/h；Mhp为进入热泵的乏汽流量，kg/h。

发电效率np

式中：P为机组发电量，kW；Q为输入机组的热量，kJ/h。

发电热耗率qp

发电汽耗率dp

式中：M0为新蒸汽质量流量，kg/h。

发电标煤耗bp

全厂热效率nh

式中：Qs为对外供热量，MW。

全厂火用效率ne

式中，Es为对外输出热量所含火用，kW；E0为输入循环系统的火用，kW。

以Pe为基准，所考察的热经济性指标中np与Pe成正比；qp、dp以及bp与Pe成反比，nh和ne与Pe成正相关的关系。

4 系统热力学指标计算结果与分析

4.1 热泵负荷Qhp 分布图

图2 为Qhp随α 和机组背压pc的变化关系图，图中虚线及其下方为热泵仅用作加热乏汽凝结水的工况。虚线部分为热泵将乏汽凝结水加热到90 ℃的工况，由于热泵出口水温最高能够达到90 ℃，当热泵将乏汽凝结水加热至90 ℃以后还可以对外提供热量。虚线可以认为是热泵只加热乏汽凝结水与热泵可对外供热两种工况的分界线。

图2 pc 和α 对Qhp 的影响

由图2 可以看出，热泵分担的机组乏汽量越大，机组背压就越低。当背压不变时，热泵分担机组乏汽的比例越大，对外提供的热量越大。

为便于机组运行调节，将pc和α 之间的变化关系拟合为一个多项式函数，如式（8） 所示。

4.2 机组发电量Pe 和发电效率np

图3 为Pe随α 和pc的变化趋势。从图3 中可以看出，当α 保持不变时，Pe随着pc的降低而逐渐上升。当pc不变时，Pe随着α 值的降低先逐渐上升达到一个最大值，然后逐渐下降，且下降速度要大于上升速度，该最大值随着α 的降低逐渐升高。不同pc的Pe的最大值工况对应图2 的分界线。

计算结果显示，Pe最大为311.846 MW，对应的工况α 值为0.927，pc为5 kPa，比机组原有出力提高了3.925%。当pc达到5 kPa 时，避免了由于夏季环境温度过高，机组背压过高的影响，机组可以安全稳定运行，节能效益显著。

图3 pc 和α 对Pe 的影响

由计算公式可以看出np与Pe成正比，故np的变化趋势与Pe一致。np的最大值为0.423，对应的工况α 值为0.927，背压pc为5 kPa。

从图3 中还可以看出，热泵只加热乏汽凝结水有利于提高发电效率，而当热泵对外供热时，机组的发电效率会有所减少。两种工况的不同变化趋势可能是由于六段抽汽的品质较高，用于热泵的驱动蒸汽量较大时导致进入汽轮机的蒸汽做功能力降低。

4.3 发电热耗率qp、发电汽耗率dp、发电标煤耗bp

图4 为qp随着α 和pc的变化关系图。由图4 可以看出，当α 不变时，qp随pc的降低而逐渐降低。当汽轮发电机组的排汽背压相同时，qp随α 的减小先逐渐减小然后逐渐增大。每个背压均有一个α 使得qp最低，而不同背压下qp最低值对应的α 值随着背压的降低也逐渐减小。当机组背压为5 kPa，α为0.927 时，qp达到最低值8 502.62 kJ/(kW·h)。

从式（4）、式（5） 可以看出，dp、bp均与qp成正比，qp最低工况也对应dp与bp的最低值，当机组背压为5 kPa，α 为0.927 时，dp为3.196 kg/(kW·h)，bp为0.291 kg/(kW·h)。

图4 pc 和α 对qp 的影响

4.4 全厂热效率nh 和火用效率ne

图5 为nh随α 和pc的变化关系图。从图5 可以看出，当pc一定时，nh随α 的降低而逐渐上升，热泵对外供热以后，nh的上升速度增加；当α 保持不变时，随着pc的降低，nh的变化趋势有3 种情况：当0.97≤α＜1 时，热泵仅仅加热乏汽凝结水，nh随pc的降低而逐渐上升；当热泵0.927＜α＜0.97时，热泵不仅加热乏汽凝结水，还要对外供热，nh随着pc的降低先逐渐降低而后逐渐上升；而当α≤0.927 时，nh随pc的降低而逐渐降低。最佳工况下nh并不是最高值，该工况下热泵并不对外提供热量，最佳工况下nh为0.423。

图5 pc 和α 对nh 的影响

从图5 还可以看出，由于原空冷机组的冷源热损失较大，引入热泵系统后对于nh有明显的提高作用。热泵仅用于加热乏汽凝结水时，机组热效率的提高幅度要明显小于热泵对外供热以后的热效率提高幅度。从这一点也可以看出，本系统可以根据实际情况寻求外部热用户以提高全厂热效率。

ne与Pe和nh均成正相关的关系。ne的变化趋势与nh的变化趋势基本一致，当α 保持不变时，随着pc的降低，ne逐渐上升；当pc为定值时，ne随α 的减小而逐渐上升，且当热泵对外提供热量时，ne上升的速率要比单独加热乏汽凝结水工况的上升速度快。在热泵只加热乏汽凝结水的工况下，α 为0.927，pc为5 kPa 时，ne最高，达到0.791。当热泵开始对外供热时，pc越低，α 越低的工况对应ne越高。

综上，吸收式热泵—空冷复合系统可以通过热泵降低机组背压，提高机组运行的安全稳定性，进而提高全厂的循环性能，对全厂能源效率的提高具有积极作用。

5 结论

着眼于改善空冷机组夏季运行工况，提升机组运行安全稳定性和运行效率，提出一种吸收式热泵-空冷复合系统。利用吸收式热泵蒸发器的制冷作用，通过吸收一部分汽轮机乏汽热量降低机组背压，达到提高机组安全稳定运行的目的。

a） 本系统最佳运行工况可以将机组背压pc降低至5 kPa，此时热泵分担机组乏汽的比例为7.3%，机组发电量Pe为311.846 MW，比机组原有出力提高了3.925%，发电效率np提高了4%，发电热耗率qp上升了3.9%，全厂热效率nh提高了4%，全厂火用效率ne提高了4%，发电标煤耗bp降低了3.8%。

b） 得到背压pc与空冷乏汽分配比例α 之间的拟合函数，实现机组在不同环境温度下都能达到最佳运行工况。

c） 如果电厂周围存在热用户，可以将热泵多余的热量对外输出，以提高全厂效率，一定程度上还可以提高机组的运行效率。