吸收式熱泵在循環水余熱利用中的應用

吸收式熱泵在循環水余熱利用中的應用

文/張鵬 魏江 曹超 華北電力科學研究院（西安）有限公司

隨著城鎮化進程的加快和居民生活水平的提高，冬季城鎮采暖需求不斷增加，采暖需求與供暖能力的矛盾也日趨凸現。在不增設新的熱源、不增加污染物排放的情況下，提高現有機組供熱能力已經成為迫切需要解決的問題。從火電廠能源利用的角度來看，燃料燃燒發熱量中只有40%左右轉變為電能，凝汽式機組約50%以上的熱能通過汽輪機排汽失散到環境中。對于濕冷機組，汽輪機排汽中的熱量被循環水帶走，這部分熱量巨大，但能量品質較低，很難被直接利用。某熱電廠利用吸收式熱泵技術，回收循環水中所蘊含的熱量，大幅提高了能源的利用率，有效解決了采暖供需之間的矛盾。

1 設備系統概況

某熱電廠現裝機容量4×200 MW，全部為供熱機組，擔負著該地區3000萬m2的供熱任務。機組熱網分為大熱網和小熱網兩部分（見圖1）。大熱網設計供水流量9000t/h，熱網回水采用兩級加熱，55℃的回水經1、2號機組熱網加熱器加熱后，匯總到3號機組熱網尖峰加熱器加熱到供水需要的135℃。小熱網供水設計流量3700t/h，66℃的回水采用一級加熱，使用4號機組熱網尖峰加熱器加熱到供水需要的135℃。針對電廠供熱能力不足的問題，決定采用吸收式熱泵對循環水余熱進行回收利用。

2 吸收式熱泵工作原理

吸收式熱泵是一種以蒸汽或燃料為驅動，將熱量從低溫熱源向高溫熱源輸送的循環系統。它由發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器及換熱器等主要部件，以及溶液泵和工質泵等輔助部分組成（見圖2）。蒸汽或燃料在發生器內釋放熱量Qg,加熱溴化鋰稀溶液并產生冷劑蒸汽，冷劑蒸汽進入冷凝器，釋放冷凝熱Qc加熱流經冷凝器傳熱管內的熱水，自身冷凝成液體后經節流閥進入蒸發器，冷劑水經工質泵噴淋到蒸發器傳熱管表面，吸收流經傳熱管內的低溫熱源水的熱量Qe，使熱源水溫度降低后流出機組，冷劑水吸收熱量后汽化成冷劑蒸汽，進入吸收器，被發生器濃縮后的溴化鋰溶液返回吸收器后噴淋，吸收從蒸發器過來的冷劑蒸汽，并放出吸收熱Qa,加熱流經吸收器傳熱管內的熱水。熱水流經吸收器、冷凝器升溫后，輸送給熱用戶。

圖2 吸收式熱泵工作原理

3 改造方案

循環水余熱利用改造主要包括兩部分：一部分為循環水側；另一部分為熱網側。循環水側，主要對#4機組循環水系統進行改造，改造方案見圖3。將凝汽器出口循環水分為兩路，第一路經回水電動閥HV005回至冷卻塔；第二路經循環水經升壓泵進入10臺吸收式熱泵，用以回收循環水的熱量。熱泵出口循環水一路經電動門HV004、調節閥Y002回至冷卻塔；另一路經電動門HV003、調節閥Y001回至凝汽器。非供暖工況下，隔離熱泵系統，循環水直接經回水電動閥HV005回至冷卻塔；供暖工況下循環水切換至熱泵側，經熱泵降溫后，通過循環水泵升壓進入凝汽器。循環水回水至凝汽器入口供水調節閥Y001用來控制升壓泵出口壓力，循環水回水至冷卻塔調節閥Y002用來控制凝汽器進水溫度。熱網側，大熱網回水由原來的兩級加熱增加為三級加熱。小熱網回水由原來的一級加熱增加為兩級加熱。吸收式熱泵利用4號機采暖抽汽作為熱源，吸收循環水熱量，大熱網回水經熱泵加熱后，再經1～2號熱網基本加熱器，3號機尖峰加熱器將熱水提升到135℃，供給大熱網用戶。小熱網回水新增加兩臺低壓熱網加熱器，由原來的一級加熱增加為兩級加熱，回水首先進入新增加熱器利用1、2號機剩余蒸汽加熱，再經4號機尖峰加熱器，將溫度提升到135℃，供給小熱網用戶。

圖3 改造后的系統

4 改造效果評價

循環水余熱利用系統正常投運后，兩臺循環水升壓泵出口壓力0.3MPa，8臺熱泵投入運行，2臺熱泵備用，熱泵出口循環水至冷卻塔電動門HV004全關，至冷卻塔回水調整門Y002投自動，用來控制凝汽器出口循環水溫度在31.5～33℃之間，熱泵出口循環水至凝汽器電動門HV003全開，至凝汽器調節門Y001調整系統壓力。熱泵運行期間，各主要參數如表1所示。

表1 熱泵運行期間主要參數

4.1 熱泵效能系數COP

熱泵效能系數COP是熱泵輸出熱量Qh與熱泵運行時消耗的一次能源總量W之比，是評價熱泵經濟性的重要指標，吸收式熱泵能效系數COP一般在1.65～1.85之間。

式中：h1─1-4號熱泵熱網側出水焓值；h2─1-4號熱泵熱網側進水焓值；

g1─1-4號熱泵熱網側流量；h3─7-10號熱泵熱網側出水焓值；

h4─7-10號熱泵熱網側進水焓值；g2─7-10號熱泵熱網側流量；

h5─熱泵驅動蒸汽焓值；h6─熱泵疏水焓值；g3─熱泵驅動蒸汽流量。

將表1數據代入公式1可得，熱泵效能系數COP為1.85。

4.2 熱泵凈回收熱量

熱泵在運行過程中，不僅吸收了循環水的熱量，也增加了循環水升壓泵、疏水泵及熱泵工質泵、溶液泵的運行，增大了廠用電量的消耗。熱泵凈回收熱量為熱泵吸收循環水的熱量與生產多消耗的這部分電能所需的熱量之差。熱泵運行期間，各轉動機械主要參數如表2所示。

表2 熱泵運行期間各轉動機械主要參數

各泵運行時，所消耗的電功率:

式中：P─ 電功率；U為運行電壓；I─運行電流；Cosφ─功率因素。

熱泵運行時，凈回收的熱量：

式中：Q─熱泵運行凈回收熱量；8300─發電平均熱耗kJ/kW?h。

將表1、表2數據代入公式2、公式3可得,當熱泵運行時，凈回收熱量為241.39GJ/h。

按照綜合供熱指標180kJ/m2計算，可增加供熱面積134.1萬m2。

4.3 節能減排量

4.3.1 節約用水量

機組正常運行時，循環水的損失主要由蒸發損失、風吹損失和排污損失三部分組成。當熱泵投入運行后，熱泵在回收循環水熱量的同時，降低了循環水的溫度，減少了循環水在冷卻塔中的各項損失。按每年熱泵運行120天計算，則年節約循環水量：

式中：Qm─循環水節水量；Qm─循環水蒸發損失；Qw─循環水風吹損失Qb─循環水排污損失；N為濃縮系數，取3；Kzf當進塔氣溫為0℃時，Kzf取0.001節約用水量；Kfc對于自然通風冷卻塔取0.05%，Qxh─循環水流量；t─年運行時間 。將數據代入公式4，可知每年可節約循環水量294768t。

4.3.2 節約用煤量

煤炭在燃燒時，釋放出的熱量被鍋爐內水吸收產生蒸汽，經管道進入換熱器，鍋爐效率越高煤炭的利用率越高。熱泵在投入運行后，回收了大量的熱量，可減少鍋爐出力，節約大量的煤炭。按照熱泵年運行120天計算，則每年節約用煤量：

式中：Gm─節省煤量；Q─凈回收熱量；Qb─標煤發熱量；ηgl─鍋爐效率取91%；ηgd─管道效率取98%；t─年運行時間，120天。

將數據帶入公式5，則每年可節約煤量26599t。

4.3.3 減排量

煤炭在燃燒的過程中，會釋放出大的廢氣，按照每噸煤排放CO22.62t，SO28.5kg NOx7.4 kg計算，每年可減少CO2排放69689t，減少SO2排放226t,減少NOx排放196t。

5 結論

通過對循環水系統進行余熱回收利用，增加了134萬m2的供熱面積，每年節約煤炭26599t，節約用水294768t，減少CO2排放69689t，減少SO2排放226t,減少NOx排放196t。通過改造不僅有效解決了電廠供熱能力不足的問題，取得了較大的經濟和社會效益，同時也取得了巨大的環境效益。