耦合吸收式热泵供热机组热力性能分析

莫子渊

【摘 要】以某600MW超临界机组为基础进行改造，耦合吸收式热泵和螺杆膨胀机，并构建了系统的仿真模型，分析得到了改造供热机组的热力性能。将改造机组和传统供热机组比较，获得了机组优化具体结果。结果表明：吸收式热泵在机组高负荷运行时性能更好，在额定工况下改造机组相比传统机组发电标准煤耗率降低了4.891 g/kW·h，在供热负荷都为500 MW时，改造供热机组可少抽汽64.708 t/h。研究结果可为热电联产机组的供热改造提供一定的参考。

【关键词】热电联产;吸收式热泵;螺杆膨胀机;热力性能;热经济性

【中图分类号】TM621 【文献标识码】A

Abstract：A 600MW supercritical unit was used as the basis for transformation，coupled with an absorption heat pump and a screw expander，and a simulation model of the system was constructed，and the thermal performance of the reformed heat supply unit was analyzed. The results show that the absorption heat pump has better performance when the unit is operating at high load. The standard coal consumption rate of the modified unit is reduced by 4.891 g/kW·h compared with the traditional unit under rated conditions. When the heating load is 500 MW，Retrofitting the heating unit can save 64.708 t/h of steam extraction. The research results can provide a certain reference for the heat supply transformation of the cogeneration unit.

Keywords：Cogeneration;absorption heat pump;screw expander;thermal performance;thermal economy

前言

到2020年，热电装机比重将能达到接近40%[1]。热电机组凝汽器中有大量冷源损失，这部分损失的热能由电厂循环冷却水带走，排放到环境中会造成热污染[2～3]。我国一般设定热网水供水温度为120℃～130 ℃，且实际运行过程中其温度常低于设定值[4～5]，而热用户侧的室温要求只需达到20℃即可[6]，显而易见热网侧与热用户侧存在很大的温度不匹配情况，中间有相当大的一部分能量在运输、换热过程中损失，使能源利用率降低。而本文的目的在于回收热电联产机组中的冷源损失，节能降耗。

戈志华等[7]建立了高背压余热梯级利用理论模型，可用于指导高背压供热机组改造。万燕等[8]研究了两种主流高背压供热改造方式，并进行了全工況计算。戴远航等[9]提出了一种风电场和含储热的热电联产联合运行的调度模式。张学镭等[10]在热电联产系统中引入了吸收式热泵来回收电厂冷却水余热，实现能量的梯级利用。

本文基于能量梯级利用的思想对常规抽汽供热机组进行改造，系统中新加入吸收式热泵和螺杆膨胀机，并运用Ebsilon软件建立了系统模型，研究改造后供热机组的热力性能，为供热机组的优化改造提供了一定的借鉴。

1 改造供热机组系统介绍

本文建立的耦合吸收式热泵和螺杆膨胀机的600 MW超临界供热机组系统原理图如图1所示。相比常规抽汽供热机组，本文使用了吸收式热泵来回收电厂循环冷却水余热，并且考虑到吸收式热泵发生器所需的驱动热源品质要求不高，故将部分中压缸排汽通入发生器前，先通入到螺杆膨胀机做功发电后再进入到发生器，合理利用了能源。因为吸收式热泵提高了一次热网回水的温度，在尖峰加热器中加热时换热温差减少，减少了换热?损。

2 供热机组相关模型建立

吸收式热泵的热量转移示意简图如图2所示。它是一种实现低温向高温输送热量的设备。第一类吸收式热泵的性能系数COP值处于1.5～2.5之间，能有效提高热电厂的能源利用率。

3 系统仿真结果及对比分析

3.1系统设计参数

新系统设定设计工况下一次热网供回水温度为120 ℃/50 ℃，流量为6122 t/h，总抽汽流量为613.2t/h，则系统的总供热负荷为500 MW，按热用户耗热指标为48 W/m2，则供热面积为1041.7万m2。在总供热负荷中，作为基本负荷热源的吸收式热泵提供的热负荷为121 MW，作为调峰热源的尖峰加热器提供的热负荷为379 MW，基本负荷热源供热占比为0.243。系统中吸收式热泵的COP值为1.70。本文设定环境温度为273.15K。新系统的具体设计参数如表1所示。

3.2 改造供热机组系统热力性能分析

本文改造的供热机组在设计工况下，吸收式热泵可以将6122 t/h的一次热网回水从50 ℃加热到67 ℃，期间实现将9500 t/h的电厂循环冷却水从26 ℃降低到21.5 ℃，一定程度地减小了对环境的热污染。而100 t/h的中压缸排气抽汽经过螺杆膨胀机利用后压力从1.179 MPa降低到0.3 MPa，温度降低了124 ℃，通过利用压差能，与螺杆膨胀机相连的发电机产生电量6.476 MW，在供给系统中其他泵功消耗后仍剩余6.241 MW。经过计算，供热机组各工况下的热力性能参数如表2所示。

在总供热负荷中，可以看出，从VWO工况逐步变化到50% THA 工况，吸收式热泵供热负荷占比是缓慢提升的。由表2可知，随着负荷降低，发电煤耗率降低，热经济性越来越好，螺杆膨胀机?效率小幅度提升，而吸收式热泵?效率小幅度降低。

4 结论

本文对传统抽汽供热机组进行改造，并搭建出600 MW超临界供热机组仿真模型，得到了新系统的热力性能，可为供热机组改造提供一定理论参考，得出的结论如下：

（1）本文新增了吸收式热泵和螺杆膨胀机，能有效回收电厂循环冷却水的余热和中压缸排汽抽汽的压差能，节能降耗，提高了热电厂能源利用率。

（2）与常规抽汽供热机组相比，本文系统热力性能更为优越，经济性更好，表现在发电量增大，设计工况下发电标准煤耗率降低了6.166 g/kW·h，这对于此参数来说下降程度巨大。且在供热负荷相同时，新系统可少抽汽64.12 t/h，很好地体现了节能降耗的原则。

参考文献：

[1]国家发展改革委，环境保护部，国家能源局. 煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）[R]. 2014（in Chinese）.

[2]高慧云，肖宁.我国热电联产产业的发展趋势[J].发电设备，2010，24（06）：467-469.

[3]贺益英.关于火、核电厂循环冷却水的余热利用问题[J].中国水利水科学研究院学报，2044（04）：81-86.

[4]邓拓宇，田亮，刘吉臻.利用热网储能提高供热机组调频调峰能力的控制方法[J].中国电机工程学报，2015，35（14）：3626-3633.

[5]戈志华，杨佳霖，何坚忍，贺茂石.大型纯凝汽轮机供热改造节能研究[J].中国电机工程学报，2012，32（17）：25-30+139.

[6]贺平，孙刚. 供热工程[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2009：4-12.

[7]章艳，吕泉，李杨，张娜，王海霞，孙辉.四种热电厂电热解耦改造方案的运行灵活性剖析[J].电力系统自动化，2020，44（02）：164-172.

[8]戈志华，孙诗梦，万燕，赵世飞，何坚忍.大型汽轮机组高背压供热改造适用性分析[J].中国电机工程学报，2017，37（11）：3216-3222+3377.

[9]戴远航，陈磊，闵勇，徐飞，侯凯元，周莹.风电场与含储热的热电联产联合运行的优化调度[J].中国电机工程学报，2017，37（12）：3470-3479+3675.

[10]万燕，孙诗梦，戈志华，何坚忍.大型热电联产机组高背压供热改造全工况热经济分析[J].电力建设，2016，37（04）：131-137.

作者简介：

莫子淵，（1996.8-），男，汉族，湖北潜江人，硕士研究生，主要从事螺杆膨胀机、余热余压利用技术。

（作者单位：华北电力大学能源动力与机械工程学院）