吸收式熱泵在循環(huán)水余熱利用中的應(yīng)用

吸收式熱泵在循環(huán)水余熱利用中的應(yīng)用

文/張鵬 魏江 曹超 華北電力科學(xué)研究院（西安）有限公司

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和居民生活水平的提高，冬季城鎮(zhèn)采暖需求不斷增加，采暖需求與供暖能力的矛盾也日趨凸現(xiàn)。在不增設(shè)新的熱源、不增加污染物排放的情況下，提高現(xiàn)有機(jī)組供熱能力已經(jīng)成為迫切需要解決的問(wèn)題。從火電廠能源利用的角度來(lái)看，燃料燃燒發(fā)熱量中只有40%左右轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽綑C(jī)組約50%以上的熱能通過(guò)汽輪機(jī)排汽失散到環(huán)境中。對(duì)于濕冷機(jī)組，汽輪機(jī)排汽中的熱量被循環(huán)水帶走，這部分熱量巨大，但能量品質(zhì)較低，很難被直接利用。某熱電廠利用吸收式熱泵技術(shù)，回收循環(huán)水中所蘊(yùn)含的熱量，大幅提高了能源的利用率，有效解決了采暖供需之間的矛盾。

1 設(shè)備系統(tǒng)概況

某熱電廠現(xiàn)裝機(jī)容量4×200 MW，全部為供熱機(jī)組，擔(dān)負(fù)著該地區(qū)3000萬(wàn)m2的供熱任務(wù)。機(jī)組熱網(wǎng)分為大熱網(wǎng)和小熱網(wǎng)兩部分（見(jiàn)圖1）。大熱網(wǎng)設(shè)計(jì)供水流量9000t/h，熱網(wǎng)回水采用兩級(jí)加熱，55℃的回水經(jīng)1、2號(hào)機(jī)組熱網(wǎng)加熱器加熱后，匯總到3號(hào)機(jī)組熱網(wǎng)尖峰加熱器加熱到供水需要的135℃。小熱網(wǎng)供水設(shè)計(jì)流量3700t/h，66℃的回水采用一級(jí)加熱，使用4號(hào)機(jī)組熱網(wǎng)尖峰加熱器加熱到供水需要的135℃。針對(duì)電廠供熱能力不足的問(wèn)題，決定采用吸收式熱泵對(duì)循環(huán)水余熱進(jìn)行回收利用。

2 吸收式熱泵工作原理

吸收式熱泵是一種以蒸汽或燃料為驅(qū)動(dòng)，將熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩摧斔偷难h(huán)系統(tǒng)。它由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器及換熱器等主要部件，以及溶液泵和工質(zhì)泵等輔助部分組成（見(jiàn)圖2）。蒸汽或燃料在發(fā)生器內(nèi)釋放熱量Qg,加熱溴化鋰稀溶液并產(chǎn)生冷劑蒸汽，冷劑蒸汽進(jìn)入冷凝器，釋放冷凝熱Qc加熱流經(jīng)冷凝器傳熱管內(nèi)的熱水，自身冷凝成液體后經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器，冷劑水經(jīng)工質(zhì)泵噴淋到蒸發(fā)器傳熱管表面，吸收流經(jīng)傳熱管內(nèi)的低溫?zé)嵩此臒崃縌e，使熱源水溫度降低后流出機(jī)組，冷劑水吸收熱量后汽化成冷劑蒸汽，進(jìn)入吸收器，被發(fā)生器濃縮后的溴化鋰溶液返回吸收器后噴淋，吸收從蒸發(fā)器過(guò)來(lái)的冷劑蒸汽，并放出吸收熱Qa,加熱流經(jīng)吸收器傳熱管內(nèi)的熱水。熱水流經(jīng)吸收器、冷凝器升溫后，輸送給熱用戶(hù)。

圖2 吸收式熱泵工作原理

3 改造方案

循環(huán)水余熱利用改造主要包括兩部分：一部分為循環(huán)水側(cè)；另一部分為熱網(wǎng)側(cè)。循環(huán)水側(cè)，主要對(duì)#4機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行改造，改造方案見(jiàn)圖3。將凝汽器出口循環(huán)水分為兩路，第一路經(jīng)回水電動(dòng)閥HV005回至冷卻塔；第二路經(jīng)循環(huán)水經(jīng)升壓泵進(jìn)入10臺(tái)吸收式熱泵，用以回收循環(huán)水的熱量。熱泵出口循環(huán)水一路經(jīng)電動(dòng)門(mén)HV004、調(diào)節(jié)閥Y002回至冷卻塔；另一路經(jīng)電動(dòng)門(mén)HV003、調(diào)節(jié)閥Y001回至凝汽器。非供暖工況下，隔離熱泵系統(tǒng)，循環(huán)水直接經(jīng)回水電動(dòng)閥HV005回至冷卻塔；供暖工況下循環(huán)水切換至熱泵側(cè)，經(jīng)熱泵降溫后，通過(guò)循環(huán)水泵升壓進(jìn)入凝汽器。循環(huán)水回水至凝汽器入口供水調(diào)節(jié)閥Y001用來(lái)控制升壓泵出口壓力，循環(huán)水回水至冷卻塔調(diào)節(jié)閥Y002用來(lái)控制凝汽器進(jìn)水溫度。熱網(wǎng)側(cè)，大熱網(wǎng)回水由原來(lái)的兩級(jí)加熱增加為三級(jí)加熱。小熱網(wǎng)回水由原來(lái)的一級(jí)加熱增加為兩級(jí)加熱。吸收式熱泵利用4號(hào)機(jī)采暖抽汽作為熱源，吸收循環(huán)水熱量，大熱網(wǎng)回水經(jīng)熱泵加熱后，再經(jīng)1～2號(hào)熱網(wǎng)基本加熱器，3號(hào)機(jī)尖峰加熱器將熱水提升到135℃，供給大熱網(wǎng)用戶(hù)。小熱網(wǎng)回水新增加兩臺(tái)低壓熱網(wǎng)加熱器，由原來(lái)的一級(jí)加熱增加為兩級(jí)加熱，回水首先進(jìn)入新增加熱器利用1、2號(hào)機(jī)剩余蒸汽加熱，再經(jīng)4號(hào)機(jī)尖峰加熱器，將溫度提升到135℃，供給小熱網(wǎng)用戶(hù)。

圖3 改造后的系統(tǒng)

4 改造效果評(píng)價(jià)

循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)正常投運(yùn)后，兩臺(tái)循環(huán)水升壓泵出口壓力0.3MPa，8臺(tái)熱泵投入運(yùn)行，2臺(tái)熱泵備用，熱泵出口循環(huán)水至冷卻塔電動(dòng)門(mén)HV004全關(guān)，至冷卻塔回水調(diào)整門(mén)Y002投自動(dòng)，用來(lái)控制凝汽器出口循環(huán)水溫度在31.5～33℃之間，熱泵出口循環(huán)水至凝汽器電動(dòng)門(mén)HV003全開(kāi)，至凝汽器調(diào)節(jié)門(mén)Y001調(diào)整系統(tǒng)壓力。熱泵運(yùn)行期間，各主要參數(shù)如表1所示。

表1 熱泵運(yùn)行期間主要參數(shù)

4.1 熱泵效能系數(shù)COP

熱泵效能系數(shù)COP是熱泵輸出熱量Qh與熱泵運(yùn)行時(shí)消耗的一次能源總量W之比，是評(píng)價(jià)熱泵經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，吸收式熱泵能效系數(shù)COP一般在1.65～1.85之間。

式中：h1─1-4號(hào)熱泵熱網(wǎng)側(cè)出水焓值；h2─1-4號(hào)熱泵熱網(wǎng)側(cè)進(jìn)水焓值；

g1─1-4號(hào)熱泵熱網(wǎng)側(cè)流量；h3─7-10號(hào)熱泵熱網(wǎng)側(cè)出水焓值；

h4─7-10號(hào)熱泵熱網(wǎng)側(cè)進(jìn)水焓值；g2─7-10號(hào)熱泵熱網(wǎng)側(cè)流量；

h5─熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽焓值；h6─熱泵疏水焓值；g3─熱泵驅(qū)動(dòng)蒸汽流量。

將表1數(shù)據(jù)代入公式1可得，熱泵效能系數(shù)COP為1.85。

4.2 熱泵凈回收熱量

熱泵在運(yùn)行過(guò)程中，不僅吸收了循環(huán)水的熱量，也增加了循環(huán)水升壓泵、疏水泵及熱泵工質(zhì)泵、溶液泵的運(yùn)行，增大了廠用電量的消耗。熱泵凈回收熱量為熱泵吸收循環(huán)水的熱量與生產(chǎn)多消耗的這部分電能所需的熱量之差。熱泵運(yùn)行期間，各轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械主要參數(shù)如表2所示。

表2 熱泵運(yùn)行期間各轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械主要參數(shù)

各泵運(yùn)行時(shí)，所消耗的電功率:

式中：P─ 電功率；U為運(yùn)行電壓；I─運(yùn)行電流；Cosφ─功率因素。

熱泵運(yùn)行時(shí)，凈回收的熱量：

式中：Q─熱泵運(yùn)行凈回收熱量；8300─發(fā)電平均熱耗kJ/kW?h。

將表1、表2數(shù)據(jù)代入公式2、公式3可得,當(dāng)熱泵運(yùn)行時(shí)，凈回收熱量為241.39GJ/h。

按照綜合供熱指標(biāo)180kJ/m2計(jì)算，可增加供熱面積134.1萬(wàn)m2。

4.3 節(jié)能減排量

4.3.1 節(jié)約用水量

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，循環(huán)水的損失主要由蒸發(fā)損失、風(fēng)吹損失和排污損失三部分組成。當(dāng)熱泵投入運(yùn)行后，熱泵在回收循環(huán)水熱量的同時(shí)，降低了循環(huán)水的溫度，減少了循環(huán)水在冷卻塔中的各項(xiàng)損失。按每年熱泵運(yùn)行120天計(jì)算，則年節(jié)約循環(huán)水量：

式中：Qm─循環(huán)水節(jié)水量；Qm─循環(huán)水蒸發(fā)損失；Qw─循環(huán)水風(fēng)吹損失Qb─循環(huán)水排污損失；N為濃縮系數(shù)，取3；Kzf當(dāng)進(jìn)塔氣溫為0℃時(shí)，Kzf取0.001節(jié)約用水量；Kfc對(duì)于自然通風(fēng)冷卻塔取0.05%，Qxh─循環(huán)水流量；t─年運(yùn)行時(shí)間 。將數(shù)據(jù)代入公式4，可知每年可節(jié)約循環(huán)水量294768t。

4.3.2 節(jié)約用煤量

煤炭在燃燒時(shí)，釋放出的熱量被鍋爐內(nèi)水吸收產(chǎn)生蒸汽，經(jīng)管道進(jìn)入換熱器，鍋爐效率越高煤炭的利用率越高。熱泵在投入運(yùn)行后，回收了大量的熱量，可減少鍋爐出力，節(jié)約大量的煤炭。按照熱泵年運(yùn)行120天計(jì)算，則每年節(jié)約用煤量：

式中：Gm─節(jié)省煤量；Q─凈回收熱量；Qb─標(biāo)煤發(fā)熱量；ηgl─鍋爐效率取91%；ηgd─管道效率取98%；t─年運(yùn)行時(shí)間，120天。

將數(shù)據(jù)帶入公式5，則每年可節(jié)約煤量26599t。

4.3.3 減排量

煤炭在燃燒的過(guò)程中，會(huì)釋放出大的廢氣，按照每噸煤排放CO22.62t，SO28.5kg NOx7.4 kg計(jì)算，每年可減少CO2排放69689t，減少SO2排放226t,減少NOx排放196t。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收利用，增加了134萬(wàn)m2的供熱面積，每年節(jié)約煤炭26599t，節(jié)約用水294768t，減少CO2排放69689t，減少SO2排放226t,減少NOx排放196t。通過(guò)改造不僅有效解決了電廠供熱能力不足的問(wèn)題，取得了較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，同時(shí)也取得了巨大的環(huán)境效益。