熱泵回收電廠循環(huán)水余熱模型運行方式的經(jīng)濟性分析

丁常富，崔 可，邴漢昆，郝宗凱，蔡志成

（ 華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定 071003）

0 引言

電力工業(yè)為了實現(xiàn)“十一五”能源消耗和主要污染物排放總量控制目標實施“上大壓小、節(jié)能減排”的能源政策，積極鼓勵建設(shè)大容量、高參數(shù)抽凝式熱電機組。但是，這一類熱電聯(lián)產(chǎn)機組為保證安全運行必須通過冷卻塔向熱電廠周圍環(huán)境排放大量低溫余熱，該余熱數(shù)量巨大，可占到機組額定供熱量的30%以上［1－6］。以北京市的現(xiàn)狀為例，接入市政大熱網(wǎng)的四大主力熱電廠白白排放的循環(huán)水余熱量達1000 MW以上，如配備相應容量的調(diào)峰熱源，則可增加供熱面積4000～5000萬m2，相當于目前市政大熱網(wǎng)供熱面積的35%以上，每年將為北京市減少采暖用燃料耗量約60余萬噸標煤，減少電廠循環(huán)水蒸發(fā)損失80萬噸［6－7］。

隨著城市規(guī)模的迅猛擴張，我國很多地方出現(xiàn)了集中熱源不足的問題［4］。供熱面積的劇增，對于好多早已達到供熱面積飽和的熱電廠來說，已經(jīng)無力承擔［8］。但是由于資金、環(huán)境等各方面的原因不能增建熱電廠，所以為了有效解決此類問題，文中以某電廠 N200/CC144－12.75/535/535/0.981/0.245型機組為例，利用熱泵技術(shù)回收電廠循環(huán)冷卻水余熱，建立余熱回收物理模型和數(shù)學模型，然后對模型進行經(jīng)濟性分析與工作參數(shù)的比選，為以后余熱回收工作提供了一些參考。

1 冷源余熱回收系統(tǒng)物理模型的建立

文中采用的機組型號為N200/CC144－12.75/535/535/0.981/0.245，以該機組為例，用溴化鋰吸收式熱泵回收循環(huán)冷卻水余熱。主要思路是在保證凝汽器正常工作且不引起汽輪機背壓及發(fā)電功率變化的情況下，維持循環(huán)冷卻水溫度一定，用部分汽機供暖抽汽驅(qū)動熱泵回收循環(huán)冷卻水的余熱，可以將一次熱網(wǎng)回水初步加熱，然后用熱網(wǎng)加熱器繼續(xù)提高到設(shè)計供水溫度，以滿足供熱高峰期用戶的供暖需求，如圖1所示。

圖1 冷源余熱回收系統(tǒng)物理模型

2 冷源余熱回收系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

以額定抽汽工況為例，該機組的采暖抽汽壓力為0.245 MPa、溫度為265℃、流量為270 t/h，該模型依然取該段抽汽，并作假設(shè):(1)用戶的供暖需求不變;(2)機組主蒸汽參數(shù)不變;(3)低壓缸排汽溫度壓力以及回熱系統(tǒng)溫度壓力均保持不變;(4)提高循環(huán)冷卻水的進出口溫度為20/30℃，并保持不變。

2.1 供暖抽汽量及熱網(wǎng)工作參數(shù)的計算

設(shè)定熱泵制熱系數(shù)COP、一次熱網(wǎng)供回水溫度tg/th，計算供暖抽汽量、一次熱網(wǎng)循環(huán)水流量等參數(shù)［8－10］。根據(jù)假設(shè)和圖示對模型列出關(guān)系式(1)－(5):

式中:

a—溴化鋰吸收式熱泵所需驅(qū)動蒸汽流量，t/h;

b—熱網(wǎng)加熱器所需供熱抽汽流量，t/h;

m—汽機供熱抽汽總流量，t/h;

Gxh1—回收的循環(huán)冷卻水流量，t/h;

Grw—一次熱網(wǎng)循環(huán)水流量，t/h;

hg—一次熱網(wǎng)供水溫度對應的焓值，kJ/kg;

hh—一次熱網(wǎng)回水溫度對應的焓值，kJ/kg;

hj—循環(huán)冷卻水進口溫度對應的焓值，kJ/kg;

hc—循環(huán)冷卻水出口溫度對應的焓值，kJ/kg;

hbc—熱泵熱水出口的焓值，(模型中取出口溫度為90℃)kJ/kg;

hgc—汽輪機供暖抽汽焓值，kJ/kg;

hgn—汽輪機供暖抽汽凝結(jié)水焓值，kJ/kg;

cop—熱泵的制熱系數(shù);

ηhr—抽汽轉(zhuǎn)化為熱的效率，設(shè)為98%。

2.2 發(fā)電增量、循環(huán)冷卻水量的計算

當汽輪機供暖抽汽量m減少時，則發(fā)電量會增加，低壓缸排汽量Gpq也會增加。在假定低壓缸排汽以及回熱系統(tǒng)的溫度壓力不變時，根據(jù)熱平衡方程，推導出各段抽汽量及低壓缸排汽量Gpq，進而推導出發(fā)電增量ΔP、循環(huán)冷卻水量Gxh2，如公式(6)－(8)所示:

式中:

ΔP—機組發(fā)電增量，kW;

m0—額定工況下汽機供熱抽汽總流量，t/h;

hpq—低壓缸排汽焓值，kJ/kg;

G3—中壓缸排汽處的第三段抽汽量，t/h;

G'3—汽機供暖抽氣量變化后，中壓缸排汽處的第三段抽汽量，t/h;

ηdy—低壓缸效率;

Gxh2—循環(huán)冷卻水流量，t/h;

Gpq—低壓缸排汽流量，t/h;

hns—熱井出口凝結(jié)水焓值，kJ/kg;

n—冷凝熱，MW;

3 模型的經(jīng)濟性分析及供回水溫度的比選

該模型取熱泵制熱系數(shù)為1.7，一次熱網(wǎng)供水溫度tg分別取110℃、115℃、120℃、125℃、130℃，通過對一次熱網(wǎng)流量Grw的試算，以保證一次熱網(wǎng)回水溫度th維持在60℃，本模型只需改造一臺機組的凝汽器即可，所以對這臺機組而言，如發(fā)電增量ΔP、低壓缸排汽量Gpq等參數(shù)如表1所示。

表1 原系統(tǒng)與余熱回收模型的經(jīng)濟性對比

經(jīng)計算，由表1可以得出如下結(jié)論:

(1)當汽機供暖抽汽總量變化時，低壓缸的排汽量呈線性變化，并不是等量變化，如圖2所示，發(fā)電增量也呈線性變化，如圖3所示;

(2)本模型僅需要對一臺機組的凝汽器進行改造，所以對該臺機組而言，當一次熱網(wǎng)供水溫度升高時，汽機供暖抽汽總量增加，冷凝廢熱隨之減少，但是未回收的冷凝廢熱隨之增加，并且根據(jù)趨勢線擬合的公式，發(fā)現(xiàn)冷凝熱、未回收的冷凝熱與一次熱網(wǎng)供水溫度的關(guān)系均呈二次多項式變化，如圖4所示;

(3)余熱回收模型和原系統(tǒng)相比，得到的收益較明顯。模型中，隨著一次熱網(wǎng)供水溫度的升高，發(fā)電增量隨之減少，節(jié)水量亦減少，即在供回水溫度為110/60℃時達到最大，日節(jié)能收益能達到3498.51元，若供熱高峰期按2個月來計算，則僅供熱高峰期節(jié)能收益可達到503.78萬元。

4 結(jié)論

文中以 N200/CC144 －12.75/535/535/0.981/0.245型機組為例，對機組的凝汽器進行改造，建立余熱回收模型，根據(jù)汽輪機、溴化鋰吸收式熱泵和熱網(wǎng)設(shè)備等的實際工況對模型的運行方式進行了分析和研究。

(1)將熱泵系統(tǒng)嵌入原機組熱力系統(tǒng)中，建立余熱回收模型，經(jīng)過理論計算分析，在選定的機組參數(shù)及熱泵性能的限制下，與原機組相比，余熱回收模型的節(jié)能收益要遠高于原機組，這說明此余熱回收模型可以提高機組的熱經(jīng)濟性，但是該模型效率的提升，還有待熱泵技術(shù)的進一步發(fā)展。

(2)與原系統(tǒng)相比，余熱回收模型大大減少循環(huán)冷卻水的蒸發(fā)損失，節(jié)省了大量水資源，并減少向環(huán)境排放的熱量。

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