两种热泵回收循环水热量的经济性分析

张 虎，巩志强

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

集中供热是由集中热源所产生的蒸汽、热水，通过管网供给一个城市（镇）或部分区域生产、采暖和生活所需的热量的方式。

热电联产是火电厂在生产电能的同时利用在汽轮机中做过功的蒸汽对用户供热的生产方式，热电联产的电厂是集中供热重要的热源。调节抽汽式供热机组是热电联产生产方式中的主力机组。部分在汽轮机中做过功的蒸汽被抽出送至热网首站，在热网加热器中被用来加热热网循环水，通过热网循环水这个媒介将蒸汽携带的热量传递给热用户。在调节抽汽式供热机组的生产过程中仍将产生大量的余热，通常的处理方式是通过凝汽器、冷却塔将这部分余热最终释放到自然环境中，这就是汽轮机的冷源损失。这部分余热的数量很大，但是品位很低，要从这部分余热中获得机械功通常是不可能的，但是却可以将这部分余热用于采暖供热，以实现能量的梯级利用，提高能量的利用效率。热泵技术在余热利用方面具有重要作用，热泵的工作原理是基于逆“卡诺循环”，消耗少量的循环净功，自凝汽器循环冷却水中提取热量，并将其输送至热网循环水以实现余热利用的目的。利用热泵回收凝汽器循环水的热量用于采暖供热一方面可通过回收余热提高供热系统的供热能力，另一方面可提高热网加热器的进水温度，减小热网加热器的换热温差，降低热网加热器的不可逆损失从而提高供热抽汽的使用效率。

回收凝汽器循环水的热量用于供热既可采用溴化锂吸收式热泵也可采用压缩式热泵［1−2］。溴化锂吸收式热泵机组利用溴化锂溶液的吸收特性，以蒸汽的汽化潜热为驱动能量驱动低温低压的水蒸气在蒸发器中提取凝汽器循环冷却水中的热量，这两部分的热量合并后变为吸收式热泵的制热量，并由水蒸气携带在冷凝器中放热给热网循环水。压缩式热泵的工质在蒸发器中吸收凝汽器循环冷却水中的热量，流经热泵压缩机吸收压缩功后，在冷凝器中被热网循环水冷却，凝结成液体，放出汽化潜热，将热网循环水加热，然后进入蒸发器开始下一个循环。

热泵最主要的性能指标是制热系数（CCOP），其定义为：用户获得的能量与驱动热泵消耗的能量的比值。根据热泵的工作原理可知，压缩式热泵与吸收式热泵的CCOP恒大于1。当前技术条件下，压缩式热泵的CCOP一般在3.0～6.0 左右，吸收式热泵的CCOP一般在1.65～1.85 左右［3］。在文献［4−6］中运用等效热降法对电驱动压缩式热泵系统、蒸汽驱动压缩式热泵系统及吸收式热泵系统的经济性分别进行了分析，文献［7−9］结合实际案例说明了吸收式热泵系统对节能减排的贡献。可以看出，无论采用吸收式热泵系统还是压缩式热泵系统其节能效益都远大于直接抽汽供热的生产方式。

吸收式热泵系统与压缩式热泵系统有各自的适用条件和优缺点。单看热泵的制热系数，压缩式热泵的制热系数远高于吸收式热泵，但是电驱动压缩式热泵在生产过程中需消耗大量的高品位的电能，文献［10−11］分别对比了CCOP为1.7 的吸收式热泵系统与CCOP为4.5 及CCOP为6.0 的电驱动压缩式热泵系统经济性的差异，得出吸收式热泵的经济性优于压缩式热泵的结论。文献［12］结合电厂实际运行参数分析对比，同样得出吸收式热泵的经济性优于电驱动压缩式热泵的结论。文献［3］引入电能转换系数对比了吸收式热泵与电驱动压缩式热泵的经济性差异，得到电驱动压缩式热泵系统的经济性高于吸收式热泵系统经济性的临界条件。但是这些分析中只考虑了热泵系统对系统发电量的改变或计算复杂不够直观，且都没有考虑热泵系统在节水方面的贡献因而不够全面。本文综合考虑各种热泵系统在系统发电量、供热及节水方面的差异，全面、直观地对比电驱动压缩式热泵及蒸汽驱动压缩式热泵与吸收式热泵的经济性，讨论压缩式热泵与吸收式热泵的经济性差异。

1 经济性分析模型

在不使用热泵的原系统中，加热热网循环水所需的热量完全由供热抽汽在热网加热器中提供。通常热泵制取的热水出水温度无法达到所需的热网循环水供水温度，在本文列举的热泵生产方式中供热系统均采用热泵与热网加热器串联运行的模式。来自汽轮机中压缸排汽的供热抽汽在热网加热器中将热泵制取的热水进一步加热至所需的热网供水温度后供入市政管网。

为了更简便更直观地对比压缩式热泵与吸收式热泵的经济性做以下几点假设：汽轮发电机组的各项参数一致；热网循环水的供回水温度一致；热网循环水的流量一致；热泵的制热量相等；凝汽器循环冷却水流经热泵的蒸发器后温降均为5 ℃；发电机效率ηd为0.99。

由于热泵的制热量相等，各种热泵生产方式中热网加热器的运行参数相同，经济性对比分析中不必考虑热网加热器及相应的回热系统，从而简化了计算。

1.1 吸收式热泵

吸收式热泵系统如图1 所示，采用吸收式热泵供热的生产方式中驱动热泵的汽源取自中压缸排汽，利用轴加出口凝结水作为减温水将来自中压缸排汽的抽汽减温减压至饱和蒸汽后作为驱动蒸汽送入吸收式热泵的发生器。在发生器中放热后产生的凝结水流经水−水加热器被轴加出口的凝结水回收部分热量后回流至凝汽器。

图1 吸收式热泵系统

冷却1 kg/s抽汽所需的减温水量为

式中：hzp、hbh、hzj.out分别为中排焓、饱和蒸汽焓、轴加出水焓。

抽取1 kg/s中压缸排汽会使发电量减少

式中：hc为汽轮机排汽焓。

驱动蒸汽在发生器中的放热量为

式中：hbh.s为饱和水焓。

工质在蒸发器中的吸热量为

式中：CCOPx为吸收式热泵的制热系数。

吸收式热泵的制热量为

8 号低加的抽汽效率为α8，饱和水在水−水加热器中的放热量利用于8 号低加，因排挤部分八抽抽汽，汽轮机发电量增加值为

式中：hgl为过冷水焓。

抽取1 kg/s 的中压缸排汽后机组发电量减少值为

电费收益减少

式中：ed为上网电价。

流经蒸发器的凝汽器循环水流量为

式中：Cp为水的定压比热4.186 8 kJ（/kg ℃）；Δt为循环水在蒸发器中的温降。

每小时循环水蒸发损失减少值为

式中：kzf为蒸发损失系数，取值为0.001。水费减少

式中：es为工业水水价。

1.2 压缩式热泵

采用压缩式热泵的生产方式可分为两种：方式1，抽取部分中压缸排汽在凝汽式小汽轮机中膨胀做功，小汽轮机的排汽回收至凝汽器，小汽轮机通过联轴器驱动热泵的压缩机；方式2，利用厂用电驱动热泵的压缩机。

1.2.1 蒸汽驱动压缩式热泵方式

蒸汽驱动压缩式热泵系统如图2 所示，驱动压缩式热泵的凝汽式小汽轮机的汽源来自中压缸排汽，与吸收式热泵相等的制热量所需抽取的中压缸排汽量为

图2 蒸汽驱动压缩式热泵系统

式中：hxj.c、CCOPy1分别为小机排汽焓、压缩式热泵的制热系数。

汽轮机的发电量减少值为

电费收益减少

每小时循环水蒸发损失减少

水费减少

1.2.2 电能驱动压缩式热泵方式

电能驱动压缩式热泵如图3 所示，驱动热泵所需的电能为

图3 电能驱动压缩式热泵系统

式中：CCOPy2为压缩式热泵的制热系数。

电费收益减少

每小时循环水蒸发损失减少

1.3 热泵系统的收益

在供热量相等的前提下，使用热泵可减少供热抽汽的流量。热泵对电厂收益的贡献可从以下三个方面分析：收益1 排挤供热抽汽带来的发电量增加；收益2 驱动热泵产生的发电损失；收益3 凝汽器循环冷却水蒸发损失减少。各热泵系统的收益如表1所示。

表1 各热泵系统的收益

1.4 经济性比较

因系统的热负荷相等且热泵的制热量相等，各种热泵的生产方式中排挤供热抽汽的数量相等，这部分蒸汽返回汽轮机做功，系统因此增加的发电量相等。即

由式（21）—式（23）可得压缩式热泵生产方式所获得的系统收益大于吸收式热泵生产方式时对应的临界CCOP值。

2 计算实例

以某超超临界600 MW 机组为例，额定负荷时中压缸排汽压力为1.171 MPa，温度为394.4 ℃，焓hzp为3 249.7 kJ/kg，汽轮机排汽焓hc为2 316.4 kJ/kg，上网标杆电价ed为0.4 元/kWh，工业水价es为2 元/t。计算所需的相关参数如表2所示。

表2 计算所需的相关参数

根据相关标准，电厂使用的吸收式热泵的CCOP不得低于1.7，取吸收式热泵的CCOP为1.7。将CCOP的值与上表中的数值代入式（1）—式（11），得到吸收式热泵的相关数据，如表3所示。

表3 吸收式热泵的计算数据

将Qc及W1的数值分别带入式（12）—式（20）并进一步联立求解式（21）—式（23）得CCOPy1≥5.67 及CCOPy2≥4.98。

通过对比计算可知，对于电能驱动的压缩式热泵，只有在CCOP大于4.98 时电能驱动压缩式热泵系统的收益才大于吸收式热泵系统，而对于凝汽式小汽轮机驱动的压缩式热泵系统只有当CCOP大于5.67时压缩式热泵系统的收益才大于吸收式热泵系统。

凝汽式小汽轮机驱动的压缩式热泵的收益不如电能驱动的压缩式热泵是因为前者仍然存在冷源损失。

以上所述只是为说明问题提供的一种案例，吸收式热泵与压缩式热泵的经济性差异受电价、水价、系统连接方式及热泵的制热系数影响。

3 结语

因为热泵的CCOP恒大于1，所以从能量利用的角度出发，无论采用何种型式驱动的热泵回收凝汽器循环冷却水的余热都可以实现不增加热电厂容量情况下扩大供热能力降低集中供热的能耗的目的，相对于直接抽汽供热都有良好的节能效果，同时减少凝汽器循环冷却水蒸发损失，减少热电厂对环境造成的热污染，节省水资源，保护生态环境。具有显著的经济、社会与环境效益以及具有显著的节能减排效果，符合国家节能减排的政策要求。

压缩式热泵的CCOP大于吸收式热泵的CCOP，相同制热量的条件下，压缩式热泵可以回收更多的凝汽器循环冷却水的余热，凝汽器循环冷却水的蒸发损失更少。因此压缩式热泵回收余热的能力强于吸收式热泵，节水量大于吸收式热泵，对于某些水资源缺乏的地区有重要意义。

吸收式热泵的运行成本低于压缩式热泵，压缩式热泵的结构简单，更方便控制。实际运行中随着热网回水温度、凝汽器循环冷却水温度的变化，热泵的性能会有所变化，压缩式热泵的性能对水温的变化比吸收式热泵更加敏感。因此在集中供热领域使用热泵系统应根据现场的实际生产情况选择最合适的热泵技术应用方案。