利用熱泵技術(shù)從循環(huán)水中提取熱量進(jìn)行供熱是火力發(fā)電廠節(jié)能降耗的一項(xiàng)重要手段。目前該技術(shù)的應(yīng)用有成功的例子，也有不少存在問題的項(xiàng)目。經(jīng)過對熱泵項(xiàng)目實(shí)施前期調(diào)研和方案論證、準(zhǔn)備，總結(jié)了一些實(shí)施熱泵循環(huán)水供熱方案設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)。本文結(jié)合某熱電廠熱泵項(xiàng)目實(shí)例，分析和介紹了熱泵設(shè)計(jì)邊界參數(shù)的優(yōu)化設(shè)定方法，總結(jié)了熱泵項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行效果和節(jié)能減排效益。

主題詞：熱泵；循環(huán)水供熱；邊界參數(shù)；節(jié)能減排；

1.引言

滄州華潤熱電有限公司（以后簡稱該公司）位于河北省滄州市郊，一期2×330MW工程兩臺機(jī)組設(shè)計(jì)供熱面積為1045萬㎡。目前已經(jīng)入網(wǎng)的供熱面積達(dá)到了1200多萬平方米，且急待入網(wǎng)的熱用戶呈逐年增加的趨勢。面對熱網(wǎng)增容的，機(jī)組供熱負(fù)荷和供熱系統(tǒng)配置不足的問題，該公司采用熱泵技術(shù)從循環(huán)水中提取熱量，預(yù)期達(dá)到熱網(wǎng)增容和供熱首站節(jié)能減排的目的。而根據(jù)熱網(wǎng)和機(jī)組的實(shí)際情況，選取合適的邊界設(shè)計(jì)參數(shù)，是實(shí)施熱泵循環(huán)水供熱首先要考慮的課題。

2.熱網(wǎng)首站技術(shù)規(guī)范簡介

該公司熱網(wǎng)首站為單元制，每臺機(jī)設(shè)置2臺熱網(wǎng)加熱器，4臺熱網(wǎng)循環(huán)泵，3臺熱網(wǎng)疏水泵，兩臺熱網(wǎng)補(bǔ)水泵和一臺低壓除氧器。每臺機(jī)進(jìn)回水母管直徑為1020mm，首站出口供回水母管為1200mm，為配合熱泵建設(shè)和熱網(wǎng)遠(yuǎn)期發(fā)展需要，與熱泵工程同步建設(shè)了兩條1200mm供熱母管。首站設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)見表1。


3.吸收式熱泵原理簡介

圖1是蒸汽吸收式熱泵的原理圖，設(shè)備包括蒸發(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。它以蒸汽為驅(qū)動熱源，在發(fā)生器內(nèi)釋放熱量Qg，加熱溴化鋰稀溶液并產(chǎn)生冷劑蒸汽。冷劑蒸汽進(jìn)入冷凝器，釋放冷凝熱Qc加熱流經(jīng)冷凝器傳熱管內(nèi)的熱水，自身冷凝成液體后節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器。冷劑水經(jīng)冷劑泵噴淋到蒸發(fā)器傳熱管表面，吸收流經(jīng)傳熱管內(nèi)低溫?zé)嵩此臒崃縌e，使熱源水溫度降低后流出機(jī)組，冷劑水吸收熱量后汽化成冷劑蒸汽，進(jìn)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(jīng)吸收器傳熱管的熱水。熱水流經(jīng)吸收器、冷凝器升溫后，輸送給熱用戶。


屏蔽泵的做功與以上幾種熱量相比，基本上可以不用考慮，因此可以列出以下平衡式：
吸收式熱泵的輸出熱量為Qa+Qc，則其性能系數(shù)COP：
Qg----蒸汽的放熱量；

Qe----余熱水的放熱量；

Qc----溴化鋰稀溶液在冷凝器中的放熱量；

Qc----溴化鋰濃溶液在吸收器中的吸熱量；

由以上兩式可知：吸收式熱泵的供熱量等于從低溫?zé)嵩次盏臒崃亢万?qū)動熱源的輸入熱量之和，即：供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量（COP>1），故稱為增熱型熱泵。根據(jù)不同的工況條件，COP一般在1.65～1.85左右。由此可見，溴化鋰吸收式熱泵具有較大的節(jié)能優(yōu)勢。

4.熱泵效率影響因素

4.1驅(qū)動蒸汽壓力的影響


圖2為熱泵調(diào)研階段由熱泵某廠家提供的驅(qū)動蒸汽壓力與熱泵COP值的關(guān)系圖。從圖2中可以看出，驅(qū)動蒸汽壓力越高，熱泵的效率越高。主要原因是熱泵設(shè)計(jì)使用的驅(qū)動蒸汽熱量主要來自于蒸汽的汽化潛熱，而壓力越高，在同樣蒸汽耗量的情況下，蒸汽提供的汽化潛熱越高，因此，最終熱泵的COP值也會升高。

4.2熱網(wǎng)回水溫度的影響


圖3為熱泵某廠家提供的熱網(wǎng)回水溫度與熱泵COP值的關(guān)系圖。從圖3中可以看出，熱網(wǎng)回水溫度越低，熱泵的效率越高。主要原因是熱網(wǎng)回水溫度越低在吸收器中與高溫溴化鋰溶液的傳熱溫差越大，在熱泵溴化鋰溶液降溫梯相同和同樣熱網(wǎng)水流量的熱網(wǎng)水能夠吸收更多的熱量，最終提升了熱泵機(jī)組的有效吸熱量。

4.3循環(huán)水進(jìn)口溫度的影響


圖4為熱泵某廠家提供的熱源水(循環(huán)水)溫度與熱泵COP值的關(guān)系圖。從圖4中可以看出，熱源水溫度越高，熱泵的效率越高。主要原因是熱源水在蒸發(fā)器中溫度越高，與發(fā)生器中冷凝水換熱梯度會增加，熱源水放出的熱量會增加，熱源水的溫降增大，使得熱泵從熱源水的吸熱量增加而提升了熱泵的COP值。

4.4熱源水和熱網(wǎng)水流量對制熱量的影響


圖5-1和圖5-2是某熱泵廠家提供的熱源水流量與制熱量的關(guān)系曲線和熱網(wǎng)水流量與制熱量的關(guān)系曲線。從圖中可看出，熱源水和熱網(wǎng)水流量的增加都是與熱泵的制熱量是正相關(guān)關(guān)系。因此，增加項(xiàng)目設(shè)計(jì)的熱源水和熱網(wǎng)水流量可以使熱泵提取更多的余熱，實(shí)現(xiàn)更多的制熱量的。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，這兩個(gè)水流量是由汽輪機(jī)組的循環(huán)水系統(tǒng)冬季運(yùn)行方式和熱網(wǎng)供熱需求決定的。同時(shí)，這兩個(gè)流量的選取也受熱泵建設(shè)場地、單臺熱泵最大容量等條件的限制。

5熱泵設(shè)計(jì)情況介紹

5.1熱泵項(xiàng)目的邊界參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)研及分析


表2為該熱泵項(xiàng)目方案論證階段調(diào)研過的幾家熱泵邊界參數(shù)設(shè)計(jì)情況。表中的數(shù)理關(guān)系和項(xiàng)目的實(shí)際實(shí)施效果也驗(yàn)證了驅(qū)動蒸汽壓力、熱網(wǎng)水回水溫度、熱源水入口溫度三個(gè)重壓參數(shù)對熱泵設(shè)計(jì)和熱泵實(shí)際運(yùn)行效果的重要性。即：驅(qū)動蒸汽壓力高些，熱源水溫度可低些，熱網(wǎng)水溫度可高些；反之，驅(qū)動蒸汽壓力較低，如赤峰電廠，選擇的熱網(wǎng)水入口溫度必須低些，熱源水溫度必須高些，熱泵才能保證實(shí)施效果。

5.2邊界參數(shù)選擇及流程設(shè)計(jì)

5.2.1機(jī)組運(yùn)行工況的選取

基于以上分析和調(diào)研，并結(jié)合歷年機(jī)組供熱情況，該工程選取一臺300MW汽輪機(jī)組抽汽量為500t/h的供熱工況為設(shè)計(jì)工況，熱泵整體設(shè)計(jì)為：一臺300MW抽汽供熱機(jī)組在冬季供熱時(shí)循環(huán)水泵一臺低速泵運(yùn)行，流量12000m3/h，在機(jī)組抽汽供熱流量（包括去熱泵的驅(qū)動蒸汽）500t/h時(shí)，計(jì)算凝汽器排熱量為102MW；

5.2.2循環(huán)水入口溫度的確定

該項(xiàng)目循環(huán)水入口溫度的選取是由汽輪機(jī)組模擬試驗(yàn)確定的，在機(jī)組供熱期調(diào)整機(jī)組的抽汽量到500t/h，通過系統(tǒng)方法提升機(jī)組凝汽器的真空，使凝汽器的出口溫度達(dá)到熱泵預(yù)設(shè)計(jì)的34℃，通過開啟水塔旁路門的方式，使進(jìn)入凝汽器的循環(huán)水溫度維持在27℃。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，此時(shí)的機(jī)組真空值為-96kPa，基本是機(jī)組的最佳運(yùn)行真空，由真空降低造成的熱泵項(xiàng)目節(jié)能效果抵消可以戶忽略不計(jì)。這樣由試驗(yàn)確定選取凝汽器出口循環(huán)水溫度34℃作為熱泵的熱源水，熱泵降溫設(shè)計(jì)為7℃，27℃的水回凝汽器，在凝汽器中換熱后溫升到34℃，形成一個(gè)循環(huán)。

5.2.3熱泵熱網(wǎng)水出入口溫度的確定

熱網(wǎng)水邊界參數(shù)是按照實(shí)際歷年熱網(wǎng)運(yùn)行的平均回水溫度選取的55℃，熱泵機(jī)組的溫升選取55-75℃。熱網(wǎng)水加熱不足的部分繼續(xù)進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器加熱到熱網(wǎng)需要的溫度。在汽輪機(jī)組變工況運(yùn)行或熱網(wǎng)溫度變化時(shí)，達(dá)不到此熱平衡時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有部分水去冷水塔的旁路管和升壓泵，可以保證系統(tǒng)正常循環(huán)。

5.2.4熱泵驅(qū)動蒸汽壓力的確定

熱泵設(shè)計(jì)的驅(qū)動蒸汽取汽點(diǎn)在機(jī)組設(shè)計(jì)的供熱抽汽口上，即中壓缸的排汽口。但此熱泵驅(qū)動蒸汽壓力實(shí)際運(yùn)行時(shí)受機(jī)組的運(yùn)行工況、熱泵汽源的接口地點(diǎn)、管路流動損失等因素影響。由于這些因素的制約，驅(qū)動蒸汽的壓力在實(shí)際運(yùn)行時(shí)小于設(shè)計(jì)壓力，是造成熱泵項(xiàng)目實(shí)際實(shí)施效果不好的重要因素之一。此項(xiàng)目熱力試驗(yàn)時(shí)，在擬定的接口位置——熱網(wǎng)加熱器進(jìn)口蒸汽閥門前測量壓力，抽汽口壓力為0.35MPa(a)時(shí)，試驗(yàn)測試點(diǎn)的壓力只有0.08MPa(a)。鑒于此試驗(yàn)結(jié)果，項(xiàng)目實(shí)施時(shí)優(yōu)化了驅(qū)動蒸汽接口位置，并采用熱網(wǎng)加熱器加熱蒸汽和熱泵驅(qū)動蒸汽分離的方式，避免了熱網(wǎng)加熱器凝結(jié)作用對驅(qū)動蒸汽壓力的影響。項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行效果，在選定工況下熱泵前可達(dá)到0.32MPa(a)。


5.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝流程介紹

冷卻循環(huán)水系統(tǒng)：本工程只對#2冷卻塔的循環(huán)水進(jìn)行余熱回收利用，熱網(wǎng)循環(huán)水從凝汽器出來后，由原來的進(jìn)入冷卻塔改為先經(jīng)過吸收式熱泵機(jī)組，熱泵機(jī)組吸收循環(huán)水的熱量，然后直接進(jìn)入冷卻塔底部，然后經(jīng)過循環(huán)水泵再進(jìn)入凝汽器。

熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)：熱網(wǎng)循環(huán)水由原來的回水直接回?zé)峋W(wǎng)加熱器改為首先進(jìn)入吸收式熱泵機(jī)組，溫度提升后，再進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器進(jìn)行二次加熱后送入供熱管網(wǎng)。熱網(wǎng)循環(huán)水的供水溫度根據(jù)熱用戶負(fù)荷的變化調(diào)整出水的溫度，首先保證熱泵機(jī)組的滿負(fù)荷運(yùn)行，以達(dá)到最大的節(jié)能效果。

蒸汽系統(tǒng)：熱泵機(jī)組的驅(qū)動蒸汽源為汽輪機(jī)供熱抽汽，抽汽口為中壓缸排汽，蒸汽參數(shù)和熱網(wǎng)加熱器的蒸汽壓力相同，經(jīng)過減溫至飽和蒸汽溫度后加以利用，蒸汽接自#2熱網(wǎng)加熱器采暖抽汽。值得關(guān)注的問題是驅(qū)動蒸汽從熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽管道附近接口時(shí)往往因?yàn)闊峋W(wǎng)加熱器工作時(shí)的凝結(jié)作用，造成熱泵驅(qū)動蒸汽的汽壓不能保證，影響熱泵效率和正常工作。本項(xiàng)目充分考慮了這一問題，采取機(jī)組兩根抽汽管專供熱泵的方式運(yùn)行，很好的解決了蒸汽壓力不足的問題。

凝結(jié)水回收系統(tǒng)：蒸汽經(jīng)過熱泵機(jī)組后變成低溫的凝結(jié)水，熱泵站設(shè)計(jì)凝結(jié)水回收裝置，將凝結(jié)水送至熱網(wǎng)加熱器疏水箱，并入熱網(wǎng)加熱器的原來的疏水系統(tǒng)，返回到汽輪機(jī)的除氧器回收疏水。

整個(gè)項(xiàng)目的工藝流程圖如圖7。


5.4項(xiàng)目設(shè)計(jì)節(jié)能減排情況

本工程利用熱泵可回收循環(huán)水熱量102.7MW，折合標(biāo)準(zhǔn)煤為10.62t/h。按采暖期2880h，每年可節(jié)約標(biāo)煤30581t。在考慮90%脫硫效率和99.5%除塵效率的情況下，每年可減排煙塵20t、SO271t、NOx175t，每年可減少溫室氣體CO2排放7.41萬噸。由于本工程設(shè)計(jì)循環(huán)水不再進(jìn)水塔冷卻，由此供熱期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)節(jié)水23萬噸。

5.5工程實(shí)際實(shí)施情況及效果

該工程共建設(shè)8臺35MW熱泵機(jī)組，2011下半年方案設(shè)計(jì)和可研，2012年5月設(shè)備招標(biāo)，2014年1月投產(chǎn)，實(shí)際節(jié)能效果還未進(jìn)行熱力試驗(yàn)評估，實(shí)際投產(chǎn)的運(yùn)行參數(shù)見表3。


圖8和圖9為該工程廠房內(nèi)貌和選取的一臺熱泵運(yùn)行參數(shù)界面


6結(jié)論

6.1熱泵吸收凝汽電廠的循環(huán)水余熱用于供熱工程試用范圍是很寬的。

6.2蒸汽壓力、余熱水入口溫度和熱網(wǎng)水入口溫度是對熱泵效率影響最大的三個(gè)參數(shù)，在熱泵設(shè)計(jì)初期必須根據(jù)機(jī)組和熱網(wǎng)情況選擇好邊界參數(shù)。

6.3選擇余熱水入口溫度參數(shù)時(shí)必須設(shè)定機(jī)組的供熱運(yùn)行工況，并考慮機(jī)組真空對經(jīng)濟(jì)性的影響，必要時(shí)可進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

6.4選取蒸汽壓力時(shí)，必須考慮接口位置對蒸汽壓力的影響，避免熱網(wǎng)加熱器凝結(jié)造成驅(qū)動蒸汽壓力不足。

6.5熱泵項(xiàng)目的節(jié)能減排效果是很顯著的。