吸收式熱泵在城市熱電廠改造利用節(jié)能研究

王軍太

（蘭州西固熱電有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730070）

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2017 年我國原煤產(chǎn)量34.5 億噸(折標(biāo)準(zhǔn)煤24.6 億噸)，其中50%以上為發(fā)電用煤?；鹆Πl(fā)電廠在能源轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生大量的余熱，其中約有50%左右能量通過鍋爐排煙和汽輪機(jī)排汽（乏汽）通過循環(huán)冷卻水的形式直接排至大氣，既造成了能源的大量浪費(fèi)，也導(dǎo)致了環(huán)境污染。

熱電聯(lián)產(chǎn)是降低汽輪機(jī)排汽熱損失的有效手段，隨著城市化進(jìn)程的加快，居民采暖需求和供暖能力不足的矛盾日趨顯現(xiàn)。城市供熱電廠受環(huán)保政策、地理位置限制增容空間受限，在不增加新的熱源項(xiàng)目的情況下，通過技術(shù)升級改造提高現(xiàn)有設(shè)備供熱能力是解決城市供熱電廠供暖能力不足的方向。

現(xiàn)有熱電聯(lián)產(chǎn)是利用汽輪機(jī)低壓段抽汽通過加熱器加熱水實(shí)現(xiàn)，由于減少了汽輪機(jī)排汽量，降低了冷源損失。但隨著采暖需求的不斷增加，原有機(jī)組供熱能力明顯不足。在熱電廠設(shè)置吸收式熱泵能夠顯著提高機(jī)組供熱能力, 利用汽輪機(jī)低壓段抽汽作為驅(qū)動熱源、循環(huán)冷卻水作為低溫?zé)嵩醇訜釤峋W(wǎng)水，回收汽輪機(jī)排汽（乏汽）熱量，進(jìn)一步降低煤耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

1 吸收式熱泵的原理

吸收式熱泵是一種以蒸汽（或高溫?zé)崴?、燃油、燃?xì)猓轵?qū)動，實(shí)現(xiàn)將熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩幢盟偷难h(huán)系統(tǒng)，是回收利用低溫位熱能的有效裝置，具有節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的雙重作用[1]。熱泵由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器和熱交換器等主要部件及抽氣裝置，屏蔽泵(溶液泵和冷劑泵)等輔助部分組成。吸收式熱泵利用兩種沸點(diǎn)不同的工質(zhì)組成溶液（通常稱為工質(zhì)對或二元溶液）的氣液平衡特性來工作的。按工質(zhì)對劃分，分為水- 溴化鋰熱泵和氨- 水熱泵。主要介紹水- 溴化鋰熱泵熱泵系統(tǒng)。

2 熱電廠系統(tǒng)改造

某熱電廠裝備2×330MW 汽輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)熱網(wǎng)首站可供960 萬平方米供熱面積，加熱汽源為機(jī)組中壓缸排汽，3 臺表面式熱網(wǎng)加熱器，隨著供熱需求的不斷增加，現(xiàn)有供暖設(shè)備已不能滿足采暖供熱需要。城市電廠由于受燃料運(yùn)輸、環(huán)保排放總量控制等原因不具備增容條件，改造前系統(tǒng)如圖1 所示。為了發(fā)揮2×330MW 機(jī)組供熱潛能，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)一步提高電廠熱效率決定采用吸收式熱泵對機(jī)組循環(huán)冷卻水余熱回收利用，增加供熱能力。

圖1 改造前系統(tǒng)

在保留熱網(wǎng)首站情況下，設(shè)置熱泵泵站串聯(lián)在熱網(wǎng)首站之前加熱熱網(wǎng)回水。改造分兩部分：一部分為熱網(wǎng)側(cè)，即在熱網(wǎng)首站熱網(wǎng)回水管設(shè)置熱泵泵站；另一部分為循環(huán)水側(cè)，將機(jī)組凝汽器出口循環(huán)水分兩路，原循環(huán)水至冷卻塔上塔冷卻管路不變；增加一路至熱泵管路用以熱泵回收熱量，熱泵出口循環(huán)水直接排至冷卻塔塔池。循環(huán)水系統(tǒng)增加隔離切換閥門，采暖期循環(huán)水通過閥門切換至熱泵放熱溫度降低后回至冷卻塔塔池；非采暖期循環(huán)水通過閥門切換上冷卻塔冷卻循環(huán)使用，改造后的系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 改造后系統(tǒng)

3 節(jié)能效益分析

3.1 供熱能力增加和回收熱量

熱泵采用6 臺48.46MW 蒸汽型吸收式溴化鋰熱泵機(jī)組，回收現(xiàn)有2 臺300MW 供熱機(jī)組循環(huán)水排水余熱。熱泵系統(tǒng)設(shè)置在熱網(wǎng)首站回水端，與熱網(wǎng)首站串聯(lián)布置，按照系統(tǒng)設(shè)置和供暖實(shí)際情況，熱泵承擔(dān)供暖基本負(fù)荷，熱網(wǎng)首站承擔(dān)供暖尖峰負(fù)荷，供熱初期和末期盡量發(fā)揮熱泵余熱回收作用，由熱泵保證供暖；熱網(wǎng)首站的熱網(wǎng)加熱器做為熱泵供熱不足的補(bǔ)充及供暖高峰期的二次加熱。設(shè)計(jì)6 臺水- 溴化鋰熱泵采暖期可回收155 萬GJ 熱量，當(dāng)?shù)毓┡O(shè)計(jì)50W/m2，回收熱量能增加240 萬平方米城市供熱面積。 根據(jù)電廠測算熱泵系統(tǒng)投運(yùn)后2017 至2018 采暖期(5 個月）從機(jī)組循環(huán)水回收熱量127 萬GJ。

3.2 供熱系數(shù)COP

COP 是英文（Coefficient Of Performance）的縮寫，即能量與熱量之間的轉(zhuǎn)換比率，簡稱制熱能效比.熱泵供熱系數(shù)COP 是熱泵輸出熱量Q1 與熱泵運(yùn)行消耗能量Q2 之比，是衡量熱泵經(jīng)濟(jì)性的主要指標(biāo)，COP= Q1 / Q2。采暖用第一類吸收式熱泵COP 一般為1.65～2.0 之間，熱泵系統(tǒng)投運(yùn)后委托第三方機(jī)構(gòu)試驗(yàn)COP 為1.8，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。即熱泵消耗能量Q2 為1（驅(qū)動汽源能量+耗電，耗電較小可忽略不計(jì)），熱泵輸出熱量Q1 為1.8（其中驅(qū)動汽源放出能量1+循環(huán)水提取能量0.8）。

3.3 節(jié)省燃料量

熱泵系統(tǒng)投運(yùn)后從機(jī)組循環(huán)冷卻水中回收了大量熱量，減少了鍋爐蒸發(fā)量，節(jié)約了大量的煤炭消耗，降低了煤耗。

G=Qh÷Qd×η1×η2

G——節(jié)煤量；

Qh——回收熱量；

Qd——標(biāo)煤發(fā)熱量；

η1——鍋爐效率，取92%；

η2——管道效率，取98%。

按照2017 至2018 采暖期回收熱量127 萬GJ，帶入公式可得采暖期節(jié)約煤炭39000 噸。

3.4 廢氣減排量

煤炭燃燒會釋放出大量的廢氣，是造成環(huán)境污染的主要源頭，雖然電廠進(jìn)行了環(huán)保改造，但排放總量依然巨大。以（硫分0.8%、灰分25%、低位發(fā)熱量4500kcal/kg）燃煤計(jì)算，當(dāng)脫硫效率為95%時，1 噸煤燃燒排放二氧化硫0.64Kg；當(dāng)脫硝效率為80%時，1 噸煤燃燒排放氮氧化物0.97Kg；當(dāng)除塵效率為99%時，1 噸煤燃燒排放排放煙塵0.89Kg。熱泵系統(tǒng)投運(yùn)節(jié)約煤39000 噸，減少SO2 排放24.96 噸；減少NOx 排放24.96 噸；減少煙塵排放34.71 噸。

3.5 循環(huán)水節(jié)水量

機(jī)組正常運(yùn)行時循環(huán)水損失主要有冷卻塔蒸發(fā)損失、風(fēng)吹損失和排污三部分組成。采暖期熱泵系統(tǒng)投運(yùn)循環(huán)水直接進(jìn)入熱泵放熱，循環(huán)水放出熱量后溫度降低排至冷卻塔塔池，不再上冷卻塔冷卻。避免了循環(huán)水蒸發(fā)和風(fēng)吹損失。一般冷水塔蒸發(fā)和風(fēng)吹損失約占總循環(huán)水量的1～1.5%，按熱泵設(shè)計(jì)循環(huán)水量20000T/H，蒸發(fā)和風(fēng)吹損失取下限1%計(jì)算，熱泵運(yùn)行每小時節(jié)水200T，按熱泵滿負(fù)荷運(yùn)行100 天（采暖期150 天，采暖初期、末期負(fù)荷較?。┯?jì)算，節(jié)水480000T，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)論

城市供熱電廠由于有集中、穩(wěn)定、可靠的熱源用戶，通過新建或技術(shù)改造建設(shè)吸收式熱泵，可以增大供熱電廠供熱能力；提高電廠能源轉(zhuǎn)換效率，降低了煤耗、水耗；減少了二氧化硫、氮氧化物、NOx 排放。且吸收式熱泵耗功較低、運(yùn)行維護(hù)成本低廉，是城市供熱電廠增加供熱能力、節(jié)能減排改造的方向。