吸收式熱泵回收電廠循環(huán)水余熱分析

張志剛，王樹(shù)國(guó)，曾榮鵬

(1.北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司，北京　100039；2.鄂爾多斯市和效電力設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯　017010；3.北京龍威發(fā)電技術(shù)有限公司，北京　100044)

吸收式熱泵回收電廠循環(huán)水余熱分析

張志剛1，王樹(shù)國(guó)2，曾榮鵬3

(1.北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司，北京100039；2.鄂爾多斯市和效電力設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017010；3.北京龍威發(fā)電技術(shù)有限公司，北京100044)

摘要：以某循環(huán)水余熱利用供熱改造工程為例，比較了吸收式熱泵與凝汽式汽輪機(jī)高背壓方式在回收循環(huán)水余熱方面的不同。論述了熱泵技術(shù)的特點(diǎn)以及機(jī)組的供熱運(yùn)行模式，并分析了其經(jīng)濟(jì)性和安全性，供同類型機(jī)組供熱改造時(shí)參考。

關(guān)鍵詞：凝汽式汽輪機(jī)；高背壓方式；吸收式熱泵；循環(huán)水；余熱利用

0引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，不斷擴(kuò)大的供熱需求與現(xiàn)有供熱能力增長(zhǎng)之間的矛盾日益突出,依靠簡(jiǎn)單擴(kuò)大供熱規(guī)模已不能滿足國(guó)家節(jié)能減排的要求。在此背景下，利用火電廠豐富的余熱資源正成為很多供熱企業(yè)尋求解決供熱供需矛盾的主要手段之一。

火力發(fā)電廠低溫余熱約占電廠能耗總量的60%，主要通過(guò)煙氣和循環(huán)冷卻水散失到環(huán)境中。根據(jù)熱力學(xué)第二定律,循環(huán)水作為冷端損失是不可避免的，其帶走的熱量占到低溫余熱總量的絕大部分。如果汽輪機(jī)低溫余熱能夠充分回收用于供熱，將大幅提高電廠的供熱能力和能源利用效率。

目前,熱泵與汽輪機(jī)高背壓運(yùn)行是應(yīng)用較為廣泛的循環(huán)水余熱利用技術(shù)，本文借助某供熱改造工程討論2種技術(shù)的特點(diǎn)，并著重介紹熱泵技術(shù)在供熱工程改造中的應(yīng)用。

1熱泵回收循環(huán)水余熱技術(shù)

近10多年來(lái)，國(guó)內(nèi)關(guān)于土壤源熱泵、地下水源熱泵的研究和應(yīng)用越來(lái)越多，在國(guó)外，如日本等國(guó)家還開(kāi)展了利用海水作為熱源的熱泵區(qū)域供熱研究[1]。

1.1熱泵回收循環(huán)水余熱的優(yōu)點(diǎn)

吸收式熱泵在回收循環(huán)水余熱方面，相對(duì)于其他應(yīng)用場(chǎng)合具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)循環(huán)水流量和溫度相對(duì)穩(wěn)定，水質(zhì)優(yōu)良。

(2)蘊(yùn)含熱量非常大。

(3)循環(huán)水位于地面上,不需要為管路和換熱器安置打很深的豎井，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，節(jié)省初投資。

(4)利用循環(huán)水中的余熱，降低電廠向大氣的熱量排放。

1.2熱泵機(jī)組結(jié)構(gòu)與工作原理

溴化鋰吸收式熱泵由發(fā)生器、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器4個(gè)部分組成，以溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，蒸汽為驅(qū)動(dòng)熱源。利用水在低壓真空狀態(tài)下低沸點(diǎn)沸騰的特性，提取低品位廢熱源中的熱量，通過(guò)回收轉(zhuǎn)換高品位的熱水，工作流程如圖1所示。

圖1　吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱系統(tǒng)

下面分別就其4個(gè)組成部分的工作原理和流程做簡(jiǎn)單說(shuō)明。

(1)蒸發(fā)器：蒸發(fā)器內(nèi)一直保持真空狀態(tài)，利用水在低壓環(huán)境下低溫沸騰、氣化原理，將水變?yōu)樗魵狻?/p>

(2)吸收器：將水蒸氣引入吸收器，噴淋溴化鋰溶液，利用溴化鋰吸水放出的大量熱加熱循環(huán)管路中的水。

(3)發(fā)生器：對(duì)溴化鋰濃溶液吸收水蒸氣后溶液變稀后再進(jìn)行濃縮，重新得到具有強(qiáng)吸水性的溴化鋰濃溶液。

(4)冷凝器：利用來(lái)自發(fā)生器的蒸汽加熱濃縮溴化鋰稀溶液變成濃溶液而蒸發(fā)出來(lái)的二次乏汽，對(duì)經(jīng)過(guò)吸收器加熱后的熱水進(jìn)行再次加熱，進(jìn)一步提高熱水溫度。

表2　300 MW機(jī)組供熱改造方案比較

1.3供暖系統(tǒng)結(jié)合方式

設(shè)計(jì)思路:一部分循環(huán)水進(jìn)入凝汽器完成正常的冷卻循環(huán)；另一部分進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器作為低位熱源，汽輪機(jī)五段抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源。

一次網(wǎng)回水通過(guò)吸收式熱泵從循環(huán)水提取的熱量，溫度由46.0 ℃提高到71.0 ℃，再引至前置凝汽器，利用抽汽加熱到95.0 ℃；作為低位熱源的循環(huán)水放熱后返回凝汽器入口，其流程如圖2所示。

圖2　吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱流程

2汽輪機(jī)高背壓運(yùn)行循環(huán)水供熱

凝汽式機(jī)組改造為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的方案主要有4種：改為背壓式汽輪機(jī)組，利用排汽供熱；開(kāi)非調(diào)整抽汽口，利用抽汽供熱；低真空運(yùn)行，利用循環(huán)水供熱；改為調(diào)整抽汽凝汽式汽輪機(jī)組，利用抽汽供熱[2]。

其中，“低真空運(yùn)行，利用循環(huán)水供熱”技術(shù)比較成熟，應(yīng)用也較早，且國(guó)內(nèi)外均有采用，其主要思路是降低部分發(fā)電量來(lái)?yè)Q取更多供熱量，通過(guò)減少冷源損失來(lái)提高機(jī)組的熱效率。

因?yàn)榕牌麉?shù)提高不是很多，機(jī)組相當(dāng)于變工況運(yùn)行，結(jié)構(gòu)也不做太多調(diào)整，只在排汽利用方面做部分改造。因此，可根據(jù)需要進(jìn)行凝汽運(yùn)行與低真空運(yùn)行的切換，運(yùn)行方式比較靈活。

在低真空運(yùn)行時(shí)，存在末級(jí)與次末級(jí)葉輪鼓風(fēng)損失，使得發(fā)電功率降低。另外，由于排汽溫度升高，使后軸承溫度升高、機(jī)組振動(dòng)加大以及軸向推力增加等。

有關(guān)文獻(xiàn)[3]表明，上述負(fù)面影響都在機(jī)組的安全運(yùn)行范圍內(nèi)，可不做考慮。但排汽壓力只能提高到50～60 kPa，對(duì)應(yīng)的飽和溫度為80.86～85.45 ℃[4]。

3實(shí)際案例

本文通過(guò)對(duì)華北地區(qū)某熱力公司2臺(tái)300 MW汽輪機(jī)組利用水源熱泵回收循環(huán)水余熱升級(jí)方案與汽輪機(jī)高背壓運(yùn)行的循環(huán)水供熱方案對(duì)比分析，討論熱能梯級(jí)利用節(jié)能技術(shù)與資源綜合利用的最佳途徑。

3.1項(xiàng)目改造背景

該供熱改造項(xiàng)目地處華北地區(qū)，當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁貫?.2 ℃，冬季供暖期為182 d，室外采暖計(jì)算溫度為-16.8 ℃，建筑熱負(fù)荷指標(biāo)為45 W/m2，熱網(wǎng)循環(huán)水供回水溫度為95.0 ℃/46.0 ℃，現(xiàn)有供熱能力為1 666萬(wàn)m2。

3.2機(jī)組供熱情況

電廠共有4臺(tái)機(jī)組(2×200 MW超高壓雙抽凝汽式濕冷機(jī)組和2×300 MW直接空冷機(jī)組)，總裝機(jī)容量1 000 MW。2012年采用熱泵對(duì)2×300 MW機(jī)組循環(huán)冷卻水余熱回收改造，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　機(jī)組供熱情況統(tǒng)計(jì)

注：循環(huán)水量、供熱面積為實(shí)際值。

3.3改造方案的選擇

根據(jù)對(duì)供熱管網(wǎng)用戶的分析，實(shí)際供熱面積需求約為1 900萬(wàn)～2 000萬(wàn)m2。計(jì)劃在原有2×300 MW機(jī)組余熱回收供熱基礎(chǔ)上進(jìn)一步升級(jí)改造，并提出3種供熱改造方案，具體見(jiàn)表2。

由表2可以看出，方案1、方案2是利用新增設(shè)前置式凝汽器與吸收式熱泵來(lái)提高供熱能力；方案3是把原有2臺(tái)機(jī)組帶的熱泵系統(tǒng)合并到1臺(tái)，通過(guò)另一臺(tái)機(jī)組高背壓運(yùn)行來(lái)保證供熱。

3.43種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

(1)方案1：除新增熱泵機(jī)組外，僅改動(dòng)部分現(xiàn)有乏汽管道，不影響機(jī)組運(yùn)行背壓。

(2)方案2：增加熱泵機(jī)組，并將2臺(tái)汽輪機(jī)背壓升高至20 kPa來(lái)提高排汽焓值，兼有熱泵回收循環(huán)水余熱和汽輪機(jī)高背壓運(yùn)行。

(3)方案3：將#4機(jī)組乏汽管道并至#3機(jī)組泵房，同時(shí)改造汽封系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)管道布置難度高，對(duì)汽輪機(jī)組的運(yùn)行影響較大。

從投資角度來(lái)看，前置凝汽器乏汽利用量減少，相應(yīng)需要增加熱泵容量，投資會(huì)增加，因此，方案1投資最大，方案2次之，方案3最少。綜合比較，從機(jī)組運(yùn)行安全性和改造操作難度考慮，首選方案1。

3.5首選方案介紹

本方案中共有2臺(tái)65 MW前置凝汽器和6臺(tái)35 MW蒸汽驅(qū)動(dòng)型吸收式熱泵機(jī)組，與原熱網(wǎng)設(shè)備互為備用，保證供熱率大于70%。不同供熱溫度下，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況見(jiàn)表3。

表3　各供熱期的供熱設(shè)備運(yùn)行情況

其中，設(shè)計(jì)供熱工況下的供熱流程最為復(fù)雜，其加熱設(shè)備為前3種情況的總和，共計(jì)利用五段采暖蒸汽758 t/h與汽輪機(jī)乏汽457 t/h，現(xiàn)做簡(jiǎn)要介紹。

(1)新增2臺(tái)65 MW前置凝汽器與4臺(tái)原熱泵機(jī)組前置凝汽器回收汽輪機(jī)乏汽余熱共計(jì)131.6 t/h，使熱網(wǎng)水溫度由46.0 ℃升高到51.0 ℃。

(2)2臺(tái)汽輪機(jī)的412 t/h五段采暖抽汽驅(qū)動(dòng)新增6臺(tái)35 MW熱泵機(jī)組與原有4臺(tái)70 MW的熱泵機(jī)組，回收汽輪機(jī)排汽共計(jì)325.4 t/h乏汽余熱，熱網(wǎng)水溫度由51.0 ℃升高到81.1 ℃。

(3)81.1 ℃的熱網(wǎng)水再進(jìn)入原機(jī)組熱網(wǎng)首站加熱器進(jìn)行尖峰加熱，由346 t/h的五段采暖蒸汽加熱，使熱網(wǎng)水達(dá)到95.0 ℃，完成向城區(qū)供熱。

4改造效果分析

4.1技術(shù)指標(biāo)

此項(xiàng)目改造后，2×300 MW機(jī)組的新增乏汽供熱面積約267 萬(wàn)m2，年增加乏汽余熱供熱量約2.06 PJ。改造前、后供熱數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表4。

利用水源熱泵回收電廠循環(huán)水余熱供熱,供熱煤耗主要地取決于熱泵的制冷性能系數(shù)(COP)值，工程采用水源熱泵COP值達(dá)到1.67的較高數(shù)值,供熱煤耗得到顯著的降低，按照電廠供熱標(biāo)煤耗37.07 kg/GJ計(jì)算，相當(dāng)于節(jié)約7.6萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少SO2排放量2 280 t，減少CO2排放量19.3萬(wàn)t，減少NOx排放量1 080 t，減少煙塵排放量180 t，減排灰渣

表4　供熱改造前、后數(shù)據(jù)對(duì)比

5.0萬(wàn)t。

4.2系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

該供熱工程改造項(xiàng)目的工程總投資為11 742萬(wàn)元，總投資收益率17.8%，資本金凈利潤(rùn)率57.37%，投資回收期(不含建設(shè)期)5.8年。從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好，說(shuō)明該改造工程具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

5結(jié)論

(1)在原有熱泵供熱基礎(chǔ)上，增設(shè)熱泵機(jī)組來(lái)增加乏汽量的回收，提高機(jī)組供熱能力，該方案技術(shù)可行。

(2)相比汽輪機(jī)高背壓運(yùn)行供熱方式，該余熱利用方式的管道系統(tǒng)改造簡(jiǎn)單，汽輪機(jī)組運(yùn)行安全性好；當(dāng)供熱需求量變化時(shí)，供熱負(fù)荷調(diào)整方式靈活。

(3)改造前，建議結(jié)合本單位具體情況，因地制宜制定切實(shí)有效的改造方案。

(4)利用吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱，較好地實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李勇,張衛(wèi)會(huì),曹麗華,等.汽輪機(jī)低真空供熱時(shí)軸向推力的變化特性[J].汽輪機(jī)技術(shù),2003 45(5):279- 281.

[4]宋舉星,韓吉田,張傳聚,等.凝汽式汽輪機(jī)低真空循環(huán)水在供暖中的應(yīng)用與探討[J].山東電力技術(shù),2005，(3)：35-38.

(本文責(zé)編：白銀雷)

收稿日期:2015-12-24；修回日期:2016-04-12

中圖分類號(hào)：TK 47

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-1951(2016)04-0045-03

作者簡(jiǎn)介：

張志剛(1975—)，男，河南禹州人，工程師，工學(xué)碩士，從事電力環(huán)保項(xiàng)目的管理工作(E-mail:zhangzg@lyhb.cn)。

王樹(shù)國(guó)(1972—) ，男，河北滄州人，工程師，工學(xué)碩士，從事燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行與維護(hù)方面的工作(E-mail:shuguo062150@163.com)。

曾榮鵬(1971—)，男，遼寧沈陽(yáng)人，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，從事節(jié)能環(huán)保方面的工作(E-mail:zengrongpeng@longwei.cn)。