耦合吸收式熱泵供熱機組熱力性能分析

莫子淵

【摘?要】以某600MW超臨界機組為基礎進行改造，耦合吸收式熱泵和螺桿膨脹機，并構建了系統的仿真模型，分析得到了改造供熱機組的熱力性能。將改造機組和傳統供熱機組比較，獲得了機組優化具體結果。結果表明：吸收式熱泵在機組高負荷運行時性能更好，在額定工況下改造機組相比傳統機組發電標準煤耗率降低了4.891 g/kW·h，在供熱負荷都為500 MW時，改造供熱機組可少抽汽64.708 t/h。研究結果可為熱電聯產機組的供熱改造提供一定的參考。

【關鍵詞】熱電聯產;吸收式熱泵;螺桿膨脹機;熱力性能;熱經濟性

【中圖分類號】TM621?【文獻標識碼】A

Abstract：A 600MW supercritical unit was used as the basis for transformation，coupled with an absorption heat pump and a screw expander，and a simulation model of the system was constructed，and the thermal performance of the reformed heat supply unit was analyzed. The results show that the absorption heat pump has better performance when the unit is operating at high load. The standard coal consumption rate of the modified unit is reduced by 4.891 g/kW·h compared with the traditional unit under rated conditions. When the heating load is 500 MW，Retrofitting the heating unit can save 64.708 t/h of steam extraction. The research results can provide a certain reference for the heat supply transformation of the cogeneration unit.

Keywords：Cogeneration;absorption heat pump;screw expander;thermal performance;thermal economy

前言

到2020年，熱電裝機比重將能達到接近40%[1]。熱電機組凝汽器中有大量冷源損失，這部分損失的熱能由電廠循環冷卻水帶走，排放到環境中會造成熱污染[2～3]。我國一般設定熱網水供水溫度為120℃～130 ℃，且實際運行過程中其溫度常低于設定值[4～5]，而熱用戶側的室溫要求只需達到20℃即可[6]，顯而易見熱網側與熱用戶側存在很大的溫度不匹配情況，中間有相當大的一部分能量在運輸、換熱過程中損失，使能源利用率降低。而本文的目的在于回收熱電聯產機組中的冷源損失，節能降耗。

戈志華等[7]建立了高背壓余熱梯級利用理論模型，可用于指導高背壓供熱機組改造。萬燕等[8]研究了兩種主流高背壓供熱改造方式，并進行了全工況計算。戴遠航等[9]提出了一種風電場和含儲熱的熱電聯產聯合運行的調度模式。張學鐳等[10]在熱電聯產系統中引入了吸收式熱泵來回收電廠冷卻水余熱，實現能量的梯級利用。

本文基于能量梯級利用的思想對常規抽汽供熱機組進行改造，系統中新加入吸收式熱泵和螺桿膨脹機，并運用Ebsilon軟件建立了系統模型，研究改造后供熱機組的熱力性能，為供熱機組的優化改造提供了一定的借鑒。

1 改造供熱機組系統介紹

本文建立的耦合吸收式熱泵和螺桿膨脹機的600 MW超臨界供熱機組系統原理圖如圖1所示。相比常規抽汽供熱機組，本文使用了吸收式熱泵來回收電廠循環冷卻水余熱，并且考慮到吸收式熱泵發生器所需的驅動熱源品質要求不高，故將部分中壓缸排汽通入發生器前，先通入到螺桿膨脹機做功發電后再進入到發生器，合理利用了能源。因為吸收式熱泵提高了一次熱網回水的溫度，在尖峰加熱器中加熱時換熱溫差減少，減少了換熱?損。

2 供熱機組相關模型建立

吸收式熱泵的熱量轉移示意簡圖如圖2所示。它是一種實現低溫向高溫輸送熱量的設備。第一類吸收式熱泵的性能系數COP值處于1.5～2.5之間，能有效提高熱電廠的能源利用率。

3 系統仿真結果及對比分析

3.1系統設計參數

新系統設定設計工況下一次熱網供回水溫度為120 ℃/50 ℃，流量為6122 t/h，總抽汽流量為613.2t/h，則系統的總供熱負荷為500 MW，按熱用戶耗熱指標為48 W/m2，則供熱面積為1041.7萬m2。在總供熱負荷中，作為基本負荷熱源的吸收式熱泵提供的熱負荷為121 MW，作為調峰熱源的尖峰加熱器提供的熱負荷為379 MW，基本負荷熱源供熱占比為0.243。系統中吸收式熱泵的COP值為1.70。本文設定環境溫度為273.15K。新系統的具體設計參數如表1所示。

3.2 改造供熱機組系統熱力性能分析

本文改造的供熱機組在設計工況下，吸收式熱泵可以將6122 t/h的一次熱網回水從50 ℃加熱到67 ℃，期間實現將9500 t/h的電廠循環冷卻水從26 ℃降低到21.5 ℃，一定程度地減小了對環境的熱污染。而100 t/h的中壓缸排氣抽汽經過螺桿膨脹機利用后壓力從1.179 MPa降低到0.3 MPa，溫度降低了124 ℃，通過利用壓差能，與螺桿膨脹機相連的發電機產生電量6.476 MW，在供給系統中其他泵功消耗后仍剩余6.241 MW。經過計算，供熱機組各工況下的熱力性能參數如表2所示。

在總供熱負荷中，可以看出，從VWO工況逐步變化到50% THA 工況，吸收式熱泵供熱負荷占比是緩慢提升的。由表2可知，隨著負荷降低，發電煤耗率降低，熱經濟性越來越好，螺桿膨脹機?效率小幅度提升，而吸收式熱泵?效率小幅度降低。

4 結論

本文對傳統抽汽供熱機組進行改造，并搭建出600 MW超臨界供熱機組仿真模型，得到了新系統的熱力性能，可為供熱機組改造提供一定理論參考，得出的結論如下：

（1）本文新增了吸收式熱泵和螺桿膨脹機，能有效回收電廠循環冷卻水的余熱和中壓缸排汽抽汽的壓差能，節能降耗，提高了熱電廠能源利用率。

（2）與常規抽汽供熱機組相比，本文系統熱力性能更為優越，經濟性更好，表現在發電量增大，設計工況下發電標準煤耗率降低了6.166 g/kW·h，這對于此參數來說下降程度巨大。且在供熱負荷相同時，新系統可少抽汽64.12 t/h，很好地體現了節能降耗的原則。

參考文獻：

[1]國家發展改革委，環境保護部，國家能源局. 煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）[R]. 2014（in Chinese）.

[2]高慧云，肖寧.我國熱電聯產產業的發展趨勢[J].發電設備，2010，24（06）：467-469.

[3]賀益英.關于火、核電廠循環冷卻水的余熱利用問題[J].中國水利水科學研究院學報，2044（04）：81-86.

[4]鄧拓宇，田亮，劉吉臻.利用熱網儲能提高供熱機組調頻調峰能力的控制方法[J].中國電機工程學報，2015，35（14）：3626-3633.

[5]戈志華，楊佳霖，何堅忍，賀茂石.大型純凝汽輪機供熱改造節能研究[J].中國電機工程學報，2012，32（17）：25-30+139.

[6]賀平，孫剛. 供熱工程[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2009：4-12.

[7]章艷，呂泉，李楊，張娜，王海霞，孫輝.四種熱電廠電熱解耦改造方案的運行靈活性剖析[J].電力系統自動化，2020，44（02）：164-172.

[8]戈志華，孫詩夢，萬燕，趙世飛，何堅忍.大型汽輪機組高背壓供熱改造適用性分析[J].中國電機工程學報，2017，37（11）：3216-3222+3377.

[9]戴遠航，陳磊，閔勇，徐飛，侯凱元，周瑩.風電場與含儲熱的熱電聯產聯合運行的優化調度[J].中國電機工程學報，2017，37（12）：3470-3479+3675.

[10]萬燕，孫詩夢，戈志華，何堅忍.大型熱電聯產機組高背壓供熱改造全工況熱經濟分析[J].電力建設，2016，37（04）：131-137.

作者簡介：

莫子淵，（1996.8-），男，漢族，湖北潛江人，碩士研究生，主要從事螺桿膨脹機、余熱余壓利用技術。

（作者單位：華北電力大學能源動力與機械工程學院）