吸收式熱泵在城市熱電廠改造利用節能研究

王軍太

（蘭州西固熱電有限責任公司，甘肅 蘭州730070）

根據國家統計局數據顯示，2017 年我國原煤產量34.5 億噸(折標準煤24.6 億噸)，其中50%以上為發電用煤。火力發電廠在能源轉換過程中產生大量的余熱，其中約有50%左右能量通過鍋爐排煙和汽輪機排汽（乏汽）通過循環冷卻水的形式直接排至大氣，既造成了能源的大量浪費，也導致了環境污染。

熱電聯產是降低汽輪機排汽熱損失的有效手段，隨著城市化進程的加快，居民采暖需求和供暖能力不足的矛盾日趨顯現。城市供熱電廠受環保政策、地理位置限制增容空間受限，在不增加新的熱源項目的情況下，通過技術升級改造提高現有設備供熱能力是解決城市供熱電廠供暖能力不足的方向。

現有熱電聯產是利用汽輪機低壓段抽汽通過加熱器加熱水實現，由于減少了汽輪機排汽量，降低了冷源損失。但隨著采暖需求的不斷增加，原有機組供熱能力明顯不足。在熱電廠設置吸收式熱泵能夠顯著提高機組供熱能力, 利用汽輪機低壓段抽汽作為驅動熱源、循環冷卻水作為低溫熱源加熱熱網水，回收汽輪機排汽（乏汽）熱量，進一步降低煤耗，實現節能減排的目的。

1 吸收式熱泵的原理

吸收式熱泵是一種以蒸汽（或高溫熱水、燃油、燃氣）為驅動，實現將熱量從低溫熱源向高溫熱源泵送的循環系統，是回收利用低溫位熱能的有效裝置，具有節約能源、保護環境的雙重作用[1]。熱泵由發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器和熱交換器等主要部件及抽氣裝置，屏蔽泵(溶液泵和冷劑泵)等輔助部分組成。吸收式熱泵利用兩種沸點不同的工質組成溶液（通常稱為工質對或二元溶液）的氣液平衡特性來工作的。按工質對劃分，分為水- 溴化鋰熱泵和氨- 水熱泵。主要介紹水- 溴化鋰熱泵熱泵系統。

2 熱電廠系統改造

某熱電廠裝備2×330MW 汽輪發電機組，設計熱網首站可供960 萬平方米供熱面積，加熱汽源為機組中壓缸排汽，3 臺表面式熱網加熱器，隨著供熱需求的不斷增加，現有供暖設備已不能滿足采暖供熱需要。城市電廠由于受燃料運輸、環保排放總量控制等原因不具備增容條件，改造前系統如圖1 所示。為了發揮2×330MW 機組供熱潛能，促進經濟社會可持續發展，進一步提高電廠熱效率決定采用吸收式熱泵對機組循環冷卻水余熱回收利用，增加供熱能力。

圖1 改造前系統

在保留熱網首站情況下，設置熱泵泵站串聯在熱網首站之前加熱熱網回水。改造分兩部分：一部分為熱網側，即在熱網首站熱網回水管設置熱泵泵站；另一部分為循環水側，將機組凝汽器出口循環水分兩路，原循環水至冷卻塔上塔冷卻管路不變；增加一路至熱泵管路用以熱泵回收熱量，熱泵出口循環水直接排至冷卻塔塔池。循環水系統增加隔離切換閥門，采暖期循環水通過閥門切換至熱泵放熱溫度降低后回至冷卻塔塔池；非采暖期循環水通過閥門切換上冷卻塔冷卻循環使用，改造后的系統如圖2 所示。

圖2 改造后系統

3 節能效益分析

3.1 供熱能力增加和回收熱量

熱泵采用6 臺48.46MW 蒸汽型吸收式溴化鋰熱泵機組，回收現有2 臺300MW 供熱機組循環水排水余熱。熱泵系統設置在熱網首站回水端，與熱網首站串聯布置，按照系統設置和供暖實際情況，熱泵承擔供暖基本負荷，熱網首站承擔供暖尖峰負荷，供熱初期和末期盡量發揮熱泵余熱回收作用，由熱泵保證供暖；熱網首站的熱網加熱器做為熱泵供熱不足的補充及供暖高峰期的二次加熱。設計6 臺水- 溴化鋰熱泵采暖期可回收155 萬GJ 熱量，當地供暖設計50W/m2，回收熱量能增加240 萬平方米城市供熱面積。 根據電廠測算熱泵系統投運后2017 至2018 采暖期(5 個月）從機組循環水回收熱量127 萬GJ。

3.2 供熱系數COP

COP 是英文（Coefficient Of Performance）的縮寫，即能量與熱量之間的轉換比率，簡稱制熱能效比.熱泵供熱系數COP 是熱泵輸出熱量Q1 與熱泵運行消耗能量Q2 之比，是衡量熱泵經濟性的主要指標，COP= Q1 / Q2。采暖用第一類吸收式熱泵COP 一般為1.65～2.0 之間，熱泵系統投運后委托第三方機構試驗COP 為1.8，達到了設計要求。即熱泵消耗能量Q2 為1（驅動汽源能量+耗電，耗電較小可忽略不計），熱泵輸出熱量Q1 為1.8（其中驅動汽源放出能量1+循環水提取能量0.8）。

3.3 節省燃料量

熱泵系統投運后從機組循環冷卻水中回收了大量熱量，減少了鍋爐蒸發量，節約了大量的煤炭消耗，降低了煤耗。

G=Qh÷Qd×η1×η2

G——節煤量；

Qh——回收熱量；

Qd——標煤發熱量；

η1——鍋爐效率，取92%；

η2——管道效率，取98%。

按照2017 至2018 采暖期回收熱量127 萬GJ，帶入公式可得采暖期節約煤炭39000 噸。

3.4 廢氣減排量

煤炭燃燒會釋放出大量的廢氣，是造成環境污染的主要源頭，雖然電廠進行了環保改造，但排放總量依然巨大。以（硫分0.8%、灰分25%、低位發熱量4500kcal/kg）燃煤計算，當脫硫效率為95%時，1 噸煤燃燒排放二氧化硫0.64Kg；當脫硝效率為80%時，1 噸煤燃燒排放氮氧化物0.97Kg；當除塵效率為99%時，1 噸煤燃燒排放排放煙塵0.89Kg。熱泵系統投運節約煤39000 噸，減少SO2 排放24.96 噸；減少NOx 排放24.96 噸；減少煙塵排放34.71 噸。

3.5 循環水節水量

機組正常運行時循環水損失主要有冷卻塔蒸發損失、風吹損失和排污三部分組成。采暖期熱泵系統投運循環水直接進入熱泵放熱，循環水放出熱量后溫度降低排至冷卻塔塔池，不再上冷卻塔冷卻。避免了循環水蒸發和風吹損失。一般冷水塔蒸發和風吹損失約占總循環水量的1～1.5%，按熱泵設計循環水量20000T/H，蒸發和風吹損失取下限1%計算，熱泵運行每小時節水200T，按熱泵滿負荷運行100 天（采暖期150 天，采暖初期、末期負荷較小）計算，節水480000T，經濟效益顯著。

4 結論

城市供熱電廠由于有集中、穩定、可靠的熱源用戶，通過新建或技術改造建設吸收式熱泵，可以增大供熱電廠供熱能力；提高電廠能源轉換效率，降低了煤耗、水耗；減少了二氧化硫、氮氧化物、NOx 排放。且吸收式熱泵耗功較低、運行維護成本低廉，是城市供熱電廠增加供熱能力、節能減排改造的方向。