吸收式熱泵用于350 MW熱電聯產機組余熱回收的經濟性分析

徐 進

(大唐保定熱電廠，河北 保定 071051)

隨著我國經濟水平的提高和城市規(guī)模的日益擴大，各地采暖熱負荷逐年增加。在發(fā)電廠的生產過程中，汽輪機的排汽余熱都被循環(huán)水通過冷卻塔排放到環(huán)境中，據調查，發(fā)電廠中50%以上熱量被凝汽器循環(huán)水帶走[1]，如果這部分熱量用于供熱，相當于在不增加發(fā)電出力與污染物排放的情況下擴大了熱源的供熱能力，提高了電廠的綜合能源利用效率，并減少了向環(huán)境排放的熱量，具有非常顯著的經濟、社會與環(huán)境效益。吸收式熱泵是一種回收利用低位熱能的有效裝置，可以實現將熱量從低溫熱源輸送至高溫熱源，在高效節(jié)能的同時還具有顯著的經濟效益。吸收式熱泵的特點為實現循環(huán)水余熱回收提供了可能。

1 采暖季汽輪機排汽熱量回收現狀

經過汽輪機做功后的蒸汽進入凝汽器，與來自冷卻塔的循環(huán)水發(fā)生熱量交換后形成凝結水，再經過加熱、除氧后輸送至鍋爐加熱成為新蒸汽繼續(xù)進入汽輪機做功，開始一個新的循環(huán)。

以某350 MW超臨界機組為例，采暖期額定抽汽工況下低壓缸排汽量約為150 t/h，汽輪機排汽焓2 340.9 kJ/kg，機組正常工作時，汽輪機排汽的熱量在凝汽器中全部被循環(huán)冷卻水吸收形成35℃的凝結水。冬季循環(huán)水塔出水溫度11℃，根據熱量衡算方程:

式中:Wk為蒸汽流量，kg/h;Wc為循環(huán)水流量，kg/h;ig為汽輪機排汽焓，kJ/kg;hs為凝結水焓，kJ/kg;h2為循環(huán)水回水焓，kJ/kg;h1為循環(huán)水供水焓，kJ/kg。

采暖季循環(huán)水量Wc取10 000 t/h，凝結水焓hs取147 kJ/kg，循環(huán)水供水焓h1取46.8 kJ/kg，代入上式得到循環(huán)水回水焓h2為79.71 kJ/kg，查表得出采暖季循環(huán)水回水溫度約為20℃。循環(huán)水回水經過冷卻塔與空氣對流換熱，熱量全部散失到環(huán)境中，汽輪機冷端損失巨大。

2 吸收式熱泵工藝流程與具體方案

2.1 工作原理

吸收式熱泵以溴化鋰作為吸收劑，水作為制冷劑，系統包括蒸發(fā)器、吸收器、凝結器、發(fā)生器、熱交換器、泵及其他附件。工作原理見圖1。吸收式熱泵以蒸汽為驅動熱源，在發(fā)生器內加熱溴化鋰稀溶液并產生冷劑蒸汽。冷劑蒸汽進入凝結器，加熱流經凝結器傳熱管內的熱網循環(huán)水，自身冷凝成液體后節(jié)流進入蒸發(fā)器。冷劑水經冷劑泵噴淋到蒸發(fā)器傳熱管表面，吸收流經傳熱管內的低溫熱源水的熱量后汽化成冷劑蒸汽進入吸收器。在發(fā)生器中濃縮的溴化鋰溶液返回吸收器后噴淋，吸收蒸發(fā)器來的冷劑蒸汽并放出熱量，加熱流經吸收器傳熱管的熱網循環(huán)水。熱網循環(huán)水經過吸收器、冷凝器加熱后輸送給熱用戶。

圖1 吸收式熱泵工作原理

由于吸收式熱泵可以回收熱源水中余熱，其供熱系數恒大于1，且供熱系數隨著熱源水溫度的升高而增大。吸收式熱泵能夠提高低溫能源的品質并加以利用，具有非常明顯的節(jié)能效果。

2.2 具體方案

熱泵機組驅動蒸汽為機組過熱蒸汽，經減溫減壓后保證過熱度不超過10℃，壓力0.3 MPa左右。蒸汽在熱泵發(fā)生器中進行換熱后形成的凝結水輸送至疏水箱，經熱網疏水泵送回凝結水系統中。熱網回水母管上接引一路管路至熱泵機房，并設置相關閥門，將熱網循環(huán)水回水引入熱泵機房，熱網水進入熱泵機組一次升溫至80℃后再進入熱網加熱器完成二次加熱。以機組循環(huán)水回水做為低溫熱源，對循環(huán)水回水總管進行改造，接引一路管路至熱泵機組，經熱泵機組回收熱量后的循環(huán)水送至冷卻水塔出水管路，進入凝汽器換熱。系統布置見圖2。

圖2 吸收式熱泵系統布置

3 機組循環(huán)水作為吸收式熱泵低溫熱源的優(yōu)勢

吸收式熱泵能夠提高低溫熱源中的熱量并釋放給高溫熱源，以實現將熱量從低溫向高溫的傳遞。為保證熱泵對外供熱的連續(xù)性，熱源水的選擇是決定吸收式熱泵機組能夠源源不斷對外供熱的關鍵。機組循環(huán)冷卻水具有運行穩(wěn)定、水量充足的特點，能夠保證熱泵機組安全穩(wěn)定運行。在凝汽器中經過換熱的循環(huán)水吸收了大量的汽輪機排汽熱量，產生的循環(huán)水回水溫度符合熱泵熱源水運行溫度，能夠使熱泵機組具有較高的供熱系數。相比脫硫廢水，循環(huán)水的水質更為清潔，可大幅減輕管路的腐蝕與結垢情況，減少熱泵系統的維護量。

機組循環(huán)水在水量、溫度和水質等方面很適合做熱泵熱源水使用，其特點為吸收式熱泵從中提取熱量對外供熱提供了可能。

4 吸收式熱泵供熱與傳統供熱方式的經濟性對比

4.1 回收余熱收益提升

按照當前吸收式熱泵的制造供熱量為24 MW計算，2臺熱泵機組每小時可提供熱量48 MW，折合170 GJ。按照30元/GJ計算供熱收益為5 100元/h，整個采暖期可增加供熱收益14 688×103元。若采暖負荷取40 W/m2計算，2臺熱泵機組可增加供熱面積120×103m2。

4.2 抽汽量與增加供電量減少

根據當前機組熱網循環(huán)水回水情況，50℃熱網循環(huán)水回水在熱網加熱器中與汽輪機抽汽換熱，加熱到110℃后對外供熱，抽汽供熱消耗大量的高品質蒸汽加熱熱網循環(huán)水，降低了機組的經濟性。按照吸收式熱泵的設計，單臺機組熱網水流量1 500 t/h，熱網循環(huán)水回水經過熱泵可從50℃加熱至70℃，再送至熱網進行二次加熱到供熱需要的溫度，提高進入熱網加熱器的循環(huán)水初溫能夠減少采暖抽汽的使用量，提高熱網加熱器的換熱效率。根據熱量衡算方程:

式中:Wk為采暖抽汽流量，kg/h;Wc為熱網循環(huán)水流量，kg/h;i g為采暖抽汽焓，kJ/kg;h s為采暖抽汽疏水焓，kJ/kg;h2為熱網循環(huán)水供水焓，kJ/kg;h1為熱網加熱器入口焓，kJ/kg。

2臺吸收式熱泵的熱網循環(huán)水流量Wc取3 000 t/h，采暖抽汽焓i g取2 970 kJ/kg，查表得到采暖抽汽疏水焓h s為546.61 kJ/kg，熱網循環(huán)水供水焓h2為461.75 kJ/kg，熱網加熱器入口焓h1為293.53 kJ/kg。代入上式得出利用吸收式熱泵提升熱網加熱器入口溫度后采暖抽汽用量為208 t/h，相比直接使用采暖抽汽加熱熱網循環(huán)水的蒸汽用量減少50 t/h，減少的采暖抽汽量相當于增加了在汽輪機中做功蒸汽，根據熱化發(fā)電量公式:

式中:Wc為抽汽供熱汽流的發(fā)電量，k Wh;Q c為總供熱量，kJ;i0為新蒸汽焓，kJ/kg;i c為抽汽焓，kJ/kg;t c為供熱回水焓，kJ/kg。

Q c按照2.5×106kJ/(t/h)，以減少的采暖抽汽量50 t/h計算供熱量，新蒸汽焓3 398 kJ/kg，采暖抽汽焓2 970 kJ/kg，50℃水的焓t c取209 kJ/kg，計算得出增加的發(fā)電量Wc為5 382 k Wh，按照電價0.5元/k Wh計算增加的供電收益，利用吸收式熱泵供熱整個供暖期可增加供電收益7 750×103元。

4.3 運行成本提升

由于冬季采暖期運行時機組循環(huán)冷卻水供回水溫度分別為11℃和20℃左右，為了保證吸收式熱泵運行經濟性與穩(wěn)定性，吸收式熱泵的熱源水溫度宜維持在30℃左右，冬季采暖期時需要采取適當提高機組背壓的運行方式。以某350 MW超臨界機組為例，為保證熱泵機組熱源水進口溫度，冬季采暖期運行時需要將汽輪機背壓從5.4 k Pa提高至8 k Pa左右。

圖3 排汽壓力與熱耗修正率曲線

圖4 排汽壓力與功率修正率曲線

根據某350 MW機組T HA工況排汽壓力與熱耗功率修正曲線和功率修正率曲線(圖3、圖4)，循環(huán)水溫度由20℃提升到30℃，機組背壓從5.4 k Pa提高至8 k Pa，機組熱耗約上升150 kJ/k Wh，對于350 MW機組，熱耗約上升52.5 GJ/h。根據供熱標煤耗37.06 kg/GJ，得出由于背壓升高導致的煤耗增加為1.94 t/h，根據煤價700元/t計算整個供熱期機組增加煤耗成本約3 900×103元。另外由于背壓升高導致發(fā)電機功率下降約7 000 k W，按照電價0.5元/k Wh計算供暖期損失發(fā)電收益約10 080×103萬元。

4.4 總收益提升

以采暖抽汽加熱熱網循環(huán)水的供熱方式為基準，在一個供熱期時間段內，采用吸收式熱泵回收循環(huán)冷卻水余熱方案的各個經濟指標如表1所示。

表1 吸收式熱泵方案經濟指標 ×10 3元

根據表1得出結論，利用2臺吸收式熱泵機組回收循環(huán)冷卻水回水的熱量后對熱網循環(huán)水進行一次加熱，比傳統的供熱方式在一個供熱期內可增加收益8 458×103元，采用吸收式熱泵回收汽輪機排汽熱量對外供熱能夠獲得較高的經濟收益。但同時也應看到機組背壓升高會導致煤耗增大與輸出功率的下降，使得經濟性變差，另外由于排汽溫度也會相應升高，會造成汽輪機排汽部分的熱膨脹和熱應力加劇，嚴重時會造成機組振動超標或動靜摩擦，影響機組安全穩(wěn)定運行。

5 結論與建議

a.機組循環(huán)冷卻水水量充足且熱量較高，滿足吸收式熱泵熱源水使用要求。

b.供熱系統中加入吸收式熱泵，在減少汽輪機冷端損失的同時還能減少采暖抽汽用量，能夠大幅度提高電廠的綜合能源利用效率。

c.為保證熱泵經濟性需要適當提高機組背壓，機組在較高背壓下運行時應加強對系統的監(jiān)控與調整，保證機組安全穩(wěn)定運行。

d.吸收式熱泵在提升循環(huán)冷卻水中的熱量對外供熱方面效果明顯，能夠帶來很大的供熱收益，但由于熱泵機組臺數多、系統占地面積大，在很大程度上提高了建設成本，投資回收期也會大幅度延長。