600 MW濕冷機(jī)組利用熱泵回收余熱供熱措施優(yōu)化

周新樂(lè)，薛昊棟，周永鋼

（華電內(nèi)蒙古能源有限公司包頭發(fā)電分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014013）

0 引言

汽輪機(jī)排汽熱損失占熱電廠全廠各項(xiàng)損失的50%以上[1]，占機(jī)組額定供熱量的30%以上，合理利用該余熱不僅可以有效提高熱電廠的供熱量[2]，而且可以降低供熱機(jī)組的發(fā)電煤耗率。吸收式熱泵可以從低溫?zé)嵩刺崛〉推焚|(zhì)能量并轉(zhuǎn)化為較高品質(zhì)能量，僅消耗少量的逆循環(huán)凈功就可以得到較大的供熱量[3]，從而提高熱電廠供熱能力。本文以華電內(nèi)蒙古能源有限公司包頭發(fā)電分公司（以下簡(jiǎn)稱華電包頭分公司）600 MW 濕冷機(jī)組熱泵余熱利用供熱改造為例，依據(jù)熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)合熱泵整體節(jié)能效果計(jì)算分析，給出熱泵較為合理的運(yùn)行節(jié)能調(diào)整手段和系統(tǒng)調(diào)整思路，為其他熱電廠改造提供借鑒。

1 設(shè)備概況及存在的問(wèn)題

華電包頭分公司600 MW濕冷機(jī)組單機(jī)額定抽汽流量400 t/h，平均抽汽壓力0.45 MPa，平均抽汽溫度330 ℃。熱網(wǎng)水流量為8000～9000 t/h，尖寒期供熱溫度96 ℃，回水溫度為50 ℃。依據(jù)以上參數(shù)選用單臺(tái)容量為60 MW 溴化鋰熱泵，共6 臺(tái)，能效比（即供熱熱網(wǎng)水吸收熱量與維持熱泵運(yùn)行而需加入的高溫驅(qū)動(dòng)蒸汽熱量的比值）COP為1.7。熱泵系統(tǒng)由2號(hào)機(jī)組帶，2號(hào)機(jī)組熱網(wǎng)抽汽用于熱泵的驅(qū)動(dòng)汽源282 t/h，最大可回收2 號(hào)機(jī)組的循環(huán)水余熱功率為148 MW。熱網(wǎng)水先進(jìn)入熱泵，由50 ℃最高加熱至81 ℃，然后再進(jìn)入熱網(wǎng)首站由1號(hào)機(jī)組熱網(wǎng)加熱器繼續(xù)加熱，從81 ℃加熱至所需的供熱溫度（流程見(jiàn)圖1）。

圖1 吸收式熱泵解決方案流程圖Fig.1 Absorption heat pump solutions flow chart

冬季2號(hào)機(jī)組凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)為一臺(tái)低速循環(huán)泵，循環(huán)水流量為33 000 t/h。部分循環(huán)水（流量約21 000 t/h）進(jìn)入熱泵系統(tǒng)，溫度從35 ℃（設(shè)計(jì)溫度）下降到29 ℃，然后排至2號(hào)機(jī)組涼水塔塔池，其余循環(huán)水進(jìn)入2 號(hào)機(jī)涼水塔冷卻。按照進(jìn)入熱泵35 ℃的循環(huán)水要求，需要提高機(jī)組背壓約1.8 kPa。

最初系統(tǒng)設(shè)計(jì)可降低機(jī)組全年耗煤量71.3 kt，并可減排NOx約500 t、SO2約1700 t，具有良好的節(jié)能減排效益。但在實(shí)際運(yùn)行中，存在著制約熱泵節(jié)能的因素：供熱初末期熱需求量低，熱泵無(wú)法達(dá)到額定負(fù)荷，而機(jī)組帶熱泵影響主機(jī)真空；在機(jī)組帶熱泵運(yùn)行中，環(huán)境溫度變化大，水塔懸掛的擋風(fēng)板數(shù)量無(wú)法及時(shí)調(diào)整，影響余熱水溫度調(diào)整，影響主機(jī)真空，從而導(dǎo)致實(shí)際熱泵節(jié)能效果下降。

2 溴化鋰吸收式熱泵工作原理

溴化鋰吸收式熱泵可以利用現(xiàn)有熱網(wǎng)抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，以溴化鋰濃溶液為吸收劑，溴化鋰吸收式熱泵水為蒸發(fā)劑，利用水在真空狀態(tài)下低沸點(diǎn)蒸發(fā)吸熱的特性，提取凝汽器出口低溫循環(huán)水的余熱熱量，然后通過(guò)吸收劑回收熱量并轉(zhuǎn)移至熱網(wǎng)水側(cè)供熱。溴化鋰吸收式熱泵由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器和熱交換器及抽氣裝置、屏蔽泵（溶液泵和冷劑泵）等組成（見(jiàn)圖2）。

圖2 溴化鋰吸收式熱泵工作原理Fig.2 Working principle of lithium bromide absorption heat pump

吸收式熱泵的能效比COP 值，按設(shè)計(jì)工況取1.7～2.2。而直接用常規(guī)加熱器加熱的COP 值為0.9。采用溴化鋰吸收式熱泵替代熱網(wǎng)加熱器加熱在獲得相同熱量的情況下，可節(jié)約42%以上的燃料消耗量，節(jié)能效果顯著。

3 解決方案

3.1 熱泵系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整

供熱安全是保證供熱量和實(shí)現(xiàn)供熱經(jīng)濟(jì)性的前提，所以合理安排供熱方式非常重要。若供熱初末期全部由熱泵供熱，一旦2號(hào)機(jī)組出現(xiàn)故障停機(jī)，1 號(hào)機(jī)組熱網(wǎng)系統(tǒng)因需要長(zhǎng)時(shí)間的暖管疏水、沖洗以及系統(tǒng)操作，會(huì)造成6～8 h的供熱中斷，尤其在供熱尖寒期影響更明顯。所以1號(hào)機(jī)組要盡可能帶最小的供熱負(fù)荷，從而保持1號(hào)機(jī)組供熱系統(tǒng)為熱態(tài)，隨時(shí)接帶較大供熱負(fù)荷。在此基礎(chǔ)上優(yōu)先保持熱泵系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)行。在供熱尖寒期，熱泵為基礎(chǔ)供熱設(shè)備，只有在6臺(tái)熱泵全部投入運(yùn)行，依然不能滿足供熱需求時(shí)，再增1 號(hào)機(jī)組熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽量作為尖寒期調(diào)峰手段，維持供熱溫度穩(wěn)定。

600 MW 機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)大，凝汽器出口循環(huán)水溫度也隨之有較大變化。正常情況下凝汽器循環(huán)水溫升為10 ℃，而進(jìn)入熱泵的循環(huán)水溫降僅有5 ℃，因而需要隨時(shí)調(diào)整分配循環(huán)水上塔水量與進(jìn)熱泵水量，從而維持凝汽器出口循環(huán)水溫度在熱泵正常工作范圍內(nèi)。所以循環(huán)水上塔電動(dòng)閥和循環(huán)水進(jìn)熱泵電動(dòng)閥選擇調(diào)節(jié)閥最為合適，這兩個(gè)閥門(mén)協(xié)調(diào)配合來(lái)調(diào)整進(jìn)入熱泵循環(huán)水量和溫度，循環(huán)水溫度高時(shí)加大上塔水量，循環(huán)水溫度低時(shí)加大進(jìn)入熱泵系統(tǒng)循環(huán)水量。同時(shí)根據(jù)機(jī)組最低負(fù)荷（50%負(fù)荷）下循環(huán)水溫度情況，合理增加或減少水塔擋風(fēng)板數(shù)量。這樣即可保證在550 MW 負(fù)荷（冬季供熱機(jī)組負(fù)荷上限受限）時(shí)進(jìn)入熱泵循環(huán)水流量不低于60%額定流量，在機(jī)組低負(fù)荷時(shí)進(jìn)入熱泵的循環(huán)水溫度不低于熱泵安全帶負(fù)荷率。

3.2 熱泵系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整優(yōu)化

北方地區(qū)冬季有5—7 個(gè)月供熱期，但是只有2—3個(gè)月是高負(fù)荷供熱期，其余3—4個(gè)月為低負(fù)荷供熱期，供熱初末期時(shí)長(zhǎng)占整體供熱期的一半以上。在整個(gè)供熱初末期因供熱需求量較小，熱泵系統(tǒng)經(jīng)常在低于50%額定負(fù)荷下運(yùn)行。按照進(jìn)入熱泵額定的35 ℃循環(huán)水溫度要求，機(jī)組背壓增大約1.8 kPa，對(duì)應(yīng)汽輪機(jī)熱耗增加值基本固定，但是熱泵系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)回收余熱量至少下降50%，導(dǎo)致熱泵與機(jī)組綜合節(jié)能效果大幅下降，甚至不節(jié)能。熱泵實(shí)際節(jié)能效果要明顯低于設(shè)計(jì)水平，但是如果將進(jìn)入熱泵的熱網(wǎng)水溫度降低至28 ℃，就可以基本消除因熱泵系統(tǒng)投運(yùn)對(duì)2 號(hào)汽輪機(jī)背壓或熱耗的影響，但存在的風(fēng)險(xiǎn)是熱泵容易因循環(huán)水溫度過(guò)低造成熱泵過(guò)負(fù)荷結(jié)晶。華電包頭分公司2號(hào)熱泵發(fā)生過(guò)一次結(jié)晶，熱泵結(jié)晶后需熔晶處理，最少需要72 h。結(jié)晶問(wèn)題與熱泵的工作原理、溴化鋰溶液的特性有關(guān)。在進(jìn)入熱泵循環(huán)水溫度大幅降低的條件下要保證熱泵安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要有試驗(yàn)依據(jù)，因此進(jìn)行了嘗試性試驗(yàn)，成功將凝汽器出口循環(huán)水溫度降低至28 ℃，在不增加汽輪機(jī)熱耗的基礎(chǔ)上，成功完成熱泵吸收循環(huán)水余熱，而且熱泵COP值沒(méi)有明顯下降，顯著提高了熱泵節(jié)能效果。經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行調(diào)整后，得出不同余熱水溫度對(duì)應(yīng)的熱泵安全帶負(fù)荷率（見(jiàn)表1）。

表1 不同余熱水溫度對(duì)應(yīng)的熱泵安全負(fù)荷率Tab.1 Heat pump safety load rate corresponding to different waste heat water temperatures

依據(jù)以上數(shù)據(jù)，在調(diào)整過(guò)程中，按照供熱需求，在保證熱泵需要的負(fù)荷率條件下，調(diào)整凝汽器出口循環(huán)水溫度至最低安全值，合理增減投運(yùn)熱泵的數(shù)量，從而控制熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力不超壓，可以最大程度提高熱泵與機(jī)組綜合節(jié)能效益。通過(guò)以上優(yōu)化調(diào)整措施，華電包頭分公司全年節(jié)約6600 t標(biāo)煤，降低全廠發(fā)電煤耗率約1.1 g/kWh。

供熱末期，環(huán)境溫度回升，需要及時(shí)拆除水塔擋風(fēng)板，提高水塔冷卻能力，一方面可以確保余熱水溫度接近28 ℃，降低機(jī)組背壓；另一方面可以增加進(jìn)入熱泵余熱水流量，提高熱泵換熱效果。綜合考慮循環(huán)水溫度控制、熱泵負(fù)荷率、環(huán)境溫度變化等因素，制訂合理的水塔擋風(fēng)板拆除措施：在循環(huán)水下塔電動(dòng)閥全關(guān)、熱泵余熱水流量達(dá)22 000 t/h且余熱水溫度持續(xù)高于35 ℃時(shí)，拆除2號(hào)水塔第三層擋風(fēng)板。在循環(huán)水下塔電動(dòng)閥全關(guān)、熱泵余熱水流量達(dá)18 000 t/h 且余熱水溫度持續(xù)高于32 ℃時(shí)，拆除2號(hào)水塔第二層擋風(fēng)板。在循環(huán)水下塔電動(dòng)閥全關(guān)、熱泵余熱水流量達(dá)16 000 t/h且余熱水溫度持續(xù)高于30 ℃時(shí)，完成2號(hào)水塔第一層擋風(fēng)板拆除。隨著運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不斷積累，運(yùn)行方式不斷優(yōu)化，熱泵節(jié)能效果逐年提升。

3.3 冬季水塔防凍

供熱尖寒期，進(jìn)熱泵循環(huán)水量加大，上涼水塔水量減少，甚至為了維持合適余熱水溫度，需要部分開(kāi)啟循環(huán)水下塔電動(dòng)閥，造成涼水塔淋水密度不足，即使涼水塔加裝三層擋風(fēng)板（最多三層），水塔內(nèi)部溫度依然偏低，水塔填料下部結(jié)冰量大，內(nèi)部收水器部分同樣有結(jié)冰。大量結(jié)冰損壞水塔填料和收水器，因此制訂了水塔防凍措施：在循環(huán)水下塔電動(dòng)閥全關(guān)、熱泵余熱水流量達(dá)20 000 t/h且余熱水溫度持續(xù)低于28 ℃時(shí)完成2 號(hào)水塔第一層擋風(fēng)板懸掛。在循環(huán)水下塔電動(dòng)閥全關(guān)、熱泵余熱水流量達(dá)20 000 t/h且余熱水溫度持續(xù)低于30 ℃時(shí)，在2號(hào)水塔懸掛第二層擋風(fēng)板。在循環(huán)水下塔電動(dòng)閥全關(guān)、熱泵余熱水流量達(dá)18 000 t/h且余熱水溫度持續(xù)低于32 ℃時(shí)，在2號(hào)水塔懸掛第三層擋風(fēng)板。

另外，尖寒期采取水塔沖冰措施，開(kāi)啟循環(huán)水下塔電動(dòng)閥，短時(shí)間將余熱水溫度提高至40 ℃，然后關(guān)閉下塔電動(dòng)閥，啟動(dòng)高速循泵，短時(shí)間增加循環(huán)水量來(lái)沖洗水塔填料冰塊，基本可以控制水塔填料下部結(jié)冰量。但水塔內(nèi)部環(huán)境溫度不易控制，收水器結(jié)冰問(wèn)題依然無(wú)法得到解決。每個(gè)冬季過(guò)后，涼水塔內(nèi)收水器都有損壞。如何控制冬季2號(hào)機(jī)組涼水塔內(nèi)部結(jié)冰問(wèn)題是今后需要深入研究的問(wèn)題。

建議大型機(jī)組進(jìn)行熱泵供熱改造時(shí)，要靈活調(diào)配兩臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水和熱網(wǎng)抽汽，優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)，采用智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)配置運(yùn)行，尖寒期實(shí)現(xiàn)“兩機(jī)一塔”的運(yùn)行方式（無(wú)循環(huán)水回水母管聯(lián)絡(luò)閥，無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩機(jī)一塔方式），避免涼水塔內(nèi)部結(jié)冰。

4 結(jié)束語(yǔ)

熱泵應(yīng)用于華電包頭分公司600 MW濕冷機(jī)組供熱系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著，增加了148 MW的供熱能力，可供熱300萬(wàn)m2。但是因汽輪機(jī)循環(huán)水熱量大，熱泵無(wú)法全部吸納，需要部分循環(huán)水上涼水塔冷卻散熱，部分循環(huán)水進(jìn)熱泵降溫，因此在機(jī)組負(fù)荷大幅變化的情況下平衡熱泵余熱水（循環(huán)水）流量與余熱水溫度是運(yùn)行調(diào)整的關(guān)鍵。調(diào)整過(guò)程中，要保證進(jìn)入熱泵循環(huán)水流量不低于60%額定流量，以及機(jī)組低負(fù)荷時(shí)進(jìn)入熱泵的余熱水溫度（循環(huán)水溫度）不低于熱泵安全帶負(fù)荷率。本文提出的調(diào)整手段可為供熱初末期合理提高熱泵與機(jī)組的綜合節(jié)能效果提供思路。