吸收式熱泵對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的降耗作用

舒 斌，劉舒巍，賀國(guó)念

(國(guó)家電投集團(tuán)遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司重慶科技分公司，重慶 401122)

習(xí)近平總書(shū)記在2020年9月22日召開(kāi)的聯(lián)合國(guó)大會(huì)上莊嚴(yán)承諾：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”眾所周知，燃燒化石能源是二氧化碳產(chǎn)生的主要途徑，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中，煤炭仍然占60%左右。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年末，我國(guó)火力發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘考s12億千瓦，在該背景下，火力發(fā)電企業(yè)深入做好節(jié)能降耗工作即是履行“碳達(dá)峰、碳中和”承諾的有效手段之一。在火力發(fā)電廠中，特別是在具有集中供熱需求的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠中，吸收式熱泵供熱技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，即通過(guò)設(shè)置熱泵裝置回收汽輪機(jī)冷端排汽余熱，同時(shí)將回收的熱量作為集中供熱熱源，熱泵技術(shù)使機(jī)組綜合熱效率得到了提高，同時(shí)還產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益。在不進(jìn)行機(jī)組擴(kuò)容改造的條件下，若輸出相同供熱負(fù)荷，可減少煤炭的使用量，相當(dāng)于機(jī)組煤耗下降，成本降低。本文針對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，從供熱角度分析吸收式熱泵技術(shù)的“降耗”作用，從而加深對(duì)該技術(shù)的理解，便于更好地將其應(yīng)用于節(jié)能減排實(shí)踐，同時(shí)也期望起到拋磚引玉作用，助推火電企業(yè) “深度挖潛”和“節(jié)能降耗”工作的開(kāi)展，為早日實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)做出努力。

1 供熱機(jī)組煤耗計(jì)算原則和方法

1.1 煤耗計(jì)算原則

煤耗是考核火電機(jī)組運(yùn)行性能好壞的主要指標(biāo)之一，計(jì)算方法歸納起來(lái)主要有以下3種：熱量法、實(shí)際焓降法和分析法[1-5]。

根據(jù)“大火規(guī)”和電力行業(yè)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，我國(guó)火力發(fā)電企業(yè)對(duì)發(fā)電及供電煤耗的計(jì)算方法采用熱量法[6-8]，熱量法建立在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)之上，是從熱能“量”的觀點(diǎn)來(lái)分配總熱量的，即按照熱電廠生產(chǎn)電能的數(shù)量比例來(lái)分配，發(fā)電耗熱量等于總輸入熱量減去總輸出熱量，是屬于“好處歸電”的分配方法。該方法被大多數(shù)研究人員和工程技術(shù)人員采用。

嚴(yán)格意義上而言，火電廠煤耗應(yīng)先通過(guò)正平衡算法計(jì)算，再利用反平衡算法進(jìn)行數(shù)據(jù)修正和校核。但隨著火力發(fā)電企業(yè)節(jié)能減排工作的進(jìn)一步需要，反平衡算法計(jì)算煤耗因能夠便捷、直觀地反映火力發(fā)電企業(yè)的能耗狀況特點(diǎn)[9]，被更多的企業(yè)采納和應(yīng)用于生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)。因此，本文通過(guò)反平衡算法來(lái)分析采用熱泵回收汽輪機(jī)冷端排汽余熱后對(duì)機(jī)組煤耗的影響。

1.2 煤耗計(jì)算方法

供熱比是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組計(jì)算熱耗、煤耗的重要技術(shù)指標(biāo)之一，即汽輪機(jī)向外供出的熱量與輸入總熱量之比，即

(1)

式中：αr為供熱比，%；Qgz為汽輪機(jī)供熱量，GJ/h；Qz為汽輪機(jī)輸入熱量，GJ/h。

結(jié)合供熱比和機(jī)組發(fā)電量可求得汽輪機(jī)發(fā)電熱耗量，即

(2)

式中：Hr為汽輪機(jī)發(fā)電熱耗，kJ/(kW·h)；Wf為汽輪機(jī)發(fā)電量，kW·h。

發(fā)電煤耗和供電煤耗計(jì)算公式分別為

(3)

(4)

式中：bfd為發(fā)電煤耗，g/(kW·h)；bgd為供電煤耗，g/(kW·h)；ηgl為鍋爐效率，%；ηgd為管道效率，%；rn為廠用電率，%。

機(jī)組直接抽汽供熱示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)組直接抽汽供熱示意圖

2 接帶熱泵后供熱機(jī)組煤耗分析

2.1 熱泵余熱回收原理

在熱電聯(lián)產(chǎn)電廠中，熱泵通常采用的是以蒸汽驅(qū)動(dòng)的吸收式熱泵裝置，其中以增熱為目的的熱泵被稱為第一類吸收式熱泵。其基本工作原理為：利用少量的高溫?zé)嵩矗a(chǎn)生大量的中溫有用熱能，即利用高溫?zé)崮茯?qū)動(dòng)，回收低溫?zé)嵩吹臒崮懿⑻岣叩街袦?，從而提高熱能的利用效率。第一類吸收式熱泵的性能系?shù)(即COP值)大于1，范圍一般為1.5～2.5。吸收式熱泵使用的工質(zhì)為L(zhǎng)iBr—H2O或NH3—H2O，但大多為L(zhǎng)iBr—H2O，其中溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑。熱泵升溫能力ΔT一般為30～50 ℃，輸出的最高溫度不超過(guò)150 ℃。原理如圖2所示。

圖2 吸收式熱泵原理圖

如圖2 所示，吸收式熱泵機(jī)組本體主要由吸收器、蒸發(fā)器、發(fā)生器、冷凝器、溶液熱交換器及溶液泵等輔助部分構(gòu)成，機(jī)組內(nèi)部需維持高度真空狀態(tài)，由設(shè)置的真空抽氣裝置抽除熱泵內(nèi)的空氣等不凝性氣體。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的工藝基本流程是，設(shè)置單獨(dú)的吸收式熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)包括熱泵機(jī)房、高溫驅(qū)動(dòng)熱源(蒸汽)、低溫?zé)嵩?循環(huán)冷卻水、乏汽)、疏水系統(tǒng)等部分，即利用汽輪機(jī)采暖供熱蒸汽作為驅(qū)動(dòng)熱源(熱負(fù)荷Q1)，回收循環(huán)冷卻水(或乏汽)熱量(余熱負(fù)荷Q2)，通過(guò)熱泵的增熱作用對(duì)外供出Q1+Q2的熱量。熱泵內(nèi)部包含了溶液循環(huán)和熱力循環(huán)兩層循環(huán)，即溶液循環(huán)為能量的轉(zhuǎn)移提供載體，熱力循環(huán)則實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移和品質(zhì)提升。

2.2 接帶熱泵后供熱機(jī)組的煤耗分析

在常規(guī)抽汽供熱基礎(chǔ)上，熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機(jī)組接帶熱泵后，將回收的汽輪機(jī)冷端排汽余熱作為集中供熱熱源向熱力網(wǎng)輸出，據(jù)“熱量法”理論，在不新增化石燃料輸入的條件下，獲得了更多的熱能輸出，相當(dāng)于降低了汽輪機(jī)發(fā)電熱耗，使得發(fā)電煤耗大幅下降。圖3是機(jī)組接帶熱泵的供熱流程圖。

圖3 熱泵回收余熱流程圖

接帶熱泵后的機(jī)組供熱比，應(yīng)為原直接抽汽供熱負(fù)荷加上熱泵回收的余熱負(fù)荷與機(jī)組總輸入熱的比值，即

(5)

汽輪機(jī)綜合能效計(jì)算公式及簡(jiǎn)化公式分別為

(6)

(7)

式中：η′為接帶熱泵后綜合能效，%；η為未接帶熱泵綜合能效，%；Q′為熱泵回收的汽輪機(jī)余熱，GJ/h。

據(jù)式(5)和式(7)，不論能效是供熱比還是汽輪機(jī)綜合能效，機(jī)組在接帶熱泵后能效都大于未接帶熱泵的情況。因此可以推定，機(jī)組在發(fā)電負(fù)荷基本不變的情況下，會(huì)因接帶熱泵增大供熱輸出，從而使得發(fā)電熱耗下降、機(jī)組能效提升，煤耗下降。

3 案例分析

3.1 項(xiàng)目概況

某熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱電廠，安裝有2臺(tái)同型的125 MW濕冷機(jī)組，汽輪機(jī)規(guī)格：高壓、單軸、雙排汽、雙抽反動(dòng)式、凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為CC125-9.5/1.3/0.25。項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案為：兩臺(tái)汽輪機(jī)的采暖供熱蒸汽作為吸收式熱泵高溫驅(qū)動(dòng)熱源(互為備用)；其中一臺(tái)機(jī)組的循環(huán)冷卻水余熱作為低溫?zé)嵩?另一臺(tái)備用)；熱網(wǎng)循環(huán)水回水先進(jìn)入熱泵，升溫后再進(jìn)入尖峰加熱器。圖4為項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖。圖5為項(xiàng)目設(shè)置吸收式熱泵系統(tǒng)工藝流程示意圖，以下結(jié)合工藝流程項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)據(jù)分析。

圖4 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

圖5 某125 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱泵供熱系統(tǒng)示意圖

3.2 降耗分析

表1為125 MW汽輪機(jī)接帶熱泵后機(jī)組運(yùn)行主要數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。

表1 機(jī)組主要運(yùn)行數(shù)據(jù)表

結(jié)合表1機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，全廠主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算對(duì)比如表2所示。

表2 全廠主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

據(jù)表2，機(jī)組在接帶熱泵后，供熱條件下，供熱比由30.68%提高至38.66%，全廠總的熱效率由63.5%進(jìn)一步提高至71.46%，全廠供電煤耗綜合下降約35.72 g/ (kW·h)，可折算出單臺(tái)機(jī)組煤耗下降可達(dá)70 g/(kW·h)。由以上指標(biāo)折算，年可實(shí)現(xiàn)節(jié)約標(biāo)煤3.2萬(wàn)t、同比減排二氧化碳8.5萬(wàn)t?？梢?jiàn)熱泵對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的節(jié)能降耗作用非常明顯。

4 結(jié)論

吸收式熱泵技術(shù)應(yīng)用于火力發(fā)電廠熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機(jī)組，通過(guò)回收汽輪機(jī)冷端排汽熱提高了機(jī)組供熱比，按“熱量法”原理，相當(dāng)于降低了機(jī)組發(fā)電熱耗，降低了冷端損失，從而實(shí)現(xiàn)煤耗大幅下降。本文結(jié)合某廠125 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組設(shè)置吸收式熱泵的具體案例，很好地驗(yàn)證了上述結(jié)論，即熱泵技術(shù)是一項(xiàng)可應(yīng)用于火電廠的經(jīng)濟(jì)、適用、高效的節(jié)能減排技術(shù)，值得大力推廣應(yīng)用。