燃煤電站與吸收式熱泵耦合系統(tǒng)的方案研究

彭 爍，周 賢，王保民

(中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京102209)

燃煤電站與吸收式熱泵耦合系統(tǒng)的方案研究

彭 爍，周 賢，王保民

(中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京102209)

鍋爐暖風(fēng)器通常采用汽輪機(jī)抽汽作為熱源加熱一、二次風(fēng)，暖風(fēng)器內(nèi)抽汽與空氣換熱溫差較大，致使傳熱不可逆損失較大從而影響機(jī)組的整體性能。為了減小暖風(fēng)器的不可逆損失，提高機(jī)組性能，提出將吸收式熱泵技術(shù)應(yīng)用于燃煤火力發(fā)電系統(tǒng)，采用汽輪機(jī)回?zé)岢槠鳛闊岜抿?qū)動(dòng)熱源，以冷凝器循環(huán)水作為低溫?zé)嵩矗迫≈袦責(zé)崴糜诩訜崤L(fēng)器內(nèi)一、二次風(fēng)，并采用低溫省煤器回收煙氣余熱的技術(shù)方案。建立了該方案的物理模型，并分別與另外3種方案進(jìn)行比較。結(jié)果表明，利用吸收式熱泵加熱燃煤電站一、二次風(fēng)，并采用低溫省煤器回收煙氣余熱后，汽輪機(jī)回?zé)岢槠繙p少，機(jī)組發(fā)電效率升高，熱耗率降低，發(fā)電煤耗降低1.95 g/kW·h。

吸收式熱泵；暖風(fēng)器；低溫省煤器

0 引言

鍋爐暖風(fēng)器是一種利用汽輪機(jī)回?zé)岢槠訜徨仩t一、二次風(fēng)的鍋爐輔機(jī)設(shè)備。目前燃煤電站的暖風(fēng)器通常采用五抽、六抽作為熱源，部分電廠甚至采用三抽、四抽作為熱源，這部分抽汽做功能力較強(qiáng)，而且與空氣的換熱溫差較大，傳熱不可逆損失較大，從而使暖風(fēng)器的節(jié)能效果大打折扣。

吸收式熱泵是一種利用熱能直接驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)將熱量從低溫?zé)嵩磦鬏斀o高溫?zé)嵩吹难b置。它能用較少的高溫?zé)嵩粗迫≥^多的中溫?zé)嵩矗岣邿崮艿睦眯蔥1-3]。20世紀(jì)80年代，國(guó)際能源署將吸收式熱泵技術(shù)排在各種節(jié)能技術(shù)之首。美國(guó)也將吸收式熱泵技術(shù)列為全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的12個(gè)科技領(lǐng)域之一。20世紀(jì)后半葉，日本大力發(fā)展吸收式熱泵技術(shù)，其裝機(jī)總量已經(jīng)占到全球的50%左右。中國(guó)也對(duì)吸收式熱泵技術(shù)在節(jié)能減排領(lǐng)域的作用進(jìn)行了大量研究[4-5]，國(guó)家發(fā)改委于2008年將其列入國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄[6]。

燃煤電站中的能量損失包括鍋爐排煙損失、凝汽器冷卻水散熱、鍋爐排污、管道散熱損失等。在這些熱量損失中，有55%左右是被冷凝器中的冷卻水帶走，再由冷卻塔釋放到環(huán)境中，從而造成能量大量浪費(fèi)。而燃煤電站冷卻水品質(zhì)較好，水量較大，溫度較穩(wěn)定，這些特質(zhì)使冷卻水非常適合作為吸收式熱泵的低溫?zé)嵩矗赏ㄟ^(guò)熱泵進(jìn)一步回收利用[7-8]。

文獻(xiàn)[9]提出利用鍋爐排污和汽輪機(jī)抽汽驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式熱泵、回收循環(huán)水廢熱、送入暖風(fēng)器加熱鍋爐進(jìn)風(fēng)的方案。但暖風(fēng)器的引入會(huì)使空氣預(yù)熱器入口空氣溫度升高，從而使鍋爐排煙得不到充分利用，排煙溫度升高。鑒于此，本文提出采用汽輪機(jī)回?zé)岢槠鳛闊岜抿?qū)動(dòng)熱源，冷凝器循環(huán)水作為低溫?zé)嵩矗迫≈袦責(zé)崴糜诩訜崤L(fēng)器內(nèi)一、二次風(fēng)，并采用低溫省煤器回收煙氣余熱的技術(shù)方案。由于暖風(fēng)器內(nèi)換熱溫差減小，從而使暖風(fēng)器內(nèi)的換熱不可逆損失減小。另外，由于對(duì)循環(huán)水余熱進(jìn)行了回收利用，從而可達(dá)到節(jié)省抽汽，增加汽輪機(jī)出功的效果。

1 系統(tǒng)流程介紹

本文以某N660—25/600/600超超臨界機(jī)組為對(duì)象進(jìn)行研究。該機(jī)組為一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、純凝式機(jī)組，有三級(jí)高壓給水加熱器，四級(jí)低壓給水加熱器和一級(jí)除氧器，疏水是逐級(jí)自流方式。

吸收式熱泵主要包括發(fā)生器、蒸發(fā)器、冷凝器、吸收器4大部件，工質(zhì)為溴化鋰-水溶液。發(fā)生器驅(qū)動(dòng)熱源為汽輪機(jī)回?zé)岢槠舭l(fā)器低溫?zé)嵩礊檠h(huán)水，媒介水分別在吸收器、冷凝器中吸收熱量后，用于加熱鍋爐一、二次風(fēng)。圖1是吸收式熱泵的原理圖。

圖1 吸收式熱泵原理圖

2 系統(tǒng)流程數(shù)值模擬

2.1 660 MW燃煤電站

GateCycle是一款GE公司開(kāi)發(fā)的進(jìn)行全廠熱平衡計(jì)算的軟件。該軟件應(yīng)用范圍廣，能預(yù)測(cè)聯(lián)合循環(huán)電廠、火電廠、余熱發(fā)電系統(tǒng)、熱電聯(lián)產(chǎn)電廠、先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)等多種能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)工況性能。本文針對(duì)660 MW燃煤電站，建立了660 MW燃煤電站系統(tǒng)模型。為驗(yàn)證模型的正確性，將模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)工況進(jìn)行了對(duì)比研究。對(duì)比結(jié)果如表1所示，從表中可以看出模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)值相比，誤差在1%以內(nèi)，證明了模擬結(jié)果的可靠性。

表1 660 MW燃煤電站模擬結(jié)果校核

2.2 吸收式熱泵

對(duì)于吸收式熱泵循環(huán)，根據(jù)質(zhì)量平衡、能量平衡和相平衡關(guān)系建立方程組。

質(zhì)量守恒：

∑mi-m0=0

(1)

∑(miXi)-∑(m0X0)=0

(2)

式中：m為溴化鋰-水溶液質(zhì)量流量(kg/s)；X為溴化鋰質(zhì)量濃度(%)。

能量平衡：

(3)

式中：h為相應(yīng)流體的焓值(kJ/kg)；Q為吸收或者放出的熱量(kJ)。

相平衡：

F1(X,T,P)=0

(4)

F2(T,P)=0

(5)

式中：F1為溴化鋰-水溶液相平衡關(guān)系式；F2為水的相平衡關(guān)系式。

2.3 改造方案

為了突出本文方案的節(jié)能效果，舉出4種方案進(jìn)行比較：方案一，利用第六級(jí)汽輪機(jī)回?zé)岢槠?qū)動(dòng)暖風(fēng)器；方案二，利用第六級(jí)抽汽驅(qū)動(dòng)吸收式熱泵，然后驅(qū)動(dòng)暖風(fēng)器；方案三，在方案一的基礎(chǔ)上增設(shè)低溫省煤器；方案四，在方案二的基礎(chǔ)上增設(shè)低溫省煤器。圖2至圖5分別是4個(gè)方案的原理圖。

圖2 方案一原理圖

圖3 方案二原理圖

圖4 方案三原理圖

圖5 方案四原理圖

3 結(jié)果分析

與設(shè)計(jì)方案相比，方案一中暖風(fēng)器將一、二次風(fēng)溫提升至45 ℃，第六級(jí)低壓抽汽從120.59 t/h升高到139.25 t/h，排煙溫度從121 ℃升高到136.8 ℃，發(fā)電煤耗從267.91 g/kW·h增加到269.06 g/kW·h，升高了1.15 g/kW·h。結(jié)果表明，僅增加暖風(fēng)器，不僅不會(huì)起到節(jié)能效果，反而會(huì)使得機(jī)組發(fā)電煤耗升高，主要是因?yàn)榭諝庠谂L(fēng)器中被加熱后，空氣預(yù)熱器入口空氣溫度升高，因此空氣預(yù)熱器中煙氣與空氣換熱時(shí)煙氣得不到充分冷卻，使排煙溫度與改造前相比會(huì)有一定程度的升高。

方案二與設(shè)計(jì)工況相比，排煙溫度仍然從121 ℃升高到136.8 ℃。但是，方案二與方案一相比，第六級(jí)低加抽汽量從139.25 t/h減小到131.47 t/h，由于第六級(jí)低加抽汽量的減少，原回?zé)岢槠祷仄啓C(jī)做功，增加了汽輪機(jī)的出功量，使機(jī)組發(fā)電效率從45.65%升高到45.72%，熱耗率從7 885.5 kJ/kW·h下降到7 873.2 kJ/kW·h，發(fā)電煤耗從269.06 g/kW·h下降到268.65 g/kW·h，下降了0.41 g/kW·h，發(fā)電功率從677.38 MW提高到678.43 MW，提高了1.05 MW。

為解決增設(shè)暖風(fēng)器后排煙溫度升高的問(wèn)題，方案三與方案四分別在方案一與方案二的基礎(chǔ)上增加1臺(tái)低溫省煤器，回收排煙熱損失，用于加熱汽輪機(jī)凝結(jié)水。對(duì)于方案三，暖風(fēng)器的加入使空氣預(yù)熱器入口溫度從25 ℃升高到45 ℃，低溫省煤器的引入使排煙溫度降低到90 ℃。綜合考慮，采用六抽供暖風(fēng)器+低溫省煤器方案改造后，發(fā)電效率從45.85%升高到46.11%，發(fā)電煤耗從267.91 g/kW·h降低到266.39 g/kW·h，降低1.52 g/kW·h。

方案四與方案三相比，第六級(jí)低加抽汽量從94.64 t/h減小到86.9 t/h。由于第六級(jí)低加抽汽量的減少，原回?zé)岢槠祷仄啓C(jī)做功，增加了汽輪機(jī)的出功量，使機(jī)組發(fā)電效率從46.11%升高到46.18%，熱耗率從7 807 kJ/kW·h下降到7 794.5 kJ/kW·h，發(fā)電煤耗從266.39 g/kW·h下降到265.96 g/kW·h，下降了0.43 g/kW·h。方案四與設(shè)計(jì)方案相比，發(fā)電功率從680.03 MW升高到685.29 MW，發(fā)電效率從45.85%升高到46.18%，發(fā)電煤耗從267.91 g/kW·h降低到265.96 g/kW·h，降低1.95 g/kW·h。4個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 吸收式熱泵驅(qū)動(dòng)暖風(fēng)器方案對(duì)比研究

4 結(jié)論

本文提出將吸收式熱泵技術(shù)應(yīng)用于燃煤火力發(fā)電系統(tǒng)，采用汽輪機(jī)回?zé)岢槠鳛闊岜抿?qū)動(dòng)熱源，冷凝器循環(huán)水作為低溫?zé)嵩矗糜诩訜崤L(fēng)器內(nèi)一、二次風(fēng)，并采用低溫省煤器回收煙氣余熱的技術(shù)方案。建立了該方案的物理模型，并分別與另外3種方案進(jìn)行比較。結(jié)果表明，利用吸收式熱泵加熱燃煤電站一、二次風(fēng)，并采用低溫省煤器回收煙氣余熱后，與設(shè)計(jì)方案相比，發(fā)電功率從680.03 MW升高到685.29 MW，發(fā)電效率從45.85%升高到46.18%，發(fā)電煤耗從267.91 g/kW·h降低到265.96 g/kW·h，降低1.95 g/kW·h。

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Simulation Study of Coal-fired Power Plant Coupled with Absorption Heat Pump

PENG Shuo, ZHOU Xian, WANG Baomin

(Huaneng Clean Energy Research Institute, Beijing 102209, China)

To reduce the irreversible losses in the air heater, and improve the thermal efficiency of the plant, this paper proposed a method by utilizing the absorption heat pump in the coal-fired power plant. The extracted steam from the steam turbine acts as the high temperature heat source for the absorption heat pump, while the circulating water from the condenser acts as low temperature heat source. The primary and secondary air is heated by the absorption heat pump. The physical model of a typical 660 MW coal-fired power plant is established. Based on the physical model, the simulation programs of four cases are developed. As a result, the case using the absorption heat pump as the heat source of steam air heater is able to reduce the amount of extracted steam. Besides, the thermal efficiency is improved, while the heat rate is reduced, and the coal consumption is reduced by 1.95 g/kW·h.

absorption heat pump; steam air heater; low temperature economizer

2016-08-31。

中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司研究與開(kāi)發(fā)基金項(xiàng)目(TX-15-CERI03)。

彭爍(1987-)，男，工程師，主要從事清潔能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、太陽(yáng)能熱發(fā)電等方面研究工作，E-mail： pengshuo@hnceri.com。

TK114

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.12.005