300 MW熱電聯產機組吸收式熱泵非采暖季運行方案研究

薛清元，周 策，劉 剛，王海峰，王占強

(1.大唐東北電力試驗研究院，吉林 長春 130012；2.大唐國際發電股份有限公司張家口發電廠，河北 張家口 075000)

0 引言

我國進入“十三五”以來，隨著工業化、城鎮化進程的加快，社會的能源需求呈現剛性增長，節能減排形勢嚴峻、任務艱巨[1]。發電企業作為主要能耗單位，切實響應國家節能政策，提高能源利用率，顯得更為重要。火電廠只能利用輸入燃料中大約35%的能量，未能利用的大部分熱量被循環冷卻水帶走[2-3]。為了利用這部分能量，一些供熱機組選擇利用吸收式熱泵提取循環水余熱供給熱網。趙斌、王力彪等[4-5]為此展開了許多研究工作。熱泵在采暖季運行利用了大量余熱，卻無法實現循環水余熱的全年利用，關于熱泵在非采暖季運行，何曉紅、崔可等[6-7]分別從利用余熱供生活熱水和預熱凝結水兩個使用途徑進行了研究，本文在此基礎上，針對300 MW等級熱電聯產機組的特點，以某機組為研究對象，對其吸收式熱泵在非采暖季的運行方案進行研究。

1 機組基本參數

以東北地區某2×300 MW亞臨界燃煤供熱機組為研究對象，其汽輪機為哈爾濱汽輪機廠有限公司設計制造的亞臨界、一次再熱、雙缸雙排汽、單軸、單抽，C250/N300-16.7/537/537型汽輪機，使用8級回熱加熱給水，額定背壓4.9 kPa，后配套建設7臺35 MW吸收式熱泵，以第五段抽汽作為驅動蒸汽，利用循環水余熱加熱熱網水，主要參數如表1中所示。

表1 單臺熱泵主要額定參數

2 利用熱泵供生活熱水技術經濟分析

為落實環保政策，2015年以來，全國各省市陸續整改、拆除燃煤小鍋爐，長期需要生活熱水的熱用戶相繼采用直接購買熱水的方式進行經營。例如，洗浴業一般需求溫度為70～80 ℃的熱水，供熱機組通過新增儲水罐、板式換熱器、熱水循環泵等設施，即可在非采暖季為熱用戶提供生活熱水，其系統圖如圖1所示。

圖1 熱泵供熱水系統圖

2.1 制取70 ℃熱水方案

該供熱機組具有生活熱水負荷2 000 t/天，由貨車將熱水運送至用戶側，熱水送出后不再返回。本方案將來自市政15 ℃的自來水加熱至70 ℃，儲存在儲水罐中，熱負荷約128 MW，投運熱泵機組即可滿足要求，無需啟動熱網加熱器。考慮到此時熱網水流量較小，在供熱管道中流動，存在著較大的熱損失，而且熱水在裝車、運送時也將存在熱損失，故將熱網供水溫度設定為75 ℃。自來水溫度為15 ℃，與熱泵額定熱網回水溫度相差較大，故利用熱水循環泵將一部分制備好的熱水送回自來水入口，兩者混合后達到40 ℃左右，再進入換熱器中換熱，以防止熱網回水溫度過低對熱泵產生影響。

2.2 制取80 ℃熱水方案

制取80 ℃的熱水時，需要熱網供水溫度達到85 ℃，溴化鋰吸收式熱泵出口的熱網水溫度不能過高，此時需要在非采暖季投運熱網加熱器，熱網水在流經熱網加熱器時由75 ℃被加熱至85 ℃，之后進入換熱器進行換熱。

2.3 技術經濟分析

利用等效焓降法[8]對熱力系統進行分析計算，得到機組在制取70 ℃和80 ℃熱水時的技術經濟指標，如表2中所示。在計算中：熱泵的驅動蒸汽和熱網加熱器的加熱蒸汽均視為來自機組第五段抽汽，其焓值為3 019.9 kJ/kg；忽略投運熱泵對汽輪機背壓的影響；取冷水價格5元/t[6]；標準煤價格800元/t。

表2 制取熱水方案主要參數對比

由表中數據可知，機組在非采暖季投運熱泵提供生活熱水，出售熱水的收益大于多耗燃料的成本，具有良好的經濟效益，供70 ℃熱水與80 ℃熱水相比，供80 ℃熱水利潤更高。

3 利用熱泵預熱機組凝結水技術經濟分析

利用熱泵提取循環水余熱預熱凝結水，這種運行方式具有管理維護方便、設備初投資小、回收余熱不受熱用戶影響等優點[9]。將軸封加熱器后40 ℃的凝結水引出，進入熱泵系統，加熱至80 ℃后返回各級加熱器，因為機組在THA工況下7號加熱器出口凝結水溫度為83 ℃，所以此時熱泵系統相當于取代了7號、8號低壓加熱器，其系統流程如圖2所示。

圖2 熱泵預熱凝結水系統圖

3.1 第五段抽汽驅動熱泵方案

以第五段抽汽作為熱泵驅動蒸汽，利用等效焓降法[8]對熱力系統進行分析計算，得到其技術經濟指標與機組THA工況下運行的對比情況如表3中所示。在計算中，取機組年利用小時數為5 000 h。

表3 第五段抽汽驅動熱泵預熱凝結水工況主要參數對比

可以看出，使用第五段抽汽驅動熱泵預熱凝結水的運行方式并不節能，造成熱耗率上升的主要原因是蒸汽做功能力的降低。抽取第五段抽汽作為熱泵驅動蒸汽，其焓值為3 019.9 kJ/kg，質量流量為10.14 kg/s，如果不抽取這部分蒸汽，使其進入低壓缸做功，取低壓缸排汽焓2 373.1 kJ/kg，忽略低壓缸內效率損失，可以做功6 549.43 kW。

驅動蒸汽進入熱泵后，和循環水余熱一同加熱凝結水，排擠七號、八號加熱器抽汽，使這部分抽汽可以繼續在低壓缸做功，七號抽汽，其焓值為2 641.1 kJ/kg，質量流量6.63 kg/s；八號抽汽，其焓值為2 495.3 kJ/kg，質量流量5.66 kg/s，取同樣排汽焓的條件下，額外做功共計2 468.492 kW。

驅動蒸汽進入熱泵損失的做功能力多于排擠低壓抽汽節約的功，最終使機組熱耗率上升。

3.2 第六段抽汽驅動熱泵方案

將熱泵驅動蒸汽切換為第六段抽汽，其壓力為1.87 MPa，焓值為2 823.7 kJ/kg，經現場試驗得出：熱泵在此參數下運行時，與在額定參數下運行相比COP基本不變。通過分析計算，其技術經濟指標如表4中所示。

表4 第六段抽汽驅動熱泵預熱凝結水工況主要參數

可以看出，使用第六段抽汽驅動熱泵，與使用第五段抽汽相比，汽輪機熱耗率有所降低，但仍不節能。由于第七段抽汽的參數已不足以驅動熱泵，如使用比五段抽汽更高品位的蒸汽則損失更大，所以只利用汽輪機級間抽汽驅動熱泵預熱凝結水的技術路線均不節能，應當利用尾部煙氣余熱[10]等不影響機組做功的熱源作為驅動熱源，級間抽汽僅作為輔助、備用熱源使用。

3.3 其他熱源驅動熱泵方案

使用汽輪機級間抽汽、主再熱蒸汽以外的熱源驅動熱泵預熱凝結水，可以保證在回收循壞水余熱的同時不影響機組做功。假設該熱源參數滿足熱泵需求，不需輔助熱源，機組在此方式下運行的技術經濟指標如表5中所示。

表5 其他熱源驅動熱泵預熱凝結水運行主要參數

機組在此方式下運行，可以使汽輪機熱耗率降低約60 kJ/kW·h，降低標準煤耗率約2 g/kW·h，具有良好的經濟效益。鑒于預熱凝結水所需熱負荷較小，在不超過熱泵額定制熱能力的情況下，亦可與提供生活熱水的方案同時進行改造，以期得到更高水平的收益。

4 結論

(1)以某300 MW供熱機組為研究模型，針對其吸收式熱泵在非采暖季的運行方式，提出了供應70 ℃、80 ℃生活熱水的方案，兩方案均具有良好的經濟效益，供應80 ℃熱水與供應70 ℃熱水相比，利潤更高。

(2)利用汽輪機級間抽汽驅動熱泵預熱凝結水不能達到節能目的，機組能耗隨抽取驅動蒸汽品位增高而升高。如果采用級間抽汽、主再熱蒸汽以外的熱源，機組在此方案下運行可以降低汽輪機熱耗率60 kJ/kW·h。

(3)機組通過技術改造，在非采暖季運行熱泵，可以在全年時間范圍內利用循環水余熱，提高能源利用率，節約成本，達到節能減排的目的。