燃煤電站與吸收式熱泵耦合系統的方案研究

彭 爍，周 賢，王保民

(中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京102209)

燃煤電站與吸收式熱泵耦合系統的方案研究

彭 爍，周 賢，王保民

(中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京102209)

鍋爐暖風器通常采用汽輪機抽汽作為熱源加熱一、二次風，暖風器內抽汽與空氣換熱溫差較大，致使傳熱不可逆損失較大從而影響機組的整體性能。為了減小暖風器的不可逆損失，提高機組性能，提出將吸收式熱泵技術應用于燃煤火力發(fā)電系統，采用汽輪機回熱抽汽作為熱泵驅動熱源，以冷凝器循環(huán)水作為低溫熱源，制取中溫熱水用于加熱暖風器內一、二次風，并采用低溫省煤器回收煙氣余熱的技術方案。建立了該方案的物理模型，并分別與另外3種方案進行比較。結果表明，利用吸收式熱泵加熱燃煤電站一、二次風，并采用低溫省煤器回收煙氣余熱后，汽輪機回熱抽汽量減少，機組發(fā)電效率升高，熱耗率降低，發(fā)電煤耗降低1.95 g/kW·h。

吸收式熱泵；暖風器；低溫省煤器

0 引言

鍋爐暖風器是一種利用汽輪機回熱抽汽加熱鍋爐一、二次風的鍋爐輔機設備。目前燃煤電站的暖風器通常采用五抽、六抽作為熱源，部分電廠甚至采用三抽、四抽作為熱源，這部分抽汽做功能力較強，而且與空氣的換熱溫差較大，傳熱不可逆損失較大，從而使暖風器的節(jié)能效果大打折扣。

吸收式熱泵是一種利用熱能直接驅動，實現將熱量從低溫熱源傳輸給高溫熱源的裝置。它能用較少的高溫熱源制取較多的中溫熱源，提高熱能的利用效率[1-3]。20世紀80年代，國際能源署將吸收式熱泵技術排在各種節(jié)能技術之首。美國也將吸收式熱泵技術列為全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的12個科技領域之一。20世紀后半葉，日本大力發(fā)展吸收式熱泵技術，其裝機總量已經占到全球的50%左右。中國也對吸收式熱泵技術在節(jié)能減排領域的作用進行了大量研究[4-5]，國家發(fā)改委于2008年將其列入國家重點節(jié)能技術推廣目錄[6]。

燃煤電站中的能量損失包括鍋爐排煙損失、凝汽器冷卻水散熱、鍋爐排污、管道散熱損失等。在這些熱量損失中，有55%左右是被冷凝器中的冷卻水帶走，再由冷卻塔釋放到環(huán)境中，從而造成能量大量浪費。而燃煤電站冷卻水品質較好，水量較大，溫度較穩(wěn)定，這些特質使冷卻水非常適合作為吸收式熱泵的低溫熱源，可通過熱泵進一步回收利用[7-8]。

文獻[9]提出利用鍋爐排污和汽輪機抽汽驅動溴化鋰吸收式熱泵、回收循環(huán)水廢熱、送入暖風器加熱鍋爐進風的方案。但暖風器的引入會使空氣預熱器入口空氣溫度升高，從而使鍋爐排煙得不到充分利用，排煙溫度升高。鑒于此，本文提出采用汽輪機回熱抽汽作為熱泵驅動熱源，冷凝器循環(huán)水作為低溫熱源，制取中溫熱水用于加熱暖風器內一、二次風，并采用低溫省煤器回收煙氣余熱的技術方案。由于暖風器內換熱溫差減小，從而使暖風器內的換熱不可逆損失減小。另外，由于對循環(huán)水余熱進行了回收利用，從而可達到節(jié)省抽汽，增加汽輪機出功的效果。

1 系統流程介紹

本文以某N660—25/600/600超超臨界機組為對象進行研究。該機組為一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、純凝式機組，有三級高壓給水加熱器，四級低壓給水加熱器和一級除氧器，疏水是逐級自流方式。

吸收式熱泵主要包括發(fā)生器、蒸發(fā)器、冷凝器、吸收器4大部件，工質為溴化鋰-水溶液。發(fā)生器驅動熱源為汽輪機回熱抽汽，蒸發(fā)器低溫熱源為循環(huán)水，媒介水分別在吸收器、冷凝器中吸收熱量后，用于加熱鍋爐一、二次風。圖1是吸收式熱泵的原理圖。

圖1 吸收式熱泵原理圖

2 系統流程數值模擬

2.1 660 MW燃煤電站

GateCycle是一款GE公司開發(fā)的進行全廠熱平衡計算的軟件。該軟件應用范圍廣，能預測聯合循環(huán)電廠、火電廠、余熱發(fā)電系統、熱電聯產電廠、先進的燃氣輪機循環(huán)等多種能源系統的設計和非設計工況性能。本文針對660 MW燃煤電站，建立了660 MW燃煤電站系統模型。為驗證模型的正確性，將模擬結果與設計工況進行了對比研究。對比結果如表1所示，從表中可以看出模擬結果與設計值相比，誤差在1%以內，證明了模擬結果的可靠性。

表1 660 MW燃煤電站模擬結果校核

2.2 吸收式熱泵

對于吸收式熱泵循環(huán)，根據質量平衡、能量平衡和相平衡關系建立方程組。

質量守恒：

∑mi-m0=0

(1)

∑(miXi)-∑(m0X0)=0

(2)

式中：m為溴化鋰-水溶液質量流量(kg/s)；X為溴化鋰質量濃度(%)。

能量平衡：

(3)

式中：h為相應流體的焓值(kJ/kg)；Q為吸收或者放出的熱量(kJ)。

相平衡：

F1(X,T,P)=0

(4)

F2(T,P)=0

(5)

式中：F1為溴化鋰-水溶液相平衡關系式；F2為水的相平衡關系式。

2.3 改造方案

為了突出本文方案的節(jié)能效果，舉出4種方案進行比較：方案一，利用第六級汽輪機回熱抽汽驅動暖風器；方案二，利用第六級抽汽驅動吸收式熱泵，然后驅動暖風器；方案三，在方案一的基礎上增設低溫省煤器；方案四，在方案二的基礎上增設低溫省煤器。圖2至圖5分別是4個方案的原理圖。

圖2 方案一原理圖

圖3 方案二原理圖

圖4 方案三原理圖

圖5 方案四原理圖

3 結果分析

與設計方案相比，方案一中暖風器將一、二次風溫提升至45 ℃，第六級低壓抽汽從120.59 t/h升高到139.25 t/h，排煙溫度從121 ℃升高到136.8 ℃，發(fā)電煤耗從267.91 g/kW·h增加到269.06 g/kW·h，升高了1.15 g/kW·h。結果表明，僅增加暖風器，不僅不會起到節(jié)能效果，反而會使得機組發(fā)電煤耗升高，主要是因為空氣在暖風器中被加熱后，空氣預熱器入口空氣溫度升高，因此空氣預熱器中煙氣與空氣換熱時煙氣得不到充分冷卻，使排煙溫度與改造前相比會有一定程度的升高。

方案二與設計工況相比，排煙溫度仍然從121 ℃升高到136.8 ℃。但是，方案二與方案一相比，第六級低加抽汽量從139.25 t/h減小到131.47 t/h，由于第六級低加抽汽量的減少，原回熱抽汽返回汽輪機做功，增加了汽輪機的出功量，使機組發(fā)電效率從45.65%升高到45.72%，熱耗率從7 885.5 kJ/kW·h下降到7 873.2 kJ/kW·h，發(fā)電煤耗從269.06 g/kW·h下降到268.65 g/kW·h，下降了0.41 g/kW·h，發(fā)電功率從677.38 MW提高到678.43 MW，提高了1.05 MW。

為解決增設暖風器后排煙溫度升高的問題，方案三與方案四分別在方案一與方案二的基礎上增加1臺低溫省煤器，回收排煙熱損失，用于加熱汽輪機凝結水。對于方案三，暖風器的加入使空氣預熱器入口溫度從25 ℃升高到45 ℃，低溫省煤器的引入使排煙溫度降低到90 ℃。綜合考慮，采用六抽供暖風器+低溫省煤器方案改造后，發(fā)電效率從45.85%升高到46.11%，發(fā)電煤耗從267.91 g/kW·h降低到266.39 g/kW·h，降低1.52 g/kW·h。

方案四與方案三相比，第六級低加抽汽量從94.64 t/h減小到86.9 t/h。由于第六級低加抽汽量的減少，原回熱抽汽返回汽輪機做功，增加了汽輪機的出功量，使機組發(fā)電效率從46.11%升高到46.18%，熱耗率從7 807 kJ/kW·h下降到7 794.5 kJ/kW·h，發(fā)電煤耗從266.39 g/kW·h下降到265.96 g/kW·h，下降了0.43 g/kW·h。方案四與設計方案相比，發(fā)電功率從680.03 MW升高到685.29 MW，發(fā)電效率從45.85%升高到46.18%，發(fā)電煤耗從267.91 g/kW·h降低到265.96 g/kW·h，降低1.95 g/kW·h。4個方案的計算結果如表2所示。

表2 吸收式熱泵驅動暖風器方案對比研究

4 結論

本文提出將吸收式熱泵技術應用于燃煤火力發(fā)電系統，采用汽輪機回熱抽汽作為熱泵驅動熱源，冷凝器循環(huán)水作為低溫熱源，用于加熱暖風器內一、二次風，并采用低溫省煤器回收煙氣余熱的技術方案。建立了該方案的物理模型，并分別與另外3種方案進行比較。結果表明，利用吸收式熱泵加熱燃煤電站一、二次風，并采用低溫省煤器回收煙氣余熱后，與設計方案相比，發(fā)電功率從680.03 MW升高到685.29 MW，發(fā)電效率從45.85%升高到46.18%，發(fā)電煤耗從267.91 g/kW·h降低到265.96 g/kW·h，降低1.95 g/kW·h。

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Simulation Study of Coal-fired Power Plant Coupled with Absorption Heat Pump

PENG Shuo, ZHOU Xian, WANG Baomin

(Huaneng Clean Energy Research Institute, Beijing 102209, China)

To reduce the irreversible losses in the air heater, and improve the thermal efficiency of the plant, this paper proposed a method by utilizing the absorption heat pump in the coal-fired power plant. The extracted steam from the steam turbine acts as the high temperature heat source for the absorption heat pump, while the circulating water from the condenser acts as low temperature heat source. The primary and secondary air is heated by the absorption heat pump. The physical model of a typical 660 MW coal-fired power plant is established. Based on the physical model, the simulation programs of four cases are developed. As a result, the case using the absorption heat pump as the heat source of steam air heater is able to reduce the amount of extracted steam. Besides, the thermal efficiency is improved, while the heat rate is reduced, and the coal consumption is reduced by 1.95 g/kW·h.

absorption heat pump; steam air heater; low temperature economizer

2016-08-31。

中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司研究與開發(fā)基金項目(TX-15-CERI03)。

彭爍(1987-)，男，工程師，主要從事清潔能源系統優(yōu)化設計、太陽能熱發(fā)電等方面研究工作，E-mail： pengshuo@hnceri.com。

TK114

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.12.005