熱泵系統與空冷冬季防凍的探討

池必文高利智

（1.華電大同第一熱電廠，山西大同 037039； 2.大同電力高級技工學校，山西大同 037039）

熱泵系統與空冷冬季防凍的探討

池必文1高利智2

（1.華電大同第一熱電廠，山西大同 037039； 2.大同電力高級技工學校，山西大同 037039）

在北方地區(qū)干旱少雨，水資源匱乏，在不影響機組容量的情況下，空冷機組以其節(jié)水效果明顯成為這些地區(qū)的首選。然而北方地區(qū)冬夏季氣溫相差很大，空冷系統受氣溫的影響較大，特別對于熱泵改造后的供熱機組冬季的防凍壓力更大，根據我廠熱泵機組冬季運行的情況，總結出以下結論，供同類型機組運行參考。

空冷系統 熱泵系統 防凍措施

1 熱泵系統技術簡介

目前，吸收式熱泵余熱回收技術以其高效節(jié)能和具有顯著經濟效益的特點，尤為引人注目。吸收式熱泵常以溴化鋰溶液作為工質，對環(huán)境沒有污染，不破壞大氣臭氧層。配備溴化鋰吸收式熱泵，回收電廠部分通過直接空冷系統排放到大氣中的熱量，達到節(jié)能、減排、降耗的目的。同時作為集中供熱主熱源的熱電廠而言，存在兩個關鍵問題有待解決。一是電廠抽汽供熱能力普遍不足，而新增熱電廠、大型燃煤鍋爐房又帶來環(huán)境問題，為各地環(huán)保部門所嚴格控制。二是目前大型抽凝式供熱機組存在大量的汽輪機凝汽余熱通過冷卻塔或空冷散熱器排放掉，該部分熱量可占燃料燃燒總發(fā)熱量的20%，以保證汽輪機末端的正常工作。將這部分凝汽用于供熱，相當于在不增加電廠容量，不增加當地排放，耗煤量和發(fā)電量都不變的情況下，擴大了熱源的供熱能力，為集中供熱系統增加了熱量，提高了電廠的綜合能源利用效率，具有非常顯著的經濟、社會與環(huán)境效益。

吸收式熱泵以高溫熱源驅動，把低溫熱源的熱量提高到中溫，從而提高系統能源的利用效率。溴化鋰吸收式熱泵包括蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、發(fā)生器、熱交換器、屏蔽泵和其他附件等見圖1。

以蒸汽為驅動熱源，在發(fā)生器內釋放熱量Qg，加熱溴化鋰稀溶液并產生冷劑蒸汽；冷劑蒸汽進入冷凝器，釋放冷凝熱Qc加熱流經冷凝器傳熱管內的熱水，自身冷凝成液體后節(jié)流進入蒸發(fā)器；冷劑水經冷劑泵噴淋到蒸發(fā)器傳熱管表面，吸收流經傳熱管內低溫熱源水的熱量Qe，使熱源水溫度降低后流出機組，冷劑水吸收熱量后汽化成冷劑蒸汽，進入吸收器；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)器過來的冷劑蒸汽，并放出吸收熱Qa，加熱流經吸收器傳熱管的熱水；熱水流經吸收器、冷凝器升溫后，輸送給熱用戶的熱量Q，顯然Q=Qe+Qa=Qg+Qc。

圖1 吸收式熱泵原理圖

對于電廠乏汽余熱回收吸收式熱泵，驅動熱源是汽輪機抽汽，低位熱源是汽輪機乏汽，被加熱的熱水（中溫熱源）是集中供熱的熱網回水。如圖3，以汽輪機抽汽為驅動能源QH，產生制冷效應，回收乏汽余熱QL，加熱熱網回水。得到的有用熱量（熱網加熱量）為消耗的蒸汽熱量與回收的乏汽余熱量之和QH+QL。熱泵的性能系數（COPh）定義為得到的有用熱量與消耗的蒸汽熱量之比，即COPh= （QH+QL）/ QL。如單效吸收式熱泵COPh =1.7，即消耗1份汽輪機采暖抽汽熱量，回收0.7份乏汽余熱，為熱網提供1.7份熱量。由此可見，吸收式熱泵供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量，具有較顯著的節(jié)能優(yōu)勢。

2 運行方式/方法描述

本項改造工程應用由清華大學提出的“基于吸收式循環(huán)的熱電聯產集中供熱（簡稱基于吸收式循環(huán)）”技術，流程如圖2所示。

在電廠內安裝兩臺HRU85型電廠余熱回收機組，其原理系基于吸收式熱泵，以部分汽輪機采暖抽汽為驅動能源，產生制冷效應，回收低溫乏汽余熱，得到的有用熱量（熱網供熱量）為消耗的蒸汽熱量與回收的乏汽余熱量之和，將4000t/h 、37℃的一次網返廠回水“溫度對口”的一級加熱至73℃，再利用尖峰熱網加熱器二級加熱至120℃。

系統示意圖（如圖3）：

兩臺汽輪機的乏汽進入相對應的余熱回收機組，放熱降溫后凝結水由汽輪機回熱系統的各級加熱器加熱后返回鍋爐。當負荷變化時（如采暖季初、末寒期），供熱負荷小，汽機排熱負荷增加，電廠余熱回收機組不能回收全部的余熱，可將過剩的乏汽排熱通過空冷島散到大氣環(huán)境，以保持汽機正常的背壓。本項目需要采暖抽汽390t/h（折合熱量263MW），并回收200t/h乏汽（折合熱量131.5MW）余熱，考慮到3%加熱環(huán)節(jié)的熱損失后，總供熱量達到383MW。

3 冬季空冷運行情況

圖2 蒸汽型吸收式熱泵的工作原理

2010年熱泵投入運行后，空冷已連續(xù)4年不同程度的凍結，真空被迫維持在50-60kpa之間。雖然采取了許多防凍措施，比如解列空冷部分單列、散熱管束加蓋棉墊子，封堵風機風口等等，但都沒有從根本上解決空冷凍結這個難題。當時普遍認為是由于熱泵消耗了部分乏汽，致使空冷上的乏汽量減少，造成空冷結冰。按理空冷乏汽量減少后真空本應提高，但實際情況是機組真空較投熱泵前還低，不加風機轉速，真空起不來，一加風機轉速，抽氣溫度及凝水溫度就往低走。每年空冷凍結就是因為想提高真空增加風機轉速造成的。

圖3

今年熱泵投運后，#2機真空由投前70kpa降至63kpa，空冷抽氣溫度及凝水溫度大幅下降至0℃-20℃之間，增加真空泵的運行臺數后真空稍有增長，但仍較低。真空泵工作水溫達50℃，超工作水溫報警值10℃。此現象若在冬季肯定判斷為空冷部分管束凍結，但當時環(huán)境溫度在零上，不可能凍結。就地檢查真空泵吸入管管壁溫度較高，判斷有蒸汽吸入真空泵，而空冷抽氣溫度僅為10℃左右，因此排除空冷抽出蒸汽的可能性，從而懷疑真空泵是抽出了熱泵前置換熱器內的部分乏汽，造成工作水溫升高，出力下降。將#2熱泵抽氣門關至20%，#2機真空由63kpa上升至74kpa，抽氣和凝水溫度升高至正常。

熱泵安裝有前置換熱器，也就是利用汽輪機乏汽來加熱熱網循環(huán)水的換熱器，相當于凝汽器。前置換熱器抽氣管接在真空泵入口管上，與空冷抽氣管共用一根抽氣母管，且管徑較大（159mm），抽氣電動門全開狀態(tài)。

4 分析

（1）熱泵前置換熱器安裝位置低且抽氣管較短，抽氣阻力要比空冷的抽氣阻力小，從而造成真空泵的抽吸能力有部分首先消耗在前置換熱器上。

（2）前置換熱器容量較小，漏入空氣量很小，而抽氣管徑又較大，造成真空泵將前置換熱器內的部分乏汽抽出，工作水溫升高，水泵性能下降。

最終結果是造成空冷的抽氣能力下降，漏入空冷系統的空氣無法及時排出，隨著不凝結氣體的增多，空冷換熱效果變差，機組真空下降，為提高機組真空增加風機轉速造成空冷結冰。

控制熱泵前置換熱器抽氣電動門后，空冷的抽氣能力得到提高，真空泵工作水溫降低，空冷換熱效果變好，機組真空提高。風機轉速隨著環(huán)境溫度的降低可逐漸減小直至停運，很好的起到了空冷的防凍作用。

5 目前運行情況

（1）控制#1、#2熱泵抽氣電動門20%的開度，維持前置換熱器的真空，兩熱泵運行正常，各相關參數正常。

（2）機組真空可調范圍大，夜間氣溫低（-20℃）時，空冷順流風機全停，逆流風機逆轉防凍，真空可達設計值75kpa以上，為了空冷防凍人為的將真空降至70kpa左右。白天稍開順流風機真空即可達70KPa。同時空冷抽氣溫度及凝水溫度正常，過冷度在正常范圍內。

（3）空冷未采取以往任何防凍措施，就地檢查空冷未有凍結管束。

6 結語

通過對華電大同第一熱電廠2×135MW空冷機組熱泵投運后冬季工況的分析，對于北方地區(qū)低溫條件下，經過上述方法的調整，沒有發(fā)生冬季空冷系統凍結現象，機組安全穩(wěn)定運行。

［1］華電大同第一熱電廠乏汽余熱利用運行規(guī)程.

池必文（1966.11—），男，山西大同人，大學專科，工程師、技師，研究方向：發(fā)電廠集控運行。

高利智（1966.4—），女，山西大同人，大學本科，高級講師，研究方向：發(fā)電廠熱能動力。