熱泵技術在熱電廠的應用及經(jīng)濟性分析

中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司 魏宏博

熱泵是一種消耗部分能量使熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體的能量利用裝置，在熱電廠可用于汽輪機排汽熱量的回收利用。熱電廠汽輪機熱量50%以上是以乏汽形式排放到環(huán)境中的，也就是通常所說的冷源損失，采用熱泵技術可以汽輪機抽汽作為驅(qū)動熱源，將此部分熱量進行回收用于加熱采暖熱水，這樣不僅提高了熱電機組的供熱能力，還可提高電廠的熱效率，在相同發(fā)電功率、相同供熱負荷條件下可降低發(fā)電廠煤耗量，從而減少污染物排放。

國內(nèi)熱泵技術發(fā)展迅速，2008年我國率先將熱泵技術用于熱電廠供熱，目前已有100多個熱電廠采用吸收式熱泵進行供熱[1]。熱泵發(fā)展主要是體現(xiàn)在其單機容量增大，現(xiàn)在用于熱電廠的吸收式熱泵單機容量可達到70MW 以上；其次是性能提高，用于熱電廠的吸收式熱泵COP 可以達到1.7以上，最重要的是其價格越來越低。國內(nèi)各大高校、研究院及設計單位在供熱電廠采用熱泵進行余熱回收利用方面做了大量研究工作，2017年11月國家能源局發(fā)布了《發(fā)電廠熱泵系統(tǒng)設計規(guī)程》（DL/T5535-2017），該規(guī)定給出了用于熱電廠余熱回收進行采暖的熱泵系統(tǒng)設計及設備選型的一般規(guī)定。

1 用于熱電廠的熱泵技術方案

1.1 用于熱電廠的熱泵技術方案概述

熱泵根據(jù)其原理不同，可分為壓縮式熱泵和吸收式熱泵，壓縮式熱泵根據(jù)壓縮機驅(qū)動方式不同，可分為蒸汽驅(qū)動壓縮式熱泵、電機驅(qū)動壓縮式熱泵、燃氣壓縮式熱泵等（圖1）。吸收式熱泵根據(jù)系統(tǒng)流程及使用用途不同，分為第一類吸收式熱泵和第二類吸收式熱泵。第一類吸收式熱泵是以高溫熱源為驅(qū)動熱源，把低溫熱源的熱量提至中溫熱源，即增溫型熱泵(圖2）；第二類吸收式熱泵是利用中溫熱源與低溫熱源的溫差，制取溫度高于中溫熱源的熱量，即升溫型熱泵。

圖1 壓縮式熱泵原理圖

圖2 第一類吸收式熱泵原理圖

熱泵用于熱電廠余熱回收利用進行采暖主要是以汽輪機抽汽作為驅(qū)動熱源，回收汽輪機乏汽余熱，熱泵大多數(shù)采用第一類吸收式熱泵，通常以溴化鋰為吸收劑，也可采用背壓機驅(qū)動壓縮式熱泵或電機驅(qū)動壓縮式熱泵。

1.2 熱泵技術方案比較

對以上三種可用于熱電廠進行汽輪機乏汽回收的熱泵技術方案進行對比：背壓機驅(qū)動壓縮式熱泵。蒸汽驅(qū)動背壓機、背壓機驅(qū)動壓縮機，系統(tǒng)主要設備有背壓機、壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流元件等，適應場合為驅(qū)動蒸汽壓力大于0.6MPa（a），熱泵COP 約5，設備價格相對較高，在熱力發(fā)電廠供熱應用較少；電機驅(qū)動壓縮式熱泵。電動機驅(qū)動壓縮機，主要有電動機、壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流元件等，適用于供熱機組調(diào)峰，熱泵COP 約5，價格相對較高，在熱力發(fā)電廠供熱應用較少；第一類吸收式熱泵。蒸汽驅(qū)動發(fā)生器，主要有發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溶液熱交換器、節(jié)流裝置、溶液泵、冷劑泵等。適應驅(qū)動蒸汽壓力小于或等于0.6MPa（a），熱泵COP 約1.7，價格相對較低，比壓縮式熱泵低約30%～50%，目前國內(nèi)有100多個熱電廠的應用業(yè)績。

對于背壓機驅(qū)動的壓縮式熱泵，首先是背壓機消耗汽輪機抽汽的熱能獲得機械能，此過程中存在熱功轉(zhuǎn)化系數(shù)，汽輪機抽汽的熱功轉(zhuǎn)化系數(shù)約為0.3，也就是說有大約70%的能量損失，然后熱泵通過機械驅(qū)動壓縮機回收汽輪機乏汽余熱，還有驅(qū)動熱泵的背壓機排汽的供熱量[2]，在相同的驅(qū)動蒸汽條件下，其整個熱泵系統(tǒng)的輸出熱量與吸收式熱泵系統(tǒng)輸出的熱量相當。

對于電動機驅(qū)動的壓縮式熱泵，其電能獲取可認為比背壓機效率高一些，但也存在50%以上的能量損失，背壓機驅(qū)動的熱泵整個系統(tǒng)輸出熱量還有背壓機的排汽熱量，此部分熱量全部被用于供熱，在相同的驅(qū)動蒸汽條件下，其整個供熱系統(tǒng)輸出的熱量比蒸汽驅(qū)動壓縮式熱泵系統(tǒng)輸出的熱量少大約25%。

通過以上比較和分析可看出壓縮式熱泵的COP高于吸收式熱泵，但在工程中應用較少，一方面是由于其造價較高，其次從整個熱泵系統(tǒng)流程進行分析可看出在相同驅(qū)動蒸汽條件下，背壓機驅(qū)動熱泵供熱系統(tǒng)輸出的熱量與吸收式熱泵系統(tǒng)相當，電機驅(qū)動壓縮式熱泵供熱系統(tǒng)輸出熱量小于吸收式熱泵系統(tǒng)。

2 供熱方案選擇

供熱方案一般設計流程。在工程中進行供熱方案選擇時，首先應明確熱負荷及用戶對熱網(wǎng)循環(huán)水溫度的要求，再根據(jù)汽輪機抽汽參數(shù)、排汽參數(shù)（或循環(huán)水參數(shù)）等進行熱泵的選型及供熱系統(tǒng)優(yōu)化，最后通過技術經(jīng)濟分析確定最終的熱泵型式及供熱系統(tǒng)方案，如有需要也可對幾種可行的技術方案進行技術經(jīng)濟比較，確定最優(yōu)的供熱方案。

圖3 供熱系統(tǒng)方案選擇設計流程圖

界區(qū)參數(shù)。熱電廠界區(qū)參數(shù)就是全廠熱負荷及熱網(wǎng)供回水參數(shù)，這些主要參數(shù)一般是在城市或區(qū)域的供熱規(guī)劃中明確的，城市供熱規(guī)劃主要內(nèi)容有：預測城市熱負荷，確定供熱能源種類、供熱方式、供熱分區(qū)、熱源規(guī)模，合理布局熱源、熱網(wǎng)系統(tǒng)及配套設施。本工程2×1000MW 熱電機組供熱熱負荷為600MW，其中熱泵提供熱負荷為300MW。城市熱網(wǎng)供回水溫度通常為130/70℃或120/60℃，實際運行時供回水溫度低于設計溫度，熱網(wǎng)供回水溫度較低時有利于擴大余熱利用回收規(guī)模，優(yōu)化熱泵設計[2]，本工程熱網(wǎng)供回水溫度確定為120/60℃，熱網(wǎng)水流量為8600t/h。

供熱系統(tǒng)擬定及熱泵選型。根據(jù)熱泵的特點，熱泵系統(tǒng)的熱網(wǎng)水出口與余熱低溫熱源出口溫差不宜過大，目前工程應用中溫差一般為40℃左右，如溫差增加10℃設備價格增加50%以上。目前熱泵用于熱電廠供熱，供熱系統(tǒng)一般由熱泵與熱網(wǎng)加熱器兩部分組成，熱泵將熱網(wǎng)回水加熱后進入熱網(wǎng)加熱器，經(jīng)熱網(wǎng)加熱器加熱后供城市熱網(wǎng)。本工程2×1000MW 空冷機組采用熱泵來利用汽輪機乏汽熱量，熱泵驅(qū)動蒸汽及熱網(wǎng)加熱器加熱蒸汽來自汽輪機低壓缸抽汽，抽汽口參數(shù)為0.522MPa（a）、270℃，低溫熱源是汽輪機排汽，排汽口參數(shù)為11kPa、45.8℃，根據(jù)熱泵特點及同類工程應用情況，本工程選用第一類吸收式熱泵，熱網(wǎng)供回水溫度確定為120/60℃，熱泵將熱網(wǎng)回水由60℃加熱到90℃，熱網(wǎng)加熱器將熱網(wǎng)水繼續(xù)加熱至120℃供城市熱網(wǎng)。

圖4 以乏汽為低溫熱源的吸收式熱泵原則性熱力系統(tǒng)圖

參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)熱泵系統(tǒng)，分別對低溫熱源、中溫介質(zhì)（熱網(wǎng)水）及驅(qū)動熱源參數(shù)進行分析。對于低溫熱源，低溫熱源的溫度不宜過低，低溫熱源的溫度越高熱泵供熱能力越大[5]，在實際工業(yè)應用中溫度在30～45℃較為經(jīng)濟；對于被加熱的熱網(wǎng)水，首先其回水溫度不宜過高，熱網(wǎng)回水溫度越低熱泵的能效就越高，同時驅(qū)動熱泵的蒸汽參數(shù)也可以更低；其次熱網(wǎng)水供水溫度也不宜過高，一般不宜超過90℃；對于驅(qū)動熱源，針對第一類吸收式熱泵，其壓力無過高要求，一般只需要高于0.3MPa（a），溫度也無需過高，過熱溫度宜小于15℃[4]，這樣有利于熱量的梯級利用，具有良好的經(jīng)濟性和節(jié)能效果。在工程實際應用中，可根據(jù)工程的實際情況，遵循以上原則對熱泵的相關參數(shù)進行優(yōu)化，選取經(jīng)濟性高、造價合理的最佳方案。

3 熱經(jīng)濟性分析及節(jié)能減排分析

3.1 熱經(jīng)濟性分析

熱泵設計熱負荷按式（1）進行計算。式中Qrb為熱泵設計熱負荷，kW；Gfrb為熱泵乏汽流量，t/h；Gqrb為熱泵驅(qū)動蒸汽流量，t/h；hf為乏汽焓值，kJ/kg；hfs為乏汽疏水焓值，kJ/kg；hq為驅(qū)動蒸汽焓值，kJ/kg；hqs為熱泵驅(qū)動蒸汽疏水焓值，kJ/kg；ηrb為熱泵傳熱效率，%。

表1 熱泵系統(tǒng)介質(zhì)參數(shù)及計算結果表

本工程單臺機組2臺熱泵系統(tǒng)介質(zhì)參數(shù)及計算結果如表1，可看出本工程單臺機組2臺熱泵的設計熱負荷為150MW。

熱網(wǎng)加熱器熱負荷按式（2）進行計算。式中Qrj為熱網(wǎng)加熱器設計熱負荷、kW，Gcrj為熱網(wǎng)加熱器抽汽流量、t/h，hc為熱網(wǎng)加熱器抽汽焓值、kJ/kg，hcs為熱網(wǎng)加熱器抽汽疏水焓值、kJ/kg，ηrj為熱網(wǎng)加熱器傳熱效率、%。按本工程數(shù)據(jù)，計算得本工程單臺機組熱網(wǎng)加熱器設計熱負荷為150MW；熱電廠設計熱負荷按Q=Qrb+Qrj進行計算。式中Q 為熱電廠設計熱負荷，kW。按本工程數(shù)據(jù)，計算得本工程單臺機組2臺熱泵及熱網(wǎng)加熱器的設計熱負荷為300MW，全廠兩臺機組設計熱負荷為600MW。熱泵的熱力經(jīng)濟性一般采用性能系數(shù)COP 來表示，其定義為熱泵制熱量與輸入熱量的比值按式（3）計算。式中COP 為熱泵的性能系數(shù)。按本工程數(shù)據(jù)計算可得本工程熱泵的COP 為1.725。

3.2 技術經(jīng)濟性分析

3.2.1 工程造價估算

本文是分析在熱電廠采用熱泵利用汽輪機乏汽余熱進行采暖的經(jīng)濟性，故在此僅對熱泵相關系統(tǒng)工程進行造價估算，其主要包含設備材料費用，廠房等建筑物造價，設備安裝費用及其它有關項目建設費用（萬元）：熱泵設備4000，其它設備及管道閥門等2000，電氣、熱控專業(yè)300，建筑工程1000，地基處理400，設備安裝1000，其它費用500，合計9200。

3.2.2 技術經(jīng)濟性分析

本工程采用熱泵利用汽輪機乏汽余熱進行采暖，收益主要是供熱收益，運營成本包括折舊費、經(jīng)營成本，經(jīng)營成本主要是熱泵系統(tǒng)耗電費用，還有運行人員薪酬、維護費用等。用平均年限法計算熱泵系統(tǒng)工程年折舊率，將熱泵系統(tǒng)的投資按年折舊率分攤到預計使用壽命期（年），以此計算采用熱泵系統(tǒng)工程投資分攤到每年的費用。年折舊率=1-預計凈殘值/預計使用壽命×100%。

本工程殘值率取5%，預計使用壽命按15年計算，則年折舊率為6.33%，按年折舊率將工程投資分攤到預計使用壽命期，則每年分攤費用約為583萬元。本工程為熱泵回收汽輪機乏汽進行供熱的收益，每年收益基本不變，可用靜態(tài)投資回收期法進行評價，靜態(tài)投資回收期按Pt=K/A 進行計算。式中Pt為靜態(tài)投資回收期，年；K 為總投資，萬元；A 為年收益，萬元/年。按本工程數(shù)據(jù)計算得本工程熱泵系統(tǒng)工程靜態(tài)投資回收期為3.2年。

熱泵系統(tǒng)工程技術經(jīng)濟性分析如下：熱泵負荷300MW，回收汽輪機乏汽熱量126MW，運行2880小時，熱泵年回收熱量130.6×104GJ，熱價28.5元/GJ，熱泵系統(tǒng)用電負荷200kW/h，上網(wǎng)電價0.32元/kWh，折舊費583萬元/年，運行人員薪酬60萬元/年，維護費用140萬元/年，靜態(tài)投資回收期3.2年。

3.3 節(jié)能減排分析

采用熱泵回收汽輪機乏汽余熱進行采暖，相對于汽輪機抽汽直接加熱熱網(wǎng)水方案比較，在相同供熱量的條件下，熱泵回收的余熱就是節(jié)約的能源消耗，也就節(jié)約了煤炭消耗，年節(jié)煤量ΔB=(Qfq/29037ηglηgd)τ，式中ΔB 為節(jié)煤量（標準煤），kg；Qfq為利用乏汽的熱量，kJ；τ 為年運行小時數(shù)，h；ηgl為鍋爐效率，%；ηgd為管道效率，%。根據(jù)《綜合能耗計算通則》（GB/T2589-2008），計算綜合能耗及節(jié)能量時需將能量折合為標準煤當量，標準煤低位發(fā)熱量按29307kJ/kg。按本工程數(shù)據(jù)計算得本工程回收汽輪機乏汽余熱進行供熱每年節(jié)約的煤耗量為4.9×104t。

4 結語

熱泵用于熱電廠主要有背壓機驅(qū)動的壓縮式熱泵、電驅(qū)動壓縮式熱泵及第一類吸收式熱泵三種技術方案，目前大多數(shù)熱電廠采用第一類吸收式熱泵。以某2×1000MW 熱電廠為例，采用4臺75MW 的第一類吸收式熱泵回收汽輪機乏汽余熱進行采暖，熱泵COP 為1.725，每年可回收汽輪機乏汽余熱126MW。熱泵工程造價約為9200萬元，工程靜態(tài)投資回收期為3.2年，本工程具有良好的經(jīng)濟性。該工程采用熱泵利用汽輪機乏汽余熱進行采暖，兩臺機組每年可以節(jié)約煤炭消耗4.9萬噸，相應減少了煤炭燃燒引起的污染物排放，具有明顯的節(jié)能減排效益。