火電廠采用循環水水源熱泵供熱經濟性研究

劉傳玲，宋　昂

（華電電力科學研究院山東分院，濟南　250011）

火電廠采用循環水水源熱泵供熱經濟性研究

劉傳玲，宋昂

（華電電力科學研究院山東分院，濟南250011）

從熱功轉化效率的角度，對火電廠采用抽汽及循環水水源熱泵兩種供熱方式進行比較，推導出火電廠采用循環水水源熱泵供熱的臨界供熱溫度計算模型；針對國內200MW以下容量機組，計算出各容量機組額定供熱工況下采用循環水水源熱泵供熱的臨界供熱溫度；通過分析得出，在現有的熱泵技術條件下，只有末端采用低溫輻射采暖的用戶可以考慮采用循環水水源熱泵進行供熱，且循環水水源熱泵宜并聯連接。

熱功轉化效率；抽汽供熱；循環水水源熱泵供熱；臨界供熱溫度

0　引言

火電廠抽汽供熱就是將汽輪機中還有做功能力的蒸汽抽出系統對外供熱；循環水水源熱泵供熱則是通過消耗一部分電能，將火電廠循環水中的低品位的熱能轉化為高品位的熱能進行供熱。兩種供熱方式一種是減小了由循環水帶走的火電廠冷源損失；另一種則是利用了火電廠冷源損失，消耗了電能。本文將火電廠采用循環水水源熱泵進行供熱的經濟性研究，歸結為供熱抽汽做功損失與水源熱泵供熱耗功的比較，這種方法與之前研究方法［1-3］相比，優點是能從量和質兩個角度反映能源的利用效率。

1　抽汽供熱做功損失計算模型

汽輪機抽汽供熱實現了能量的梯度利用，提高了能量的利用率。假設機組總的供熱負荷為Qgr，通過等效焓降的方法［4］，計算該過程中供熱抽汽的做功損失為

式中：Pe0cq、Qgr、hcn、hno、Icn、Ij、ηj＋1、τr、ηr、ηjx、ηd分別為抽汽供熱做功損失、供熱負荷、供熱抽汽焓值、汽輪機純凝工況下排汽焓值、供熱回水焓值、j級加熱器出口水焓、j+1級抽汽效率、r級加熱器給水焓升、r級抽汽效率、汽輪機機械效率、發電機電機效率。

當純凝機組改造為抽汽供熱機組，純凝汽流經過供熱抽汽旋轉隔板，將產生壓力損失ΔP，此時純凝汽流的膨脹線將發生偏移，排汽焓值由hn0變為h′n，同時由于對外供熱抽汽不再進入凝汽器冷凝，使凝汽器負荷降低，在火電廠凝汽器循環水流量不變的情況下，引起凝汽器溫度的下降，進而使汽輪機排汽壓力降低，排汽焓值降低，最終排汽焓值為hn，如圖1所示。

純凝機組改造為抽汽供熱機組時，除了供熱抽汽的做功損失外，還應考慮由蒸汽膨脹線偏移引起的焓降的變化［5］。故純凝機組改造為抽汽供熱機組后，其做功損失為

式中：Pecq、hn、Dncq分別為修正后的抽汽供熱做功損失、汽輪機抽汽供熱工況下排汽焓值、汽輪機抽汽供熱工況下排汽量。

圖1　純凝機組抽汽供熱后的蒸汽膨脹過程線

2　循環水水源熱泵供熱耗功計算模型

2.1火電廠循環水水源熱泵連接方式

根據火電機組循環水系統的布置方式及循環水水源熱泵系統的特點，有以下兩種連接方式［1］。

方式一，凝汽器出口循環水先經過冷卻塔，然后進入水源熱泵系統的蒸發器，構成串聯式的連接方式，如圖2所示。

圖2　熱泵串聯形式

方式二，凝汽器出口循環水分別經過冷卻塔及水源熱泵蒸發器，構成并聯式的冷卻方式，如圖3所示。

圖3　熱泵并聯形式

并聯連接時循環水水源熱泵蒸發溫度明顯大于串聯連接，故并聯連接時水源熱泵制熱效果較好，但該連接方式下水源熱泵蒸發器的管外側介質不再是封閉的循環水，可能會由于循環水中的污物沉積而導致換熱效果下降；雖然串聯時水源熱泵制熱效果不如并聯連接，但串聯連接的方式會使進入火電機組凝汽器的循環水溫度降得更低，從而降低凝汽器的溫度，進而增加機組的發電量。

2.2循環水水源熱泵供熱耗功計算模型

循環水水源熱泵供熱需要消耗電能，由熱泵工作原理［6］推導得出其供熱耗功為

式中：Pe0rb、tcon、te、ηci分別為循環水水源熱泵供熱耗功、水源熱泵冷凝溫度、水源熱泵蒸發溫度、水源熱泵熱力學完善度。水源熱泵熱力學完善度為熱泵實際制熱循環制熱系數與可逆循環制熱系數的比值。

循環水水源熱泵冷凝溫度，可通過供熱溫度計算得出

式中：tgr、δtn分別為循環水水源熱泵供熱溫度、循環水水源熱泵冷凝器端差。

循環水水源熱泵蒸發溫度，因連接方式的不同而不同，采用并聯連接時：

式中：txho、δte分別為凝汽器出口循環水溫度、循環水水源熱泵入口循環水溫度與蒸發溫度的差值。

采用串聯連接時：

式中：t′xho為冷卻塔出口循環水溫度。

在串聯連接時，進入凝汽器的循環水由于經過熱泵的再次冷卻使得溫度進一步下降，從而引起凝汽器溫度的降低，蒸汽膨脹線下移，如圖4所示。汽輪機排汽焓值由hno變為hnrb，增加了火電機組發電量。因此在串聯連接時，循環水水源熱泵供熱耗功還應減去火電機組發電量的變化，此時循環水水源熱泵耗功為

式中：Dnrb、hnrb分別為采用循環水水源熱泵供熱時汽輪機排汽量、采用循環水水源熱泵供熱時汽輪機排汽焓值。

圖4　機組串聯接入水源熱泵時的蒸汽膨脹過程線

3　采用循環水水源熱泵供熱的可行性判據

在進行兩種供熱方式的比較時，取相同的供熱負荷。兩種供熱方式的比較即是供熱抽汽做功損失Pecq與循環水水源熱泵耗功Perb的比較，從而得出循環水水源熱泵供熱可替代抽汽供熱的臨界條件為

滿足式（8）的供熱溫度，即為火電廠可采用循環水水源熱泵供熱的臨界供熱溫度。

由式（9）可以看出循環水水源熱泵臨界供熱溫度與參數ηcn、ηci、te有關，其中ηcn主要受供熱抽汽參數的影響；ηci受熱泵技術的限制；te為循環水水源熱泵蒸發溫度，與水源熱泵的連接方式及火電廠循環水溫度有關，此外還受供熱負荷的影響，本文中暫不考慮變工況的情況。

當tgr＞時，即用戶要求的供熱溫度大于循環水水源熱泵臨界供熱溫度，此時水源熱泵供熱耗功大于抽汽供熱做功損失，宜采用抽汽供熱的方式；

當tgr=時，即用戶要求的供熱溫度等于循環水水源熱泵臨界供熱溫度，此時水源熱泵供熱耗功等于抽汽供熱做功損失，可根據熱用戶要求靈活選用供熱方式；

當時tgr＜即用戶要求的供熱溫度小于循環水水源熱泵臨界供熱溫度，此時水源熱泵供熱耗功小于抽汽供熱做功損失，宜采用循環水水源熱泵供熱的方式。

4　采用循環水水源熱泵供熱經濟性分析實例

4.1機組的主要技術參數及計算條件假設

目前國內抽汽供熱機組許多為200MW以下容量的機組，因此選用參與計算的機組容量分別為50MW、100MW、125MW、200MW，其主要參數如表1所示。

表1　各機組主要參數表

為方便研究，作以下假設。

1）在計算中假定冷卻塔出水溫度始終為20℃。循環水量在機組工況發生變化時不改變，始終等于機組設計值。在循環水水源熱泵并聯連接時，假定冷卻塔出口循環水與熱泵蒸發器出口循環水混合后的溫度也始終為20℃。

2）假設機組用中排抽汽對外供熱時的工況為機組額定供熱工況，在額定供熱工況下，熱泵蒸發溫度與熱泵蒸發器入口循環水溫差為10℃，冷凝器端差均為5℃。

4.2循環水水源熱泵臨界供熱溫度計算

在以上假設的前提下，對選用的純凝機組改造為抽汽供熱及循環水水源熱泵供熱的情況進行了計算，得出在不同的熱力學完善度下，各機組額定供熱工況下采用循環水水源熱泵供熱的臨界供熱溫度。

由表2可以看出，當時，各容量機組額定供熱工況所對應的循環水水源熱泵臨界供熱溫度處于30～60℃之間，由JGJ 142—2004《地面輻射供暖技術規程》3.1.1條可知［7］，對末端采用低溫輻射采暖的用戶可以采用循環水源熱泵進行供暖；當時，各機組額定供熱工況所對應的臨界供熱溫度值均高于60℃，宜采用循環水源熱泵進行供熱。由于目前熱泵技術的局限，熱泵循環熱力學完善度在0.4左右，因此現階段只有末端采用低溫輻射采暖的用戶可以考慮采用循環水水源熱泵進行供熱。從表2還可以看出，并聯連接時臨界供熱溫度要大于串聯，因此循環水水源水源熱泵宜采用并聯連接。

5　結語

基于等效焓降及熱泵原理的理論基礎，分別建立了火電廠采用抽汽供熱的做功損失及循環水水源熱泵供熱的耗功計算模型。通過對供熱抽汽做功損失與水源熱泵耗功的比較，得出了火電廠采用循環水水源熱泵進行供熱的臨界供熱溫度計算模型。將推導出的計算模型應用于200MW以下容量機組，計算得出各容量機組可采用循環水水源熱泵供熱的臨界供熱溫度，為各容量機組能否采用循環水水源熱泵供熱提供了參考，在現階段只有末端采用低溫輻射采暖的用戶可以考慮采用循環水水源熱泵進行供熱，且循環水水源熱泵宜采用并聯連接。

［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］馮永華，徐文忠，孫始財.火電廠循環冷卻水廢熱回收利用問題研究［J］.節能，2007（3）：17-19.

［3］藍玉.利用電廠余熱的水源熱泵空調系統的研究［D］.大連：大連理工大學，2005.

［4］林萬超.火電廠熱系統節能理論［M］.西安：西安交通大學出版社，1994.

［5］劉繼平，嚴俊杰，陳國慧，等.等效熱降理論的擴展研究［J］.熱力發電，1998（5）：11-15.

［6］吳業正，韓寶琦.制冷原理與設備［M］.西安：西安交通大學出版社，1997.

［7］JGJ 142—2004地面輻射供暖技術規程［S］.

Econom ic Research of Heating Supply Using Circulating Water-source Heat Pumps in Thermal Power Plant

LIU Chuanling，SONG Ang
（Shandong Branch of Huadian Electric Power Research Institute，Jinan 250011，China）

Extraction steam heating and water source heat pump heating used in thermal power plants were compared from the perspective of thermal power conversion efficiency.F or thermal power plants in which circulating water-source heat pumps were adopted，a model used to calculate critical heating temperature was acquired.The critical heating temperature of every unit under the rated heating condition was calculated for the domestic condensing unit with less than 200MW.Through analyzing，under the condition of existing heat pump technology，only users whose terminal used low-temperature radiant heating could consider to adopt circulatingwater-source heat pump which is advised to be connected in parallel.

thermal power conversion efficiency；extraction heating；heating with circulating-water-source heat pump；critical heating temperature

TK11

A

1007－9904（2016）03－0030－04

2016-01-02

劉傳玲（1985），女，工程師，從事電站機組熱力系統節能分析和檢測等專業工作。