大型自配膠球裝置溴化鋰吸收式熱泵余熱供熱系統超定擬合研究

周崇波 鮑官軍 高 峰 葉 智 楊慶華

大型自配膠球裝置溴化鋰吸收式熱泵余熱供熱系統超定擬合研究

周崇波1,2鮑官軍1高 峰1葉 智2楊慶華1

（1.浙江工業大學 杭州 310006；2.華電電力科學研究院有限公司 杭州 310030）

以大型自配膠球裝置溴化鋰吸收式熱泵余熱供熱系統為研究對象，基于近三個采暖季運行數據，選取各采暖季中熱網循環水及余熱循環水流量接近設計值的8個工況，建立超定函數模型，并通過MATLAB采用最小二乘擬合進行理論計算，結果表明，熱網水進水溫度每降低1℃，熱泵供熱量提高1.37%，余熱水進水溫度每升高1℃，熱泵供熱量提高7.93%，驅動蒸汽壓力每降低0.01MPa，熱泵供熱量降低3.99%，回收余熱量降低10.33%。該定量擬合研究結果對火電廠大型吸收式熱泵余熱供熱系統設計及優化運行具有重要的指導意義。

余熱利用；吸收式熱泵；膠球清洗；理論擬合；超定方程組

0 引言

當前，我國經濟發展步入新常態，能源發展質量和效率問題突出，供給側結構性改革刻不容緩。“十三五”能源規劃的主要目標提出單位國內生產總值能耗比2015年下降15%，單位國內生產總值二氧化碳排放比2015年下降18%，煤電平均供電煤耗下降到每千瓦時310克標準煤以下。傳統抽汽熱電聯產機組雖然較純凝機組的能源利用效率高、環保效益好，但仍有部分冷凝余熱通過冷卻或其他方式塔散失掉，以一臺300MW供熱機組為例，其可資利用冷端潛熱約占燃料耗能總量的10%，充分利用這部分余熱是傳統熱電聯產突破發展的新方向。

1 余熱利用技術

目前，余熱供熱已具有多種可選技術，通過壓縮式熱泵技術[1]、水冷機組吸收式熱泵技術[2]、空冷機組吸收式熱泵技術[3]、基于Co-ah循環技術[4]、高背壓真空改造技術[5]等，突破傳統抽汽供熱的局限，在發電功率等級不變的前提下，充分利用冷端余熱，提升供熱能力。清華大學基于吸收式熱泵回收循環水余熱的大溫差供熱技術[6]先后在內蒙古赤峰及山西大同等電廠實施，大大提高了其供熱能力；北京、黑龍江等地多家電廠采用吸收式熱泵機組回收循環水余熱用于供熱項目具備了良好的經濟效益和社會效益[7]。

近年來，對吸收式熱泵技術的研究方興未艾，主要從理論模擬與試驗研究兩方面入手，如郭中旭等人采用Ebsilon軟件建立2×350MW耦合吸收式熱泵的供熱機組模型并進行變工況分析[8]，劉剛建立吸收式熱泵熱經濟性計算模型，并研究了熱泵投切的負荷轉折點[9]，趙璽靈等人研究評價熱泵對燃氣煙氣余熱供熱的節能效果[10]，王斌等人對乏汽吸收式熱泵進行了動態特性實驗[11]，周崇波等人對大型吸收式熱泵系統進行試驗研究[12]。本文以300MW開式循環水自配置膠球清洗裝置吸收式熱泵余熱供熱系統為研究對象，通過近三年采暖季歷史數據分析其供熱方式和節能效果，并建立超定函數模型探討三個主要邊界條件對熱泵功率及提取余熱能力的定量影響。

2 系統構成及現狀

本文原則性系統圖如圖1所示，現場布置圖如圖2所示，300MW開式循環水自配膠球裝置吸收式熱泵系統在原300MW抽汽供熱機組基礎上，將部分采暖抽汽作為大型吸收式熱泵機組的驅動熱源，驅動熱泵回收汽輪機排汽冷凝熱，加熱市政一次熱網回水，供暖初末期取代原熱加熱器供熱，供暖高寒期作為基礎負荷供熱。本系統的循環水采用開式，直接取自江水，本系統通過將膠球清洗裝備嵌入吸收式熱泵系統在線實時清洗淤泥、微生物等在傳熱管中的堵塞，從而增加循環水通流量，提高換熱效率，使得大型吸收式熱泵機組提取循環水余熱量增加近一倍[13,14]。

熱泵機組啟動時自動啟動膠球清洗裝置，在抽汽量一定的情況下，由于新增了從循環水中回收的余熱，系統供熱能力增強，并帶來良好的節能收益和社會效益。表1列出了各采暖季每月實際回收余熱量，統計計算年均回收循環水余熱量169萬吉焦，按當地近年燃燒煤種熱值計算，相當于年節煤10.12萬噸，按照標煤熱值計算，相當于節煤5.78萬噸，根據有關資料[15]，經計算，減少排放二氧化碳2.54萬噸，減少排放二氧化硫1156噸，減少排放煙塵867噸，減少排放灰渣1.5萬噸。

圖1 自配置膠球清洗裝備余熱供熱原則性系統圖

圖2 自配置膠球清洗裝備吸收式熱泵余熱供熱系統現場布置圖

表1 近三個采暖季每月實際回收余熱量（單位：GJ）

3 超定擬合研究

近三個采暖季熱泵系統的各邊界參數表2所示，熱網進水溫度較設計值低，余熱水進水溫度較設計值略高，都是有利于系統整體性能提升，但驅動蒸汽壓力偏低，降低了系統出力。

表2 近三個采暖季三個主要邊界條件差異表

表3列出了各月回收余熱量占熱泵供熱量的比例，平均占比36.63%，理論設計值為42.39%，差距約6%，結合表2分析原因，雖然熱網水及余熱水進水條件有利于提取余熱，但由于驅動蒸汽壓力偏低造成負面影響，而且驅動蒸汽壓力要大于其余兩個邊界參數對熱泵系統出力及提取余熱能力的影響，因此總體回收余熱量在熱泵供熱量中還是沒有達到設計值。

表3 近三個采暖季回收余熱量占熱泵供熱量比例表

為了進一步研究三個主要邊界條件對熱泵出力及提取余熱能力的定量影響，本文篩選出每個采暖季中熱網循環水及余熱循環水流量接近設計值的工況，從而最大限度排除流量對熱泵供熱量與回收余熱量的影響，共選取了8個工況，如表4所示。

表4 選取的實際運行工況表

分別對熱網水進水溫度降低、余熱水進水溫度升高、驅動蒸汽壓力降低三個邊界條件參數變化引發熱泵供熱量與回收余熱量組成超定方程組，將三個邊界條件作為自變量，熱量作為因變量，構造函數。

假設：

上式（1）中X表示選取的工況，x表示第種工況中邊界參數與設計值偏差量，Y表示第種工況熱泵供熱量或回收余熱量與設計值的偏差量。本文在以上給定的原始數據基礎上，擬求解一個線性依賴于某影響參數向量：

使得：

上式（3）并不存在精確解，求解過程應使其誤差向量()的p模極小化，即求向量使得：

其中：

當式（4）中=2，即為最小二乘解。最小二乘解雖然可使總體誤差較小，但可能使個別點的誤差過大，超過允許值，本文采用直接修正法[16]降低最大誤差，從而使超定方程組的解得到優化。假設X是超定方程組的初始解，不妨設前個點誤差最大，即：

其中：≧1，≦。

設：

其中>0，為步長因子，Δ為0的修正方向，修正量（Δ）根據下式（8）-（10）進行選取：

其中：為符號函數。

在求解式（2）邊界參數對熱泵供熱量影響的擬合過程中，對未知數直接賦予非負條件，而在求解對回收余熱量影響的擬合過程中，對未知數需賦予不小于影響熱泵供熱量的參數值。

基于MATLAB最小二乘擬合計算，結果表明，熱網水進水溫度每降低1℃，熱泵供熱量提高1.37%；余熱水進水溫度每升高1℃，熱泵供熱量提高7.93%；驅動蒸汽壓力每降低0.01MPa，熱泵供熱量降低3.99%。熱網水進水溫度降低和余熱水進水溫度升高1℃，在輸入條件限制下，對回收余熱量的影響與對熱泵供熱量的影響一致，但驅動蒸汽壓力每降低0.01MPa，回收余熱量降低10.33%。

4 結論

本文針對300MW開式循環水自配膠球裝備吸收式熱泵余熱供熱系統進行了系統研究，對重要邊界條件定量影響熱泵出力及提取余熱能力進行了理論擬合分析。

（1）本系統自配置膠球清洗在線裝備大型吸收式熱泵系統尚屬國內第一次集成應用，基于近三個采暖季的歷史運行數據分析，年均回收余熱量169萬吉焦，按當地近年燃燒煤種熱值計算，相當于年節煤10.12萬噸；按照標煤熱值計算，相當于節煤5.78萬噸，減少排放二氧化碳2.54萬噸，減少排放二氧化硫1156噸，減少排放煙塵867噸，減少排放灰渣1.5萬噸。

（2）選取每個采暖季中熱網循環水及余熱循環水流量接近設計值的8個工況，建立超定函數，并通過MATLAB采用最小二乘擬合計算，結果表明，熱網水進水溫度每降低1℃，熱泵供熱量提高1.37%，余熱水進水溫度每升高1℃，熱泵供熱量提高7.93%，驅動蒸汽壓力每降低0.01MPa，熱泵供熱量降低3.99%，回收余熱量降低10.33%。該結果表明驅動蒸汽壓力對提取余熱量能力的影響至為關鍵，余熱水進水溫度對系統出力和提取余熱能力的影響小于驅動蒸汽壓力的影響。

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

[2] 魯敬妮,屠珊,王紅娟,等.吸收式熱泵回收機組余熱經濟性分析[J].熱力發電,2017,46(2):136-140.

[3] 顧煜炯,耿直,謝典,等.電廠循環冷卻水余熱利用分析[J].熱力發電,2016,45(4):35-40.

[4] 付林,江億,張世鋼.基于Co-ah循環的熱電聯產集中供熱方法[J].清華大學學報(自然科學版),2008,48(9):1377-1380.

[5] 王學棟,姚飛,鄭威,等.兩種汽輪機高背壓供熱改造技術的分析[J].電站系統工程,2013,29(2):47-50.

[6] 張世鋼,付林,李世一,等.赤峰市基于吸收式換熱的熱電聯產集中供熱師示范工程[J].暖通空調,2010,40(11):71-75.

[7] 周崇波,趙明德,鄭立軍,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,2012,29(2):61-63.

[8] 郭中旭,戈志華,趙世飛,等.耦合吸收式熱泵機組變工況分析[J].熱能動力工程,2018,33(2):25-32.

[9] 劉剛.吸收式熱泵在供熱機組中適用性及經濟性研究[J].汽輪機技術,2018,60(2):216-220.

[10] 趙璽靈,付林,王笑吟,等.分布式熱泵調峰型熱電聯產煙氣余熱回收系統評價[J].哈爾濱工業大學學報,2018,50(2):153-159.

[11] 王斌,馬素霞,馬紅和,等.乏汽吸收式熱泵動態特性實驗研究[J].汽輪機技術,2017,59(1):31-34.

[12] 周崇波,俞聰,郭棟,等.大型吸收式熱泵應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.

[13] 戴軍,周崇波.熱泵機組水側污垢系數對火電廠余熱經濟性的影響[J ].華電技術,2013,35(11),90-92.

[14] 周崇波,程雪山,陳志剛,等.膠球清洗系統在大型吸收式熱泵機組上的首例試驗研究[J].華東電力,2013,41(9):1962-1964.

[15] 馮永華,徐文忠,孫始財.火電廠循環冷卻水廢熱回收利用問題研究[J].節能,2007,(3):17-19.

[16] 崔明根,章森,胡乃麗.求解超定線性方程組的直接修正法[J].哈爾濱工業大學學報,1990,(2):20-27.

An Application Study of Waste Heat Utilization by an Absorption Heat Pump System with Self-equipped Rubber Ball Device in 300MW Thermal Power Plant

Zhou Chongbo1,2Bao Guanjun1Gao Feng1Ye Zhi2Yang Qinghua1

( 1.Zhejiang University of technology, Hangzhou, 310006; 2.Hua Dian Electric Power Research Institute, Hangzhou, 310030 )

An application study was performed for an absorption heat pump system with self-equipped rubber ball device, which can recover waste heat from open circulating water in a 300MW thermal power plant. The eight working conditions, in which the flow rates of heat-supply water and circulating water were close to the design values, were selected to make overdetermined equations. Using least squares fitting through MATLAB, the results showed that the heat pump heating load can be increased by 1.37%, as the inlet temperature of heat-supply water decreases by 1℃; the load increases by 7.93% when the inlet temperature of circulating water increases by 1℃. The heat pump heating load reduces by 3.99% and the recovery of waste heat by 10.33%, as the driven steam pressure decreases by 0.01MPa.

waste heat utilizing; absorption heat pump; rubber ball cleaning; simulation calculation; overdetermined equation

TK11+5

A

1671-6612（2019）04-351-04

周崇波（1984-），男，研究生，高級工程師，E-mail：zhouchongbo122@126.com

楊慶華（1964-），男，博士，教授，博士生導師

2018-08-06