600 MW湿冷机组利用热泵回收余热供热措施优化

周新乐，薛昊栋，周永钢

（华电内蒙古能源有限公司包头发电分公司，内蒙古 包头 014013）

0 引言

汽轮机排汽热损失占热电厂全厂各项损失的50%以上[1]，占机组额定供热量的30%以上，合理利用该余热不仅可以有效提高热电厂的供热量[2]，而且可以降低供热机组的发电煤耗率。吸收式热泵可以从低温热源提取低品质能量并转化为较高品质能量，仅消耗少量的逆循环净功就可以得到较大的供热量[3]，从而提高热电厂供热能力。本文以华电内蒙古能源有限公司包头发电分公司（以下简称华电包头分公司）600 MW 湿冷机组热泵余热利用供热改造为例，依据热泵系统实际运行情况，结合热泵整体节能效果计算分析，给出热泵较为合理的运行节能调整手段和系统调整思路，为其他热电厂改造提供借鉴。

1 设备概况及存在的问题

华电包头分公司600 MW湿冷机组单机额定抽汽流量400 t/h，平均抽汽压力0.45 MPa，平均抽汽温度330 ℃。热网水流量为8000～9000 t/h，尖寒期供热温度96 ℃，回水温度为50 ℃。依据以上参数选用单台容量为60 MW 溴化锂热泵，共6 台，能效比（即供热热网水吸收热量与维持热泵运行而需加入的高温驱动蒸汽热量的比值）COP为1.7。热泵系统由2号机组带，2号机组热网抽汽用于热泵的驱动汽源282 t/h，最大可回收2 号机组的循环水余热功率为148 MW。热网水先进入热泵，由50 ℃最高加热至81 ℃，然后再进入热网首站由1号机组热网加热器继续加热，从81 ℃加热至所需的供热温度（流程见图1）。

图1 吸收式热泵解决方案流程图Fig.1 Absorption heat pump solutions flow chart

冬季2号机组凝汽器循环水系统为一台低速循环泵，循环水流量为33 000 t/h。部分循环水（流量约21 000 t/h）进入热泵系统，温度从35 ℃（设计温度）下降到29 ℃，然后排至2号机组凉水塔塔池，其余循环水进入2 号机凉水塔冷却。按照进入热泵35 ℃的循环水要求，需要提高机组背压约1.8 kPa。

最初系统设计可降低机组全年耗煤量71.3 kt，并可减排NOx约500 t、SO2约1700 t，具有良好的节能减排效益。但在实际运行中，存在着制约热泵节能的因素：供热初末期热需求量低，热泵无法达到额定负荷，而机组带热泵影响主机真空；在机组带热泵运行中，环境温度变化大，水塔悬挂的挡风板数量无法及时调整，影响余热水温度调整，影响主机真空，从而导致实际热泵节能效果下降。

2 溴化锂吸收式热泵工作原理

溴化锂吸收式热泵可以利用现有热网抽汽作为驱动热源，以溴化锂浓溶液为吸收剂，溴化锂吸收式热泵水为蒸发剂，利用水在真空状态下低沸点蒸发吸热的特性，提取凝汽器出口低温循环水的余热热量，然后通过吸收剂回收热量并转移至热网水侧供热。溴化锂吸收式热泵由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和热交换器及抽气装置、屏蔽泵（溶液泵和冷剂泵）等组成（见图2）。

图2 溴化锂吸收式热泵工作原理Fig.2 Working principle of lithium bromide absorption heat pump

吸收式热泵的能效比COP 值，按设计工况取1.7～2.2。而直接用常规加热器加热的COP 值为0.9。采用溴化锂吸收式热泵替代热网加热器加热在获得相同热量的情况下，可节约42%以上的燃料消耗量，节能效果显著。

3 解决方案

3.1 热泵系统运行调整

供热安全是保证供热量和实现供热经济性的前提，所以合理安排供热方式非常重要。若供热初末期全部由热泵供热，一旦2号机组出现故障停机，1 号机组热网系统因需要长时间的暖管疏水、冲洗以及系统操作，会造成6～8 h的供热中断，尤其在供热尖寒期影响更明显。所以1号机组要尽可能带最小的供热负荷，从而保持1号机组供热系统为热态，随时接带较大供热负荷。在此基础上优先保持热泵系统高负荷运行。在供热尖寒期，热泵为基础供热设备，只有在6台热泵全部投入运行，依然不能满足供热需求时，再增1 号机组热网加热器进汽量作为尖寒期调峰手段，维持供热温度稳定。

600 MW 机组负荷波动大，凝汽器出口循环水温度也随之有较大变化。正常情况下凝汽器循环水温升为10 ℃，而进入热泵的循环水温降仅有5 ℃，因而需要随时调整分配循环水上塔水量与进热泵水量，从而维持凝汽器出口循环水温度在热泵正常工作范围内。所以循环水上塔电动阀和循环水进热泵电动阀选择调节阀最为合适，这两个阀门协调配合来调整进入热泵循环水量和温度，循环水温度高时加大上塔水量，循环水温度低时加大进入热泵系统循环水量。同时根据机组最低负荷（50%负荷）下循环水温度情况，合理增加或减少水塔挡风板数量。这样即可保证在550 MW 负荷（冬季供热机组负荷上限受限）时进入热泵循环水流量不低于60%额定流量，在机组低负荷时进入热泵的循环水温度不低于热泵安全带负荷率。

3.2 热泵系统运行调整优化

北方地区冬季有5—7 个月供热期，但是只有2—3个月是高负荷供热期，其余3—4个月为低负荷供热期，供热初末期时长占整体供热期的一半以上。在整个供热初末期因供热需求量较小，热泵系统经常在低于50%额定负荷下运行。按照进入热泵额定的35 ℃循环水温度要求，机组背压增大约1.8 kPa，对应汽轮机热耗增加值基本固定，但是热泵系统低负荷运行时回收余热量至少下降50%，导致热泵与机组综合节能效果大幅下降，甚至不节能。热泵实际节能效果要明显低于设计水平，但是如果将进入热泵的热网水温度降低至28 ℃，就可以基本消除因热泵系统投运对2 号汽轮机背压或热耗的影响，但存在的风险是热泵容易因循环水温度过低造成热泵过负荷结晶。华电包头分公司2号热泵发生过一次结晶，热泵结晶后需熔晶处理，最少需要72 h。结晶问题与热泵的工作原理、溴化锂溶液的特性有关。在进入热泵循环水温度大幅降低的条件下要保证热泵安全稳定运行，需要有试验依据，因此进行了尝试性试验，成功将凝汽器出口循环水温度降低至28 ℃，在不增加汽轮机热耗的基础上，成功完成热泵吸收循环水余热，而且热泵COP值没有明显下降，显著提高了热泵节能效果。经过较长时间的运行调整后，得出不同余热水温度对应的热泵安全带负荷率（见表1）。

表1 不同余热水温度对应的热泵安全负荷率Tab.1 Heat pump safety load rate corresponding to different waste heat water temperatures

依据以上数据，在调整过程中，按照供热需求，在保证热泵需要的负荷率条件下，调整凝汽器出口循环水温度至最低安全值，合理增减投运热泵的数量，从而控制热泵驱动蒸汽压力不超压，可以最大程度提高热泵与机组综合节能效益。通过以上优化调整措施，华电包头分公司全年节约6600 t标煤，降低全厂发电煤耗率约1.1 g/kWh。

供热末期，环境温度回升，需要及时拆除水塔挡风板，提高水塔冷却能力，一方面可以确保余热水温度接近28 ℃，降低机组背压；另一方面可以增加进入热泵余热水流量，提高热泵换热效果。综合考虑循环水温度控制、热泵负荷率、环境温度变化等因素，制订合理的水塔挡风板拆除措施：在循环水下塔电动阀全关、热泵余热水流量达22 000 t/h且余热水温度持续高于35 ℃时，拆除2号水塔第三层挡风板。在循环水下塔电动阀全关、热泵余热水流量达18 000 t/h 且余热水温度持续高于32 ℃时，拆除2号水塔第二层挡风板。在循环水下塔电动阀全关、热泵余热水流量达16 000 t/h且余热水温度持续高于30 ℃时，完成2号水塔第一层挡风板拆除。随着运行经验不断积累，运行方式不断优化，热泵节能效果逐年提升。

3.3 冬季水塔防冻

供热尖寒期，进热泵循环水量加大，上凉水塔水量减少，甚至为了维持合适余热水温度，需要部分开启循环水下塔电动阀，造成凉水塔淋水密度不足，即使凉水塔加装三层挡风板（最多三层），水塔内部温度依然偏低，水塔填料下部结冰量大，内部收水器部分同样有结冰。大量结冰损坏水塔填料和收水器，因此制订了水塔防冻措施：在循环水下塔电动阀全关、热泵余热水流量达20 000 t/h且余热水温度持续低于28 ℃时完成2 号水塔第一层挡风板悬挂。在循环水下塔电动阀全关、热泵余热水流量达20 000 t/h且余热水温度持续低于30 ℃时，在2号水塔悬挂第二层挡风板。在循环水下塔电动阀全关、热泵余热水流量达18 000 t/h且余热水温度持续低于32 ℃时，在2号水塔悬挂第三层挡风板。

另外，尖寒期采取水塔冲冰措施，开启循环水下塔电动阀，短时间将余热水温度提高至40 ℃，然后关闭下塔电动阀，启动高速循泵，短时间增加循环水量来冲洗水塔填料冰块，基本可以控制水塔填料下部结冰量。但水塔内部环境温度不易控制，收水器结冰问题依然无法得到解决。每个冬季过后，凉水塔内收水器都有损坏。如何控制冬季2号机组凉水塔内部结冰问题是今后需要深入研究的问题。

建议大型机组进行热泵供热改造时，要灵活调配两台机组的循环水和热网抽汽，优化控制结构，采用智能化控制系统，实现系统最优配置运行，尖寒期实现“两机一塔”的运行方式（无循环水回水母管联络阀，无法实现两机一塔方式），避免凉水塔内部结冰。

4 结束语

热泵应用于华电包头分公司600 MW湿冷机组供热系统，节能效果显著，增加了148 MW的供热能力，可供热300万m2。但是因汽轮机循环水热量大，热泵无法全部吸纳，需要部分循环水上凉水塔冷却散热，部分循环水进热泵降温，因此在机组负荷大幅变化的情况下平衡热泵余热水（循环水）流量与余热水温度是运行调整的关键。调整过程中，要保证进入热泵循环水流量不低于60%额定流量，以及机组低负荷时进入热泵的余热水温度（循环水温度）不低于热泵安全带负荷率。本文提出的调整手段可为供热初末期合理提高热泵与机组的综合节能效果提供思路。