聯合循環電廠大型吸收式熱泵余熱回收系統在線性能檢測的研究與應用

費盼峰， 孫士恩， 馮亦武， 俞 聰， 徐朝陽

（華電電力科學研究院，浙江杭州3100 30）

0 引言

目前，國內燃氣-蒸汽聯合循環機組的供熱能力有限，聯合循環電廠在供暖高峰期采用燃燒天然氣的熱水爐來進一步加熱熱網回水以達到供熱需要，而采用天然氣供熱的燃料成本很高。從近年來余熱利用技術應用現狀來看，吸收式熱泵余熱回收系統可有效回收聯合循環機組汽機凝汽器循環冷卻水的余熱量，用于熱網加熱供熱，這樣在一個采暖季的相同供熱面下，可減少天然氣的用量，實現較好的經濟效益及環境效益。在實際的大型吸收式熱泵余熱回收系統運行中，存在著比較復雜的供熱負荷變化、驅動蒸汽調節、循環水量變化等影響因素[1]。在沒有系統運行的在線性能數據作為參考的情況下，缺乏經驗的運行人員往往較難找到最佳運行方式，使吸收式熱泵余熱回收系統運行最優化，達到最佳效能。因此，本文研究了聯合循環電廠大型吸收式熱泵余熱回收系統在線性能檢測，旨在獲取余熱利用系統實時運行信息，在線計算及實時顯示余熱回收系統運行中的各性能指標，為運行人員提供可靠運行依據，使系統運行達到最佳狀態。

圖1 聯合循環電廠吸收式熱泵余熱回收系統

1 系統構架

1.1 吸收式熱泵回收循環水余熱系統

聯合循環電廠利用吸收式熱泵回收循環水余熱技術主要是將吸收式熱泵機組集中設置在電廠內部，采用汽輪機中壓缸抽汽或余熱鍋爐的低壓補氣作為熱泵驅動熱源，回收汽輪機排汽后凝汽器循環水余熱，如圖1所示，熱網循環水回水進入熱泵系統加熱后進入熱網加熱器。熱網加熱器的出水與余熱鍋爐熱網加熱器出水混合后進入熱水爐進一步加熱，并向用戶供出。由于該系統回收了部分或全部汽輪機乏汽余熱，電廠綜合能源利用效率也相應的提高。

實際運行中，循環水余熱回收系統所回收的余熱量受到了各種運行工況的制約，主要的制約因素有熱網的熱負荷，吸收式熱泵驅動蒸汽熱量、余熱水和熱網水的流量及吸收式熱泵本身的COP值等[2]。而隨著環境溫度及機組負荷等各種外部因素的變化，制約熱泵的性能因素也會相應的變化，循環水余熱回收系統的回收效率也將出現變化。如何在變化的工況下選擇合理的運行方式是一個比較關鍵的問題，運行方式的調整可以影響循環水余熱回收系統的經濟性[3]。實際運行中，由于沒有較全面的系統性能信息及現場人員缺乏對吸收式熱泵循環水余熱回收系統的工作原理的透徹理解，往往難以把握最優運行的策略。本文論述的余熱回收系統在線性能檢測系統可以較好的解決以上問題，為缺乏經驗的運行人員提供合理的運行依據。

1.2 余熱回收系統的在線性能檢測系統構成

余熱回收在線性能檢測系統如圖2所示，使用OPC技術，設立電廠DCS的OPC服務器，建立DCS對外開放數據接口，使用C++Builder軟件開發的OPC客戶程序通過連接OPC服務器獲取DCS系統中機組及吸收式熱泵等相關設備運行信息，并通過客戶端的性能計算模塊對數據進行處理，分別對系統回收余熱量、熱泵的COP值、系統運行對發電量的影響及系統運行的節能經濟性進行在線計算，并將計算結果通過顯示模塊顯示在屏幕上，同時將計算結果存入數據庫中，便于以后查詢及調用。

圖2 余熱回收在線性能檢測系統構架

2 基于OPC的數據采集

OPC（OLE for Process Control）是一個新型的工業技術標準，它提供了一種開放、高效的通信機制。OPC技術完全支持分布式應用和異構環境下應用程序之間的無縫集成和互操作，因而在工業網絡的實時數據通訊方面具有特別的優勢，具有開放性、互聯性和高效性等特點。

OPC規范主要包括OPC服務器和OPC應用程序兩部分。一個0PC客戶可以連接一個或多個OPC服務器，而多個OPC客戶也可以同時連接一個OPC服務器。OPC服務器由服務器、組和數據項三類對象組成。

OPC規范不但應用于從DCS系統的物理設備中獲取最低層的原始數據，而且應用于從DCS系統中獲取數據到應用程序中。對于分布式系統中的對象，OPC標準采用D CO M技術實現服務器和客戶程序的遠程通信[4]。

國內大型火電廠使用的主流DCS系統均利用OPC標準解決自身的開放性問題，大多數DCS系統均可安裝和設立自身的OPC服務器，向外部系統提供符合OPC標準的接口。在余熱回收在線檢測系統中，采用設立電廠DCS系統自身OPC服務器，用C++Builder開發的OPC客戶程序連接DCS系統中的OPC服務器模塊，實現DCS系統中現場設備運行原始數據的采集，數據采樣頻率可滿足性能計算要求。

3 性能計算

3.1 回收余熱量及熱泵COP計算

程序中計算公式參考標準：GB 6422－2009《用能設備能量測試導則》、GB 2587－2009《用能設備能量平衡通則》求取熱泵的循環水余熱回收熱功率。熱泵回收循環水余熱功率的計算公式為：

hC—驅動蒸汽疏水焓，kJ/kg。

余熱回收機組COP計算公式：

式中 COP—余熱回收機組性能系數；

GRW—熱網水至熱泵流量，t/h；

GWC—驅動蒸汽疏水流量，t/h；

ho—熱泵熱網水出水焓，kJ/kg；

hi—熱泵熱網水進水焓，kJ/kg；

hWC—驅動蒸汽焓，kJ/kg；

hC—驅動蒸汽疏水焓，kJ/kg。

式中的熱網水至熱泵流量G R W，驅動蒸汽疏水流量G WC可以通過OPC通信從電廠DCS系統獲取實時測量，其它參數如熱泵熱網水進出水焓值，驅動蒸汽及疏水焓值可通過從DCS系統讀取對應的熱網進出水、驅動蒸汽壓力及疏水測點的溫度、壓力值，運用系統置入的水及蒸汽性質計算模塊計算得到。

3.2 水及蒸汽性質計算

在線計算中水及蒸汽性質計算采用國際通用工業用水和水蒸汽性質公式I A P WS-I F 97，這一模型具有計算速度快、精確度高等優點。

圖3 I A P WS-I F 97公式的分區和方程

式中 QFQ—熱泵回收余熱功率，MW；

GRW—熱網水至熱泵流量，t/h；

GWC—驅動蒸汽疏水流量，t/h；

ho—熱泵熱網水出水焓，kJ/kg；

hi—熱泵熱網水進水焓，kJ/kg；

hWC—驅動蒸汽焓，kJ/kg；

如圖3所示，公式I A P WS-I F 97的有效使用范圍為：273.15 K≤T≤1073.15 K，p≤100 MPa以及1073.15 K≤T≤2273.15 K，p≤10 MPa。公式將其有效范圍分為5個區域：區域1（過冷水區）、區域2（過熱蒸汽區）、區域3（臨界區）、區域4（飽和區）、區域5（低壓高溫區）。除區域2、3之間的邊界外，其他區域邊界可從圖1直接看出。熱泵運行中，主要計算區域為1、2、4區。對于區域l、2，根據I A P WS-I F 97給定的基本方程，以溫度，壓力為自變量可以直接求取其他熱力學性質；根據反推方程，以壓力，比焓或壓力，比熵表示的區域1和2的熱力學性質無需迭代即可計算。對于區域4，可以根據基本方程由壓力求飽和溫度；也可以直接利用反推方程由溫度求飽和壓力[5]。

3.3 系統對發電量的影響計算

（1）機組真空對發電功率的影響

投運熱泵后，進入凝汽器的循環水溫度升高，導致機組真空下降，真空對發電功率的影響關系：

式中 QFD—真空下降后的影響發電功率，MW；

GPQ—低壓缸排氣流量，t/h；

hbr—原真空度下排氣焓值，kJ/kg；

hnw—真空度降低后排氣焓值，kJ/kg；

GNW—汽輪機凝結水流量，t/h；

GBW—汽輪機凝結水補水流量，t/h；

hpq—排氣焓值，kJ/kg；

hbg—排氣壓力對應飽和蒸汽焓值，kJ/kg；

hbl—排氣壓力對應飽和水焓值，kJ/kg；

x—排氣的干度。

式中的汽輪機凝結水流量GNW，汽輪機凝結水補水流量GBW，排氣干度x均可在通過DCS系統獲取，排氣壓力對應飽和蒸汽焓值hbg及排氣壓力對應飽和水焓值hbl均可根據DCS測得排氣壓力值利用水和水蒸汽性質公式I A P WS-I F 97計算得到[6]。根據以上公式可計算得到真空下降后的影響發電功率QFD的值。

（2）熱泵驅動蒸汽抽氣對發電功率的影響

投運熱泵后，由于抽取了汽輪機進氣低壓蒸汽，導致機組出力下降，抽氣對發電功率的影響關系：

式中 QCD—抽氣影響較少的發電功率，MW；

GCQ—熱泵驅動蒸汽抽氣總流量，t/h；

hbq—熱泵驅動蒸汽抽氣焓值，kJ/kg；

hcn—采暖抽氣焓值，kJ/kg。

式中熱泵抽氣總流量GCQ、熱泵驅動蒸汽抽氣及采暖抽氣焓值對應的壓力溫度均可通過電廠DCS采集獲得。

（3）熱泵系統對發電量的總影響量計算

投運熱泵后，消耗了部分廠用電量QWT，用電量可有電廠DCS采集獲得。余熱回收系統對總的影響發電功率為QWQ：

QWQ=QFD+QCD+QWT（7）

3.4 節能經濟性計算

在相同熱網負荷下，余熱回收系統投入比不投入可多節約天然氣用量，同樣的，將投入熱泵后影響發電量折算成天然氣的耗量，最終可計算當前每小時的節能的經濟收益。

Cincome=（GFQ-GWQ）×Pr（8）

式中 Cincome—每小時節能收益，元；

GFQ—回收余熱節約天然氣流量，N m3/h；

GWQ—熱泵投入影響發電折合天然氣流量，N m3/h；

Pr—天然氣價格，元/N m3。

4 應用

基于前文論述的余熱回收在線性能計算構建原理，在國內某聯合循環電廠進行開發和應用。某日系統分別在三個時間段對余熱回收系統三種不同工況進行了在線采集及性能計算，主要采集數據及計算結果摘錄見表1、表2、表3。

表1 實例中吸收余熱量及CO P在線計算值

由于在線檢測的數據都來自DCS實際運行量，計算數據具有可靠性，計算結果經第三方性能試驗機構驗證后有效，且與電廠實際結算量誤差較小。

表2 實例中影響發電量及經濟收益在線計算值

安裝在線檢測系統后，運行人員可以以當前及歷史運行性能計算結果及經濟性為依據，找出余熱回收系統最佳運行策略，使得在當前工況下系統每小時節能收益為最佳值。在某電廠的實際使用證明，本在線系統具有較高的使用價值。

5 結語

使用OPC與電廠DCS系統實時數據通訊方面具有特別的優勢，具有開放性、互聯性和高效性等特點，在通信中OPC能夠安全地駐留在DCS運行的機器平臺上，不影響DCS的正常運行。C++ Builder對于COM/DCOM有著較好的支持，開發的OPC客戶程序運行穩定。

表3 實例中每小時經濟收益在線計算值

計算采用模塊化設計，高效利用I A P WS-I F 97、及熱力學公式，可以準確實時地計算水和水蒸汽熱力性質及系統各性能及經濟指標。

實際運行中，余熱回收系統在線性能檢測系統可以為缺乏經驗的運行人員提供合理的運行依據，協助運行人員找出余熱回收系統最佳運行策略，使得在當前工況下系統每小時節能收益為最佳值。

[1]王寶玉，等.熱泵技術回收火電廠循環水余熱的研究[J].現代電力，2011，28（4）：73～77.

[2]周崇波，等.大型吸收式熱泵用于火電廠回收余熱供熱的試驗研究[J].現代電力，2013，30（2）：37～40.

[3]周崇波，等.新型帶吸收式熱泵熱電聯產機組的技術經濟分析[J]，現代電力，2012，28（2）：61～63.

[4]孫慶文，等.使用C++完成OPC客戶端與DCS數據交換的研究與應用[J].中國儀器儀表，2012，（5）：52～58.

[5]丁峰，等.水和水蒸氣熱力性質的計算—IAPWS-IF 97[J].科技資訊，2011，（25）：131，132.

[6]高建強，等.大型聯合循環機組在線性能試驗軟件開發與應用[J].燃氣輪機技術，2008，21（2）：32～36.