330 MW 機組余熱利用熱泵供熱改造技術

李金才，胡月紅

(1.國電承德熱電有限公司，河北 承德 067000;2.承德石油高等?？茖W校 熱能工程系，河北 承德 067000)

隨著人口增長，城市規(guī)模和城市建筑不斷增加，集中供熱負荷急劇增大，目前城市集中供熱面臨著供熱熱源嚴重不足，而新增熱電廠又帶來環(huán)境問題，為各地環(huán)保部門所嚴格控制。另一方面，熱電機組的乏汽在凝汽器通過冷卻水把大量廢熱排放至大氣中，造成了巨大的能源浪費和明顯的環(huán)境濕熱影響。因此，如果能將循環(huán)冷卻水余熱用于供熱(采暖、生活熱水等)，不僅能夠緩解電廠“散熱”問題，還能減少電廠冷卻水散熱造成的水蒸發(fā)損失;同時又解決了城市集中供熱熱源不足的問題。這種變廢為寶，循環(huán)用能的做法，符合國家的“要突出抓好節(jié)約能源、節(jié)約原材料和節(jié)約用水工作，大力發(fā)展循環(huán)經濟”的方針政策。

1 機組概況

國電承德熱電有限公司2×330MW NC330－17.75/0.3/540/540 型抽汽凝汽式汽輪機，型式為單軸、三缸、亞臨界、中間一次再熱、兩排汽、沖動、抽汽、凝汽式。非采暖期，機組主要承擔基本負荷，并具有一定的調峰能力。采暖期，遵循以熱定電原則，機組提供工業(yè)及采暖熱負荷。熱電廠設熱網首站，向雙灤區(qū)熱網和承德市區(qū)城網供熱。雙灤區(qū)熱網首站加熱器將區(qū)熱網回水由50 ℃加熱至110 ℃，供熱水量為3 000 t/h。承德城區(qū)熱網設兩級換熱，從電廠到承德市區(qū)邊緣的一級管網為隔壓換熱站，屬于熱力輸送線，封閉獨立循環(huán)。首站一級管網將熱網回水由60 ℃加熱至135 ℃。電廠首站加熱站采用兩級泵、兩級加熱器方式，設計供回水溫度為一級熱網加熱器100 ～60 ℃、二級熱網加熱器135 ～100 ℃;一級網回水壓力0.85 MPa、供水壓力2.5 MPa。設計循環(huán)水總量為6 400 t/h。一、二級加熱器汽源分別采用新#1、2 機組的抽汽，單機設計額定蒸汽流量410 t/h、進汽壓力0.3 MPa、進汽206.17 ℃，最大進汽壓力0.36 MPa、蒸汽流量650 t/h、進汽219.21 ℃。兩級加熱器可單獨使用，也可以串聯(lián)使用。熱網加熱器采用管殼式換熱器，其容量、換熱面積較大，端差較大。

采暖供熱抽汽口設在中壓缸排汽處，在采暖供熱抽汽管、中壓缸至低壓缸的聯(lián)通管上分別設置調節(jié)閥。當不進行采暖抽汽時，中低壓連通管上的控制閥門全開，此時，完全是一臺純凝汽式機組。在冬季，當采暖抽汽投入時，通過連通管及抽汽管上的調節(jié)閥門來調整抽汽壓力以滿足熱用戶對抽汽溫度的要求。機組改造前(如圖1所示)，供熱500 t/h 工況下的供熱抽汽參數為:0.3 MPa、抽汽溫度202.60 ℃，每臺供熱機組具有321 MW 采暖供熱能力［1－3］。

2 低溫熱能回收熱泵改造技術

為了解決城市集中供熱熱源不足的問題，采用低溫熱能回收熱泵改造技術進行供熱改造，系統(tǒng)示意圖如圖2所示。即利用電廠循環(huán)水作為余熱水，通過吸收式熱泵，將余熱提升給熱網回水，通過消耗一定量的汽輪機抽汽作為熱泵驅動蒸汽，加熱后的高溫熱水供給熱網。

來自凝汽器的循環(huán)水一部分送入冷卻塔，完成正常的冷卻循環(huán)，另一部分被送入熱泵，作為熱泵的低位熱源。這部分冷卻水在熱泵蒸發(fā)器放熱降溫后的返回分為兩種情況:1)返回循環(huán)水池中，與流經冷卻塔的冷卻水匯合，再被送入凝汽器吸熱升溫?？梢钥闯觯撓到y(tǒng)僅以熱泵蒸發(fā)器完成了對一部分循環(huán)水的冷卻作用，不會對發(fā)電廠原熱力系統(tǒng)產生任何不利影響。而且有兩大優(yōu)越性，減小循環(huán)水泵耗功，減少由于冷卻塔蒸發(fā)造成的循環(huán)水損失。2)冬季最大供熱工況下，環(huán)境溫度相對較低，且凝汽器排汽量相對較小，上塔循環(huán)水熱負荷有所降低，對冷卻塔的安全有潛在的危險，此時可將這部分冷卻水繼續(xù)上塔完成正常的冷卻循環(huán)，不影響冷卻塔的正常運行。

電廠循環(huán)水作為熱泵的低位熱源，主要具有以下特點:與目前常用的熱泵熱源相比，電廠循環(huán)水顯著優(yōu)勢在于蘊含的熱量巨大，溫度適中而穩(wěn)定;與地表水，城市污水相比，循環(huán)水比較清潔，一般不會因腐蝕、阻塞等影響傳熱效果，水質好;電廠循環(huán)水源熱泵不會對環(huán)境造成任何不利影響，相反，由于排熱的利用，可以減少冷卻塔向環(huán)境的散熱和冷卻水的蒸發(fā)損失，減少熱污染，節(jié)約水資源。

3 熱泵換熱器聯(lián)合運行供熱改造技術方案

通常，根據環(huán)境溫度，熱網一般需要運行在40 ～50 ℃/70 ～100 ℃的溫度范圍，而熱泵的熱水出水溫度一般為85 ℃，深寒期為了達到100 ℃的供熱溫度，需在熱泵后增加調峰環(huán)節(jié)，如圖3 所示，在該環(huán)節(jié)中，通過汽水換熱器，熱網回水由汽輪機抽汽進一步加熱到要求的溫度后送至熱用戶。方案包括循環(huán)水水路改造、抽汽管路的改造，采暖熱網管路改造，系統(tǒng)運行監(jiān)控等［4－5］，圖3 中虛線框內表示吸收式熱泵系統(tǒng)，與熱電廠現(xiàn)有系統(tǒng)的對接部分主要包括:

1)循環(huán)水的進水口和出水口;2)汽輪機抽汽接入熱泵系統(tǒng)蒸汽入口，冷凝水進入除氧器;3)熱網回水接入以及高溫熱水出口進入熱網加熱器;4)熱泵控制系統(tǒng)納入DCS。

假設汽輪機抽汽壓力為0.3 MPa，余熱源循環(huán)水溫度為30 ℃，熱網回水溫度50 ℃，經單效吸收式熱泵加熱機組被加熱至80 ℃，吸收循環(huán)水的余熱，此時熱泵COP 達到1.76，即熱泵總的熱輸出中，來自抽汽的熱量與余熱水的熱量之比為1 ∶0.76，與管殼式換熱器相比，由于有效利用了循環(huán)水余熱，熱泵供熱能力增加76%。但是對于兩級熱網的供熱體系而言，由于首站熱網回水溫度較高，達到60 ℃，這需要適當提高機組的背壓，提高凝汽器出口循環(huán)水溫度，如提高到35 ～40 ℃，保證熱泵的效率。一般來說，假設熱網回水溫度60 ℃，循環(huán)水溫度40 ℃，熱泵COP 可達1.76，出口溫度取決于熱泵驅動蒸汽的壓力，對于0.3 ～0.4 MPa 的抽汽壓力，出水溫度可達80 ℃，再通過常規(guī)熱網加熱器，將熱網水進一步加熱到130 ℃，可增加供熱能力10%以上。

此外，系統(tǒng)將根據環(huán)境溫度的變化，對系統(tǒng)運行方式實現(xiàn)就地監(jiān)測和控制，并對運行方式進行優(yōu)化。為了保證冬季工況下冷卻塔安全運行，同時提高熱泵加熱器的運行效率，汽輪機運行過程中，可以適當提高運行背壓，將汽輪機的排汽溫度適當提高，使系統(tǒng)運行在最佳工況下。

綜上所述，合理的供熱改造技術為:熱泵與原換熱器聯(lián)合運行，汽水換熱器承擔調峰負荷，吸收式熱泵承擔基本負荷，隨著環(huán)境溫度的升高，首先減小汽水換熱器的熱負荷，然后減小吸收式熱泵的熱負荷。此外，熱泵加熱器出口循環(huán)水正常返回進入循環(huán)水水池，減少循環(huán)水泵的耗功和循環(huán)水的蒸發(fā)飄逸損失;當冷卻塔負荷降低到低于其最小負荷時，返回循環(huán)水可上塔進行冷卻。

4 熱泵換熱器聯(lián)合運行供熱改造方案的效益分析

2×330 MW 機組一臺抽汽500 t/h、另一臺抽汽550 t/h，可利用的循環(huán)水余熱資源量達到160 MW左右，循環(huán)水水源熱泵與原換熱器聯(lián)合運行，可向雙灤區(qū)供熱210.0 MWth，向城區(qū)供熱560.0 MWth，如果這些熱量能夠得到有效利用，可增加供熱面積250 萬m2左右。若機組(抽汽550t/h)背壓提高到9.1 kPa 運行，熱泵利用該機組70%的循環(huán)水余熱，機組熱耗將下降22.6%。若供暖周期按151 天計算，每年減少采暖用燃料耗量超過8 萬t 標煤，同時減少了CO2及SO2排放;減少循環(huán)水損失近200萬t，總節(jié)能率達到12.6%，且節(jié)水效益明顯。具有非常顯著的社會、經濟與環(huán)境效益。

5 結論

通過余熱利用熱泵改造技術，利用電廠循環(huán)水作為余熱源，汽輪機采暖抽汽為驅動熱源，由吸收式熱泵將余熱提升給熱網回水。并與汽水換熱器聯(lián)合運行來滿足環(huán)境溫度變化的供熱要求。汽水換熱器承擔調峰負荷，吸收式熱泵承擔基本負荷，隨著環(huán)境溫度的升高，首先減小汽水換熱器的熱負荷，然后減小吸收式熱泵的熱負荷。

余熱利用熱泵改造不僅技術上可行，而且由于利用了循環(huán)水余熱，機組排汽熱損失減小，熱耗降低，節(jié)省了標煤，同時減少了CO2及SO2排放。具有一定的社會經濟效益和環(huán)境效益，值得同類企業(yè)借鑒參考。

［1］ 張昌.熱泵技術與應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 黃素逸，王曉墨.能源與節(jié)能技術熱泵技術與應用［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［3］ 王亦昭，劉雄.供熱工程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［4］ 嚴凱.國電承德熱電有限公司2×330 WM 機組熱泵供熱改造可行性研究報告［R］.北京:華北電力設計院工程有限公司，2011.

［5］ 李強，李金才.NC330－17.75/0.3/540/540 型抽汽凝汽式汽輪機運行規(guī)程［S］.承德:國電承德熱電有限公司，2011.