一種吸收式熱泵—空冷復合系統(tǒng)的熱力學分析

郭東奇

（中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

我國北方火力發(fā)電廠大多為空冷機組，空冷機組在電廠節(jié)水方面優(yōu)勢顯著，但與濕冷機組相比也有不足，如直接空冷機組，運行背壓高，空冷風機耗電量大。冬季空冷系統(tǒng)需要采取防凍措施，夏天空冷系統(tǒng)的冷卻能力會受到限制，空冷系統(tǒng)背壓可達50 kPa，限制機組約10%～20%的額定出力，嚴重制約機組安全、經(jīng)濟運行。

為提高空冷機組夏季運行的安全穩(wěn)定性以及機組熱經(jīng)濟性，本文在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上提出一種新型吸收式熱泵—空冷復合系統(tǒng)，為降低空冷機組運行背壓，改善空冷機組夏季運行工況提供一種可行方案。

1 吸收式熱泵—空冷復合系統(tǒng)介紹

圖1 為新型吸收式熱泵—空冷復合系統(tǒng)原則性熱力系統(tǒng)簡圖，該系統(tǒng)以某電廠2×300 MW 亞臨界直接空冷機組為依據(jù)，機組選用亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽直接空冷凝汽式汽輪機。本系統(tǒng)在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上新增一套吸收式熱泵系統(tǒng)和一臺換熱器，改善機組運行工況。

系統(tǒng)運行時，機組一部分排汽進入空冷散熱器，一部分引入熱泵蒸發(fā)器，熱泵蒸發(fā)器中的乏汽凝結(jié)水接至排汽裝置。利用汽輪機六段抽汽作為熱泵系統(tǒng)的驅(qū)動蒸汽。機組的乏汽凝結(jié)水接至熱泵冷凝器吸收熱量。經(jīng)熱泵加熱的較高溫度的乏汽凝結(jié)水再進入末級回熱加熱器中繼續(xù)吸收熱量。當熱泵負荷較高，除滿足加熱乏汽凝結(jié)水外還有多余熱量時，可以投入新增的換熱器對外供熱。

圖1 新型吸收式熱泵—空冷復合系統(tǒng)原則性熱力系統(tǒng)簡圖

通過熱泵系統(tǒng)吸收一部分機組乏汽，降低空冷散熱器的負荷，將機組的背壓維持在設(shè)計背壓或降低至設(shè)計背壓以下，達到提高機組安全穩(wěn)定運行的目的，同時也提高機組整體的運行效率。

2 系統(tǒng)熱力學分析指標

空冷發(fā)電機組引入該系統(tǒng)后，可以通過調(diào)節(jié)熱泵蒸發(fā)器中吸收劑的蒸發(fā)溫度，調(diào)節(jié)乏汽冷凝溫度，進而調(diào)節(jié)機組背壓。乏汽進入熱泵可減少空冷島的散熱負荷，降低廠用電率，提高機組循環(huán)熱經(jīng)濟性。本系統(tǒng)使發(fā)電機組不再需要增設(shè)尖峰冷卻系統(tǒng)或加裝噴霧降溫等系統(tǒng)，可降低廠用電率以及建設(shè)費用。利用熱泵加熱乏汽凝結(jié)水，降低末級回熱加熱器的負荷，進而減少末級抽汽量，機組出力得到提高。

由以上分析可知，熱泵蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度和熱泵系統(tǒng)吸收機組乏汽的比例會對整個機組有較大的影響，為此采用熱量法和火用方法對機組進行熱經(jīng)濟性分析。

熱力學分析計算的參數(shù)依據(jù)為汽輪機廠家提供的汽輪機夏季工況熱平衡圖，只對改造部分進行參數(shù)優(yōu)化，其余部分維持機組設(shè)計參數(shù)不變。針對機組背壓和乏汽分配比例兩個因素對機組性能的影響，主要考察機組發(fā)電量、發(fā)電標煤耗、發(fā)電效率、全廠汽耗率、全廠熱耗率、全廠熱效率以及全廠效率等熱經(jīng)濟性指標。

假設(shè)汽輪發(fā)電機組參數(shù)穩(wěn)定，工質(zhì)參數(shù)設(shè)定與汽機熱平衡圖保持一致；空冷島僅考慮散熱量，不進行空冷散熱器耗電量的計算；各個換熱器的換熱效率為100%；熱泵的COP 為1.7；熱泵加熱乏汽凝結(jié)水的最高溫度為90 ℃；環(huán)境溫度取25 ℃。

汽輪機排汽背壓的計算范圍為27.5～5 kPa，其中27.5 kPa 為機組背壓的夏季設(shè)計工況；空冷散熱器與熱泵吸收汽輪機排汽的比例變化范圍為1～0.9。

3 系統(tǒng)熱力學計算

進入空冷散熱器的乏汽比例α

式中：Mc為進入空冷散熱器的乏汽流量，kg/h；Mhp為進入熱泵的乏汽流量，kg/h。

發(fā)電效率np

式中：P為機組發(fā)電量，kW；Q為輸入機組的熱量，kJ/h。

發(fā)電熱耗率qp

發(fā)電汽耗率dp

式中：M0為新蒸汽質(zhì)量流量，kg/h。

發(fā)電標煤耗bp

全廠熱效率nh

式中：Qs為對外供熱量，MW。

全廠火用效率ne

式中，Es為對外輸出熱量所含火用，kW；E0為輸入循環(huán)系統(tǒng)的火用，kW。

以Pe為基準，所考察的熱經(jīng)濟性指標中np與Pe成正比；qp、dp以及bp與Pe成反比，nh和ne與Pe成正相關(guān)的關(guān)系。

4 系統(tǒng)熱力學指標計算結(jié)果與分析

4.1 熱泵負荷Qhp 分布圖

圖2 為Qhp隨α 和機組背壓pc的變化關(guān)系圖，圖中虛線及其下方為熱泵僅用作加熱乏汽凝結(jié)水的工況。虛線部分為熱泵將乏汽凝結(jié)水加熱到90 ℃的工況，由于熱泵出口水溫最高能夠達到90 ℃，當熱泵將乏汽凝結(jié)水加熱至90 ℃以后還可以對外提供熱量。虛線可以認為是熱泵只加熱乏汽凝結(jié)水與熱泵可對外供熱兩種工況的分界線。

圖2 pc 和α 對Qhp 的影響

由圖2 可以看出，熱泵分擔的機組乏汽量越大，機組背壓就越低。當背壓不變時，熱泵分擔機組乏汽的比例越大，對外提供的熱量越大。

為便于機組運行調(diào)節(jié)，將pc和α 之間的變化關(guān)系擬合為一個多項式函數(shù)，如式（8） 所示。

4.2 機組發(fā)電量Pe 和發(fā)電效率np

圖3 為Pe隨α 和pc的變化趨勢。從圖3 中可以看出，當α 保持不變時，Pe隨著pc的降低而逐漸上升。當pc不變時，Pe隨著α 值的降低先逐漸上升達到一個最大值，然后逐漸下降，且下降速度要大于上升速度，該最大值隨著α 的降低逐漸升高。不同pc的Pe的最大值工況對應(yīng)圖2 的分界線。

計算結(jié)果顯示，Pe最大為311.846 MW，對應(yīng)的工況α 值為0.927，pc為5 kPa，比機組原有出力提高了3.925%。當pc達到5 kPa 時，避免了由于夏季環(huán)境溫度過高，機組背壓過高的影響，機組可以安全穩(wěn)定運行，節(jié)能效益顯著。

圖3 pc 和α 對Pe 的影響

由計算公式可以看出np與Pe成正比，故np的變化趨勢與Pe一致。np的最大值為0.423，對應(yīng)的工況α 值為0.927，背壓pc為5 kPa。

從圖3 中還可以看出，熱泵只加熱乏汽凝結(jié)水有利于提高發(fā)電效率，而當熱泵對外供熱時，機組的發(fā)電效率會有所減少。兩種工況的不同變化趨勢可能是由于六段抽汽的品質(zhì)較高，用于熱泵的驅(qū)動蒸汽量較大時導致進入汽輪機的蒸汽做功能力降低。

4.3 發(fā)電熱耗率qp、發(fā)電汽耗率dp、發(fā)電標煤耗bp

圖4 為qp隨著α 和pc的變化關(guān)系圖。由圖4 可以看出，當α 不變時，qp隨pc的降低而逐漸降低。當汽輪發(fā)電機組的排汽背壓相同時，qp隨α 的減小先逐漸減小然后逐漸增大。每個背壓均有一個α 使得qp最低，而不同背壓下qp最低值對應(yīng)的α 值隨著背壓的降低也逐漸減小。當機組背壓為5 kPa，α為0.927 時，qp達到最低值8 502.62 kJ/(kW·h)。

從式（4）、式（5） 可以看出，dp、bp均與qp成正比，qp最低工況也對應(yīng)dp與bp的最低值，當機組背壓為5 kPa，α 為0.927 時，dp為3.196 kg/(kW·h)，bp為0.291 kg/(kW·h)。

圖4 pc 和α 對qp 的影響

4.4 全廠熱效率nh 和火用效率ne

圖5 為nh隨α 和pc的變化關(guān)系圖。從圖5 可以看出，當pc一定時，nh隨α 的降低而逐漸上升，熱泵對外供熱以后，nh的上升速度增加；當α 保持不變時，隨著pc的降低，nh的變化趨勢有3 種情況：當0.97≤α＜1 時，熱泵僅僅加熱乏汽凝結(jié)水，nh隨pc的降低而逐漸上升；當熱泵0.927＜α＜0.97時，熱泵不僅加熱乏汽凝結(jié)水，還要對外供熱，nh隨著pc的降低先逐漸降低而后逐漸上升；而當α≤0.927 時，nh隨pc的降低而逐漸降低。最佳工況下nh并不是最高值，該工況下熱泵并不對外提供熱量，最佳工況下nh為0.423。

圖5 pc 和α 對nh 的影響

從圖5 還可以看出，由于原空冷機組的冷源熱損失較大，引入熱泵系統(tǒng)后對于nh有明顯的提高作用。熱泵僅用于加熱乏汽凝結(jié)水時，機組熱效率的提高幅度要明顯小于熱泵對外供熱以后的熱效率提高幅度。從這一點也可以看出，本系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況尋求外部熱用戶以提高全廠熱效率。

ne與Pe和nh均成正相關(guān)的關(guān)系。ne的變化趨勢與nh的變化趨勢基本一致，當α 保持不變時，隨著pc的降低，ne逐漸上升；當pc為定值時，ne隨α 的減小而逐漸上升，且當熱泵對外提供熱量時，ne上升的速率要比單獨加熱乏汽凝結(jié)水工況的上升速度快。在熱泵只加熱乏汽凝結(jié)水的工況下，α 為0.927，pc為5 kPa 時，ne最高，達到0.791。當熱泵開始對外供熱時，pc越低，α 越低的工況對應(yīng)ne越高。

綜上，吸收式熱泵—空冷復合系統(tǒng)可以通過熱泵降低機組背壓，提高機組運行的安全穩(wěn)定性，進而提高全廠的循環(huán)性能，對全廠能源效率的提高具有積極作用。

5 結(jié)論

著眼于改善空冷機組夏季運行工況，提升機組運行安全穩(wěn)定性和運行效率，提出一種吸收式熱泵-空冷復合系統(tǒng)。利用吸收式熱泵蒸發(fā)器的制冷作用，通過吸收一部分汽輪機乏汽熱量降低機組背壓，達到提高機組安全穩(wěn)定運行的目的。

a） 本系統(tǒng)最佳運行工況可以將機組背壓pc降低至5 kPa，此時熱泵分擔機組乏汽的比例為7.3%，機組發(fā)電量Pe為311.846 MW，比機組原有出力提高了3.925%，發(fā)電效率np提高了4%，發(fā)電熱耗率qp上升了3.9%，全廠熱效率nh提高了4%，全廠火用效率ne提高了4%，發(fā)電標煤耗bp降低了3.8%。

b） 得到背壓pc與空冷乏汽分配比例α 之間的擬合函數(shù)，實現(xiàn)機組在不同環(huán)境溫度下都能達到最佳運行工況。

c） 如果電廠周圍存在熱用戶，可以將熱泵多余的熱量對外輸出，以提高全廠效率，一定程度上還可以提高機組的運行效率。