國陽發供電冷凝熱改造經濟性運行方式分析

石華林 楊春維

1 概況

隨著社會經濟的發展,能源問題越來越引起社會各界的重視,如何最高效的利用能源,成為企業和科研單位的研究課題。山西國陽新能股份有限公司發供電分公司第三熱電廠(以下簡稱第三熱電廠)為有效回收利用冷凝熱余熱,采用了江西雙良實業有限公司的6臺溴化鋰吸收式熱泵,提取冷凝熱,減少涼水塔耗水量,節能降耗,在不增加供熱鍋爐的基礎上,增加約100多平方米的供熱面積。溴化鋰的應用類似于熱聲效應的應用,其可制熱也可制冷;其制冷與制熱設備特點也類似于熱聲發動機和熱聲制冷機,如無運動部件、運行時基本無噪聲和振動、環保、體積小、易于維護、運轉可靠安全等,都開創了節能降耗的新途徑。

第三熱電廠采用的吸收式熱泵依靠少部分的汽輪機抽氣驅動,回收20℃～40℃的余熱,升溫成65℃以上高品質熱源。其能效比率(COP)為1.7,即用驅動抽汽為1的熱功率可以吸收0.7的廢熱功率,從而產生1.7的供熱功率。目前第三熱電廠冷凝熱溴化鋰吸收式熱泵改造工程已進入設備安裝階段,本文將根據汽輪機、溴化鋰吸收式熱泵和熱網設備等的實際工況對冷凝熱溴化鋰吸收式熱泵投產后的運行方式進行分析,研究了涵蓋所有情形的五種分析思路。

第三熱電廠參與改造的機組為兩臺C35-8.83/0.785型汽輪機(8.83 MPa,535℃),按照實際運行工況,兩臺汽輪機最大抽汽為390 t/h,除去各種工業用汽(電廠自身供熱、生活用汽、新景礦工業用汽、坡頭小學供熱用汽等)約40 t/h,實際能夠向陽泉礦區居民供熱用抽汽約為350 t/h。涼水塔循環冷卻水流量最大為12 000 t/h,溫度為22℃～30℃,熱功率最大為:(126.4-92.3)×12 000/3 600=113 MW;溴化鋰吸收式熱泵可將熱網首站供熱回水從65℃加熱到90℃,熱網出水溫度要求在110℃～120℃。

注:1 kWh=3 600 kJ,水或水蒸氣焓值見表1,按照表1相應狀態、溫度和壓力對應焓值輸入所列方程進行計算,方程均為六元一次方程,用Matlab軟件進行求解。

表1 部分水和水蒸氣焓值表

2 分析思路

2.1 第一種思路

將熱網首站供熱回水用溴化鋰吸收式熱泵從65℃加熱到90℃,用熱網首站加熱器將供熱回水從90℃加熱到120℃。由理論得出,在加熱溫度范圍一定的前提下,熱網系統供熱水流量越大,所能吸收的廢熱越多,所以按吸收熱泵在熱網最大供熱流量6 000 t/h時進行測算要比用汽機總抽汽350 t/h進行測算合理。

如圖1所示,設汽輪機抽汽p,t/h,溴化鋰吸收式熱泵所需驅動蒸汽流量為x,t/h,直接供熱抽汽為y,t/h,循環冷卻水流量為z,t/h,吸收冷凝廢熱 r,MW,相當于增加供熱面積 s,萬 m2,抽汽轉化為熱的效率設為99%。

建立方程組得:

解得:x=127,y=260,z=7 729,p=387,r=72,s=103。

此種情況需要抽汽387 t/h,溴化鋰驅動用127 t/h,直接供熱用260 t/h,循環冷卻水流量為7 729 t/h,可用廢熱72 MW,可增供熱面積103萬m2,廢能利用率達 64%,但由于無法抽汽到 387/h,所以無法實現。

2.2 第二種思路

將供熱水用溴化鋰吸收式熱泵從65℃加熱到90℃,用汽輪機抽汽從90℃加熱到110℃。由于供熱水流量越大,所能吸收的廢熱越多,按吸收熱泵在最大供熱流量6 000 t/h下進行估算。

如圖2所示,設汽輪機抽汽p,t/h,溴化鋰吸收式熱泵所需驅動蒸汽流量為x,t/h,直接供熱抽汽為y,t/h,循環冷卻水流量為z,t/h,吸收冷凝廢熱 r,MW,相當于增加供熱面積 s,萬 m2,抽汽轉化為熱的效率設為99%。

建立方程組得:

解得:x=127,y=173,z=7 729,p=300,r=72,s=103。

此種情況需要抽汽300 t/h,溴化鋰驅動用127 t/h,直接供熱用173 t/h,循環冷卻水流量為7 729 t/h,可用廢熱72 MW,可增供熱面積103萬m2,此種方法抽汽夠用,廢能利用率為64%,比較可行。

2.3 第三種思路

在第二種思路的基礎上,若要求全部抽汽350 t/h,由Matlab軟件試驗可得當供熱出水焓值為487 kJ/kg時,供熱最高溫度為116℃時。即350 t/h蒸汽全部使用,供熱水用溴化鋰吸收式熱泵從65℃加熱到90℃,用汽機抽汽從90℃加熱到116℃,溴化鋰驅動用 127 t/h蒸汽,直接供熱用 223 t/h蒸汽,循環冷卻水流量為7 729 t/h,可用廢熱72 MW,可增供熱面積 103萬m2,廢能利用率64%。思路三示意圖見圖3。

2.4 第四種思路

由前面計算可知,冷凝廢能最大為113 MW,按90%的廢能利用效率,即可利用廢能最大為100 MW,相當于增加供熱面積100/0.7=143萬m2,但溴化鋰吸收式熱泵最大只能加熱65℃～90℃,由前面思路可知汽機必然為滿抽汽350 t/h,其中溴化鋰吸收式熱泵所需驅動蒸汽流量為x,t/h,直接供熱抽氣為y,t/h,供熱水流量為 u,t/h,供熱出水溫度為 v,℃,對應水焓值為 v′,kJ/kg。思路四示意圖見圖4。

建立方程組:

解得:x=176,y=174,u=8 342,v′=438.3。

v′=438.3 kJ/kg查焓值表對應為 v=104.5℃,供熱循環水流量為8 342 t/h,考慮供熱管路實際情況,最大流量為6 000 t/h,因此,此種方法既達不到供熱溫度要求,供熱管道硬件條件也無法達到,所以不能采用。

3 結語

綜合以上四種思路,根據管路實際、汽輪機運行工況及要求,第二和第三種思路相對可行,當冬季天氣相對比較溫暖時采用第二種思路,當比較寒冷時采用第三種思路,都可以達到最大限度利用冷凝熱廢熱的目的,為冷凝熱溴化鋰吸收式熱泵改造工程完成后根據實際工況設置經濟性運行方式提供了理論基礎。