汽機熱泵聯合系統的提出及經濟性初探

趙　麒，劉麗莘，韓風毅，馬　爽，王　琛

(長春工程學院能源動力工程學院，長春 130012)

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汽機熱泵聯合系統的提出及經濟性初探

趙麒，劉麗莘，韓風毅，馬爽，王琛

(長春工程學院能源動力工程學院，長春 130012)

摘要：通過減溫減壓器的熱力學分析，得出蒸汽中約20%的高品質能量經過減溫減壓器后被浪費。基于能量梯級利用原理，提出了汽機熱泵聯合(combined turbine and heat pump，簡稱CTHP)循環系統，并從供熱量、能源利用率與電廠收益三方面證明了系統的優越性。

關鍵詞：減溫減壓器；能量梯級利用；汽機熱泵聯合循環供熱系統

到2015年，我國熱電聯產裝機規模已達到2.5億kw，占火電裝機規劃的32%～35%。我國北方地區的供熱普及率一般在60%～90%之間，其中單機容量在5萬kw以下的中小供熱機組共1 859臺，占總裝機量的87.65%[1-2]。早在20世紀五六十年代，我國就建立了許多凝汽式發電廠，但這些機組容量小，效率低，發電煤耗高，急需改造為熱電聯產系統[3]。火電廠的發電效率只有約40%左右，循環冷卻水帶走的熱量約占熱電廠總能耗的10%～30%[4]。利用了循環水的余熱，可以減少冷卻塔向環境散失的熱量和冷卻水的蒸發損失，降低進入器循環水的水溫，提高電廠器的真空度，增加機組的發電功率[5-7]。

目前，凝汽電廠熱電聯產改造過程中存在的主要問題有兩點：1)供熱參數不經濟。凝汽電廠熱電聯產供熱改造時，常采用汽輪機中低壓缸連通管打孔抽汽的方式，需要在外部進行減溫減壓，將抽出的熱蒸汽經過降溫減壓器后，才能進入熱網加熱器，這將造成很大高品位能量的損失。2)冷卻水熱量浪費。(含抽汽式)機組采用循環冷卻水來冷凝發電機組的排汽，循環冷卻水散發的熱量具有很好的利用價值。

為進一步提高電廠熱電聯產系統的能量利用率，降低污染，本文提出以小汽輪機同軸驅動復疊式熱泵，代替原有減溫減壓器，利用了蒸汽在減溫減壓器中損失的高品位能量，同時回收部分循環冷卻水的能量，達到節能減排的效果。

1減溫減壓器熱力學分析

電廠抽汽供熱改造能夠使能源綜合利用效率得到提高，節約能源消耗，使電廠的經濟效益得到提高，但無論是小型還是大型電廠，供熱抽汽壓力均相對供熱系統承受的壓力高，抽汽必須經過減壓才能利用。減溫減壓裝置用在電站和工業鍋爐及熱電廠等處，將輸送來的一次(新)蒸汽壓力、溫度進行減溫減壓，使其二次蒸汽壓力、溫度達到生產工藝所要求的數值，廣泛用于電站、石化、輕工、冶金等工業部門及城市供熱、供暖系統。

1.1減溫減壓器數學模型

減溫減壓器的工作過程主要是冷水與蒸汽進入該裝置，依靠節流裝置給高溫高壓的蒸汽降壓，同時冷水為需降溫減壓的高溫高壓蒸汽降溫，運行過程中冷水受熱后分為兩部分：一部分冷水汽化為水蒸氣，與降溫減壓后的蒸汽混合后利用；另一部分冷水受熱變為飽和水，流出減溫減壓器。進入與流出減溫減壓器的蒸汽存在一定的關系，可表示為：

(1)

式中：D1、Dls、D2、Ds分別為流入減溫減壓器蒸汽的質量、冷卻水的質量、蒸汽流出的質量和流出減溫減壓器的飽和水的質量流量，kg/s；hin、hls、hout、hs分別為減溫減壓器單位質量進口蒸汽、冷卻水、出口蒸汽和飽和水的焓值，kJ/kg；χ為飽和水量與冷卻水量的比值，χ=Ds/Dls。

根據能量守恒與質量守恒原理，減溫減壓器中的流體還存在式(2)～(3)的關系：

D1×hin+Dls×hls=D2×hout+Ds×hs,

(2)

D1+Dls=D2+Ds。

(3)

1.2火用分析

減溫減壓器中涉及的工質分別為水和蒸汽，水和水蒸氣的比焓和比熵可采用工業用IFC公式計算，IFC將水和水蒸氣的性質公式擴展為6個區域，計算公式較為復雜，由于蒸汽和水的比焓和比熵均與此時的溫度和壓力相關，而熱電聯產所涉及的水與水蒸氣的區域也較小，為計算分析方便，將本文所研究的未飽和水和過熱水蒸氣的火用值擬合為式(4)的二元二次函數：

e=a1+a2p+a3T+a4p2+a5T2，

(4)

式中：p為工質的壓力，MPa；T為工質的溫度，K。

擬合后的未飽和水和過熱蒸汽的公式系數見表1。

表1　未飽和水和過熱蒸汽火用值計算公式系數

對于飽和水和飽和蒸汽，溫度與壓力相對應，將本文所研究范圍內的飽和水與飽和水蒸氣的火用值分別擬合為拋物線和直線，即飽和水蒸氣的火用值可由式(5)近似計算：

e=3.890 3T-775.148 7，

(5)

而飽和水的火用值可近似表示為：

e=0.004 3T2-2.066 3T+236.532 9。

(6)

對于某一個熱力過程來說，火用損失率越小，說明高品位能量損失越少。減溫減壓器內蒸汽能量的火用損失率為：

(7)

假設減溫減壓器工作過程中，減溫水全部變為蒸汽且沒有汽水損失，即當χ=0時，此時減溫減壓器工作過程的火用損失最小。以進口蒸汽壓力1.0 MPa，溫度350 ℃(此時蒸汽的焓值與火用值分別為3 158.54 kJ/kg和1 163.61 kJ/kg)，進口蒸汽流量1 kg，冷卻水壓力0.1 MPa，溫度為20 ℃，經減溫減壓器降低至壓力0.2 MPa和0.3 MPa為例，如圖1所示，減溫減壓器中蒸汽的火用損失隨排汽溫度的升高而降低，當排汽溫度相同時，排汽壓力越高火用損失越小，減溫減壓器的排汽溫度與壓力受熱網加熱器承壓與耐溫程度的限制。

圖1　火用損失率隨排汽溫度變化曲線

圖1還顯示了減溫減壓器的火用損失率隨減溫減壓器排汽溫度的升高而降低，當χ=0時，排汽壓力分別為0.2 MPa、0.3 MPa的火用損失率分別在20.5%～23.1%和15.9%～18.2%之間。

圖2　排汽壓力0.2 MPa時蒸汽的火用損失率

減溫減壓器的實際工作過程中，飽和水量與冷卻水量的比值一般不為0，即χ≠0，如圖2所示，相同飽和水量與冷卻水量的比值和相同排汽溫度情況下，排汽壓力越低，減溫減壓器中蒸汽的火用損失越多；當排汽壓力一定時，火用損失率隨排汽溫度的升高而減小；在排汽溫度也相同的條件下，飽和水量與冷卻水量的比值越大，火用損失率也越大，排汽溫度從160 ℃上升至260 ℃，對應于χ=0.1和χ=0.5狀態下的火用損失率分別在20.88%～23.98%之間和22.53%～27.63%之間。

2CTHP循環系統的提出

基于能量梯級利用原理與總能應用方法，本文提出采用電廠汽輪機中壓缸抽汽驅動小汽輪機帶動復疊式高溫熱泵工作，回收電廠循環冷卻水余熱供暖的CTHP(combined turbine and heat pump)，循環系統。

CTHP循環系統的流程圖如圖3所示，以減溫減壓器中蒸汽的高品位能量損失為動力，驅動高溫復疊式熱泵的壓縮機回收循環冷卻水的低溫熱量，其特征如下：

1)以汽輪機驅動復疊式高溫熱泵代替原有減溫減壓器，不影響發電機組正常工作，汽輪機與高溫熱泵及相關設備技術比較成熟，技術經濟合理可行。

2)減溫減壓器中損失的高品位能量以機械能的形式加以利用，將回收的機械能驅動熱泵的壓縮機工作，在供熱負荷不變的情況下，減少了供熱用蒸汽的消耗，降低了供熱能耗。

3)充分利用減溫減壓器中蒸汽損失的能量，將這部分能量轉化為功加以利用，使系統的火用效率有所提高，滿足能量的梯級利用原則。

圖3　CTHP循環系統流程圖

4)回收減溫減壓器中蒸汽能量，以電廠循環冷卻水作為熱泵的低位熱源，通過熱泵回收循環冷卻水的能量，提高了聯產系統的能源利用效率，節能效果明顯。同時，CTHP循環系統的應用還可以節約燃料消耗量，減少灰渣、煙塵、二氧化硫及氮氧化物等污染物的排放。

CTHP循環系統的核心工作過程為：供熱用抽汽從發電汽輪機的中壓缸抽出，送至高溫熱泵機組的小汽輪機，驅動高溫熱泵機組的壓縮機工作，小汽輪機的排汽進入熱網加熱器，熱泵冷凝器將一次熱網70 ℃左右的回水加熱至80 ℃左右，再由熱網加熱器將采暖回水加熱至一次網供水溫度110～130 ℃；流出熱網加熱器的凝結水與發電凝結水混合經凝結水泵送回電廠鍋爐；熱泵裝置的蒸發器與電廠器的循環冷卻水換熱，回收冷卻水的低位熱源，降低冷卻塔散熱負荷的同時，使廢熱得到了利用。

3CTHP循環經濟性初探

CTHP循環系統的使用，會在能量利用與經濟效益方面為電廠的熱電聯產帶來一定的收益，本節在熱經濟性和技術經濟性兩方面初探新系統的經濟性，預估系統的經濟性。

3.1經濟性指標

CTHP循環系統與原減溫減壓器供熱系統的產品均為熱能，本節從供熱能力、能量利用率和電廠收益3個方面對系統的經濟性進行分析。

3.1.1供熱能力

供熱能力主要比較CTHP系統與原減溫減壓器系統在消耗相同能源的情況下，兩系統供熱量的大小。減溫減壓器供熱系統的供熱量可表示為：

(8)

式中：Qh為減溫減壓器系統的供熱量，MW；Dh為供熱系統的抽汽量，t/h；h1為供熱系統的抽汽焓，kJ/kg；hs為供熱凝結水焓，kJ/kg；ηh為熱網效率，本文取0.97。

電廠應用CTHP循環系統后，總的供熱量為熱泵制熱量和熱網加熱器換熱量之和：

(9)

式中：Qhp為CTHP循環系統的供熱量，MW；Dhp為CTHP循環系統的抽汽量，t/h；h2為驅動壓縮機的汽輪機排汽焓，kJ/kg；ηj為驅動壓縮機的小汽輪機的效率；COP為熱泵裝置的性能系數。

3.1.2能量利用率

熱電廠的一次能量利用率為輸出的熱、電兩種產品的總能量與輸入的總能量的比值，從能量數量上反映出一次能源的利用情況：

(10)

3.1.3電廠收益

電廠收益為電廠產品銷售所得的凈收入，即電能與熱能的銷售所得與燃料消耗費用之差。將CTHP循環系統嵌入電廠發電機組冷端進行供熱，電廠的收益為：

(11)

3.2經濟性分析

目前國內使用的350 MW抽凝機組的鍋爐形式主要有超臨界和亞臨界鍋爐2種類型，以哈汽和東汽兩大汽輪機廠的350 MW機組為例，其技術參數對比見表2。

計算條件取熱網供回水溫度為130/70 ℃，驅動壓縮機的小汽輪機的排汽溫度與壓力分別為180 ℃和0.3 MPa，效率為58%，熱泵裝置的制熱性能系數為2.1。為了評價電廠應用CTHP系統供熱的經濟性，將新系統與原減溫減壓器系統的經濟性指標進行比較分析，即原抽凝機組供熱、發電為方案一，CTHP系統供熱、抽凝機組發電的方式為方案二。設計抽汽壓力、背壓等計算參數見表2。

表2　350MW機組主要技術參數

與減溫減壓器供熱相比，CTHP循環系統提高了蒸汽的供熱效率，在相同抽汽量的情況下，能夠增加供熱面積，如圖4，兩方案在不同抽汽量下的供熱量，方案二的供熱量要比方案一的供熱量大，隨著抽汽量的增大，方案二相比方案一增加的供熱量也在增大，在最大抽汽量時兩方案的供熱量分別為276.5 MW和321.8 MW，若以50 W/m2的熱指標估算，方案二可比方案一多供熱約90萬m2。

圖4　兩方案供熱量比較

圖5顯示了兩方案的一次能源利用率均隨抽汽量的增大而增大，且方案二的一次能源利用率增大更快，在最大抽汽量時，方案二的一次能源利用率增加了約4.3%，主要源于熱泵回收利用了一部分循環冷卻水的低溫余熱。

圖5　兩方案能源利用率比較

圖6 顯示了兩方案的電廠收益隨抽汽量變化情況，圖中的熱價取36元/GJ，避免采用按面積收取熱價的不合理性，可以看出兩方案的收益隨供熱抽汽量的增加而增大，說明熱電聯產相比純發電的電廠具有更好的經濟性，且供熱抽汽量越大，兩方案的收益相差越大，最大可達0.92萬元/h，按采暖天數120 d估算，方案二每年可多收入約2 650萬元，可以看出，CTHP循環系統的應用會為電廠帶來更多的供熱量，提升電廠的能源利用率并給電廠帶來良好的經濟效益。

圖6　兩方案的電廠收益

4結語

雖然減溫減壓器中蒸汽能量在數量上沒有損失，但從能量的質量角度來看很多高品質能量被浪費。基于能量梯級利用原理，提出了CTHP循環系統，新系統在供熱量、能源利用率與經濟性方面都優于減溫減壓器系統。

參考文獻

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The Proposition and Economic Primary Exploration of Combined Turbine and Heat Pump System

ZHAO Qi, etc.

(SchoolofEnergyandPowerEngineerin,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：Through the thermodynamic analysis to the temperature and pressure reducer, the authors get the result that about 20% of the high quality energy of the steam is wasted after the temperature and pressure reducer. Based on the principle of energy cascade utilization, the combined turbine and heat pump (short for CTHP) system is put forward and the superiority of the system is proved from the heat supply, energy use rate and profits of power plant.

Key words：temperature and pressure reducer; energy cascaded utilization; combined turbine and heat pump system

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2016)01-0060-04

中圖分類號：TK114

作者簡介：趙麒(1982-)，男(漢)，遼寧鞍山，在讀博士，講師

基金項目：吉林省教育廳科學技術研究項目(120150044)

收稿日期：2015-12-30

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.014

長春工程學院種子基金(320140029)

主要研究建筑節能與熱泵技術研究應用。