利用熱泵回收循環(huán)水余熱的系統(tǒng)建模及分析

常仁杰，張志勇

（華能營口熱電有限責任公司，遼寧 營口 115003）

利用熱泵回收循環(huán)水余熱的系統(tǒng)建模及分析

常仁杰，張志勇

（華能營口熱電有限責任公司，遼寧 營口 115003）

利用吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱，能夠提高火力發(fā)電廠的能源利用效率。以某300 MW供熱機組為例，搭建了基于吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱的系統(tǒng)流程，建立了熱泵各關(guān)鍵部件的數(shù)學模型，得到了系統(tǒng)的主要性能參數(shù)。結(jié)果表明，該熱泵系統(tǒng)供熱系數(shù)為1.67，采用熱泵可節(jié)約低壓調(diào)節(jié)抽汽32.1 t／h，機組可增加出力5.12 MW或增加供熱面積90.5萬m2。采用吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱，具有較高的經(jīng)濟效益和社會效益。

熱泵；循環(huán)水；余熱利用；性能

0 引言

目前，一般大型火力發(fā)電廠實際熱效率為38%～40%，55%以上的輸入能量散失到環(huán)境中。對于濕冷機組，主要的能量損失是凝汽器循環(huán)水帶走的熱量［1，2］。因此，對循環(huán)水余熱加以回收利用，是提高發(fā)電廠能源利用效率的重要手段。

為了回收凝汽器循環(huán)水余熱，通常采用兩種途徑：一是提高凝汽器壓力，低真空運行使循環(huán)水溫度升高到60～80℃，并利用循環(huán)水供熱，多用于小機組［3～6］；二是采用熱泵技術(shù)吸取電廠循環(huán)水余熱實現(xiàn)供熱，即以電站循環(huán)水為低溫熱源，利用熱泵提高其品位實現(xiàn)向用戶供熱。目前，利用電廠循環(huán)水余熱的熱泵供熱方式已引起國內(nèi)學者專家的關(guān)注。倪龍等人［5］采用能流圖分析了不同驅(qū)動能源的熱泵站回收循環(huán)水廢熱的一次能源利用系數(shù)；宰相等人［7］對以電廠循環(huán)水為熱泵低溫熱源的聯(lián)產(chǎn)供熱的冷端系統(tǒng)進行了優(yōu)化，得到了冷端系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)；呂煒等人［8］以某機組為例，介紹了循環(huán)水余熱利用的設(shè)計方案和使用情況，并分析了項目的經(jīng)濟性。

本文以某300 MW供熱機組為例，建立了吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱的系統(tǒng)流程，通過系統(tǒng)建模得到了主要性能參數(shù)，并進行了節(jié)能分析，以期為基于吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱系統(tǒng)的設(shè)計和運行提供參考。

1 吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱系統(tǒng)

溴化鋰吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱的原理如圖1所示。利用汽輪機抽汽，將進入發(fā)生器的溴化鋰稀溶液加熱，由于溴化鋰的沸點很高，因此發(fā)生器空間主要是水蒸氣。工質(zhì)汽化后，溴化鋰稀溶液變?yōu)闈馊芤骸ｄ寤嚌馊芤和ㄟ^溶液熱交換器預熱進入發(fā)生器的溴化鋰稀溶液，而后進入吸收器，在吸收器中吸收來自蒸發(fā)器的水蒸氣工質(zhì)而變成稀溶液。在吸收過程中放出的熱量用于加熱熱網(wǎng)水，溴化鋰稀溶液被泵打入發(fā)生器，從而完成溶液的循環(huán)。發(fā)生器中受熱汽化

圖1 吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱系統(tǒng)Fig.1 Circulating water heat recovery system based on absorption heat pump

的水蒸氣進入冷凝器被冷凝成液態(tài)，其放出的熱量也被用于加熱熱網(wǎng)水。水蒸氣在冷凝器凝結(jié)形成的液態(tài)水經(jīng)節(jié)流閥降壓后進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中被來自于凝汽器出口的循環(huán)水加熱成飽和蒸汽，而后進入吸收器，被從發(fā)生器來的濃溶液吸收，如此反復循環(huán)。

2 系統(tǒng)建模

2.1 系統(tǒng)建模條件

為簡化計算，建模時作了如下假設(shè)：（1）整個系統(tǒng)處于熱平衡和穩(wěn)定流動狀態(tài)；（2）離開蒸發(fā)器的工質(zhì)為干飽和蒸汽，離開冷凝器的工質(zhì)為飽和水；（3）離開吸收器、發(fā)生器的溴化鋰溶液為飽和溶液；（4）換熱器熱損失忽略不計；（5）節(jié)流前后工質(zhì)的焓相等；（6）忽略溶液泵泵功。

溴化鋰溶液物性參數(shù)根據(jù)文獻 ［9］中的擬合公式進行計算。

2.2 蒸發(fā)器模型

由節(jié)流部件來的低壓、低溫濕飽和蒸汽吸收循環(huán)水的余熱，使?jié)耧柡驼羝訜釣轱柡退８鶕?jù)能量平衡：

式中：Dw，Ds分別為循環(huán)水和工質(zhì) （水或水蒸氣）的質(zhì)量流量，kg／s；tw2，tw1分別為循環(huán)水進出口水溫，℃；h″s，hx分別為蒸發(fā)器出口干飽和蒸汽的焓、蒸發(fā)器進口濕飽和蒸汽的焓，kJ／kg；cp為水的定壓比熱，kJ／kg·℃。

2.3 吸收器模型

在吸收器中，利用溴化鋰濃溶液對水蒸氣較強的吸收能力，抽吸蒸發(fā)器中產(chǎn)生的循環(huán)工質(zhì)蒸汽，吸收過程中放出的熱量用于加熱熱網(wǎng)水。根據(jù)能量平衡：

式中：DRLB為進入吸收器濃溶液流量，kg／s；DLLB為離開吸收器稀溶液流量，kg／s；hLB5為進入吸收器濃溶液焓值，k J／kg；hLB1為離開吸收器稀溶液焓值，k J／kg；D r為熱網(wǎng)水流量，kg／s；tr2為熱網(wǎng)水出吸收器溫度，℃；tr2為熱網(wǎng)返回水溫度，℃。

根據(jù)質(zhì)量守恒：

式中：ξLB5為進入吸收器濃溶液質(zhì)量濃度；ξLB1為離開吸收器稀溶液質(zhì)量濃度。

2.4 發(fā)生器模型

發(fā)生器中，利用汽輪機高溫抽汽加熱工質(zhì)對溶液，使得其中的低沸點循環(huán)工質(zhì)變成蒸汽排出，根據(jù)能量平衡：

式中：hs為發(fā)生器產(chǎn)生過熱蒸汽焓值，kJ／kg；hLB4為發(fā)生器出口濃溶液焓值，kJ／kg；hLB3為進入發(fā)生器的稀溶液焓值，kJ／kg；Dj為汽輪機抽汽量，kg／s；hj，hwj為抽汽焓和返回熱力系統(tǒng)疏水焓，kJ／kg。

根據(jù)LiBr質(zhì)量守恒：

式中：ξLB3為進入發(fā)生器稀溶液質(zhì)量濃度；ξLB4為離開發(fā)生器濃溶液質(zhì)量濃度。

2.5 溶液熱交換器模型

在溶液熱交換器中，流出吸收器的稀溶液與流出發(fā)生器的濃溶液進行熱交換，使進入發(fā)生器的稀溶液溫度升高，節(jié)省發(fā)生器中的高溫熱能消耗；使得進入吸收器中的濃溶液溫度降低，提高吸收器中溶液的吸收能力。根據(jù)能量守恒：

式中：hLB2為進入溶液熱交換器的稀溶液焓值，kJ／kg；若忽略泵功，有hLB2＝hLB1。根據(jù)LiBr質(zhì)量守恒：

2.6 冷凝器模型

由發(fā)生器來的過熱水蒸氣在冷凝器中冷凝為液體，并放出熱量用于加熱熱網(wǎng)水，根據(jù)能量平衡：

式中：h′s為冷凝器壓力下飽和水的焓，kJ／kg；tr3為熱網(wǎng)供水溫度，℃。

3 計算結(jié)果及節(jié)能分析

3.1 計算工況

以某300 MW供熱機組為例，對采用吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱的系統(tǒng)進行了計算。該機組低壓調(diào)節(jié)抽汽量為80 t／h，利用基載加熱器將熱網(wǎng)水從60℃升高到90℃。吸收式熱泵系統(tǒng)設(shè)計工況參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計工況參數(shù)Tab.1 Design condition parameters

3.2 計算結(jié)果

根據(jù)本文所建吸收式熱泵各部件數(shù)學模型，得到了溴化鋰吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱系統(tǒng)的計算結(jié)果，如表2所示。

表2 計算結(jié)果Tab.2 Calculation results

3.3 節(jié)能分析

熱泵供熱系數(shù)為：

式中：COP為熱泵供熱系數(shù)；Qz為蒸發(fā)器熱負荷，k W；Qf為發(fā)生器熱負荷，k W。

根據(jù)表2計算結(jié)果，可得該熱泵系統(tǒng)供熱系數(shù)為1.67，該值與文獻 ［10］報道的數(shù)據(jù)是吻合的，驗證了本文所建模型的正確性。

若采用基載加熱器將熱網(wǎng)水從60℃升高到90℃，需要80 t／h低壓調(diào)節(jié)抽汽；采用熱泵后，則只需要47.9 t／h，可節(jié)約低壓調(diào)節(jié)抽汽32.1 t／h。若這部分抽汽進入汽輪機內(nèi)做功，低壓缸相對內(nèi)效率取88%，排汽焓取2 320 kJ／kg，則機組可增加出力5.12 MW。若這部分抽汽用于供熱，新建節(jié)能型住宅建筑冬季平均供熱指標取25 W／m2，則可增加供熱面積90.5萬 m2。同時，利用吸收式熱泵回收電廠循環(huán)水的熱量，可減少循環(huán)水的蒸發(fā)損失以及對環(huán)境造成的熱污染，能較好地實現(xiàn)能源的梯級利用，具有良好的社會效益。

4 結(jié)論

（1）得到了系統(tǒng)各關(guān)鍵物流的性能參數(shù)及流量，得出該熱泵系統(tǒng)供熱系數(shù)為1.67。

（2）采用熱泵可節(jié)約低壓調(diào)節(jié)抽汽32.1 t／h。若這部分抽汽進入汽輪機內(nèi)做功，機組可增加出力5.12 MW；若這部分抽汽用于供熱，則可增加供熱面積90.5萬m2。

（3）利用吸收式熱泵回收電廠循環(huán)水的熱量，可減少循環(huán)水的蒸發(fā)損失以及對環(huán)境造成的熱污染，能較好地實現(xiàn)能源的梯級利用，具有良好的社會效益。

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Modeling and Analysis of Circulating Water Heat Recovery System by Using Heat Pump

Chang Renjie，Zhang Zhiyong
（Huaneng Yingkou Thermal Power Limited Liability Company，Yingkou 115003，China）

Heat recovery from circulation water based on absorption heat pumpcan increase energy utilization efficiency of power plant.Take a certain 300 MWcogeneration unit as an example，the flow sheet of circulating water heat recovery system based on absorption heat pumpwas built，and the mathematics models of key equipments were also established.The main parameters of heat recovery system were obtained.The results show that the coefficient of performance is 1.67，and 32.1t／h low pressure extraction steam can be saved by absorption heat pump.The output power can be increased by 5.12 MW，or heat supply area may be enhanced by 0.905 million square meters.

heat pump；circulating water；heat recovery；performance

TK264

A

2012－05－17。

常仁杰 （1964-），男，工程師，研究方向為熱力系統(tǒng)節(jié)能分析及優(yōu)化運行。