利用凝汽器循環(huán)水廢熱的熱泵站用能分析

倪 龍，姚 楊，姜益強，馬最良

(哈爾濱工業(yè)大學熱泵空調(diào)技術研究所，150090哈爾濱，nilonggn@163.com)

發(fā)電過程中相當一部分一次能在電站以廢熱的形式損失掉，其中主要的能量損失是凝汽器循環(huán)水帶走的熱量.由于凝汽器循環(huán)水的溫度比較低，一般情況下，只比環(huán)境溫度高10℃左右.因此，為了利用凝汽器循環(huán)水熱量，就得提高循環(huán)水溫度.目前，常采用兩種途徑提高水溫:一是提高凝汽式汽輪機排氣壓力(減小真空度)，低真空運行而將凝汽器水溫提高到60～80℃，即稱低真空運行循環(huán)水供熱[1－3];二是采用熱泵技術吸取電廠循環(huán)水中熱量實現(xiàn)供熱，即以電站循環(huán)冷卻水為低溫熱源，利用熱泵提高其品位(50～60℃)來實現(xiàn)向用戶供熱.從溫度水平來說，電站凝汽器冷卻水余熱是熱泵優(yōu)良的低位熱源.為此，利用電廠循環(huán)水廢熱的熱泵供熱方式已引起國內(nèi)學者專家的關注[4－6]，并對火電廠循環(huán)水熱泵供熱系統(tǒng)的可行性、經(jīng)濟性等做出了分析[7].同時，文獻[8]指出汽輪機凝汽器機組和熱泵的聯(lián)合系統(tǒng)存在不合理性，需引入外部能源.為此，本文應用能流圖對電廠循環(huán)水源熱泵站的用能作出分析，以便判斷利用電廠凝汽器循環(huán)水廢熱的各方案的優(yōu)劣.這對我國電站廢熱回收系統(tǒng)的選擇具有指導意義.同時也為大型熱泵站(如海水源熱泵站，污水源熱泵站)的驅(qū)動能源和裝置的選擇提供借鑒，避免今后我國熱泵快速發(fā)展與城市化應用過程中出現(xiàn)用能不合理性問題.

1 電動熱泵站用能分析

圖1給出了回收電站凝汽器循環(huán)水廢熱的電動熱泵站原理圖.由圖1可見，在原有凝汽式發(fā)電系統(tǒng)中，增設熱泵機組，使凝汽器的冷卻水系統(tǒng)與熱泵機組的蒸發(fā)器12構(gòu)成新的循環(huán)回路，替代帶有冷卻塔的原冷卻水回路.凝汽器循環(huán)水(出水)直接進入熱泵機組的蒸發(fā)器，經(jīng)蒸發(fā)器吸取熱量后，使循環(huán)水溫度降低，供冷卻用.而通過熱泵機組加熱熱網(wǎng)回水，使之溫度升高到45～55℃，向用戶供熱.

圖1 電動熱泵站原理圖

為了簡明評價圖1系統(tǒng)的用能，作如下假設:

1)發(fā)電效率為38%，電站鍋爐等損失為10%，電網(wǎng)損失為2%.

2)熱泵機組的制熱性能系數(shù)為4.0.

3)凝汽器循環(huán)水的廢熱全部被熱泵機組吸收，忽略熱水輸送過程中的熱損失，不計循環(huán)泵等設備的耗功.

供電站用的燃料能為100%，根據(jù)上述假定，其能流圖如圖2所示.

圖2 電動熱泵站能流圖

由圖2可知:

1)將凝汽器循環(huán)水廢熱損失全部回收，在熱泵機組性能系數(shù)為4時，消耗電力17.4%，相當于電站發(fā)電量(38%)中的45.79%.

2)電網(wǎng)保留電量為18.6%，僅占電站發(fā)電量的48.95%.

3)圖1系統(tǒng)總效率(69.4+18.6)/100=88%.看起來，由于回收了凝汽器冷卻水廢熱52%，使系統(tǒng)的總效率提高到88%.但是其系統(tǒng)用能總效率的提高是以減少供電量(38%－18.6%)=17.4%(占總發(fā)電量的45.79%)為代價的.

4)發(fā)電效率和熱泵機組制熱性能系數(shù)的大小將會對電動熱泵站系統(tǒng)的用能影響很大，如表1所示.表中未說明的百分比，均以火電廠燃料為100%;電網(wǎng)保留量為負值時，表明電站發(fā)電量已少于熱泵耗電量，欄內(nèi)值應由其他電站供電.

表1 電動熱泵站的用能分析

由表1看出:

1)電網(wǎng)保留電量隨著熱泵機組制熱性能系數(shù)和發(fā)電效率的降低而降低.

2)發(fā)電站效率η為32%，熱泵機組性能系數(shù)ε為3時，電網(wǎng)保留電量已很少，接近于0;而當熱泵機組性能系數(shù)為2.5時，已開始需要引入外部電源.

顯然，在η和ε較低的情況，采用電站熱泵站方式回收電站廢熱是否合理，是否經(jīng)濟，是否改變電廠建設的初衷，很值得研究.

2 汽輪機驅(qū)動熱泵站的用能分析

用汽輪機驅(qū)動大型熱泵是解決上述的電網(wǎng)保留電量急劇減少的有效技術措施之一.電是高品位的二次能，消耗電能來回收發(fā)電過程必需產(chǎn)生的廢熱量，從其用能角度看是不合理的.因此，選用一次能直接拖動的熱泵應是相對合理的選擇.

圖3給出了回收電站廢熱的汽輪機驅(qū)動熱泵站的原理圖.由于熱泵機組的驅(qū)動機由電動機改為汽輪機，因而圖3系統(tǒng)在圖1系統(tǒng)的基礎上，增設一套蒸汽鍋爐設備構(gòu)成的回收電站廢熱的汽輪機驅(qū)動的熱泵站供熱系統(tǒng).供熱熱網(wǎng)回水先經(jīng)過熱泵加熱，作為一級加熱，然后再經(jīng)過汽輪機II的凝汽器，進行二級加熱，加熱后的熱水供給熱用戶采暖用.

圖3 汽輪機驅(qū)動熱泵站原理圖

為了評價圖3系統(tǒng)的用能，除了圖1中所做的假設外，再認為新設置的鍋爐效率為90%，新設置的汽輪機對外做功為25%，按此繪制圖3系統(tǒng)的能流圖，如圖4所示.

由圖4可見:

1)回收電站廢熱的汽輪機驅(qū)動熱泵站供電——供熱綜合供能系統(tǒng)用能總效率為(121.32%+38%)/(100%+77.02)=90%.與圖2相比，其用能總效率才增加90% －88%=2%，由此可能認為，其系統(tǒng)用能總效率比圖1系統(tǒng)增加的十分小，卻又增加了新的鍋爐等設備，系統(tǒng)更復雜，其系統(tǒng)似乎毫無意義，其實則不然.這是因為上述分析僅是從能的量方面作出的結(jié)論，卻忽略能的質(zhì)方面.圖1電動熱泵站供能系統(tǒng)中，用電能來解決發(fā)電中必需產(chǎn)生的熱損失，使其發(fā)電站電網(wǎng)保留電量僅為發(fā)電量的48.95%，沒有合理使用二次能(電能).圖3給出的汽輪機驅(qū)動熱泵站供能系統(tǒng)則在保留原發(fā)電站的正常供電量的條件下，合理使用一次能(如煤)完成回收電站廢熱，向用戶供121.32%的熱量，其用能的合理性十分明顯.這也說明從電站外直接引入一次能作為熱泵驅(qū)動能的合理性.

圖4 汽輪機驅(qū)動熱泵站能流圖

2)由于圖3給出的供電、供熱綜合供熱系統(tǒng)是由相對獨立的發(fā)電系統(tǒng)和汽輪機驅(qū)動熱泵的供熱系統(tǒng)2個系統(tǒng)組成，因此，在能流圖上亦可以將能流圖看作相對獨立的兩部分.在汽輪機驅(qū)動熱泵供熱系統(tǒng)中，只要汽輪機排熱的溫度足夠高，就可以全部為供熱所用，即充分利用了汽輪機做功后的排熱，能量利用效率提高.同時電用戶還能獲得電站原有的總發(fā)電量.

3)汽輪機驅(qū)動熱泵站供熱系統(tǒng)一次能源利用系數(shù)E1=121.32/77.02=1.57.電動熱泵站的一次能源利用系數(shù)E2=ηη1ε=0.38×0.9×4=1.37.汽輪機驅(qū)動熱泵一次能源利用系統(tǒng)增加了14.77%.

基于上述用能特點，汽輪機熱泵站用能要優(yōu)于電動熱泵站.

3 燃氣輪機驅(qū)動熱泵站用能分析

目前，燃氣輪機是一種性能優(yōu)良的熱泵驅(qū)動裝置.采用燃氣輪機熱泵站回收電站廢熱也是應該優(yōu)先考慮的方案.圖5給出其方案原理圖.與圖1相比，系統(tǒng)增設燃氣輪機和回熱設備(廢氣熱交換器)，由相對獨立的發(fā)電系統(tǒng)和燃氣熱泵供熱系統(tǒng)組成供電和供熱的綜合供能系統(tǒng).燃氣輪機的供熱量范圍大，燃氣輪機一般為500～5 500 kW[9]，適合大型熱泵站用，同時，燃氣輪機具有維修簡單、保養(yǎng)周期長、占地面積小等優(yōu)點.

圖5 燃氣輪機驅(qū)動熱泵站原理圖

燃氣輪機的有效效率為15～28%[10]，本文燃氣輪機軸功率取25%，廢氣損失取15%，可用廢氣熱流量為60%.供電站用的燃料能為100%.為了使系統(tǒng)具有可比性，熱泵制熱性能系數(shù)仍然取4，據(jù)此繪出其系統(tǒng)的能流圖，如圖6所示.圖6與圖4相比，兩者基本相同，差異不大.因此圖5方案與圖3方案相似，均優(yōu)于圖1方案.

圖6 燃氣輪機驅(qū)動熱泵站能流圖

由圖6可見，燃氣輪機驅(qū)動熱泵站供熱系統(tǒng)一次能利用系數(shù)可達110.92/69.32=1.60，比圖1電動熱泵站一次能源利用系數(shù)高出17.00%.

4 結(jié)論

1)為了利用凝汽器循環(huán)水廢熱，采用電動熱泵站供熱，可使電站單一供電系統(tǒng)變?yōu)楣╇姟峋C合供能系統(tǒng).但應注意到，電和供熱能(50℃左右的熱水)二者的價值是不一樣的.因此隨著發(fā)電效率和熱泵機組制熱性能系數(shù)的降低，電網(wǎng)保留電量將會越來越少，甚至為零，或出現(xiàn)本電站發(fā)電不夠用，需要由其它電站補充供電的情形.此時供電——供熱綜合系統(tǒng)變成單一的供熱系統(tǒng)，這顯然失掉回收電站廢熱的意義.此系統(tǒng)變?yōu)樯a(chǎn)低位熱能的系統(tǒng)，卻還需要生產(chǎn)高位能的電站，電站的高投資使得該系統(tǒng)本末倒置.

2)從能的量的觀點來看，電動熱泵站回收凝汽器循環(huán)水余熱的供電——供熱綜合供能系統(tǒng)總效率為88%;汽輪機驅(qū)動的熱泵站綜合系統(tǒng)供能的總效率為90%;燃氣輪機驅(qū)動的熱泵站綜合供能系統(tǒng)總效率亦為88%.但電動熱泵站為了解決發(fā)電中必須產(chǎn)生的熱損失，犧牲了火電廠45.79%的發(fā)電量，從能量的質(zhì)的方面來看，這沒有合理的使用二次電能，其熱泵站的一次能源利用系數(shù)僅為1.37;汽輪機驅(qū)動和燃氣輪機驅(qū)動的熱泵站通過從外部引入一次能作為熱泵驅(qū)動能，其一次能源利用系數(shù)分別為1.57和1.60，較電動熱泵站高14.77%和17.00%.因此從能量利用觀點看，燃氣輪機驅(qū)動的熱泵站和汽輪機驅(qū)動的熱泵站要優(yōu)于電能驅(qū)動的熱泵站.

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