利用吸收式熱泵替代低壓加熱技術探究

舒 斌， 何曉紅， 戚永義

（華電電力科學研究院，浙江杭州 310030）

0 引言

通常情況下火力發電廠的能源利用效率在38%左右，具有很大的節能潛力。汽輪機低壓缸末端排出的冷凝熱具有“總量巨大、集中度高、品位低下”的綜合特點，因此為節能技術在火電廠的應用提供了條件。經過測算，這部分熱量約占總輸入熱的30%以上[1]，根據能的“溫度對口、梯級利用”原理，利用熱泵回收汽輪機冷端排汽熱正是火電企業實現機組“挖潛”和“增效”的具體措施[2]。當前吸收式熱泵在火電廠的應用[3]主要是機組的集中供熱；而對于機組的非供熱情況，如何利用熱泵進行節能增效則鮮有研究。

本文通過對“采用吸收式熱泵替代汽輪機低壓抽汽加熱回水”的方案進行綜合探討，擬得出方案是否可行的初步結論，也為熱泵技術的進一步拓展應用提供建議和方向。

1 技術原理

1.1 吸收式熱泵原理

吸收式熱泵是一種通過利用高品位熱能作為驅動力，回收低品位熱進而用于供暖或升溫的設備，被廣泛應用于紡織、化工、醫藥、冶金、石油、能源等行業[4]，具有顯著的節能效果。根據具體的工況條件，吸收式熱泵系統能效系數COP值在1.65～1.85[5]。本文采用的溴化鋰吸收式熱泵是以一定較高品質的蒸汽為驅動力，溴化鋰溶液為吸收劑，水為工質的設備。熱泵主體由吸收器、蒸發器、發生器、冷凝器、溶液熱交換器及相應的屏蔽泵和膨脹閥等構成，系統包含溶液和熱力循環兩層循環，溶液循環為能量轉移提供載體，而通過熱力循環完成能量的轉移和品質的提升。系統原理如圖1所示。

圖中，冷卻水在吸收器和冷凝器中被兩次加熱獲得溫度提升，低溫熱源在蒸發器中由于工質的“閃蒸”作用，熱量被吸收溫度下降。

1.2 系統原理設計

對于溴化鋰吸收式熱泵而言，熱泵進水溫度范圍在45～60℃可以獲得較好的性能參數[5]，而通過熱泵加熱以后，出水溫度可達75～95℃；對于汽輪機組回水系統而言，通常進入末級低壓加熱器的水溫在50～60℃，而經過某后兩級或者三級低壓加熱器后水溫約在90℃。這樣，回水在汽輪機低壓抽汽加熱與吸收式熱泵加熱后的溫度范圍相當。技術原理如圖2所示。

如圖2所示，通過在汽機房內設置溴化鋰吸收式熱泵，將系統回水引入熱泵，通過熱泵升溫以后進入下一級的低壓加熱換熱器，此過程中熱泵回收了部分循環水余熱，減少了低壓缸的加熱抽汽量。

2 實例分析

本文主要以某300MW亞臨界抽汽機組作為分析對象，旨在通過分析得出方案是否可行的初步結論。文中選定的機組回水系統共有8級抽汽加熱系統，可以簡記為“3高4低1除氧”，以下只給出后兩級低壓抽汽加熱相關參數。

2.1 基本參數

基本參數主要包括驅動蒸汽、7#和8#抽汽、乏汽以及系統回水參數等，見表1。

表1 主要參數

2.2 熱力過程

根據汽輪機的實際參數情況，利用熱泵系統替代后兩級低壓抽汽加熱。基本過程是：由循環給水泵輸送來的鍋爐回水不再經過8#、7#低壓抽汽加熱器，而是直接進入熱泵系統進行加熱升溫，回水溫度從50℃進入熱泵經加熱后溫度升至80℃。加熱過程熱負荷：

式中 W—加熱功率，MW；

q—流量，t/h；

ΔH —焓差，kJ/kg。

熱泵采用的驅動蒸汽參數為0.5MPa/152℃，根據熱泵的能效比COP，驅動蒸汽提供熱功率和回收余熱功率可按式（2）和式（3）計算得到：

式中 W—熱泵總出力，MW；

w—驅動蒸汽供熱功率，MW；

w′—回收余熱功率，MW；

COP—熱泵性能系數，常取1.7。

表2 主要熱力參數計算結果

2.3 經濟性

方案的經濟性主要體現在對機組綜合發電的影響上。由于采用了較高參數的蒸汽作為熱泵的驅動熱源，勢必會引起機組發電減少；但由于后兩級低加停用，減少了低壓缸的抽汽加熱又使得低壓缸發電增加，因此總的發電影響為二者的影響之和。表3列出了系統的發電影響。

表3 發電影響

由上表可知，驅動蒸汽引起發電減少約為2.47MW，熱泵替代低加抽汽加熱后，增加了汽機的發電量，其中7#低加增加發電量為1.50MW、8#低加增加發電量為0.64MW，綜合引起發電量減少0.33MW。

3 方案可行性探討

據以上方面的分析，方案在技術上雖然能夠實現但是經濟上卻不夠合理。根據熱力學定律可知，熱量不僅有“量”的多少還有“質”的高低之分，根據熱二律，高參數蒸汽比低參數蒸汽具有更高的品質，亦即具有更強的做功能力[6]，本方案中利用了高參數的蒸汽驅動熱泵回收余熱，并加熱鍋爐回水取代低壓抽汽加熱，驅動蒸汽比用于低加抽汽具有更高的做功能力，最終使得減少的低加抽汽引起的發電增加不足以抵消高參數蒸汽引起的發電減少。據此可以初步推斷得出，用于驅動熱泵的蒸汽參數越高將會使引起的發電減少量也越大。

4 結語

通過理論分析和實例計算，得出“采用熱泵替代汽輪機低壓抽汽加熱回水”方案在技術上可實現但是經濟上并不合理的結論。原因在于忽略了能量“質”的關系，高參數蒸汽相比低參數蒸汽引起更多的發電損失，基于此不建議在電廠采用該種熱泵方式進行余熱節能項目的改造。

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[1]葉廷路，劉菲，等.節能調度下的廣義能耗[J].電網技術，2011，35（6）：78～81.

[2]金紅光，王寶群.化學能梯級利用機理探討[J].工程熱物理學報，2004，25（2）：181～184.

[3]李巖，付林，張世鋼，等.電廠循環水余熱利用技術綜述[J].建筑科學，2010，26（2）：10～14.

[4]陳東，謝繼紅.熱泵技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2006.

[5]舒斌，戚永義，孫士恩，等.參數變化對LiBr吸收式熱泵性能的影響[J].節能，2012，358（7）：22～27.

[6]傅秦生.能量系統的熱力學分析法[M].西安：西安交通大學.2005.