吸收式熱泵回收電廠循環水余熱分析

張志剛，王樹國，曾榮鵬

(1.北京國電龍源環保工程有限公司，北京　100039；2.鄂爾多斯市和效電力設計有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯　017010；3.北京龍威發電技術有限公司，北京　100044)

吸收式熱泵回收電廠循環水余熱分析

張志剛1，王樹國2，曾榮鵬3

(1.北京國電龍源環保工程有限公司，北京100039；2.鄂爾多斯市和效電力設計有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯017010；3.北京龍威發電技術有限公司，北京100044)

摘要：以某循環水余熱利用供熱改造工程為例，比較了吸收式熱泵與凝汽式汽輪機高背壓方式在回收循環水余熱方面的不同。論述了熱泵技術的特點以及機組的供熱運行模式，并分析了其經濟性和安全性，供同類型機組供熱改造時參考。

關鍵詞：凝汽式汽輪機；高背壓方式；吸收式熱泵；循環水；余熱利用

0引言

隨著我國城市化進程的加快，不斷擴大的供熱需求與現有供熱能力增長之間的矛盾日益突出,依靠簡單擴大供熱規模已不能滿足國家節能減排的要求。在此背景下，利用火電廠豐富的余熱資源正成為很多供熱企業尋求解決供熱供需矛盾的主要手段之一。

火力發電廠低溫余熱約占電廠能耗總量的60%，主要通過煙氣和循環冷卻水散失到環境中。根據熱力學第二定律,循環水作為冷端損失是不可避免的，其帶走的熱量占到低溫余熱總量的絕大部分。如果汽輪機低溫余熱能夠充分回收用于供熱，將大幅提高電廠的供熱能力和能源利用效率。

目前,熱泵與汽輪機高背壓運行是應用較為廣泛的循環水余熱利用技術，本文借助某供熱改造工程討論2種技術的特點，并著重介紹熱泵技術在供熱工程改造中的應用。

1熱泵回收循環水余熱技術

近10多年來，國內關于土壤源熱泵、地下水源熱泵的研究和應用越來越多，在國外，如日本等國家還開展了利用海水作為熱源的熱泵區域供熱研究[1]。

1.1熱泵回收循環水余熱的優點

吸收式熱泵在回收循環水余熱方面，相對于其他應用場合具有以下優點。

(1)循環水流量和溫度相對穩定，水質優良。

(2)蘊含熱量非常大。

(3)循環水位于地面上,不需要為管路和換熱器安置打很深的豎井，系統相對簡單，節省初投資。

(4)利用循環水中的余熱，降低電廠向大氣的熱量排放。

1.2熱泵機組結構與工作原理

溴化鋰吸收式熱泵由發生器、吸收器、冷凝器、蒸發器4個部分組成，以溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，蒸汽為驅動熱源。利用水在低壓真空狀態下低沸點沸騰的特性，提取低品位廢熱源中的熱量，通過回收轉換高品位的熱水，工作流程如圖1所示。

圖1　吸收式熱泵回收循環水余熱系統

下面分別就其4個組成部分的工作原理和流程做簡單說明。

(1)蒸發器：蒸發器內一直保持真空狀態，利用水在低壓環境下低溫沸騰、氣化原理，將水變為水蒸氣。

(2)吸收器：將水蒸氣引入吸收器，噴淋溴化鋰溶液，利用溴化鋰吸水放出的大量熱加熱循環管路中的水。

(3)發生器：對溴化鋰濃溶液吸收水蒸氣后溶液變稀后再進行濃縮，重新得到具有強吸水性的溴化鋰濃溶液。

(4)冷凝器：利用來自發生器的蒸汽加熱濃縮溴化鋰稀溶液變成濃溶液而蒸發出來的二次乏汽，對經過吸收器加熱后的熱水進行再次加熱，進一步提高熱水溫度。

表2　300 MW機組供熱改造方案比較

1.3供暖系統結合方式

設計思路:一部分循環水進入凝汽器完成正常的冷卻循環；另一部分進入熱泵蒸發器作為低位熱源，汽輪機五段抽汽作為驅動熱源。

一次網回水通過吸收式熱泵從循環水提取的熱量，溫度由46.0 ℃提高到71.0 ℃，再引至前置凝汽器，利用抽汽加熱到95.0 ℃；作為低位熱源的循環水放熱后返回凝汽器入口，其流程如圖2所示。

圖2　吸收式熱泵回收循環水余熱流程

2汽輪機高背壓運行循環水供熱

凝汽式機組改造為熱電聯產機組的方案主要有4種：改為背壓式汽輪機組，利用排汽供熱；開非調整抽汽口，利用抽汽供熱；低真空運行，利用循環水供熱；改為調整抽汽凝汽式汽輪機組，利用抽汽供熱[2]。

其中，“低真空運行，利用循環水供熱”技術比較成熟，應用也較早，且國內外均有采用，其主要思路是降低部分發電量來換取更多供熱量，通過減少冷源損失來提高機組的熱效率。

因為排汽參數提高不是很多，機組相當于變工況運行，結構也不做太多調整，只在排汽利用方面做部分改造。因此，可根據需要進行凝汽運行與低真空運行的切換，運行方式比較靈活。

在低真空運行時，存在末級與次末級葉輪鼓風損失，使得發電功率降低。另外，由于排汽溫度升高，使后軸承溫度升高、機組振動加大以及軸向推力增加等。

有關文獻[3]表明，上述負面影響都在機組的安全運行范圍內，可不做考慮。但排汽壓力只能提高到50～60 kPa，對應的飽和溫度為80.86～85.45 ℃[4]。

3實際案例

本文通過對華北地區某熱力公司2臺300 MW汽輪機組利用水源熱泵回收循環水余熱升級方案與汽輪機高背壓運行的循環水供熱方案對比分析，討論熱能梯級利用節能技術與資源綜合利用的最佳途徑。

3.1項目改造背景

該供熱改造項目地處華北地區，當地年平均氣溫為7.2 ℃，冬季供暖期為182 d，室外采暖計算溫度為-16.8 ℃，建筑熱負荷指標為45 W/m2，熱網循環水供回水溫度為95.0 ℃/46.0 ℃，現有供熱能力為1 666萬m2。

3.2機組供熱情況

電廠共有4臺機組(2×200 MW超高壓雙抽凝汽式濕冷機組和2×300 MW直接空冷機組)，總裝機容量1 000 MW。2012年采用熱泵對2×300 MW機組循環冷卻水余熱回收改造，具體參數見表1。

表1　機組供熱情況統計

注：循環水量、供熱面積為實際值。

3.3改造方案的選擇

根據對供熱管網用戶的分析，實際供熱面積需求約為1 900萬～2 000萬m2。計劃在原有2×300 MW機組余熱回收供熱基礎上進一步升級改造，并提出3種供熱改造方案，具體見表2。

由表2可以看出，方案1、方案2是利用新增設前置式凝汽器與吸收式熱泵來提高供熱能力；方案3是把原有2臺機組帶的熱泵系統合并到1臺，通過另一臺機組高背壓運行來保證供熱。

3.43種方案的技術經濟比較

(1)方案1：除新增熱泵機組外，僅改動部分現有乏汽管道，不影響機組運行背壓。

(2)方案2：增加熱泵機組，并將2臺汽輪機背壓升高至20 kPa來提高排汽焓值，兼有熱泵回收循環水余熱和汽輪機高背壓運行。

(3)方案3：將#4機組乏汽管道并至#3機組泵房，同時改造汽封系統；現場管道布置難度高，對汽輪機組的運行影響較大。

從投資角度來看，前置凝汽器乏汽利用量減少，相應需要增加熱泵容量，投資會增加，因此，方案1投資最大，方案2次之，方案3最少。綜合比較，從機組運行安全性和改造操作難度考慮，首選方案1。

3.5首選方案介紹

本方案中共有2臺65 MW前置凝汽器和6臺35 MW蒸汽驅動型吸收式熱泵機組，與原熱網設備互為備用，保證供熱率大于70%。不同供熱溫度下，設備運轉情況見表3。

表3　各供熱期的供熱設備運行情況

其中，設計供熱工況下的供熱流程最為復雜，其加熱設備為前3種情況的總和，共計利用五段采暖蒸汽758 t/h與汽輪機乏汽457 t/h，現做簡要介紹。

(1)新增2臺65 MW前置凝汽器與4臺原熱泵機組前置凝汽器回收汽輪機乏汽余熱共計131.6 t/h，使熱網水溫度由46.0 ℃升高到51.0 ℃。

(2)2臺汽輪機的412 t/h五段采暖抽汽驅動新增6臺35 MW熱泵機組與原有4臺70 MW的熱泵機組，回收汽輪機排汽共計325.4 t/h乏汽余熱，熱網水溫度由51.0 ℃升高到81.1 ℃。

(3)81.1 ℃的熱網水再進入原機組熱網首站加熱器進行尖峰加熱，由346 t/h的五段采暖蒸汽加熱，使熱網水達到95.0 ℃，完成向城區供熱。

4改造效果分析

4.1技術指標

此項目改造后，2×300 MW機組的新增乏汽供熱面積約267 萬m2，年增加乏汽余熱供熱量約2.06 PJ。改造前、后供熱數據對比見表4。

利用水源熱泵回收電廠循環水余熱供熱,供熱煤耗主要地取決于熱泵的制冷性能系數(COP)值，工程采用水源熱泵COP值達到1.67的較高數值,供熱煤耗得到顯著的降低，按照電廠供熱標煤耗37.07 kg/GJ計算，相當于節約7.6萬t標準煤，減少SO2排放量2 280 t，減少CO2排放量19.3萬t，減少NOx排放量1 080 t，減少煙塵排放量180 t，減排灰渣

表4　供熱改造前、后數據對比

5.0萬t。

4.2系統經濟性分析

該供熱工程改造項目的工程總投資為11 742萬元，總投資收益率17.8%，資本金凈利潤率57.37%，投資回收期(不含建設期)5.8年。從數據統計來看，各項經濟指標良好，說明該改造工程具有很好的經濟效益，具有推廣應用價值。

5結論

(1)在原有熱泵供熱基礎上，增設熱泵機組來增加乏汽量的回收，提高機組供熱能力，該方案技術可行。

(2)相比汽輪機高背壓運行供熱方式，該余熱利用方式的管道系統改造簡單，汽輪機組運行安全性好；當供熱需求量變化時，供熱負荷調整方式靈活。

(3)改造前，建議結合本單位具體情況，因地制宜制定切實有效的改造方案。

(4)利用吸收式熱泵回收循環水余熱，較好地實現能源的梯級利用，具有良好的經濟與社會效益。

參考文獻：

[1]季杰，劉可亮，裴剛，等.以電廠循環水為熱源利用熱泵區域供熱的可行性分析[J].暖通空調，2005，35(2)：104-107.

[2]李霞.小型凝汽式電廠供熱改造的探討[J].內蒙古科技與經濟，2001(1):29-31.

[3]李勇,張衛會,曹麗華,等.汽輪機低真空供熱時軸向推力的變化特性[J].汽輪機技術,2003 45(5):279- 281.

[4]宋舉星,韓吉田,張傳聚,等.凝汽式汽輪機低真空循環水在供暖中的應用與探討[J].山東電力技術,2005，(3)：35-38.

(本文責編：白銀雷)

收稿日期:2015-12-24；修回日期:2016-04-12

中圖分類號：TK 47

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)04-0045-03

作者簡介：

張志剛(1975—)，男，河南禹州人，工程師，工學碩士，從事電力環保項目的管理工作(E-mail:zhangzg@lyhb.cn)。

王樹國(1972—) ，男，河北滄州人，工程師，工學碩士，從事燃氣輪機運行與維護方面的工作(E-mail:shuguo062150@163.com)。

曾榮鵬(1971—)，男，遼寧沈陽人，高級工程師，工學碩士，從事節能環保方面的工作(E-mail:zengrongpeng@longwei.cn)。