熱泵回收電廠循環水余熱模型運行方式的經濟性分析

丁常富，崔 可，邴漢昆，郝宗凱，蔡志成

（ 華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定 071003）

0 引言

電力工業為了實現“十一五”能源消耗和主要污染物排放總量控制目標實施“上大壓小、節能減排”的能源政策，積極鼓勵建設大容量、高參數抽凝式熱電機組。但是，這一類熱電聯產機組為保證安全運行必須通過冷卻塔向熱電廠周圍環境排放大量低溫余熱，該余熱數量巨大，可占到機組額定供熱量的30%以上［1－6］。以北京市的現狀為例，接入市政大熱網的四大主力熱電廠白白排放的循環水余熱量達1000 MW以上，如配備相應容量的調峰熱源，則可增加供熱面積4000～5000萬m2，相當于目前市政大熱網供熱面積的35%以上，每年將為北京市減少采暖用燃料耗量約60余萬噸標煤，減少電廠循環水蒸發損失80萬噸［6－7］。

隨著城市規模的迅猛擴張，我國很多地方出現了集中熱源不足的問題［4］。供熱面積的劇增，對于好多早已達到供熱面積飽和的熱電廠來說，已經無力承擔［8］。但是由于資金、環境等各方面的原因不能增建熱電廠，所以為了有效解決此類問題，文中以某電廠 N200/CC144－12.75/535/535/0.981/0.245型機組為例，利用熱泵技術回收電廠循環冷卻水余熱，建立余熱回收物理模型和數學模型，然后對模型進行經濟性分析與工作參數的比選，為以后余熱回收工作提供了一些參考。

1 冷源余熱回收系統物理模型的建立

文中采用的機組型號為N200/CC144－12.75/535/535/0.981/0.245，以該機組為例，用溴化鋰吸收式熱泵回收循環冷卻水余熱。主要思路是在保證凝汽器正常工作且不引起汽輪機背壓及發電功率變化的情況下，維持循環冷卻水溫度一定，用部分汽機供暖抽汽驅動熱泵回收循環冷卻水的余熱，可以將一次熱網回水初步加熱，然后用熱網加熱器繼續提高到設計供水溫度，以滿足供熱高峰期用戶的供暖需求，如圖1所示。

圖1 冷源余熱回收系統物理模型

2 冷源余熱回收系統數學模型的建立

以額定抽汽工況為例，該機組的采暖抽汽壓力為0.245 MPa、溫度為265℃、流量為270 t/h，該模型依然取該段抽汽，并作假設:(1)用戶的供暖需求不變;(2)機組主蒸汽參數不變;(3)低壓缸排汽溫度壓力以及回熱系統溫度壓力均保持不變;(4)提高循環冷卻水的進出口溫度為20/30℃，并保持不變。

2.1 供暖抽汽量及熱網工作參數的計算

設定熱泵制熱系數COP、一次熱網供回水溫度tg/th，計算供暖抽汽量、一次熱網循環水流量等參數［8－10］。根據假設和圖示對模型列出關系式(1)－(5):

式中:

a—溴化鋰吸收式熱泵所需驅動蒸汽流量，t/h;

b—熱網加熱器所需供熱抽汽流量，t/h;

m—汽機供熱抽汽總流量，t/h;

Gxh1—回收的循環冷卻水流量，t/h;

Grw—一次熱網循環水流量，t/h;

hg—一次熱網供水溫度對應的焓值，kJ/kg;

hh—一次熱網回水溫度對應的焓值，kJ/kg;

hj—循環冷卻水進口溫度對應的焓值，kJ/kg;

hc—循環冷卻水出口溫度對應的焓值，kJ/kg;

hbc—熱泵熱水出口的焓值，(模型中取出口溫度為90℃)kJ/kg;

hgc—汽輪機供暖抽汽焓值，kJ/kg;

hgn—汽輪機供暖抽汽凝結水焓值，kJ/kg;

cop—熱泵的制熱系數;

ηhr—抽汽轉化為熱的效率，設為98%。

2.2 發電增量、循環冷卻水量的計算

當汽輪機供暖抽汽量m減少時，則發電量會增加，低壓缸排汽量Gpq也會增加。在假定低壓缸排汽以及回熱系統的溫度壓力不變時，根據熱平衡方程，推導出各段抽汽量及低壓缸排汽量Gpq，進而推導出發電增量ΔP、循環冷卻水量Gxh2，如公式(6)－(8)所示:

式中:

ΔP—機組發電增量，kW;

m0—額定工況下汽機供熱抽汽總流量，t/h;

hpq—低壓缸排汽焓值，kJ/kg;

G3—中壓缸排汽處的第三段抽汽量，t/h;

G'3—汽機供暖抽氣量變化后，中壓缸排汽處的第三段抽汽量，t/h;

ηdy—低壓缸效率;

Gxh2—循環冷卻水流量，t/h;

Gpq—低壓缸排汽流量，t/h;

hns—熱井出口凝結水焓值，kJ/kg;

n—冷凝熱，MW;

3 模型的經濟性分析及供回水溫度的比選

該模型取熱泵制熱系數為1.7，一次熱網供水溫度tg分別取110℃、115℃、120℃、125℃、130℃，通過對一次熱網流量Grw的試算，以保證一次熱網回水溫度th維持在60℃，本模型只需改造一臺機組的凝汽器即可，所以對這臺機組而言，如發電增量ΔP、低壓缸排汽量Gpq等參數如表1所示。

表1 原系統與余熱回收模型的經濟性對比

經計算，由表1可以得出如下結論:

(1)當汽機供暖抽汽總量變化時，低壓缸的排汽量呈線性變化，并不是等量變化，如圖2所示，發電增量也呈線性變化，如圖3所示;

(2)本模型僅需要對一臺機組的凝汽器進行改造，所以對該臺機組而言，當一次熱網供水溫度升高時，汽機供暖抽汽總量增加，冷凝廢熱隨之減少，但是未回收的冷凝廢熱隨之增加，并且根據趨勢線擬合的公式，發現冷凝熱、未回收的冷凝熱與一次熱網供水溫度的關系均呈二次多項式變化，如圖4所示;

(3)余熱回收模型和原系統相比，得到的收益較明顯。模型中，隨著一次熱網供水溫度的升高，發電增量隨之減少，節水量亦減少，即在供回水溫度為110/60℃時達到最大，日節能收益能達到3498.51元，若供熱高峰期按2個月來計算，則僅供熱高峰期節能收益可達到503.78萬元。

4 結論

文中以 N200/CC144 －12.75/535/535/0.981/0.245型機組為例，對機組的凝汽器進行改造，建立余熱回收模型，根據汽輪機、溴化鋰吸收式熱泵和熱網設備等的實際工況對模型的運行方式進行了分析和研究。

(1)將熱泵系統嵌入原機組熱力系統中，建立余熱回收模型，經過理論計算分析，在選定的機組參數及熱泵性能的限制下，與原機組相比，余熱回收模型的節能收益要遠高于原機組，這說明此余熱回收模型可以提高機組的熱經濟性，但是該模型效率的提升，還有待熱泵技術的進一步發展。

(2)與原系統相比，余熱回收模型大大減少循環冷卻水的蒸發損失，節省了大量水資源，并減少向環境排放的熱量。

［1］張旭.熱泵技術［M］.北京:化學工業出社，2007.

［2］梁珍，沈恒根，郭建，等.火電廠冷凝熱回收利用的技術經濟分析［J］.東華大學學報(自然科學版)，2009，35(5):580 －584.

［3］賀益英，趙懿珺.電廠循環冷卻水余熱高效利用的關鍵問題［J］.能源與環境，2007，6:27 －29.

［4］王楓.電廠循環水余熱利用方案的研究［D］.北京:華北電力大學，2010.

［5］王長河，陳 光，王寶玉.基于吸收式熱泵的大型火電廠冷凝廢熱回收技術研究［J］.制冷空調與電力機械，2011，32(140):90 －92.

［6］時杉杉，姜雪松，傅靈玲，等.地源熱泵空調控制系統的變頻改造［J］.森林工程，2008(6):25－28.

［7］吳星，付林，胡鵬.電廠循環水供熱技術的研究與應用［J］.區域供熱，2008，(4).

［8］馮立寧，李建榮，陳廣元，等.常規干燥室余熱回收裝置的研究［J］.森林工程，2012(2):22－25.

［9］蘇保青.用熱泵回收電廠冷凝熱集中供熱技術研究［J］.山西能源與節能，2007，(3).

［10］王春燕.呼市集中供熱熱網三期工程供熱介質參數的確定［J］.區域供熱，2005，(6).

［11］石華林，楊春維.國陽發供電冷凝熱改造經濟性運行方式分析［J］.山西建筑，2010，36(7):158－160.

［12］石華林，楊春維.溴化鋰熱泵運行方式經濟性分析［J］.煤礦機電，2010，(4).