330 MW 機組余熱利用熱泵供熱改造技術

李金才，胡月紅

(1.國電承德熱電有限公司，河北 承德 067000;2.承德石油高等專科學校 熱能工程系，河北 承德 067000)

隨著人口增長，城市規模和城市建筑不斷增加，集中供熱負荷急劇增大，目前城市集中供熱面臨著供熱熱源嚴重不足，而新增熱電廠又帶來環境問題，為各地環保部門所嚴格控制。另一方面，熱電機組的乏汽在凝汽器通過冷卻水把大量廢熱排放至大氣中，造成了巨大的能源浪費和明顯的環境濕熱影響。因此，如果能將循環冷卻水余熱用于供熱(采暖、生活熱水等)，不僅能夠緩解電廠“散熱”問題，還能減少電廠冷卻水散熱造成的水蒸發損失;同時又解決了城市集中供熱熱源不足的問題。這種變廢為寶，循環用能的做法，符合國家的“要突出抓好節約能源、節約原材料和節約用水工作，大力發展循環經濟”的方針政策。

1 機組概況

國電承德熱電有限公司2×330MW NC330－17.75/0.3/540/540 型抽汽凝汽式汽輪機，型式為單軸、三缸、亞臨界、中間一次再熱、兩排汽、沖動、抽汽、凝汽式。非采暖期，機組主要承擔基本負荷，并具有一定的調峰能力。采暖期，遵循以熱定電原則，機組提供工業及采暖熱負荷。熱電廠設熱網首站，向雙灤區熱網和承德市區城網供熱。雙灤區熱網首站加熱器將區熱網回水由50 ℃加熱至110 ℃，供熱水量為3 000 t/h。承德城區熱網設兩級換熱，從電廠到承德市區邊緣的一級管網為隔壓換熱站，屬于熱力輸送線，封閉獨立循環。首站一級管網將熱網回水由60 ℃加熱至135 ℃。電廠首站加熱站采用兩級泵、兩級加熱器方式，設計供回水溫度為一級熱網加熱器100 ～60 ℃、二級熱網加熱器135 ～100 ℃;一級網回水壓力0.85 MPa、供水壓力2.5 MPa。設計循環水總量為6 400 t/h。一、二級加熱器汽源分別采用新#1、2 機組的抽汽，單機設計額定蒸汽流量410 t/h、進汽壓力0.3 MPa、進汽206.17 ℃，最大進汽壓力0.36 MPa、蒸汽流量650 t/h、進汽219.21 ℃。兩級加熱器可單獨使用，也可以串聯使用。熱網加熱器采用管殼式換熱器，其容量、換熱面積較大，端差較大。

采暖供熱抽汽口設在中壓缸排汽處，在采暖供熱抽汽管、中壓缸至低壓缸的聯通管上分別設置調節閥。當不進行采暖抽汽時，中低壓連通管上的控制閥門全開，此時，完全是一臺純凝汽式機組。在冬季，當采暖抽汽投入時，通過連通管及抽汽管上的調節閥門來調整抽汽壓力以滿足熱用戶對抽汽溫度的要求。機組改造前(如圖1所示)，供熱500 t/h 工況下的供熱抽汽參數為:0.3 MPa、抽汽溫度202.60 ℃，每臺供熱機組具有321 MW 采暖供熱能力［1－3］。

2 低溫熱能回收熱泵改造技術

為了解決城市集中供熱熱源不足的問題，采用低溫熱能回收熱泵改造技術進行供熱改造，系統示意圖如圖2所示。即利用電廠循環水作為余熱水，通過吸收式熱泵，將余熱提升給熱網回水，通過消耗一定量的汽輪機抽汽作為熱泵驅動蒸汽，加熱后的高溫熱水供給熱網。

來自凝汽器的循環水一部分送入冷卻塔，完成正常的冷卻循環，另一部分被送入熱泵，作為熱泵的低位熱源。這部分冷卻水在熱泵蒸發器放熱降溫后的返回分為兩種情況:1)返回循環水池中，與流經冷卻塔的冷卻水匯合，再被送入凝汽器吸熱升溫。可以看出，該系統僅以熱泵蒸發器完成了對一部分循環水的冷卻作用，不會對發電廠原熱力系統產生任何不利影響。而且有兩大優越性，減小循環水泵耗功，減少由于冷卻塔蒸發造成的循環水損失。2)冬季最大供熱工況下，環境溫度相對較低，且凝汽器排汽量相對較小，上塔循環水熱負荷有所降低，對冷卻塔的安全有潛在的危險，此時可將這部分冷卻水繼續上塔完成正常的冷卻循環，不影響冷卻塔的正常運行。

電廠循環水作為熱泵的低位熱源，主要具有以下特點:與目前常用的熱泵熱源相比，電廠循環水顯著優勢在于蘊含的熱量巨大，溫度適中而穩定;與地表水，城市污水相比，循環水比較清潔，一般不會因腐蝕、阻塞等影響傳熱效果，水質好;電廠循環水源熱泵不會對環境造成任何不利影響，相反，由于排熱的利用，可以減少冷卻塔向環境的散熱和冷卻水的蒸發損失，減少熱污染，節約水資源。

3 熱泵換熱器聯合運行供熱改造技術方案

通常，根據環境溫度，熱網一般需要運行在40 ～50 ℃/70 ～100 ℃的溫度范圍，而熱泵的熱水出水溫度一般為85 ℃，深寒期為了達到100 ℃的供熱溫度，需在熱泵后增加調峰環節，如圖3 所示，在該環節中，通過汽水換熱器，熱網回水由汽輪機抽汽進一步加熱到要求的溫度后送至熱用戶。方案包括循環水水路改造、抽汽管路的改造，采暖熱網管路改造，系統運行監控等［4－5］，圖3 中虛線框內表示吸收式熱泵系統，與熱電廠現有系統的對接部分主要包括:

1)循環水的進水口和出水口;2)汽輪機抽汽接入熱泵系統蒸汽入口，冷凝水進入除氧器;3)熱網回水接入以及高溫熱水出口進入熱網加熱器;4)熱泵控制系統納入DCS。

假設汽輪機抽汽壓力為0.3 MPa，余熱源循環水溫度為30 ℃，熱網回水溫度50 ℃，經單效吸收式熱泵加熱機組被加熱至80 ℃，吸收循環水的余熱，此時熱泵COP 達到1.76，即熱泵總的熱輸出中，來自抽汽的熱量與余熱水的熱量之比為1 ∶0.76，與管殼式換熱器相比，由于有效利用了循環水余熱，熱泵供熱能力增加76%。但是對于兩級熱網的供熱體系而言，由于首站熱網回水溫度較高，達到60 ℃，這需要適當提高機組的背壓，提高凝汽器出口循環水溫度，如提高到35 ～40 ℃，保證熱泵的效率。一般來說，假設熱網回水溫度60 ℃，循環水溫度40 ℃，熱泵COP 可達1.76，出口溫度取決于熱泵驅動蒸汽的壓力，對于0.3 ～0.4 MPa 的抽汽壓力，出水溫度可達80 ℃，再通過常規熱網加熱器，將熱網水進一步加熱到130 ℃，可增加供熱能力10%以上。

此外，系統將根據環境溫度的變化，對系統運行方式實現就地監測和控制，并對運行方式進行優化。為了保證冬季工況下冷卻塔安全運行，同時提高熱泵加熱器的運行效率，汽輪機運行過程中，可以適當提高運行背壓，將汽輪機的排汽溫度適當提高，使系統運行在最佳工況下。

綜上所述，合理的供熱改造技術為:熱泵與原換熱器聯合運行，汽水換熱器承擔調峰負荷，吸收式熱泵承擔基本負荷，隨著環境溫度的升高，首先減小汽水換熱器的熱負荷，然后減小吸收式熱泵的熱負荷。此外，熱泵加熱器出口循環水正常返回進入循環水水池，減少循環水泵的耗功和循環水的蒸發飄逸損失;當冷卻塔負荷降低到低于其最小負荷時，返回循環水可上塔進行冷卻。

4 熱泵換熱器聯合運行供熱改造方案的效益分析

2×330 MW 機組一臺抽汽500 t/h、另一臺抽汽550 t/h，可利用的循環水余熱資源量達到160 MW左右，循環水水源熱泵與原換熱器聯合運行，可向雙灤區供熱210.0 MWth，向城區供熱560.0 MWth，如果這些熱量能夠得到有效利用，可增加供熱面積250 萬m2左右。若機組(抽汽550t/h)背壓提高到9.1 kPa 運行，熱泵利用該機組70%的循環水余熱，機組熱耗將下降22.6%。若供暖周期按151 天計算，每年減少采暖用燃料耗量超過8 萬t 標煤，同時減少了CO2及SO2排放;減少循環水損失近200萬t，總節能率達到12.6%，且節水效益明顯。具有非常顯著的社會、經濟與環境效益。

5 結論

通過余熱利用熱泵改造技術，利用電廠循環水作為余熱源，汽輪機采暖抽汽為驅動熱源，由吸收式熱泵將余熱提升給熱網回水。并與汽水換熱器聯合運行來滿足環境溫度變化的供熱要求。汽水換熱器承擔調峰負荷，吸收式熱泵承擔基本負荷，隨著環境溫度的升高，首先減小汽水換熱器的熱負荷，然后減小吸收式熱泵的熱負荷。

余熱利用熱泵改造不僅技術上可行，而且由于利用了循環水余熱，機組排汽熱損失減小，熱耗降低，節省了標煤，同時減少了CO2及SO2排放。具有一定的社會經濟效益和環境效益，值得同類企業借鑒參考。

［1］ 張昌.熱泵技術與應用［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［2］ 黃素逸，王曉墨.能源與節能技術熱泵技術與應用［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［3］ 王亦昭，劉雄.供熱工程［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［4］ 嚴凱.國電承德熱電有限公司2×330 WM 機組熱泵供熱改造可行性研究報告［R］.北京:華北電力設計院工程有限公司，2011.

［5］ 李強，李金才.NC330－17.75/0.3/540/540 型抽汽凝汽式汽輪機運行規程［S］.承德:國電承德熱電有限公司，2011.