汽机热泵系统热力学分析与运行优化

汽机热泵系统热力学分析与运行优化

李文权

中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司湖北武汉430071

摘要：根据经典热力学，可逆系统拥有最大的效率，然而可逆系统距离实际系统较远，可逆系统的性能参数无法有效地代表实际系统的性能。近些年有限时间热力学的发展为实际系统性能研究提供了较有效的方法。根据热力学原理，温差越大，损失也就越大，但要完成一定传热效率，则必定有一个最小的温差，对应于这个温差的损失就是无法避免的，而超过这一温差的损失可以通过强化传热等措施来减少。本文分析了汽机热泵系统热力学与运行优化的相关内容。

关键词：汽机热泵系统；热力学分析；运行优化；

目前，凝汽电厂热电联产改造过程中存在的主要问题有两点：一是供热参数不经济。凝汽电厂热电联产供热改造时，常采用汽轮机中低压缸连通管打孔抽汽的方式，需要在外部进行减温减压，将抽出的热蒸汽经过降温减压器后，才能进入热网加热器，这将造成很大高品位能量的损失。二是冷却水热量浪费。（含抽汽式）机组采用循环冷却水来冷凝发电机组的排汽，循环冷却水散发的热量具有很好的利用价值。

一、系统模型

汽机热泵系统工作原理如图1，由动力循环和压缩式式热泵循环两部分组成，包括汽机、压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀．动力部分的高温热源温度为TH1，向低温热源TL1放热，汽机中蒸汽做功，温度由T1降至T2，蒸汽做功产生的机械能驱动热泵的压缩机工作．热泵由汽机带动，从低温热源TL2吸热，向高温热源TH2放热，热泵蒸发器与冷凝器中工质的工作温度分别为Te、Tc。

二、汽机热泵系统热力学分析

电厂抽汽供热改造能够使能源综合利用效率得到提高，节约能源消耗，使电厂的经济效益得到提高，但无论是小型还是大型电厂，供热抽汽压力均相对供热系统承受的压力高，抽汽必须经过减压才能利用。减温减压装置用在电站和工业锅炉及热电厂等处，将输送来的一次（新）蒸汽压力、温度进行减温减压，使其二次蒸汽压力、温度达到生产工艺所要求的数值，广泛用于电站、石化、轻工、冶金等工业部门及城市供热、供暖系统。减温减压器中涉及的工质分别为水和蒸汽，水和水蒸气的比焓和比熵可采用工业用公式计算，将水和水蒸气的性质公式扩展为６个区域，计算公式较为复杂，由于蒸汽和水的比焓和比熵均与此时的温度和压力相关，而热电联产所涉及的水与水蒸气的区域也较小，为计算分析方便，将本文所研究的未饱和水和过热水蒸气的火用值拟合为式中的二元二次函数：，式中：ｐ为工质的压力，ＭＰａ；Ｔ为工质的温度，Ｋ。对于饱和水和饱和蒸汽，温度与压力相对应，将本文所研究范围内的饱和水与饱和水蒸气的火用值分别拟合为抛物线和直线，假设减温减压器工作过程中，减温水全部变为蒸汽且没有汽水损失，减温减压器工作过程的火用损失最小。以进口蒸汽压力1.0ＭＰａ，温度350℃，进口蒸汽流量1ｋｇ，冷却水压力0.1ＭＰａ，温度为20℃，经减温减压器降低至压力0.2ＭＰａ和0.3ＭＰａ为例，减温减压器中蒸汽的火用损失随排汽温度的升高而降低，当排汽温度相同时，排汽压力越高火用损失越小，减温减压器的排汽温度与压力受热网加热器承压与耐温程度的限制。减温减压器的实际工作过程中，饱和水量与冷却水量的比值一般，相同饱和水量与冷却水量的比值和相同排汽温度情况下，排汽压力越低，减温减压器中蒸汽的火用损失越多；当排汽压力一定时，火用损失率随排汽温度的升高而减小；在排汽温度也相同的条件下，饱和水量与冷却水量的比值越大，火用损失率也越大，排汽温度从160℃上升至260℃，损失率分别在20.88％～23.9％之间和22.53％～27.63％之间。热泵循环内可逆性对系统性能优化边界的影响大于汽机内不可逆性的影响。

三、运行优化

1.基于能量梯级利用原理与总能应用方法，本文提出采用电厂汽轮机中压缸抽汽驱动小汽轮机带动复叠式高温热泵工作，回收电厂循环冷却水余热供暖的循环系统。以减温减压器中蒸汽的高品位能量损失为动力，驱动高温复叠式热泵的压缩机回收循环冷却水的低温热量，其特征如下：一是以汽轮机驱动复叠式高温热泵代替原有减温减压器，不影响发电机组正常工作，汽轮机与高温热泵及相关设备技术比较成熟，技术经济合理可行。二是减温减压器中损失的高品位能量以机械能的形式加以利用，将回收的机械能驱动热泵的压缩机工作，在供热负荷不变的情况下，减少了供热用蒸汽的消耗，降低了供热能耗。三是充分利用减温减压器中蒸汽损失的能量，将这部分能量转化为功加以利用，使系统的火用效率有所提高，满足能量的梯级利用原则。四是回收减温减压器中蒸汽能量，以电厂循环冷却水作为热泵的低位热源，通过热泵回收循环冷却水的能量，提高了联产系统的能源利用效率，节能效果明显。同时，循环系统的应用还可以节约燃料消耗量，减少灰渣、烟尘、二氧化硫及氮氧化物等污染物的排放。循环系统的核心工作过程为：供热用抽汽从发电汽轮机的中压缸抽出，送至高温热泵机组的小汽轮机，驱动高温热泵机组的压缩机工作，小汽轮机的排汽进入热网加热器，热泵冷凝器将一次热网70℃左右的回水加热至80℃左右，再由热网加热器将采暖回水加热至一次网供水温度110～130℃；流出热网加热器的凝结水与发电凝结水混合经凝结水泵送回电厂锅炉；热泵装置的蒸发器与电厂器的循环冷却水换热，回收冷却水的低位热源，降低冷却塔散热负荷的同时，使废热得到了利用。

2.经济性。循环系统的使用，会在能量利用与经济效益方面为电厂的热电联产带来一定的收益，本节在热经济性和技术经济性两方面初探新系统的经济性，预估系统的经济性。

（1）经济性指标。循环系统与原减温减压器供热系统的产品均为热能，供热能力主要比较系统与原减温减压器系统在消耗相同能源的情况下，两系统供热量的大小。减温减压器供热系统供热量可表示为：

，式中：Ｑｈ为减温减压器系统的供热量，ＭＷ；

Ｄｈ为供热系统的抽汽量，ｔ／ｈ；ｈ１为供热系统的抽汽焓，ｋＪ／ｋｇ；ｈｓ为供热凝结水焓，ｋＪ／ｋｇ；ηｈ为热网效率，本文取0.97。

经济性分析。计算条件取热网供回水温度为130／70℃，驱动压缩机的小汽轮机的排汽温度与压力分别为180℃和0.3ＭＰａ，效率为58％，为了评价电厂应用系统供热的经济性，将新系统与原减温减压器系统的经济性指标进行比较分析，与减温减压器供热相比，循环系统提高了蒸汽的供热效率，在相同抽汽量的情况下，能够增加供热面积。

汽机热泵系统运行优化由内可逆汽机动力优化和内可逆压缩式热泵优化两部分组成。在动力优化和热泵两部分。虽然减温减压器中蒸汽能量在数量上没有损失，但从能量的质量角度来看很多高品质能量被浪费。基于能量梯级利用原理，提出了循环系统，新系统在供热量、能源利用率与经济性方面都优于减温减压器系统。

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