云岡熱電直接空冷熱泵系統的應用與實踐

張繼斌

（山西大唐國際云岡熱電有限責任公司，山西大同037039）

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云岡熱電直接空冷熱泵系統的應用與實踐

張繼斌

（山西大唐國際云岡熱電有限責任公司，山西大同037039）

大型發電機組的實際熱效率并不高，許多熱量被凝汽器循環冷卻水帶走排至大氣。電廠循環冷卻水的排水溫度較低，屬于低品位熱能，直接利用的范圍較狹窄。直接空冷機組是利用散熱器直接進行排放，這些直接排放的熱量未加利用，就被排至大氣環境中，不但造成了環境的熱污染，還降低了機組的熱效率。通過加裝熱泵系統，提高了機組的運行效率，節約了相當可觀的燃煤，取得了顯著的經濟效益。

機組；直接；空冷；熱泵；系統；冷卻水；熱能；效率

0　概述

山西云岡熱電公司一期2×220 MW直接空冷機組1號機，于2003年11月投產，2號機于該年的12月投產發電。二期工程2×300 MW直接空冷機組的3號機、4號機，分別于2009年2月、11月投產發電。云岡熱電一期工程為2×220 MW直接空冷燃煤供熱發電機組，鍋爐為670 t/h超高壓自然循環、一次再熱、燃煤固態排渣汽包鍋爐。汽輪機為200 MW超高壓、中間再熱、空冷供熱凝汽式汽輪機。汽輪機排汽采用了機械式直接空氣冷卻系統。云岡熱電二期工程為2×300 MW直接空冷燃煤供熱發電機組，鍋爐為亞臨界一次中間再熱自然循環汽包爐，采用單爐膛、倒U形布置、四角切圓燃燒、平衡通風、全鋼構架、懸吊結構、露天布置、固態排渣，燃用混煤。汽輪機為兩缸兩排汽、亞臨界、一次中間再熱、直接空冷凝汽式汽輪機。采用機械式直接空氣冷卻系統。

在一期和二期工程中，每臺汽輪機配置1臺余熱回收機組，并列運行，不設備用。余熱回收機組采用一體化設計，每臺熱泵均單獨設置余熱回收機房，包括1臺前置換熱器、2臺余熱回收熱泵。前置換熱器能實現汽輪機排汽與熱網循環水的直接換熱功能。余熱回收熱泵以溴化鋰溶液為媒介，以汽輪機供熱抽汽為驅動熱源，回收汽輪機排汽余熱，加熱熱網循環水。前置換熱器與余熱回收熱泵串聯連接，2臺機組的乏汽余熱回收熱泵為并聯運行。

直接空冷熱泵的系統配置，是4臺機配置4臺熱泵，并配備了8臺熱網增壓泵，2臺凝結水泵。

1　直接空冷熱泵系統

一期工程2×220 MW機組熱網循環水的回水溫度為37℃。所有循環水的回水，首先進入1號熱泵進行換熱，加熱至47℃后，進入2號熱泵進行換熱，當循環水溫度升至57℃時，有一半的熱網循環水重新回至1號熱泵進行換熱，另一半熱網循環水仍在2號熱泵中進行換熱，熱網循環水被加熱后，重新匯合在一起，最終被加熱至74℃后，進入一期工程原熱網首站繼續加熱。

二期工程2×300 MW機組熱網的循環水回水溫度也是37℃，所有循環水的回水，首先進入3號熱泵進行換熱，加熱至46℃后，進入4號熱泵進行換熱，當循環水溫度升至55℃，此時，有部分熱網循環水重新回至3號熱泵進行換熱，其余部分仍在4號熱泵內進行換熱，熱網循環水被分別加熱后，重新匯合在一起，最終溫度達到73℃后，進入二期工程原熱網首站繼續加熱。

2　空冷熱泵系統的工作原理與設計

2.1 空冷熱泵系統工作原理

根據電廠空冷熱泵系統的結構特點，熱泵系統的布置，如圖1所示。

圖1　直接空冷熱泵系統示意圖

溴化鋰吸收式熱泵系統，由取熱器、濃縮器、加熱器和再熱器等四個部分組成。以蒸汽為驅動熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，利用水在真空狀態下低沸點沸騰的特性，提取低品位的熱量，通過回收轉換，制取采暖用的高品位熱水。

3　熱泵系統性能熱力試驗

3.1 一期工程熱泵的技術參數

建設一期工程時，設計熱泵的技術參數，如表1所示。

表1　一期工程熱泵的技術參數

3.2 二期工程熱泵的技術參數

建設二期工程時，設計熱泵的技術參數，如表2所示。

表2　二期工程熱泵的技術參數

3.3 性能試驗目的

為了評價余熱回收機組的出力能力，通過測試，分別獲得一期工程和二期工程乏汽余熱回收機組的性能參數，主要參數包括余熱回收機組的供熱量、回收的乏汽熱量及余熱回收系統熱網的水壓損失值。

3.4 性能試驗工況

分別在一期和二期余熱回收機組設計汽輪機排汽壓力和提高汽輪機排汽壓力的條件下進行試驗，按4種工況條件進行試驗。工況背壓和試驗時間，如表3所示。

表3　熱泵機組試驗工況

3.5 性能試驗計算方法

（1）數據處理

選取數據采集系統記錄的每一工況相對穩定的一段連續記錄數據，求取平均值，作為性能計算的依據。

（2）試驗結果的計算

試驗熱泵回收乏汽余熱熱功率的計算公式為：

式（1）中：QEQ—熱泵回收乏汽余熱熱功率，MW；

GRW—熱網熱網水流量，t/h；

GWC—驅動蒸汽流量，t/h；

ho—熱泵出口熱網水出水焓，kJ/kg；

hi—熱泵進口熱網水進水焓，kJ/kg；

hWC—驅動蒸汽焓，kJ/kg；

hC—驅動蒸汽疏水焓，kJ/kg。

熱網水系統壓損計算公式：

式（2）中：P—熱網水系統壓損，kPa；

Pi—熱泵入口熱網水母管壓力，kPa；

Po—熱泵出口熱網水壓力，kPa。

3.6 性能試驗的結果

一期工程2×220 MW乏汽余熱回收機組的性能試驗結果，如表4所示。詳細試驗數據及計算（略）。

當背壓為15 kPa試驗工況時，2號汽輪機排汽壓力為15.95 kPa，熱網水流量為6 509.7 t/h，熱網循環水的回水溫度為47.5℃。試驗后，實測余熱回收機組熱網水的出口溫度為70.47℃，總供熱量為173.69 MW，其中回收汽輪機排汽熱量為78.42 MW。熱網循環水的供水壓力為0.229 MPa，余熱回收機組的壓損為0.095 MPa。

當背壓為22 kPa試驗工況時，2號汽輪機排汽壓力為22.44 kPa，熱網水流量為6 548.1 t/h，熱網的回水溫度為47.7℃。試驗后，測得余熱回收機組熱網水的出口溫度為74.16℃，總供熱量為201.33 MW，其中回收汽輪機排汽熱量114.54 MW。熱網循環水的回水壓力為0.228 MPa，余熱回收機組的壓損為0.095 MPa。

表4　一期工程余熱回收機組試驗結果

二期工程2×300 MW乏汽余熱回收機組性能試驗結果，如表5所示。詳細試驗數據及計算（略）。

當背壓為15 kPa試驗工況時，2號汽輪機排汽的壓力為16.52 kPa，熱網水流量為8 299.6 t/h，熱網循環水的回水溫度為41.8℃。試驗后，二期余熱回收機組熱網水的出口溫度為71.5℃，總供熱量為286.27 MW，回收乏汽熱量為158.35 MW，其中4號余熱機組供熱量為177.51 MW，回收汽輪機排汽熱量為112.96 MW。熱網循環水的供水壓力為0.146 MPa，余熱回收機組的壓損為0.081 MPa。

表5　二期工程余熱回收機組試驗結果

當背壓為24 kPa試驗工況時，4號汽輪機排汽壓力為24.44 kPa，熱網水流量為8 169.6 t/h，熱網回水溫度為42.4℃。試驗后，二期余熱回收機組熱網水的出口溫度為76.0℃，總供熱量為319.09 MW，回收乏汽熱量為195.61 MW，其中4號余熱回收機組供熱量為229.69 MW，回收汽輪機排汽熱量為164.81 MW。熱網循環水回水壓力為0.201 MPa，余熱回收機組的壓損為0.077 MPa。

3.7 熱泵系統試驗結論

根據試驗結果可知：

（1）一期工程余熱回收機組

當2號汽輪機排汽壓力為15.95 kPa時，回收汽輪機排汽熱量78.42 MW，余熱回收機組壓損為0.095 MPa。當2號汽輪機排汽壓力22.44 kPa時，回收汽輪機排汽熱量114.54 MW，余熱回收機組的壓損為0.095 MPa。

（2）二期工程余熱回收機組

當4號汽輪機排汽壓力為16.52 kPa，二期余熱回收機組總供熱量為286.27 MW，回收乏汽熱量158.35 MW，其中4號余熱機組供熱量為177.51 MW，回收汽輪機排汽熱量112.96 MW。余熱回收機組壓損為0.081 MPa。

當4號汽輪機排汽壓力24.44 kPa時，回收乏汽熱量為195.61 MW，回收汽輪機排汽熱量164.81 MW。余熱回收機組的壓損為0.077 MPa。

4　熱泵機組的經濟效益

按初步設計方案，當機組背壓為15 kPa工況下，熱網回水溫度為50℃時，回收熱量為272 MW。當熱網回水溫度為39℃時，回收熱量480 MW。改造方案實施后，在熱態調試過程和系統性能鑒定中，熱網回水溫度基本維持在46～50℃，回收乏汽能力為260～330 MW。經統計，2013年2月12～16日平均回收的乏汽為277 MW。供電煤耗累計完成278.46 g/kW·h（2013年4月底），較同期煤耗311.87 g/k W·h下降33.35 g/kW·h。2013年1 ～9月發電量完成36.44億千瓦時，供熱量完成562.64萬GJ，回收乏汽257.311萬GJ。按照折標系數0.0341 2千克標準煤/百萬焦耳計算，節約標煤8.779 5×104噸，按照2013年標煤單價461.36 元/噸（不含稅）核算，節約資金4 051.5萬元，可見收益相當可觀。二期余熱回收機組試驗結果，如表6所示。

表6　二期余熱回收機組試驗結果

5　熱泵的社會效益

（1）相比常規供熱方案，機組的耗煤量大幅減少，既節約了大量能源，同時又減少了煤、灰渣在裝卸、運輸、貯存過程中對環境、交通及占地的影響。

（2）SO2、NOX及煙塵是造成大氣污染的重要污染源，由于排放量的減少，改善了城市的空氣質量，如果采用燃煤鍋爐供熱，經保守計算，回收的乏汽供熱量相當于減少SO2排放量0.4萬噸，減少CO2排放量38.2萬噸，減少NOx排放量375.3噸，減少煙塵排放量0.31萬噸，減排灰渣6.2萬噸。

（3）降低了環境噪聲。由于燃煤鍋爐房一般分散在建筑群中，鍋爐運行時，風機、水泵產生的噪聲干擾了居民生活，新建的熱力站仍建在居住區里，但站內設備的轉動部件少，噪音很低，對居民生活的影響將降至最低。

（4）減少了占地面積。由于不再新建燃煤鍋爐房，將大大減少城市占地，有利于城市的建設和發展。

6　結語

熱泵機組是將現有供熱系統與吸收式熱泵技術進行了有效結合，提高了熱源的供熱能力，大幅提高了熱電聯產集中供熱系統的效率，有效地緩解了城市熱電聯產中的突出矛盾，也是熱電聯產集中供熱方式的未來發展方向。

該熱泵機組體現了多項主要的創新點。

（1）該項目采用的余熱回收機組，集成了低溫加熱段和中溫加熱段，相比于常規吸收式熱泵，可使換熱設備的布置更緊湊，節省了廠內用地，大幅降低了設備投資額。

（2）在系統布置上，首次采用串并結合的方式，將低溫換熱段串聯布置后，再并聯進入余熱回收機組中溫加熱段，最后再進入熱網首站加熱器進行尖峰加熱，可大幅提升回收乏汽的能力。

（3）首次采用乏汽凝水與抽汽疏水合并的方式，取消了凝結水泵，使系統布置更趨簡化。

（4）在吸收式換熱機組中，梯級利用一次網水熱量對二次網進行加熱，可在不消耗其他熱能的情況下，大幅度降低一次網回水溫度，提高了一次網的輸送能力。在相同供熱量下，降低了一次網的管網建設投資與循環水泵的耗電量。

（5）余熱回收功率為272 MW（廠內功率），廠內功率加廠外功率為480 MW，是目前國內最大的余熱回收利用項目。

該研究成果的成功應用，從根本上解決了供熱能力不足的問題，填補了城市發展與集中供熱面積規劃之間的缺口。同時，該熱泵的能源綜合利用效率很高，對于環境保護和合理利用能源，具有深遠的意義。

［1］西安熱工研究院有限公司.山西大唐國際云岡熱電有限責任公司乏汽余熱利用工程性能試驗報告［D］.2013.

［2］云岡熱電公司.山西大唐國際云岡熱電有限責任公司乏汽余熱利用工程竣工報告［D］.2013.

［3］煙臺龍源電力技術股份有限公司.火力發電廠熱泵技術應用匯報［D］.2011.

［4］劉學飛.熱泵技術在火電廠節能中應用的探討［J］.治金動力，2010（6）：26-28.

［5］蘇保青.用熱泵回收電廠冷凝熱集中供熱技術研究［J］.山西省能源與節能，2010（3）：1-20.

［6］華北電力科學研究院.供熱機組回收循環水（排汽）余熱供熱技術介紹［D］.2012.

［7］付林.江億，張世鋼，基于CO-ah循環的熱電聯產集中供熱設計方法［J］.清華大學學報（自然科學版），2008（09）：頁碼？

［8］韓吉才.吸收式熱泵技術在熱電聯供中的應用研［J］.中國石油大學，2009（1）：11-56.

［9］王佩璋.我國首臺200 MW火電直接空冷凝汽器系統的設計與運行［J］.電力設備，2004（9）：34-37.

［10］伍小林，劉邦泉.直接空冷機組有關問題探討［J］.華北電力技術，2004（5）：5-14.

Apply and Practice of Yungang Thermal Power Direct Air Cooling Heat Pump System

ZHANG Ji-bin
（Shanxi Datang International Yugang Thermal Power Co.，Ltd.Datong 037039，Shanxi，China）

The actual thermal efficiency of large thermal power plant is not high，a large amount of heat is discharged into the environment with the condenser circulating cooling water.The temperature of circulating cooling water drainage in power plant is relatively low.The energy of the drainage is low-grade heat energy，which has a narrow range of direct use of.Direct air cooling unit discharges directly with the radiator；the heat is discharged into the environment without being used.The emission of heat，not only causes heat pollution to the environment，but also reduces the energy efficiency of thermal power plant.Through the installation of heat pump system，the operation efficiency of the power plant has been improved，a considerable amount of coal has been saved and remarkable social benefits have been achieved.

unit；direct；air-cooling；heat pump；systems；cooling water；heat；efficiency

TK264.1

A

1672-0210（2016）01-0028-05

2015-10-08

張繼斌（1963-），男，碩士，高級工程師，從事熱能動力方面的研究。